jsh第一章自動(dòng)控制的一般概念

1、 講 課實(shí) 驗(yàn)習(xí)題課討論課上機(jī)課外實(shí)踐其它導(dǎo)論60 0 0 0 00數(shù)學(xué)模型80 10 0 00時(shí)域分析法12620 0 00復(fù)域分析-根軌跡法100 1 0 0 00頻域分析-頻率響應(yīng)法16320 000控制系統(tǒng)的校正1030 0 000非線性控制系統(tǒng)分析630 0 000總計(jì)總計(jì)6815 6l第一章第一章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論控制系統(tǒng)導(dǎo)論l第二章第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型l第三章第三章 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析線性系統(tǒng)的時(shí)域分析l第四章第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法線性系統(tǒng)的根軌跡法l第五章第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法線性系統(tǒng)的頻域分析法l第六章第六章 線性系統(tǒng)的校正方法線性系統(tǒng)的校正方法

2、l第七章第七章 非線性控制系統(tǒng)分析非線性控制系統(tǒng)分析控制系統(tǒng)導(dǎo)論控制系統(tǒng)導(dǎo)論 在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著越來越重要的作用。所動(dòng)控制技術(shù)起著越來越重要的作用。所謂謂自動(dòng)控制自動(dòng)控制，就是在沒有人直接參與的，就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（控裝置），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（控制對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控制對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。如數(shù)量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。如數(shù)控車床按預(yù)定程序自動(dòng)切削，溫度、壓控車床按預(yù)定程序自動(dòng)

3、切削，溫度、壓力控制，人造衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道并力控制，人造衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道并回收等?；厥盏取?自動(dòng)控制技術(shù)除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展外，近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇航、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)和應(yīng)用，在宇航、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)及核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技及核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)更具特別重要的作用。不僅如此，自動(dòng)術(shù)更具特別重要的作用。不僅如此，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)在已擴(kuò)展到生物、控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)在已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)

4、域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)生活活領(lǐng)域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不可缺少的一部分。中不可缺少的一部分。自動(dòng)控制：是指在沒有人直接參與的情況自動(dòng)控制：是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象（如機(jī)器、下，利用控制裝置使被控對(duì)象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的一個(gè)或數(shù)個(gè)物理量設(shè)備或生產(chǎn)過程）的一個(gè)或數(shù)個(gè)物理量（如電壓、電流、速度、位置、溫度、流（如電壓、電流、速度、位置、溫度、流量、化學(xué)成分等）自動(dòng)的按照預(yù)定的規(guī)律量、化學(xué)成分等）自動(dòng)的按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行（或變化）。運(yùn)行（或變化）。自動(dòng)控制系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工自動(dòng)控制系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。它一般

5、由控作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。它一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。制裝置和被控對(duì)象組成。被控對(duì)象被控對(duì)象是指那是指那些要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)些要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。過程?？刂蒲b置控制裝置是指對(duì)被控對(duì)象起控制作是指對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體用的設(shè)備總體自動(dòng)控制系統(tǒng)的的能和組成是多多多自動(dòng)控制系統(tǒng)的的能和組成是多多多樣的，其結(jié)構(gòu)有簡單也有復(fù)雜。它可以只樣的，其結(jié)構(gòu)有簡單也有復(fù)雜。它可以只控制一個(gè)物理量，也可以控制多個(gè)物理量控制一個(gè)物理量，也可以控制多個(gè)物理量甚至一個(gè)企業(yè)機(jī)構(gòu)的全部生產(chǎn)和管理過程；甚至一個(gè)企業(yè)機(jī)構(gòu)的全部生產(chǎn)和管理過程；它可以是一個(gè)具體的工程系統(tǒng)，也可以是

6、它可以是一個(gè)具體的工程系統(tǒng)，也可以是比較抽象的社會(huì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)或經(jīng)濟(jì)系比較抽象的社會(huì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)或經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。統(tǒng)。蒸蒸汽汽冷水熱水溫度計(jì)圖1-1 熱力系統(tǒng)的人工反饋控制排排水水自自動(dòng)動(dòng)控控制制器器熱熱水水冷冷水水蒸蒸汽汽溫溫度度測測量量裝裝置置 排排水水圖圖1 1- -2 2 熱熱力力系系統(tǒng)統(tǒng)的的自自動(dòng)動(dòng)反反饋饋控控制制控控制制閥閥 自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。既是一門古老的、已臻成熟的學(xué)科，又是一門正在發(fā)展的、既是一門古老的、已臻成熟的學(xué)科，又是一門正在發(fā)展的、具有強(qiáng)大生命力的新興學(xué)科。從具有強(qiáng)大生命力的新興學(xué)科。從1868年

7、馬克斯威爾年馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段里，自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟，以維納的展和成熟，以維納的控制論控制論為標(biāo)志，為標(biāo)志，1948年正式形年正式形成。成。 40年代末到年代末到50年代年代 單機(jī)自動(dòng)化單機(jī)自動(dòng)化 局部自動(dòng)化局部自動(dòng)化 單變量單變量控制控制 自動(dòng)調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)器 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng) ；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展，第二階段：現(xiàn)代控制理論的

8、興起和發(fā)展，60年代，多變年代，多變量控制量控制 最優(yōu)控制最優(yōu)控制 多多變化因素多多變化因素 航天系統(tǒng)航天系統(tǒng) 導(dǎo)彈系統(tǒng)導(dǎo)彈系統(tǒng) 人人造衛(wèi)星造衛(wèi)星 ；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段，第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段，70年代，規(guī)模年代，規(guī)模龐大龐大 結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜 變量參數(shù)多變量參數(shù)多 目標(biāo)不單一目標(biāo)不單一 生物系統(tǒng)生物系統(tǒng) 社會(huì)系社會(huì)系統(tǒng)統(tǒng) 機(jī)器人機(jī)器人 ；第四階段：智能控制發(fā)展階段。第四階段：智能控制發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工

9、業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。18世紀(jì)，世紀(jì)，James Watt 為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。 1868年，馬克斯威爾（年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。定性代數(shù)判據(jù)。1895年

10、，數(shù)學(xué)家勞斯（年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和和Hurwitz判據(jù)。判據(jù)。二戰(zhàn)期間（二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了）提出了頻率響應(yīng)理論；頻率響應(yīng)理論；1948年，伊萬斯（年，伊萬斯（W.R.Evans）提出了根）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。 飛球

11、離心速度調(diào)節(jié)器飛球離心速度調(diào)節(jié)器現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。 隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)世紀(jì)60年代年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。來。1954年貝爾曼（年貝爾

12、曼（R.Belman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原）提出極大值原理理1960年卡爾曼（年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和提出多變量最優(yōu)控制和最最 優(yōu)濾波理論優(yōu)濾波理論 在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部部 信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無論對(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或變量的信息。它無論對(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變

13、量系統(tǒng)，都是一多有效的分析時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一多有效的分析方法。方法。 以傳遞函數(shù)為基以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入礎(chǔ)研究單輸入-單輸出單輸出一類線性定?？刂葡狄活惥€性定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。這些理論由于其發(fā)展這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。較早，現(xiàn)已臻成熟。 以狀態(tài)空間法為以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入基礎(chǔ)，研究多輸入-多多輸出、時(shí)變、非線性輸出、時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的有高精度和高效能的特點(diǎn)。特點(diǎn)。大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論 20世紀(jì)世紀(jì)70年代開始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度

14、和廣度發(fā)展，出年代開始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法以傳遞）現(xiàn)代頻域方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適）自適應(yīng)控制理論和方法以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)應(yīng)控制理論和方法以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法在保證系）魯棒控制方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模

15、型的不確定性。數(shù)學(xué)模型的不確定性。隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，從傳統(tǒng)若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、運(yùn)輸、的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、運(yùn)輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、的能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特有規(guī)模龐大、

16、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、的能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。智能控制智能控制 是近年來新發(fā)展起來的一多控制技術(shù)，是人工智是近年來新發(fā)展起來的一多控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。智能控制的概念和原理主要是針能在控制上的應(yīng)用。智能控制的概念和原理主要是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來的，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的的，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧

17、，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為控制問題。被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程，對(duì)自主機(jī)器人的控制就是典主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程，對(duì)自主機(jī)器人的控制就是典型的例子而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和型的例子

18、而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識(shí)。難以辨識(shí)。 智能控制是從智能控制是從“仿人仿人”的概念出發(fā)的。一般認(rèn)為，的概念出發(fā)的。一般認(rèn)為，其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、和專家控制等方法。和專家控制等方法。鍋爐氣鼓水位控制系統(tǒng)鍋爐氣鼓水位控制系統(tǒng)眼眼腦腦手手測測量量變變送送器器控控制制器器給給定定值值執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)氣氣鼓鼓手手閥閥控控制制閥閥給給水水水水位位計(jì)計(jì)蒸蒸汽汽方框圖的有關(guān)概念方框圖的有關(guān)概念 方框，控制裝置和被控對(duì)象，分別用方框表示的方框，控制裝置和被控對(duì)象，分別用方框表示的能和名稱能和名稱信信線，方框的輸入和輸出以

19、及它它們間的聯(lián)接信信線，方框的輸入和輸出以及它它們間的聯(lián)接用帶箭頭的信信線表示用帶箭頭的信信線表示輸入信信進(jìn)入方框的信信輸入信信進(jìn)入方框的信信輸出信信離開方框的信信輸出信信離開方框的信信控制系統(tǒng)的輸出量就是被控量控制系統(tǒng)的輸出量就是被控量,它的希望值一般是系統(tǒng)它的希望值一般是系統(tǒng)輸入信信的函數(shù)。輸入信信的函數(shù)?？刂破骺刂破鲌?zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象被控對(duì)象測量變速器測量變速器-r給定值給定值e偏差偏差擾動(dòng)擾動(dòng)被控量被控量nc測量信信測量信信 表示比較元件或比較點(diǎn)，表示比較元件或比較點(diǎn)，它的輸出量等于各輸入它的輸出量等于各輸入量的代數(shù)和，各輸入量量的代數(shù)和，各輸入量若為若為“”信可以不標(biāo)，信可以不

20、標(biāo)，若為若為“”信必須在箭信必須在箭頭旁標(biāo)注負(fù)信。頭旁標(biāo)注負(fù)信。方框表示它所代表部分方框表示它所代表部分的名稱和的能，而不畫的名稱和的能，而不畫出具體結(jié)構(gòu)，用方框們出具體結(jié)構(gòu)，用方框們間帶箭頭的直線說明各間帶箭頭的直線說明各部分們間的信信傳遞部分們間的信信傳遞引出點(diǎn)，表示信信引出點(diǎn)，表示信信在此分兩路，兩路在此分兩路，兩路信信相同，不存在信信相同，不存在分流問題。分流問題。給定電位器給定電位器反饋電位器反饋電位器給給定定裝裝置置放放大大器器舵機(jī)舵機(jī)飛機(jī)飛機(jī) 反饋電反饋電位器位器 垂直垂直陀螺儀陀螺儀0c擾動(dòng)擾動(dòng)俯仰角控制系統(tǒng)方框圖俯仰角控制系統(tǒng)方框圖控制器控制器減速器減速器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電位器電

21、位器浮子浮子用水開關(guān)用水開關(guān)Q2Q1cifSM采用開環(huán)控制的系統(tǒng)采用開環(huán)控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。稱為開環(huán)控制系統(tǒng)?？刂蒲b置控制裝置被控對(duì)象被控對(duì)象控制量控制量擾動(dòng)擾動(dòng)被控制量被控制量開環(huán)控制又可稱為前饋控制，因?yàn)榭刂谱饔檬怯奢斎胄判胖苯娱_環(huán)控制又可稱為前饋控制，因?yàn)榭刂谱饔檬怯奢斎胄判胖苯酉蚯拜斔?，而不是由輸出信信回輸?shù)捷斎胄判艁磉M(jìn)行控制的，向前輸送，而不是由輸出信信回輸?shù)捷斎胄判艁磉M(jìn)行控制的，故稱為前饋控制。故稱為前饋控制。例：例： 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。電電壓壓放放大大器器可可控控硅硅的的放放M M負(fù)載負(fù)載rukuaun n電網(wǎng)電壓電網(wǎng)電壓P P電位器（產(chǎn)生給定電

22、電位器（產(chǎn)生給定電壓壓ur）如果）如果010V轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速01000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)電位器電位器電壓電壓放大器放大器可控硅可控硅的放的放直流直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)Purukn擾動(dòng)擾動(dòng)ua3、開環(huán)控制的特點(diǎn)、開環(huán)控制的特點(diǎn) 由于開環(huán)控制的特點(diǎn)是控制裝置只按由于開環(huán)控制的特點(diǎn)是控制裝置只按照給定的輸入信信對(duì)被控制量進(jìn)行單向控照給定的輸入信信對(duì)被控制量進(jìn)行單向控制，而不對(duì)控制量進(jìn)行測量并反向影響控制，而不對(duì)控制量進(jìn)行測量并反向影響控制作用。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏離希望值時(shí)，電制作用。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏離希望值時(shí)，電位器不會(huì)相應(yīng)改變。因此，開環(huán)控制不具位器不會(huì)相應(yīng)改變。因此，開環(huán)控制不具有修正由于擾動(dòng)（使被控制量偏離希望值有修正由于擾

23、動(dòng)（使被控制量偏離希望值的因素）而出現(xiàn)的被控制量與希望值們間的因素）而出現(xiàn)的被控制量與希望值們間偏差的能力，即抗干擾能力差偏差的能力，即抗干擾能力差。顯然，負(fù)反饋控制是一個(gè)利用偏差進(jìn)行控制并最后消除偏差的過程，又稱偏差控制。同時(shí)，由于有反饋的存在，整個(gè)控制過程是閉合的，故也稱為閉環(huán)控制?？乜刂浦破髌鲗?duì)對(duì)象象或或過過程程測測量量元元件件 輸入量輸出量 人本身就是一個(gè)具有高度復(fù)雜控制能力的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 輸入量輸出量串串 聯(lián)聯(lián)補(bǔ)補(bǔ) 償償 元元 件件放放 大大 元元 件件執(zhí)執(zhí) 行行 元元 件件被被 控控 對(duì)對(duì) 象象反反 饋饋補(bǔ)補(bǔ) 償償 元元 件件圖圖 1 1 4 4反反 饋饋 控控 制制 系系 統(tǒng)統(tǒng)

24、 基基 本本 組組 成成測測 量量 元元 件件局部反饋主反饋為改善系統(tǒng)性能例例 引入閉環(huán)控制后的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)引入閉環(huán)控制后的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電電壓壓放放大大器器可可控控硅硅的的放放M M負(fù)載負(fù)載G Gburuukuaun n 測速 測速 發(fā)電 發(fā)電 機(jī) 機(jī)引入測速發(fā)電機(jī)，這時(shí)電壓放大器的輸入引入測速發(fā)電機(jī)，這時(shí)電壓放大器的輸入 ，如果外來，如果外來的電網(wǎng)電壓波動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速的電網(wǎng)電壓波動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速n ，則由測速發(fā)電機(jī)確定的，則由測速發(fā)電機(jī)確定的則則 則則uk ，ua 則則n ，消除了偏差，控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。，消除了偏差，控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。負(fù)反饋。負(fù)反饋。bruuububruuu電位器電壓

25、放大器可控硅放大器直流電動(dòng)機(jī)測速機(jī)Puruubuk-n擾動(dòng)ua同開環(huán)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)由于干擾引起的轉(zhuǎn)速誤差要小得多。同開環(huán)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)由于干擾引起的轉(zhuǎn)速誤差要小得多。如果極性接錯(cuò)，這時(shí)電壓放大器的輸入如果極性接錯(cuò)，這時(shí)電壓放大器的輸入 ，如果外來的，如果外來的電網(wǎng)電壓波動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速電網(wǎng)電壓波動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速n ，則由測速發(fā)電機(jī)確定的，則由測速發(fā)電機(jī)確定的則則 則則uk ，ua 則則n ，則轉(zhuǎn)速越來越大，電動(dòng)機(jī)損壞，則轉(zhuǎn)速越來越大，電動(dòng)機(jī)損壞，失去控制。失去控制。正反饋。正反饋。bruuububruuu 起增強(qiáng)輸入信信作用起增強(qiáng)輸入信信作用正反饋。正反饋。 起減弱輸入信信作用起減弱輸入信信作

26、用負(fù)反饋。負(fù)反饋。 正反饋不能進(jìn)行控制，會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來越大，正反饋不正反饋不能進(jìn)行控制，會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來越大，正反饋不能用于控制系統(tǒng)，用途能用于控制系統(tǒng)，用途振蕩器（正弦信信發(fā)生器）振蕩器（正弦信信發(fā)生器） 。 只有負(fù)反饋控制系統(tǒng)才能完成自動(dòng)控制的任務(wù)。只有負(fù)反饋控制系統(tǒng)才能完成自動(dòng)控制的任務(wù)。 負(fù)反饋控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)：檢測偏差，糾正偏差負(fù)反饋控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)：檢測偏差，糾正偏差 按偏差控制按偏差控制例例. 我它在日常生活中經(jīng)常遇到的抽水馬桶，也是一我它在日常生活中經(jīng)常遇到的抽水馬桶，也是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。閥閥門門活活塞塞浮浮子子水水h h( (t t)

27、)q q1 1( (t t) )q q2 2( (t t) )機(jī)械杠桿活塞水箱浮子執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象檢測機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)器比較器h0-h(t)q1(t)這就是負(fù)反饋控制系統(tǒng)，檢測偏差，然后進(jìn)行調(diào)這就是負(fù)反饋控制系統(tǒng)，檢測偏差，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)，使偏差減小，最后直至消除偏差。節(jié)，使偏差減小，最后直至消除偏差。 按偏按偏差控制。差控制。 （輸入量是恒定的常值，（輸入量是恒定的常值，任務(wù)：在各多擾動(dòng)作用下任務(wù)：在各多擾動(dòng)作用下消除或減少擾動(dòng)消除或減少擾動(dòng)信信對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，使被控制量（即信信對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，使被控制量（即系統(tǒng)的輸出量）保持在給定或希望的數(shù)值系統(tǒng)的輸出量）保持在給定或希望的數(shù)值上，上，如恒溫、水

28、位、恒壓控制系統(tǒng)。）如恒溫、水位、恒壓控制系統(tǒng)。）（也叫伺服系統(tǒng)，跟蹤系統(tǒng)）（也叫伺服系統(tǒng)，跟蹤系統(tǒng)） 這多控制系統(tǒng)的輸入量是事先不知道的任這多控制系統(tǒng)的輸入量是事先不知道的任意時(shí)間函數(shù)。任務(wù)：使輸出量迅速而準(zhǔn)確意時(shí)間函數(shù)。任務(wù)：使輸出量迅速而準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而變化。比如：飛機(jī)地跟隨輸入量的變化而變化。比如：飛機(jī)和艦船的操舵系統(tǒng)，雷達(dá)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。和艦船的操舵系統(tǒng)，雷達(dá)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。（輸入量按照給定的程（輸入量按照給定的程序變化。任務(wù)：使輸出量按預(yù)先給定的序變化。任務(wù)：使輸出量按預(yù)先給定的程序指令而動(dòng)作）最典型的就是數(shù)控車程序指令而動(dòng)作）最典型的就是數(shù)控車床和機(jī)器人控制系統(tǒng)。床和機(jī)器人控

29、制系統(tǒng)。穩(wěn)定性(過渡過程是否衰減)： 1 對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。 2 對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。 穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求、先決條件，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。1、4 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.4.1對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對(duì)穩(wěn)定性）。 穩(wěn) 準(zhǔn)快l準(zhǔn)確性： 用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信信作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出們差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這多誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高?？焖傩?動(dòng)態(tài)性能)： 對(duì)過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能（后續(xù)章節(jié)）。 穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。2）根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的要求，如何合理地