第一章控制系統(tǒng)的基本概念

1、第第1 1章章 控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的基本概念 目目 錄錄 1.1 1.1 控制系統(tǒng)的工作原理及其組成控制系統(tǒng)的工作原理及其組成 1.1.1 1.1.1 工作原理工作原理 1.1.2 1.1.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制 1.1.3 1.1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成 1.2 1.2 控制系統(tǒng)的基本類型控制系統(tǒng)的基本類型 1.2.1 1.2.1 按輸入量的特征分類按輸入量的特征分類 1.2.2 1.2.2 按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類 1.3 1.3 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 1.4 1.4 控制工程發(fā)展概況控制工程發(fā)展概

2、況 返回總目錄 1.1 1.1 控制系統(tǒng)的工作原理及其組成控制系統(tǒng)的工作原理及其組成1.1.1 1.1.1 工作原理工作原理 實(shí)現(xiàn)恒溫控制有人工控制和自動(dòng)控制兩種辦法。圖實(shí)現(xiàn)恒溫控制有人工控制和自動(dòng)控制兩種辦法。圖1.1為人為人工控制的恒溫箱簡(jiǎn)圖。人工控制的任務(wù)是克服外界干擾（如電源工控制的恒溫箱簡(jiǎn)圖。人工控制的任務(wù)是克服外界干擾（如電源學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的1.掌握控制系統(tǒng)的工作原理、組成及其分類掌握控制系統(tǒng)的工作原理、組成及其分類2.理解對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求理解對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求3.了解控制工程的發(fā)展概況了解控制工程的發(fā)展概況 內(nèi)容提要內(nèi)容提要本章主要闡述控制系統(tǒng)的工作原理、組成及本章主要闡述

3、控制系統(tǒng)的工作原理、組成及其分類和對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求其分類和對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 重重 點(diǎn)點(diǎn)控制系統(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)的工作原理 難難 點(diǎn)點(diǎn)確定系統(tǒng)的輸入量和輸出量；尋找反饋通道確定系統(tǒng)的輸入量和輸出量；尋找反饋通道 電壓波動(dòng)、環(huán)境溫度變化，等等），保持箱內(nèi)溫度恒定，以滿足電壓波動(dòng)、環(huán)境溫度變化，等等），保持箱內(nèi)溫度恒定，以滿足 物體對(duì)溫度的要求。操作者可以通過(guò)調(diào)壓器改變通過(guò)加熱電阻絲物體對(duì)溫度的要求。操作者可以通過(guò)調(diào)壓器改變通過(guò)加熱電阻絲的電流，以達(dá)到控制溫度的目的。箱內(nèi)溫度是由溫度計(jì)測(cè)量的。的電流，以達(dá)到控制溫度的目的。箱內(nèi)溫度是由溫度計(jì)測(cè)量的。人工調(diào)節(jié)過(guò)程可歸結(jié)如下：人工調(diào)節(jié)過(guò)程可歸結(jié)

4、如下： (1) 觀測(cè)由測(cè)量元件（溫度觀測(cè)由測(cè)量元件（溫度計(jì)）測(cè)出的恒溫箱內(nèi)的溫度計(jì)）測(cè)出的恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）。（被控制量）。 (2) 與要求的溫度值（給定與要求的溫度值（給定值）進(jìn)行比較，得出偏差的大值）進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向。小和方向。 (3) 根據(jù)偏差的大小和方向根據(jù)偏差的大小和方向再進(jìn)行控制。當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度高再進(jìn)行控制。當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度高于所要求的給定溫度值時(shí)，就移于所要求的給定溫度值時(shí)，就移動(dòng)調(diào)壓器使電流減小，溫度降低。若溫度低于給定的值，則移動(dòng)動(dòng)調(diào)壓器使電流減小，溫度降低。若溫度低于給定的值，則移動(dòng)調(diào)壓器，使電流增加，溫度升到正常范圍。調(diào)壓器，使電流增加，溫度升到正常范

5、圍。 圖圖1.1 1.1 人工控制的恒溫箱人工控制的恒溫箱人工控制過(guò)程實(shí)際上測(cè)量、求偏差，再控制以糾正偏差的過(guò)程。人工控制過(guò)程實(shí)際上測(cè)量、求偏差，再控制以糾正偏差的過(guò)程。 圖圖1.2就是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。其中，恒溫箱的所需溫度由就是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。其中，恒溫箱的所需溫度由 電壓信號(hào)電壓信號(hào)u1給定。當(dāng)外界因素引起箱內(nèi)溫度變化時(shí)，作為測(cè)量給定。當(dāng)外界因素引起箱內(nèi)溫度變化時(shí)，作為測(cè)量圖圖1.2 1.2 恒溫箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)恒溫箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)元件的熱電偶，把溫度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)元件的熱電偶，把溫度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào) u2 ，并反饋回去，并反饋回去 與給定信號(hào)與給定信號(hào) u1 相比較，所得結(jié)

6、果即為溫度的偏差信號(hào)相比較，所得結(jié)果即為溫度的偏差信號(hào)u = u1- u2 。經(jīng)過(guò)電壓、功率放大后，用以改變執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的。經(jīng)過(guò)電壓、功率放大后，用以改變執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速和方向，并通過(guò)傳動(dòng)裝置拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高轉(zhuǎn)速和方向，并通過(guò)傳動(dòng)裝置拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向著減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度時(shí)，動(dòng)觸頭向著減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止。即只有在偏差信號(hào)達(dá)到給定值為止。即只有在偏差信號(hào)u = 0 時(shí)，電動(dòng)機(jī)才停轉(zhuǎn)。時(shí)，電動(dòng)機(jī)才停轉(zhuǎn)。這樣就完成了所要求的控制任務(wù)。而所有這些裝置便組成了一個(gè)這樣就完成了所要求的控制任務(wù)。而所有這些裝置便

7、組成了一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)和人工控制系統(tǒng)非常相似。這里，測(cè)量裝置相自動(dòng)控制系統(tǒng)和人工控制系統(tǒng)非常相似。這里，測(cè)量裝置相當(dāng)于人的眼睛，控制器類似于人當(dāng)于人的眼睛，控制器類似于人 腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)好比人手。它們腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)好比人手。它們的共同特點(diǎn)都是要檢測(cè)偏差，并用檢測(cè)到的偏差去糾正偏差。因的共同特點(diǎn)都是要檢測(cè)偏差，并用檢測(cè)到的偏差去糾正偏差。因此，可以說(shuō)沒(méi)有偏差就不會(huì)有控制調(diào)節(jié)過(guò)程。此，可以說(shuō)沒(méi)有偏差就不會(huì)有控制調(diào)節(jié)過(guò)程。 在控制系統(tǒng)中，給定量又稱系統(tǒng)的輸入量，被控制量也稱系在控制系統(tǒng)中，給定量又稱系統(tǒng)的輸入量，被控制量也稱系統(tǒng)的輸出量。輸出量的返回過(guò)程稱為反饋，它表示輸出

8、量通過(guò)統(tǒng)的輸出量。輸出量的返回過(guò)程稱為反饋，它表示輸出量通過(guò)測(cè)量裝置將信號(hào)的全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進(jìn)行測(cè)量裝置將信號(hào)的全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較。比較產(chǎn)生的結(jié)果稱為偏差。在人工控制中，這一偏差是通比較。比較產(chǎn)生的結(jié)果稱為偏差。在人工控制中，這一偏差是通過(guò)人眼觀測(cè)后，由人腦判斷、決策得出的；而在自動(dòng)控制中，偏過(guò)人眼觀測(cè)后，由人腦判斷、決策得出的；而在自動(dòng)控制中，偏差則是通過(guò)反饋，由控制器進(jìn)行比較、計(jì)算產(chǎn)生的。差則是通過(guò)反饋，由控制器進(jìn)行比較、計(jì)算產(chǎn)生的。 自動(dòng)控制將檢測(cè)偏差、再糾正偏差過(guò)程自動(dòng)化。自動(dòng)控制將檢測(cè)偏差、再糾正偏差過(guò)程自動(dòng)化。 控制系統(tǒng)的工作原理控制系

9、統(tǒng)的工作原理如下：如下： (1) 檢測(cè)輸出量的實(shí)際值。檢測(cè)輸出量的實(shí)際值。 (2) 將實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差值。將實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差值。 (3) 用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差。用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差。 這種基于反饋原理、通過(guò)這種基于反饋原理、通過(guò)“檢測(cè)偏差再糾正偏差檢測(cè)偏差再糾正偏差”的系統(tǒng)稱的系統(tǒng)稱為為反饋控制系統(tǒng)。可見，作為反饋控制系統(tǒng)至少應(yīng)具備反饋控制系統(tǒng)?？梢?，作為反饋控制系統(tǒng)至少應(yīng)具備測(cè)量、比較測(cè)量、比較（或計(jì)算）和執(zhí)行（或計(jì)算）和執(zhí)行三個(gè)基本功能。三個(gè)基本功能。 控制系統(tǒng)的控制過(guò)程可以用系統(tǒng)的職能框圖清晰而形象地表控制系統(tǒng)的

10、控制過(guò)程可以用系統(tǒng)的職能框圖清晰而形象地表示。圖示。圖1.3所示為恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的職能框圖。所示為恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的職能框圖。 代表代表比較元件，箭頭代表作用方向，每個(gè)職能框代表一個(gè)環(huán)節(jié)，各環(huán)比較元件，箭頭代表作用方向，每個(gè)職能框代表一個(gè)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)的作用是單向的，其輸出受輸入控制。從圖中可以清楚地看到節(jié)的作用是單向的，其輸出受輸入控制。從圖中可以清楚地看到反饋控制的基本原理。反饋控制的基本原理。 1.1.2 1.1.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制 1.1.開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 如果系統(tǒng)只是根據(jù)輸入量和干擾量進(jìn)行控制，而輸出端和輸如果系統(tǒng)只是根據(jù)輸入量和干擾量進(jìn)行控

11、制，而輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量在整個(gè)控制過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的控入端之間不存在反饋回路，輸出量在整個(gè)控制過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱為制不產(chǎn)生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)。圖。圖1.4所示所示的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，由于沒(méi)有反饋通道，所以是一個(gè)開環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，由于沒(méi)有反饋通道，所以是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸出量?jī)H受輸入量的控制。系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸出量?jī)H受輸入量的控制。 圖圖1.3 1.3 恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)職能框圖恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)職能框圖 開環(huán)系統(tǒng)的控制精度較低。但是如果組成系統(tǒng)的元件特性和開環(huán)系統(tǒng)的控制精度較低。但是如果組成系統(tǒng)的

12、元件特性和參數(shù)值比較參數(shù)值比較穩(wěn)定，而且穩(wěn)定，而且外界的干擾外界的干擾也比較小，也比較小，則這種控制則這種控制系統(tǒng)也可以系統(tǒng)也可以保證一定的保證一定的精度。開環(huán)精度。開環(huán)控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，一般都能穩(wěn)定可靠地工作，控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，一般都能穩(wěn)定可靠地工作，因此對(duì)于要求不高的系統(tǒng)可以采用。因此對(duì)于要求不高的系統(tǒng)可以采用。 圖圖1.4 1.4 數(shù)控機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)滑動(dòng)臺(tái)面系統(tǒng)滑動(dòng)臺(tái)面系統(tǒng) （開環(huán)系統(tǒng)）（開環(huán)系統(tǒng)）2.2.閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過(guò)

13、程產(chǎn)生直接影響，這種系統(tǒng)稱為制過(guò)程產(chǎn)生直接影響，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)必是閉。反饋控制系統(tǒng)必是閉環(huán)控制系統(tǒng)。環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是控制閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，不管遇到什么干擾，只要被精度高，不管遇到什么干擾，只要被控制量的實(shí)際值偏離給定值，閉環(huán)控控制量的實(shí)際值偏離給定值，閉環(huán)控制就會(huì)產(chǎn)生控制作用來(lái)減小這一偏差。制就會(huì)產(chǎn)生控制作用來(lái)減小這一偏差。 閉環(huán)控制系統(tǒng)也有它的閉環(huán)控制系統(tǒng)也有它的缺點(diǎn)缺點(diǎn)，這，這類系統(tǒng)是靠偏差進(jìn)行控制的，因此，類系統(tǒng)是靠偏差進(jìn)行控制的，因此，在整個(gè)控制過(guò)程中始終存在著偏差，在整個(gè)控制過(guò)程中始終存在著偏差，由于元件的慣

14、性（如負(fù)載的慣性），由于元件的慣性（如負(fù)載的慣性），若參數(shù)配置不當(dāng)，很容易引起振蕩，若參數(shù)配置不當(dāng)，很容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定而無(wú)法工作。使系統(tǒng)不穩(wěn)定而無(wú)法工作。 由由11臺(tái)小型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)臺(tái)小型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的戰(zhàn)神汽車的戰(zhàn)神汽車“Sojourner” 3.3.半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng) 如果控制系統(tǒng)的如果控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)反饋信號(hào)不是直接從系統(tǒng)的輸出端引出，而不是直接從系統(tǒng)的輸出端引出，而是是間接間接地取自中間的測(cè)量元件，例如在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)地取自中間的測(cè)量元件，例如在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，若將位置檢測(cè)裝置安裝在傳動(dòng)絲杠的端部，間接測(cè)量工作臺(tái)中，若將位置檢測(cè)裝置安裝在傳動(dòng)絲杠的端部

15、，間接測(cè)量工作臺(tái)的實(shí)際位移，則這的實(shí)際位移，則這種系統(tǒng)稱為種系統(tǒng)稱為半閉環(huán)半閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)。 半閉環(huán)控制系半閉環(huán)控制系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)統(tǒng)可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)更高的控制精系統(tǒng)更高的控制精度，但比閉環(huán)系統(tǒng)度，但比閉環(huán)系統(tǒng)要低；與閉環(huán)系統(tǒng)要低；與閉環(huán)系統(tǒng)相比，它易于實(shí)現(xiàn)相比，它易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。目前系統(tǒng)的穩(wěn)定。目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都采用這種半閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)。大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都采用這種半閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)。 配有高靈敏相機(jī)、用于檢查半導(dǎo)體芯片配有高靈敏相機(jī)、用于檢查半導(dǎo)體芯片鍍膜層的三軸控制系統(tǒng)鍍膜層的三軸控制系統(tǒng) （半閉環(huán)控制）（半閉環(huán)控制）1.1.3 1.1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成閉環(huán)控

16、制系統(tǒng)的組成 圖圖1.5所示為一個(gè)較完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由圖可見，閉環(huán)所示為一個(gè)較完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由圖可見，閉環(huán)控制系統(tǒng)一般應(yīng)該包括給定元件、反饋元件、比較元件、放大元控制系統(tǒng)一般應(yīng)該包括給定元件、反饋元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件及校正元件等。件、執(zhí)行元件及校正元件等。 圖圖1.5 1.5 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成 1給定元件給定元件 主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。例如，圖主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。例如，圖1.2中電位計(jì)中電位計(jì)里的可變電阻。里的可變電阻。 2反饋元件反饋元件 它測(cè)量被控制量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號(hào)。一般，為了便它測(cè)量被控制量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信

17、號(hào)。一般，為了便于傳輸，主反饋信號(hào)多為電信號(hào)。因此，反饋元件通常是一些用于傳輸，主反饋信號(hào)多為電信號(hào)。因此，反饋元件通常是一些用電量來(lái)測(cè)量非電量的元件。電量來(lái)測(cè)量非電量的元件。 必須指出，在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)電、電機(jī)等系統(tǒng)中存在必須指出，在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)電、電機(jī)等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋。這是一種沒(méi)有專設(shè)反饋元件的信息反饋，是系統(tǒng)內(nèi)著內(nèi)在反饋。這是一種沒(méi)有專設(shè)反饋元件的信息反饋，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互作用而產(chǎn)生的反饋信息流，如作用力與反作用力之部各參數(shù)相互作用而產(chǎn)生的反饋信息流，如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。內(nèi)在反饋回路由系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性確定，它所間形成的直接反饋。內(nèi)在反饋回路由系統(tǒng)動(dòng)

18、力學(xué)特性確定，它所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。 3比較元件比較元件 用來(lái)接收輸入信號(hào)和反饋信號(hào)并進(jìn)行比較，產(chǎn)生反映兩者差用來(lái)接收輸入信號(hào)和反饋信號(hào)并進(jìn)行比較，產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。例如，圖值的偏差信號(hào)。例如，圖1.2中的電位計(jì)。中的電位計(jì)。 4放大元件放大元件 對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大的元件。例如，電壓放大器、功率放對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大的元件。例如，電壓放大器、功率放大器、電液伺服閥、電氣比例大器、電液伺服閥、電氣比例/伺服閥等。放大元件的輸出一定伺服閥等。放大元件的輸出一定要有足夠的能量，才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)控制功能。要有足夠的能量，才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)

19、控制功能。 5執(zhí)行元件執(zhí)行元件 直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件。例如，伺服電動(dòng)機(jī)、液壓直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件。例如，伺服電動(dòng)機(jī)、液壓（氣）馬達(dá)、伺服液壓（氣）缸等。（氣）馬達(dá)、伺服液壓（氣）缸等。 6校正元件校正元件 為保證控制質(zhì)量，使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能而加入系為保證控制質(zhì)量，使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能而加入系統(tǒng)的元件。校正元件又稱校正裝置。串接在系統(tǒng)前向通路上的稱統(tǒng)的元件。校正元件又稱校正裝置。串接在系統(tǒng)前向通路上的稱為串聯(lián)校正裝置；并接在反饋回路上的稱為并聯(lián)校正裝置。為串聯(lián)校正裝置；并接在反饋回路上的稱為并聯(lián)校正裝置。 1.2 1.2 控制系統(tǒng)的基本類型控制系統(tǒng)的基本類型 1

20、.2.1 1.2.1 按輸入量的特征分類按輸入量的特征分類 1恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 這種控制系統(tǒng)的輸入量是一個(gè)恒定值，一經(jīng)給定，在運(yùn)行過(guò)這種控制系統(tǒng)的輸入量是一個(gè)恒定值，一經(jīng)給定，在運(yùn)行過(guò)程中就不再改變（但可定期校準(zhǔn)或更改輸入量）。程中就不再改變（但可定期校準(zhǔn)或更改輸入量）。恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)的任務(wù)的任務(wù)是保證在任何擾動(dòng)下系統(tǒng)的輸出量為恒值。是保證在任何擾動(dòng)下系統(tǒng)的輸出量為恒值。 工業(yè)生產(chǎn)中的溫度、壓力、流量、液面等參數(shù)的控制，有些工業(yè)生產(chǎn)中的溫度、壓力、流量、液面等參數(shù)的控制，有些原動(dòng)機(jī)的速度控制，機(jī)床的位置控制，電力系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓、頻原動(dòng)機(jī)的速度控制，機(jī)床的位置控制，電力系統(tǒng)的電

21、網(wǎng)電壓、頻率控制等，均屬此類。率控制等，均屬此類。 2程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的輸入量不為常值，但其變化規(guī)律是預(yù)先知道和確這種系統(tǒng)的輸入量不為常值，但其變化規(guī)律是預(yù)先知道和確定的?？梢灶A(yù)先將輸入量的變化規(guī)律編成程序，由該程序發(fā)出控定的。可以預(yù)先將輸入量的變化規(guī)律編成程序，由該程序發(fā)出控制指令，在輸入裝置中再將控制指令轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)全系制指令，在輸入裝置中再將控制指令轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)全系統(tǒng)的作用，使控制對(duì)象按指令的要求而運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)繪圖儀就是統(tǒng)的作用，使控制對(duì)象按指令的要求而運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)繪圖儀就是典型的典型的程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)。 工業(yè)生產(chǎn)中的過(guò)程控制系統(tǒng)按生產(chǎn)工藝的要求

22、編制成特定的工業(yè)生產(chǎn)中的過(guò)程控制系統(tǒng)按生產(chǎn)工藝的要求編制成特定的程序，由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其控制。這就是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的數(shù)程序，由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其控制。這就是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的數(shù)字程序控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。微處理機(jī)控制將程序控制系字程序控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。微處理機(jī)控制將程序控制系統(tǒng)推向更普遍的應(yīng)用領(lǐng)域統(tǒng)推向更普遍的應(yīng)用領(lǐng)域 。 圖圖1.6表示一個(gè)用于機(jī)床切削加工的表示一個(gè)用于機(jī)床切削加工的程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)。 圖圖1.6 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) a) 上圖為開環(huán)控制上圖為開環(huán)控制b) 下圖為閉環(huán)控制下圖為閉環(huán)控制 3隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)部門又稱隨動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)部門又稱

23、伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的輸入量的變。這種系統(tǒng)的輸入量的變化規(guī)律是不能預(yù)先確化規(guī)律是不能預(yù)先確定的。當(dāng)輸入量發(fā)生定的。當(dāng)輸入量發(fā)生變化時(shí)，則要求輸出變化時(shí)，則要求輸出量迅速而平穩(wěn)地跟隨量迅速而平穩(wěn)地跟隨著變化，且能排除各著變化，且能排除各種干擾因素的影響，種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)控制信號(hào)準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)控制信號(hào)的變化規(guī)律（此即伺的變化規(guī)律（此即伺服的含義）。控制指服的含義）?？刂浦噶羁梢杂刹僮髡吒鶕?jù)令可以由操作者根據(jù)需要隨時(shí)發(fā)出，也可需要隨時(shí)發(fā)出，也可以由目標(biāo)物或相應(yīng)的以由目標(biāo)物或相應(yīng)的測(cè)量裝置發(fā)出。測(cè)量裝置發(fā)出。 圖圖1.7 液壓仿形車床工作原理圖液壓仿形車床工作原理圖 圖圖1.7所示為液壓

24、仿形車床工作原理圖。當(dāng)閥心所示為液壓仿形車床工作原理圖。當(dāng)閥心8處于圖示中處于圖示中間位置時(shí)，沒(méi)有壓力油進(jìn)入液壓缸前后兩腔，液壓缸不動(dòng)。當(dāng)閥間位置時(shí)，沒(méi)有壓力油進(jìn)入液壓缸前后兩腔，液壓缸不動(dòng)。當(dāng)閥心偏離中位，例如向前伸出時(shí)，節(jié)流口心偏離中位，例如向前伸出時(shí)，節(jié)流口2、4保持關(guān)閉，節(jié)流口保持關(guān)閉，節(jié)流口1、3打開，壓力油經(jīng)節(jié)流口打開，壓力油經(jīng)節(jié)流口3進(jìn)入液壓缸前腔，而其后腔的油液經(jīng)進(jìn)入液壓缸前腔，而其后腔的油液經(jīng)節(jié)流口節(jié)流口1流回油箱，缸體帶動(dòng)刀具向前運(yùn)動(dòng)；同樣，當(dāng)閥心偏離流回油箱，缸體帶動(dòng)刀具向前運(yùn)動(dòng)；同樣，當(dāng)閥心偏離中位向后收縮時(shí)，節(jié)流口中位向后收縮時(shí)，節(jié)流口1、3關(guān)閉，關(guān)閉，2、4打開，壓

25、力油經(jīng)節(jié)流打開，壓力油經(jīng)節(jié)流口口2進(jìn)入液壓缸后腔，而缸前腔的油液則經(jīng)節(jié)流口進(jìn)入液壓缸后腔，而缸前腔的油液則經(jīng)節(jié)流口4流回油箱，流回油箱，缸體帶動(dòng)刀具向后運(yùn)動(dòng)。圖中，液壓缸缸體和控制閥閥體連成一缸體帶動(dòng)刀具向后運(yùn)動(dòng)。圖中，液壓缸缸體和控制閥閥體連成一體，形成液壓缸運(yùn)動(dòng)的負(fù)反饋，使液壓缸缸體與閥心的運(yùn)動(dòng)距離體，形成液壓缸運(yùn)動(dòng)的負(fù)反饋，使液壓缸缸體與閥心的運(yùn)動(dòng)距離和方向始終保持一致，所以液壓缸缸體（刀具）完全跟隨閥心和方向始終保持一致，所以液壓缸缸體（刀具）完全跟隨閥心（觸銷（觸銷8）運(yùn)動(dòng)。因此，這是一個(gè)隨動(dòng)（伺服）系統(tǒng)。）運(yùn)動(dòng)。因此，這是一個(gè)隨動(dòng)（伺服）系統(tǒng)。1.2.2 1.2.2 按系統(tǒng)中傳遞信

26、號(hào)的性質(zhì)分類按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類 1連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)都是連續(xù)時(shí)間變量的系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)都是連續(xù)時(shí)間變量的系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)又有線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)之分。用線控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)又有線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)之分。用線性微分方程描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)，不能用線性微分方程描述、性微分方程描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)，不能用線性微分方程描述、存在著非線性部件的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。存在著非線性部件的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。 2離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字量

27、傳遞的系統(tǒng)稱為離散控制系統(tǒng)（也稱數(shù)字控制系統(tǒng)）。在離散控制系統(tǒng)中，稱為離散控制系統(tǒng)（也稱數(shù)字控制系統(tǒng)）。在離散控制系統(tǒng)中，數(shù)字測(cè)量、放大、比較、給定等部件一般均由微處理機(jī)實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)字測(cè)量、放大、比較、給定等部件一般均由微處理機(jī)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的輸出經(jīng)算機(jī)的輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換加給伺服放大器，然后再去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元轉(zhuǎn)換加給伺服放大器，然后再去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元 件；或由計(jì)算機(jī)直接輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)字放大器后驅(qū)動(dòng)數(shù)字式件；或由計(jì)算機(jī)直接輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)字放大器后驅(qū)動(dòng)數(shù)字式執(zhí)行元件。執(zhí)行元件。 由于連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)的信號(hào)形式有較大區(qū)別，由于連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)的信號(hào)形式有較大區(qū)別，因此在分析方法上也有

28、明顯的不同。連續(xù)控制系統(tǒng)以微分方程來(lái)因此在分析方法上也有明顯的不同。連續(xù)控制系統(tǒng)以微分方程來(lái)描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并用拉氏變換法求解微分方程；而離散系描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并用拉氏變換法求解微分方程；而離散系統(tǒng)則用差分方程來(lái)描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，用統(tǒng)則用差分方程來(lái)描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，用Z 變換法引出脈沖傳變換法引出脈沖傳遞函數(shù)來(lái)研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性遞函數(shù)來(lái)研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 多自由度控制器、機(jī)器人等都是隨動(dòng)系統(tǒng)多自由度控制器、機(jī)器人等都是隨動(dòng)系統(tǒng) 。 1.3 1.3 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 1.穩(wěn)定性穩(wěn)定性 由于控制系統(tǒng)都包含儲(chǔ)能元件，若系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)，便可由于控制系統(tǒng)都包含儲(chǔ)能

29、元件，若系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)，便可能引起振蕩。穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向及其恢復(fù)平能引起振蕩。穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。對(duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)，當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí)，應(yīng)衡狀態(tài)的能力。對(duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)，當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí)，應(yīng)能隨著時(shí)間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。能隨著時(shí)間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性穩(wěn)定性乃是保證乃是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件?？刂葡到y(tǒng)正常工作的先決條件。 2.精確性精確性 控制系統(tǒng)的精確性即控制精度，一般以控制系統(tǒng)的精確性即控制精度，一般以穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量。所來(lái)衡量。所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定變化規(guī)律的輸入信號(hào)作用于系統(tǒng)后，當(dāng)

30、調(diào)謂穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定變化規(guī)律的輸入信號(hào)作用于系統(tǒng)后，當(dāng)調(diào)整過(guò)程結(jié)束而趨于穩(wěn)定時(shí)，輸出量的實(shí)際值與期望值之間的誤差整過(guò)程結(jié)束而趨于穩(wěn)定時(shí)，輸出量的實(shí)際值與期望值之間的誤差值，它反映了動(dòng)態(tài)過(guò)程后期的性能。這種誤差一般是很小的。如值，它反映了動(dòng)態(tài)過(guò)程后期的性能。這種誤差一般是很小的。如數(shù)控機(jī)床的加工誤差小于數(shù)控機(jī)床的加工誤差小于 0.02 mm，一般恒速、恒溫控制系統(tǒng)的，一般恒速、恒溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差都在給定值的穩(wěn)態(tài)誤差都在給定值的1%以內(nèi)。以內(nèi)。 3.快速性快速性 快速性快速性是指當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消是指當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快慢程度?？焖傩院?/p>

31、的系統(tǒng)，它消除偏差的過(guò)渡過(guò)除這種偏差的快慢程度。快速性好的系統(tǒng)，它消除偏差的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間就短，就能復(fù)現(xiàn)快速變化的輸入信號(hào)，因而具有較好的動(dòng)程時(shí)間就短，就能復(fù)現(xiàn)快速變化的輸入信號(hào)，因而具有較好的動(dòng)態(tài)性能。態(tài)性能。 由于控制對(duì)象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定、精確、快由于控制對(duì)象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定、精確、快速這三方面的要求是各有側(cè)重的。例如，調(diào)速系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性要求速這三方面的要求是各有側(cè)重的。例如，調(diào)速系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性要求較嚴(yán)格，而隨動(dòng)系統(tǒng)則對(duì)快速性提出較高較嚴(yán)格，而隨動(dòng)系統(tǒng)則對(duì)快速性提出較高的要求。的要求。 1.4 1.4 控制工程發(fā)展概況控制工程發(fā)展概況 控制工程是一門新型的技術(shù)科學(xué)，也

32、是一門邊緣科控制工程是一門新型的技術(shù)科學(xué)，也是一門邊緣科學(xué)。它的理論基礎(chǔ)是學(xué)。它的理論基礎(chǔ)是工程控制論工程控制論。 早在一千多年以前，我國(guó)就先后發(fā)明了銅壺滴漏計(jì)時(shí)早在一千多年以前，我國(guó)就先后發(fā)明了銅壺滴漏計(jì)時(shí)器、指南針以及天文儀器等多種自動(dòng)控制裝置，這些發(fā)明器、指南針以及天文儀器等多種自動(dòng)控制裝置，這些發(fā)明促進(jìn)了當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。即使從促進(jìn)了當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。即使從1788年瓦特（年瓦特（J.Watt）發(fā)明蒸汽機(jī)飛球調(diào)速器算起，控制工程也已有了二百多年發(fā)明蒸汽機(jī)飛球調(diào)速器算起，控制工程也已有了二百多年的歷史。然而，控制工程作為一門學(xué)科，它的形成并迅速的歷史。然而，控制工程作為一門學(xué)科，它的

33、形成并迅速發(fā)展卻是最近五六十年的事。發(fā)展卻是最近五六十年的事。 銅壺滴漏計(jì)時(shí)器銅壺滴漏計(jì)時(shí)器 用于測(cè)定天體的赤道坐標(biāo)、用于測(cè)定天體的赤道坐標(biāo)、黃道經(jīng)度和地平坐標(biāo)的渾儀黃道經(jīng)度和地平坐標(biāo)的渾儀 二次世界大戰(zhàn)前，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)而二次世界大戰(zhàn)前，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)而多采用多采用試湊法試湊法。二次大戰(zhàn)期間，由于建造飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、雷達(dá)。二次大戰(zhàn)期間，由于建造飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、火炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等軍事裝備的需要，推動(dòng)了控制理論的跟蹤系統(tǒng)、火炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等軍事裝備的需要，推動(dòng)了控制理論的飛躍發(fā)展。飛躍發(fā)展。1948年年威納威納（N.Wiener）發(fā)表了著名的）發(fā)表了

34、著名的控制控制論論，從而基本上形成了經(jīng)典控制理論，使控制工程有了扎實(shí)的，從而基本上形成了經(jīng)典控制理論，使控制工程有了扎實(shí)的理論支撐。經(jīng)典控制理論以理論支撐。經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入為基礎(chǔ)，主要研究單輸入 - -單輸出系統(tǒng)的分析和控制問(wèn)題。單輸出系統(tǒng)的分析和控制問(wèn)題。 維納發(fā)表著維納發(fā)表著名的控制論名的控制論 馬克斯威爾首先提馬克斯威爾首先提出反饋控制的概念出反饋控制的概念瓦特發(fā)明蒸汽瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)飛球調(diào)速器機(jī)飛球調(diào)速器 除了威納之外，在經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展過(guò)程中作出重除了威納之外，在經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展過(guò)程中作出重大貢獻(xiàn)的還有：大貢獻(xiàn)的還有：1868年，年，馬克斯威爾馬克斯威爾（J.C.Maxwell）發(fā)表了）發(fā)表了調(diào)速器調(diào)速器一文，首先提出了一文，首先提出了“反饋控制反饋控制”的概念；的概念；1875年年勞勞思思（E.J.Routh）和）和1895年年赫維茨赫維茨（A.Hurwifz）先后獨(dú)立地提出）先后獨(dú)立地提出了判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)；了判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)；1932年，年，尼奎斯特尼奎斯特（H.Nyquist）提出了著名的）提出了著名的尼奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)尼奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)；此后，；此后，博德博德（H.W.Bode）總結(jié)了）