自動控制原理第一部分自動控制的一般概念

1、自動控制原理自動控制原理第一部分自動控第一部分自動控制的一般概念制的一般概念The basic conception of Automatic control經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 classical control theory現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 modern control theory被控對象被控對象 controlled objective反饋反饋 feedback控制理論控制理論 control theory控制器控制器 controller控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) control system 科技英語詞匯科技英語詞匯 自動控制理論是自動化學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)，自動控制理論是自動化學(xué)

2、科的重要理論基礎(chǔ)，專門研究有關(guān)自動控制系統(tǒng)中的基本概念、基本專門研究有關(guān)自動控制系統(tǒng)中的基本概念、基本原理和基本方法。本部分介紹開環(huán)控制和閉環(huán)控原理和基本方法。本部分介紹開環(huán)控制和閉環(huán)控制的概念，控制系統(tǒng)的基本原理和組成，控制系制的概念，控制系統(tǒng)的基本原理和組成，控制系統(tǒng)的類型，以及對控制系統(tǒng)的基本要求等。統(tǒng)的類型，以及對控制系統(tǒng)的基本要求等。 內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要歷史的回顧歷史的回顧18世紀，世紀，James Watt 為控制蒸汽機速度設(shè)計的離心調(diào)節(jié)器，為控制蒸汽機速度設(shè)計的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。1884年，年，E. J. Routh提

3、出了有關(guān)線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)。提出了有關(guān)線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)。1932年，年，Nyquist研制出電子管振蕩器，同時提出了著名的研制出電子管振蕩器，同時提出了著名的Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)；此后穩(wěn)定性判據(jù)；此后Bode總結(jié)出了負反饋放大器?？偨Y(jié)出了負反饋放大器。1934年，年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)的概提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構(gòu)。念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構(gòu)。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國第二次世界大戰(zhàn)期間，美國MIT伺服機構(gòu)試驗室對以往的伺服機構(gòu)試驗室對以往的自動調(diào)節(jié)器與反饋放大器作了總結(jié)，提出了

4、反饋控制的數(shù)自動調(diào)節(jié)器與反饋放大器作了總結(jié)，提出了反饋控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。學(xué)基礎(chǔ)。1948年，年，N. Wiener發(fā)表了著名的控制論，形成了完整發(fā)表了著名的控制論，形成了完整的經(jīng)典控制理論。的經(jīng)典控制理論。1950年，年，W. R. Evans提出了根軌跡法，能簡便地尋找特征提出了根軌跡法，能簡便地尋找特征方程的根，進一步充實了經(jīng)典控制論。方程的根，進一步充實了經(jīng)典控制論。1954年，錢學(xué)森發(fā)表了名著工程控制論，對推動我國年，錢學(xué)森發(fā)表了名著工程控制論，對推動我國控制理論的工程應(yīng)用起了很大的作用。控制理論的工程應(yīng)用起了很大的作用。 以上為經(jīng)典控制部分以上為經(jīng)典控制部分20世紀世紀60年代，數(shù)字計

5、算機技術(shù)的迅速發(fā)展為復(fù)雜系統(tǒng)的年代，數(shù)字計算機技術(shù)的迅速發(fā)展為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時域分析的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論提供了可能。提供了可能。從從1960年至今，確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)年至今，確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和智能控制技術(shù)，都得到充分的研究。雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和智能控制技術(shù)，都得到充分的研究。歷史的回顧歷史的回顧 在現(xiàn)代控制理論發(fā)展中，特別應(yīng)該提到三位學(xué)者的重在現(xiàn)代控制理論發(fā)展中，特別應(yīng)該提到三位學(xué)者的重大貢獻：大貢獻：1956年，前蘇聯(lián)科學(xué)家年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Pontryagin 提出的極大值原理；提出的極大值原理；1957年，美國學(xué)者年，美國

6、學(xué)者Bellman提出動態(tài)規(guī)劃；提出動態(tài)規(guī)劃；1960年，美國的年，美國的Kalman提出了提出了Kalman濾波理論和狀態(tài)濾波理論和狀態(tài)空間分析方法；空間分析方法；他們的工作對現(xiàn)代控制他們的工作對現(xiàn)代控制理論的建立有著特別重要的作用。理論的建立有著特別重要的作用。古典控制理論古典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入要研究單輸入-單輸出單輸出的一類定?？刂葡到y(tǒng)的的一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已趨成熟?，F(xiàn)已趨成熟。 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，主要研究多輸入主要

7、研究多輸入-多輸出、多輸出、時變、非線性一類控制時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。能的特點?？刂评碚摰膭澐挚刂评碚摰膭澐?開環(huán)控制，閉環(huán)控制，控制裝置，被控對象 ，穩(wěn)定性，動態(tài)特性，典型外作用函數(shù)。 知 識 要 點v 1.1 自動控制的基本原理與方式v 1.2 自動控制系統(tǒng)示例v 1.3 自動控制系統(tǒng)的分類 v 1.4 自動控制系統(tǒng)性能的基本要求 v 1.5 自動控制課程的主要任務(wù)和學(xué)習(xí)方法 v小 結(jié) 本部分內(nèi)容本部分內(nèi)容1-11-1 自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式 1 自動控制技術(shù)及其應(yīng)用自動控

8、制技術(shù)及其應(yīng)用 自動控制（自動控制（Automatic control）是指在沒有人直接是指在沒有人直接參與的條件下，利用控制器參與的條件下，利用控制器(外加的設(shè)備或裝置外加的設(shè)備或裝置)使被控制對使被控制對象（如機器、設(shè)備和生產(chǎn)過程）的某個參數(shù)（或工作狀態(tài)，象（如機器、設(shè)備和生產(chǎn)過程）的某個參數(shù)（或工作狀態(tài)，即被控量）能自動按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運行）。即被控量）能自動按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運行）。例子例子 宇宙飛船的太陽能電池板宇宙飛船的太陽能電池板 化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動地維持恒定化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動地維持恒定 金屬切削機床的主軸速度金屬切削機床的主軸速度自動控制的作用自動控制

9、的作用 提高勞動生產(chǎn)率，改善生活質(zhì)量，探索未知世界提高勞動生產(chǎn)率，改善生活質(zhì)量，探索未知世界 自動控制和人工控制的基本原理是相同的自動控制和人工控制的基本原理是相同的,它們都是建立它們都是建立在在“測量偏差測量偏差,修正偏差修正偏差”的基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)上,并且為了測量偏差并且為了測量偏差,必須把必須把系統(tǒng)的實際輸出反饋到輸入端。自動控制和人工控制的區(qū)別系統(tǒng)的實際輸出反饋到輸入端。自動控制和人工控制的區(qū)別在于自動控制用控制器代替人完成控制?？傊谟谧詣涌刂朴每刂破鞔嫒送瓿煽刂啤？傊?所謂所謂自動控制自動控制就是在沒有人直接參與的情況下就是在沒有人直接參與的情況下,利用控制裝置使被控對象中利用控制裝

10、置使被控對象中某一物理量或數(shù)個物理量準確地按照預(yù)定的要求規(guī)律變化。某一物理量或數(shù)個物理量準確地按照預(yù)定的要求規(guī)律變化。2 自動控制理論自動控制理論 自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的（技術(shù)）科學(xué)。自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的（技術(shù)）科學(xué)。自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)：為了實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首：為了實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起先要將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機整體，這就是自動控制系統(tǒng)。來，組成一個有機整體，這就是自動控制系統(tǒng)。3 反饋控制原理反饋控制原理(feedback control theory) 反饋控制原理

11、：在自動控制系統(tǒng)中，控制裝置反饋控制原理：在自動控制系統(tǒng)中，控制裝置(控控制器制器)對對被控對象被控對象施加的控制作用，是取自被控量施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實現(xiàn)對被控對象進行控制的任務(wù)，這就偏差，從而實現(xiàn)對被控對象進行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。是反饋控制的原理。（人工）反饋控制的例子（人工）反饋控制的例子 水池液面控制系統(tǒng)人在參與控制中起了以下三方面的作用： 1) 測量實際液面高度h1用眼睛。 2) 將測得實際液面h1與希望液面的高度h0相比較用腦。 3) 根據(jù)比較的結(jié)果，即按照偏差的

12、正負去決定的動作用手。抽象成控制系統(tǒng)方塊圖液面（人工）反饋控制系統(tǒng)的框圖 h0實際液面高度實際液面高度 h1 通常，把取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)通常，把取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為生偏差信號的過程，稱為反饋反饋。若反饋的信號是與輸入信號相減，。若反饋的信號是與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負反饋負反饋；反之，則稱為；反之，則稱為正反饋正反饋。反饋控制就是采用負反饋并利用偏差進行控制的過程，而且，由反饋控制就是采用負反饋并利用偏差進行控制的過程，而且，由于引入了被控量的反饋信息，整個控制過程成為于引入

13、了被控量的反饋信息，整個控制過程成為閉合閉合過程，因此過程，因此反饋控制也稱反饋控制也稱閉環(huán)控制閉環(huán)控制。 在工程實踐中，為了實現(xiàn)上述對被控對象的反饋控制，系統(tǒng)在工程實踐中，為了實現(xiàn)上述對被控對象的反饋控制，系統(tǒng)中必須配置具有人的眼睛、大腦和手臂功能的設(shè)備，以便用來對中必須配置具有人的眼睛、大腦和手臂功能的設(shè)備，以便用來對被控量進行連續(xù)地測量、反饋和比較，并按偏差進行控制。這些被控量進行連續(xù)地測量、反饋和比較，并按偏差進行控制。這些設(shè)備依其功能分別稱為設(shè)備依其功能分別稱為測量元件、比較元件和執(zhí)行元件測量元件、比較元件和執(zhí)行元件，并統(tǒng)稱，并統(tǒng)稱為為控制裝置控制裝置。液位液位(自動自動)反饋控制系

14、統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)控制器控制器減速器減速器電動機電動機電位器電位器浮浮子子用水開用水開關(guān)關(guān)Q2Q1h0ifSM 當電位器電刷位于中點位置時，電動機不動，控制閥門當電位器電刷位于中點位置時，電動機不動，控制閥門有一定的開度，使水箱中流入水量與流出水量相等，從而液有一定的開度，使水箱中流入水量與流出水量相等，從而液面保持在希望高度面保持在希望高度h0上。一旦流入水量或流出水量發(fā)生變化，上。一旦流入水量或流出水量發(fā)生變化，水箱液面高度便相應(yīng)變化。如當液面升高時，浮子位置亦相水箱液面高度便相應(yīng)變化。如當液面升高時，浮子位置亦相應(yīng)升高，通過杠桿作用使電位器電刷從中點位置下移，從而應(yīng)升高，通過杠桿作用使電位器

15、電刷從中點位置下移，從而給電動機提供一定的控制電壓，驅(qū)動電動機通過減速器減小給電動機提供一定的控制電壓，驅(qū)動電動機通過減速器減小閥門開度，使進入水箱的流量減少。此時，水箱液面下降，閥門開度，使進入水箱的流量減少。此時，水箱液面下降，浮子位置相應(yīng)下降，直到電位器電刷回到中點位置，系統(tǒng)重浮子位置相應(yīng)下降，直到電位器電刷回到中點位置，系統(tǒng)重新處于平衡狀態(tài)，液面恢復(fù)給定高度。反之，若水箱液位下新處于平衡狀態(tài)，液面恢復(fù)給定高度。反之，若水箱液位下降，則系統(tǒng)會自動增大閥門開度，加大流入水量，使液位升降，則系統(tǒng)會自動增大閥門開度，加大流入水量，使液位升到給定高度到給定高度h0 。以液位以液位(自動自動)反饋

16、控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)(feedback control system)為例說明：為例說明：測量元件測量元件浮子和杠桿（物理量轉(zhuǎn)換）。浮子和杠桿（物理量轉(zhuǎn)換）。給定元件給定元件（實際上是）電位器中點（給出與期望的被控量相對（實際上是）電位器中點（給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量）。應(yīng)的系統(tǒng)輸入量）。比較元件比較元件電位器電位器 （求浮子的希望位置與實位置之差）（求浮子的希望位置與實位置之差） 。放大元件放大元件放大器（當測量元件測得的信號與給定信號比較后得放大器（當測量元件測得的信號與給定信號比較后得到的誤差信號不足以使執(zhí)行元件動作時，一般都需要放大元件進到的誤差信號不足以使執(zhí)行元件動作時，

17、一般都需要放大元件進行電壓和功率放大，來推動執(zhí)行元件去控制被控對象）。行電壓和功率放大，來推動執(zhí)行元件去控制被控對象）。執(zhí)行元件執(zhí)行元件電機和閥電機和閥（直接驅(qū)動被控對象，以改變被控制量）。直接驅(qū)動被控對象，以改變被控制量）。校正元件校正元件（補償元件）（補償元件）為了改善控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能通常為了改善控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能通常還在系統(tǒng)中加上某種形式的校正裝置。還在系統(tǒng)中加上某種形式的校正裝置。 反饋控制系統(tǒng)是由各種結(jié)構(gòu)不同的元部件組成的。從完成反饋控制系統(tǒng)是由各種結(jié)構(gòu)不同的元部件組成的。從完成“自自動控制動控制”這一職能來看，一個系統(tǒng)必然包含這一職能來看，一個系統(tǒng)必然包含被控對象被控對象

18、和和控制裝置控制裝置兩兩大部分，而控制裝置是由具有一定職能的各種大部分，而控制裝置是由具有一定職能的各種基本元件基本元件組成的。組成的。4 . 反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成 典型反饋控制系統(tǒng)基本組成可用上面的方塊圖表示。圖中，典型反饋控制系統(tǒng)基本組成可用上面的方塊圖表示。圖中，用用“”代表比較元件，它將測量元件檢測到的被控量與參據(jù)量代表比較元件，它將測量元件檢測到的被控量與參據(jù)量進行比較，進行比較，“”號表示兩者符號相反，即負反饋；號表示兩者符號相反，即負反饋；“”號號（可省略（可省略）表示兩者符號相同，即正反饋。信號從輸入端沿箭頭表示兩者符號相同，即正反饋。信號從輸入端沿箭頭

19、方向到達輸出端的傳輸通路稱方向到達輸出端的傳輸通路稱前向通路前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路主反饋通路。前向通路與主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成共同構(gòu)成主回路主回路。此外，還有。此外，還有局部反饋通路局部反饋通路以及由它構(gòu)成的以及由它構(gòu)成的內(nèi)回內(nèi)回路路。只包含一個主反饋通路的系統(tǒng)稱。只包含一個主反饋通路的系統(tǒng)稱單回路系統(tǒng)單回路系統(tǒng)；有兩個或兩個；有兩個或兩個以上反饋通路的系統(tǒng)稱以上反饋通路的系統(tǒng)稱多回路系統(tǒng)多回路系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)基本組成 加到反饋控制系統(tǒng)上的外作用有兩種類型，一種是有用加到反饋控制系統(tǒng)上的

20、外作用有兩種類型，一種是有用輸入輸入，一種是一種是擾動擾動。有用輸入決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律；而擾動是系。有用輸入決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律；而擾動是系統(tǒng)不希望有的外作用，它破壞有用輸入對系統(tǒng)的控制。在實際系統(tǒng)不希望有的外作用，它破壞有用輸入對系統(tǒng)的控制。在實際系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的。如電源電壓的波動，環(huán)境溫度、壓統(tǒng)中，擾動總是不可避免的。如電源電壓的波動，環(huán)境溫度、壓力以及負載的變化等。力以及負載的變化等?；拘g(shù)語5. 控制系統(tǒng)的基本控制方式控制系統(tǒng)的基本控制方式 反饋控制（閉環(huán)控制）是自控系統(tǒng)最基本的控制方式，應(yīng)用反饋控制（閉環(huán)控制）是自控系統(tǒng)最基本的控制方式，應(yīng)用最廣。除此之外，還有開

21、環(huán)控制方式和復(fù)合控制方式最廣。除此之外，還有開環(huán)控制方式和復(fù)合控制方式. . 反饋反饋( (閉環(huán)閉環(huán)) ) 控制：指控制器與控制對象之間既有順向作用又控制：指控制器與控制對象之間既有順向作用又有反向聯(lián)系的控制過程。有反向聯(lián)系的控制過程。反饋控制方式是按反饋控制方式是按偏差偏差進行控制的，其進行控制的，其特點是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時，必定會特點是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時，必定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用去產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用去減小或消除減小或消除這個偏差，使被控量與期這個偏差，使被控量與期望值趨于一致。反饋控制系統(tǒng)，具有望值趨于一致。反饋控制系統(tǒng)，具有抑制內(nèi)、

22、外擾動抑制內(nèi)、外擾動對被控量產(chǎn)對被控量產(chǎn)生影響的能力，有生影響的能力，有較高的控制精度較高的控制精度。但這種系統(tǒng)使用元件較多，。但這種系統(tǒng)使用元件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計也較麻煩。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計也較麻煩。 開環(huán)控制：指控制器與控制對象之間只有順向作用而沒有反開環(huán)控制：指控制器與控制對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。向聯(lián)系的控制過程。特點是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作特點是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。開環(huán)控制系統(tǒng)可以按用發(fā)生影響。開環(huán)控制系統(tǒng)可以按給定量控制方式給定量控制方式組成，也可組成，也可以按以按擾動控制方式擾動控制方式組成。組成。

23、按給定量控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，其控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，按給定量控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，其控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，給定一個輸入量，就有一個輸出量與之相對應(yīng)，控制精度完全取決于所用給定一個輸入量，就有一個輸出量與之相對應(yīng)，控制精度完全取決于所用的元件及校準的精度。沒有自動修正偏差的能力，抗擾動性較差。但其結(jié)的元件及校準的精度。沒有自動修正偏差的能力，抗擾動性較差。但其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用于在精度要求不高或擾動影響較小的場合。構(gòu)簡單、成本低，適用于在精度要求不高或擾動影響較小的場合。 按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，是利用可測量的擾動量，產(chǎn)生一種補償作按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，是利用可測量的

24、擾動量，產(chǎn)生一種補償作用，以減小或抵消擾動對輸出量的影響，這種控制方式也稱用，以減小或抵消擾動對輸出量的影響，這種控制方式也稱順饋控制順饋控制。 例如在一般的直流速度控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速常常隨負載的增例如在一般的直流速度控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速常常隨負載的增加而下降，且其轉(zhuǎn)速的下降是由于電樞回路的電壓降引起的。加而下降，且其轉(zhuǎn)速的下降是由于電樞回路的電壓降引起的。如果設(shè)法將負載引起的電流變化測量出來，并按其大小產(chǎn)生一如果設(shè)法將負載引起的電流變化測量出來，并按其大小產(chǎn)生一個附加的控制作用，用以補償由它引起的轉(zhuǎn)速下降，這樣就可個附加的控制作用，用以補償由它引起的轉(zhuǎn)速下降，這樣就可以構(gòu)成按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)

25、，如下圖所示?？梢?，這種以構(gòu)成按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，如下圖所示?？梢?，這種按擾動控制的開環(huán)控制方式是按擾動控制的開環(huán)控制方式是直接從擾動取得信息直接從擾動取得信息，并據(jù)以改，并據(jù)以改變被控量，因此，其抗擾動性好，控制精度也較高，但它變被控量，因此，其抗擾動性好，控制精度也較高，但它只適只適用于擾動是可測量的場合用于擾動是可測量的場合。 復(fù)合控制：復(fù)合控制：綜上，較合理的一種控制方式是把按偏差控制綜上，較合理的一種控制方式是把按偏差控制與按擾動控制結(jié)合起來，對于主要擾動采用適當?shù)难a償裝置與按擾動控制結(jié)合起來，對于主要擾動采用適當?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動控制，同時，再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控實

26、現(xiàn)按擾動控制，同時，再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。這樣，系統(tǒng)的主要擾動已制，以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。這樣，系統(tǒng)的主要擾動已被補償，反饋控制系統(tǒng)就比較容易設(shè)計，控制效果也會更好。被補償，反饋控制系統(tǒng)就比較容易設(shè)計，控制效果也會更好。這種按偏差控制和按擾動控制相結(jié)合的控制方式稱為這種按偏差控制和按擾動控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控復(fù)合控制方式制方式。下圖表示一種同時按偏差和擾動控制電動機速度的。下圖表示一種同時按偏差和擾動控制電動機速度的復(fù)合控制系統(tǒng)原理線路圖和方塊圖。復(fù)合控制系統(tǒng)原理線路圖和方塊圖。1.2 1.2 自動控制系統(tǒng)實例自動控制系統(tǒng)實例 1. 飛機飛機-

27、 -自動駕駛儀系統(tǒng)自動駕駛儀系統(tǒng) 飛機自動駕駛儀是一種能保飛機自動駕駛儀是一種能保持或改變飛機飛行狀態(tài)的自動持或改變飛機飛行狀態(tài)的自動裝置。它可以穩(wěn)定飛行的姿態(tài)、裝置。它可以穩(wěn)定飛行的姿態(tài)、高度和航跡；可以操縱飛機爬高度和航跡；可以操縱飛機爬高、下滑和轉(zhuǎn)彎。飛機與自動高、下滑和轉(zhuǎn)彎。飛機與自動駕駛儀組成的自動控制系統(tǒng)稱駕駛儀組成的自動控制系統(tǒng)稱為飛機為飛機-自動駕駛儀系統(tǒng)。自動駕駛儀系統(tǒng)。 系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的原理示意圖。圖中，垂直陀螺儀為測量元件用以系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的原理示意圖。圖中，垂直陀螺儀為測量元件用以測量飛機的俯仰角，當飛機以給定俯仰角水平飛行時，陀螺儀電位器無測量飛機的俯仰角，當飛機以給

28、定俯仰角水平飛行時，陀螺儀電位器無電壓輸出；如果飛機受到擾動，使俯仰角向下偏離期望值，陀螺儀電位電壓輸出；如果飛機受到擾動，使俯仰角向下偏離期望值，陀螺儀電位器輸出與俯仰角偏差成正比的信號，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動舵機，一方面器輸出與俯仰角偏差成正比的信號，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動舵機，一方面推動升降舵面向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生使飛機抬頭的轉(zhuǎn)矩，以減小俯仰角偏差；推動升降舵面向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生使飛機抬頭的轉(zhuǎn)矩，以減小俯仰角偏差；同時還帶動反饋電位器滑臂，輸出與舵偏角成正比的電壓并反饋到輸入同時還帶動反饋電位器滑臂，輸出與舵偏角成正比的電壓并反饋到輸入端。隨著俯仰角偏差的減小，陀螺儀電位器輸出信號越來越小，舵偏角端。隨著

29、俯仰角偏差的減小，陀螺儀電位器輸出信號越來越小，舵偏角也隨之減小，直到俯仰角回到期望值。也隨之減小，直到俯仰角回到期望值。 上圖是飛機上圖是飛機- -自動駕駛儀系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的系統(tǒng)方塊圖，圖中，自動駕駛儀系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的系統(tǒng)方塊圖，圖中，飛機是被控對象，俯仰角是被控量，放大器、舵機、垂直陀螺儀、反飛機是被控對象，俯仰角是被控量，放大器、舵機、垂直陀螺儀、反饋電位器等是控制裝置，即自動駕駛儀。參據(jù)量是給定的常值俯仰角，饋電位器等是控制裝置，即自動駕駛儀。參據(jù)量是給定的常值俯仰角，控制系統(tǒng)的任務(wù)就是在任何擾動（如陣風(fēng)或氣流沖擊）作用下，始終控制系統(tǒng)的任務(wù)就是在任何擾動（如陣風(fēng)或氣流沖擊）作用下，始

30、終保持飛機以給定俯仰角飛行。保持飛機以給定俯仰角飛行。2. 電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng) 圖為某工廠電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)原理示意圖。圖中，電圖為某工廠電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)原理示意圖。圖中，電阻絲通過晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計算機鍵盤預(yù)先設(shè)置阻絲通過晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計算機鍵盤預(yù)先設(shè)置(不一不一定是常值定是常值)，爐溫實際值由熱電偶檢測，并轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)放大、濾波，爐溫實際值由熱電偶檢測，并轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)放大、濾波后，由后，由 AD變換器將模擬量變換為數(shù)字量送入計算機，在計算機中與變換器將模擬量變換為數(shù)字量送入計算機，在計算機中與所設(shè)

31、置的溫度期望值比較后產(chǎn)生偏差信號，計算機便根據(jù)預(yù)定的控制算所設(shè)置的溫度期望值比較后產(chǎn)生偏差信號，計算機便根據(jù)預(yù)定的控制算法（即控制規(guī)律）計算出相應(yīng)的控制量，再經(jīng)法（即控制規(guī)律）計算出相應(yīng)的控制量，再經(jīng)DA變換器變換成電流，變換器變換成電流，通過觸發(fā)器控制晶閘管導(dǎo)通角，從而改變電阻絲中電流大小，達到控制通過觸發(fā)器控制晶閘管導(dǎo)通角，從而改變電阻絲中電流大小，達到控制爐溫的目的。爐溫的目的。按控制方式可分為：開環(huán)控制、反饋控制、復(fù)合控制等按控制方式可分為：開環(huán)控制、反饋控制、復(fù)合控制等按元件類型可分為：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液按元件類型可分為：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)

32、、生物系統(tǒng)等壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等按系統(tǒng)功用可分為：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置按系統(tǒng)功用可分為：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等控制系統(tǒng)等按系統(tǒng)性能分類：按系統(tǒng)性能分類：1 1）線性自動控制系統(tǒng)：）線性自動控制系統(tǒng)：線性定常線性定常自動自動控制系統(tǒng)；線性時變自動控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；線性時變自動控制系統(tǒng)；2 2）非線性自動控制）非線性自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類：按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類：1 1）連續(xù)系統(tǒng)；）連續(xù)系統(tǒng)；2 2）采樣系）采樣系統(tǒng)（離散信號）統(tǒng)（離散信號）按控制信號變化規(guī)律分類：按控制信號變化規(guī)律分類：1 1）鎮(zhèn)定系統(tǒng)（恒值控制系統(tǒng)）鎮(zhèn)定系統(tǒng)（恒

33、值控制系統(tǒng)或調(diào)節(jié)器）；或調(diào)節(jié)器）； 2 2）程序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)；3 3）隨動系統(tǒng)）隨動系統(tǒng)這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述, ,其一般形式為其一般形式為)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn式中式中,c(t)是被控量是被控量,r(t)是輸入量是輸入量.系數(shù)系數(shù)a0,a1,an；b0,b1,bm是是常數(shù)時常數(shù)時,稱為稱為定常系統(tǒng)定常系統(tǒng);系數(shù)系數(shù)a0,a1,an；b0,b1,bm隨時間變化隨時間變化時時,稱為稱為時變系統(tǒng)時變系統(tǒng).線性定

34、常連續(xù)系統(tǒng)線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不按其輸入量的變化規(guī)律不同又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)同又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng).1. 1. 線性連續(xù)控制系統(tǒng)線性連續(xù)控制系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng) 輸入信號是時間的任意函數(shù)，其變化規(guī)律事先不知道。系輸入信號是時間的任意函數(shù)，其變化規(guī)律事先不知道。系統(tǒng)要求輸出量以盡可能小的誤差跟隨輸入信號的變化。系統(tǒng)分統(tǒng)要求輸出量以盡可能小的誤差跟隨輸入信號的變化。系統(tǒng)分析、設(shè)計的重點是研究被控量跟隨的析、設(shè)計的重點是研究被控量跟隨的快速性和準確性快速性和準確性。程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 這類控制系統(tǒng)的輸入信號是按預(yù)定規(guī)律隨時間變化

35、的函數(shù)這類控制系統(tǒng)的輸入信號是按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù), ,要求被控量迅速、準確地加以要求被控量迅速、準確地加以復(fù)現(xiàn)復(fù)現(xiàn). .機械加工使用的數(shù)字程序控機械加工使用的數(shù)字程序控制機床便是一例制機床便是一例. . 恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 輸入信號是恒定常值，被控量也是一個與之對應(yīng)的常值，輸入信號是恒定常值，被控量也是一個與之對應(yīng)的常值，當外界有擾動時，系統(tǒng)要求被控量保持為一個恒定的希望值。當外界有擾動時，系統(tǒng)要求被控量保持為一個恒定的希望值。如電壓控制系統(tǒng)。對系統(tǒng)的要求是如電壓控制系統(tǒng)。對系統(tǒng)的要求是穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差。 程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)的參據(jù)量都是時間函數(shù)，不同之處在于前

36、程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)的參據(jù)量都是時間函數(shù)，不同之處在于前者是者是已知已知的時間函數(shù)，后者則是的時間函數(shù)，后者則是未知未知的任意時間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)的任意時間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的也可視為程序控制系統(tǒng)的特例特例。2. 線性定常離散系統(tǒng)線性定常離散系統(tǒng) 離散系統(tǒng)指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式離散系統(tǒng)指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式, ,因而信號在時間上是離散的因而信號在時間上是離散的. .連續(xù)信號經(jīng)采樣轉(zhuǎn)換成離散信號。連續(xù)信號經(jīng)采樣轉(zhuǎn)換成離散信號。 一般一般, ,在離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號在離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號, ,也有離散的數(shù)也有離

37、散的數(shù)字信號字信號. .因此因此, ,離散系統(tǒng)要用差分方程來描述離散系統(tǒng)要用差分方程來描述. .線性差分方程的線性差分方程的一般形式為一般形式為)() 1() 1()()() 1() 1()(110110krbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn式中式中, mn, n為差分方程的次數(shù)為差分方程的次數(shù),a0,a1,an；b0,b1,bm為常系為常系數(shù)數(shù),r(k),c(k)分別為輸入和輸出采樣序列分別為輸入和輸出采樣序列. 工業(yè)計算機控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)，如前述的爐工業(yè)計算機控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)，如前述的爐溫微機控制系統(tǒng)等。溫微機控制系統(tǒng)等。3.非線性控制系統(tǒng)非線

38、性控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入- -輸出特性是非線性的輸出特性是非線性的, ,這類系統(tǒng)就稱為非線性系統(tǒng)這類系統(tǒng)就稱為非線性系統(tǒng). .這時這時, ,要用非線性微分要用非線性微分( (或差分或差分) )方程來描述其特性方程來描述其特性. . 非線性方程的特點是非線性方程的特點是系數(shù)與變量有關(guān)系數(shù)與變量有關(guān), ,或者或者方程中含有變方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項, ,例如例如)()()()()(2trtytytyty 嚴格地說嚴格地說, ,實際的控制系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng)實際的控制系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng). .但對于非線性程但對于非線性程

39、度不太嚴重的元部件度不太嚴重的元部件, ,可采用在一定范圍內(nèi)線性化的方法可采用在一定范圍內(nèi)線性化的方法, ,從而將從而將非線性系統(tǒng)近似為線性控制系統(tǒng)非線性系統(tǒng)近似為線性控制系統(tǒng). . 由于非線性方程在數(shù)學(xué)處理上較困難由于非線性方程在數(shù)學(xué)處理上較困難, ,目前對不同類型的目前對不同類型的非線性系統(tǒng)的研究還沒有統(tǒng)一的方法非線性系統(tǒng)的研究還沒有統(tǒng)一的方法. . 盡管自控系統(tǒng)有不同的類型盡管自控系統(tǒng)有不同的類型, ,對每個系統(tǒng)也都有不同的特對每個系統(tǒng)也都有不同的特殊要求殊要求, ,但在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時但在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時, ,我們感興趣的都是系統(tǒng)我們感興趣的都是系統(tǒng)在某種典型輸入信號下在某

40、種典型輸入信號下, ,其被控量變化的全過程其被控量變化的全過程, ,且對全過程提且對全過程提出的共同基本要求都是一樣的，即出的共同基本要求都是一樣的，即穩(wěn)穩(wěn)定性、定性、快快速性和速性和準準確性。確性。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決先決條件條件. .一個穩(wěn)定的一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng), ,其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時間的增長逐其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時間的增長逐漸減小或趨于零漸減小或趨于零. . 不穩(wěn)定系統(tǒng)輸出量的過渡過程隨時間而增長不穩(wěn)定系統(tǒng)輸出量的過渡過程隨時間而增長或表現(xiàn)為持續(xù)震蕩，無法完成預(yù)定的控制任務(wù)。或表現(xiàn)為持續(xù)震蕩，

41、無法完成預(yù)定的控制任務(wù)。 線性自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定線性自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定, ,與外與外界因素?zé)o關(guān)界因素?zé)o關(guān). .1 基本要求的提法基本要求的提法 快速性快速性 控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定, ,還必須對其過渡過程的形式和快慢還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求提出要求, ,一般稱為一般稱為動態(tài)性能動態(tài)性能, ,其中包括過渡過程時間其中包括過渡過程時間( (即快速即快速性性) )和最大振蕩幅度和最大振蕩幅度( (即超調(diào)量即超調(diào)量). ). 如對于穩(wěn)定的高射炮射角隨如對于穩(wěn)定的高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖炮身最終能跟蹤目標，但若目標變動迅速，而炮動系統(tǒng)

42、，雖炮身最終能跟蹤目標，但若目標變動迅速，而炮身跟蹤目標所需過渡過程時間過長，就不可能擊中目標。身跟蹤目標所需過渡過程時間過長，就不可能擊中目標。 準確性準確性 理想情況下理想情況下, ,當過渡過程結(jié)束后當過渡過程結(jié)束后, ,被控量達到的穩(wěn)態(tài)值被控量達到的穩(wěn)態(tài)值( (即即平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)) )應(yīng)與期望值一致應(yīng)與期望值一致. .但實際上但實際上, ,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外作用由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響, ,被控量的穩(wěn)態(tài)值與被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會有誤差存在期望值之間會有誤差存在, ,稱為稱為穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差. .它是衡量控制系統(tǒng)它是

43、衡量控制系統(tǒng)控控制精度制精度的重要標志的重要標志, ,在技術(shù)指標中一般都有具體要求在技術(shù)指標中一般都有具體要求. .2 典型外作用典型外作用 在工程實踐中，自動控制系統(tǒng)承受的外作用形式多種多樣，對不在工程實踐中，自動控制系統(tǒng)承受的外作用形式多種多樣，對不同形式的外作用，系統(tǒng)被控量的變化情況（即響應(yīng)）各不相同，為了同形式的外作用，系統(tǒng)被控量的變化情況（即響應(yīng)）各不相同，為了便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種確定性便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種確定性函數(shù)作為函數(shù)作為典型外作用典型外作用。階躍、斜坡、脈沖、正弦函數(shù)。階躍、斜坡、脈沖、正弦函數(shù)(1) 階躍函

44、數(shù)階躍函數(shù) 階躍函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式為階躍函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式為000)(tRttf 表示一個在表示一個在t=0時出現(xiàn)的幅值為時出現(xiàn)的幅值為R的階躍變化函數(shù)。在實際系統(tǒng)的階躍變化函數(shù)。在實際系統(tǒng)中，這意味著中，這意味著t=0時突然加到系統(tǒng)上的一個幅值不變的外作用。幅值時突然加到系統(tǒng)上的一個幅值不變的外作用。幅值R1的階躍函數(shù)，稱的階躍函數(shù)，稱單位階躍函數(shù)單位階躍函數(shù)，用，用1(t)表示，幅值為表示，幅值為R的階躍函的階躍函數(shù)便可表示為數(shù)便可表示為f(t)R 1(t) 。在任意時刻。在任意時刻t0出現(xiàn)的階躍函數(shù)可表示為出現(xiàn)的階躍函數(shù)可表示為f(t- t0)R 1(t- t0) 。 階躍函數(shù)是自動控制系統(tǒng)

45、在實際工作條件下經(jīng)常遇到的一種外階躍函數(shù)是自動控制系統(tǒng)在實際工作條件下經(jīng)常遇到的一種外作用形式。如電源電壓突然跳動等。在控制系統(tǒng)的分析設(shè)計工作中，作用形式。如電源電壓突然跳動等。在控制系統(tǒng)的分析設(shè)計工作中，一般將階躍函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應(yīng)特性作為評價系統(tǒng)動態(tài)性能指標的一般將階躍函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應(yīng)特性作為評價系統(tǒng)動態(tài)性能指標的依據(jù)。依據(jù)。(2) 斜坡函數(shù)斜坡函數(shù) 斜坡函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式為斜坡函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式為000)(tRtttf 上式表示在上式表示在t=0時刻開始，以恒定速率時刻開始，以恒定速率R 隨時間而變化的函數(shù)。隨時間而變化的函數(shù)。在工程實踐中，某些隨動系統(tǒng)就常常工作于這種外作用下，例如在

46、工程實踐中，某些隨動系統(tǒng)就常常工作于這種外作用下，例如雷達雷達-高射炮防空系統(tǒng)，當雷達跟蹤的目標以恒定速率飛行時，便高射炮防空系統(tǒng)，當雷達跟蹤的目標以恒定速率飛行時，便可視為該系統(tǒng)工作于斜坡函數(shù)作用之下。可視為該系統(tǒng)工作于斜坡函數(shù)作用之下。(3) 脈沖函數(shù)脈沖函數(shù) 定義為定義為 脈沖函數(shù)在現(xiàn)實中是不存在的，只有數(shù)學(xué)上的定義，但它脈沖函數(shù)在現(xiàn)實中是不存在的，只有數(shù)學(xué)上的定義，但它卻是一個重要而有效的數(shù)學(xué)工具。例如，一個任意形式的外作用，卻是一個重要而有效的數(shù)學(xué)工具。例如，一個任意形式的外作用，可以分解成不同時刻的一系列脈沖函數(shù)之和，這樣，通過研究控可以分解成不同時刻的一系列脈沖函數(shù)之和，這樣，通過研究控制系統(tǒng)在脈沖函數(shù)作用下的響應(yīng)特性，便可以了解在任意形式外制系統(tǒng)在脈沖函數(shù)作用下的響應(yīng)特性，便可以了解在任意形式外作用下的響應(yīng)特性。作用下的響應(yīng)特性。(4) 正弦函數(shù)正弦函數(shù) 數(shù)學(xué)表達式為數(shù)學(xué)表達式為f(t) 正弦函數(shù)是控制系統(tǒng)常用的一正弦函數(shù)是控制系統(tǒng)常用的一種典型外作用，很多實際隨動系統(tǒng)種典型外作用，很多實際隨動系統(tǒng)就是常在這種正弦函數(shù)外作用下工就是常在這種正弦函數(shù)外作用下工作的。例如，艦船的消擺系統(tǒng)、穩(wěn)作的。例如，艦船的消