控制工程基礎(chǔ) 緒論課件

控制工程基礎(chǔ)

第一講緒論清華大學機械工程系朱志明教授11/3/20221控制工程基礎(chǔ)

第一講緒論清華大學機械工程系11/主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史小結(jié)教學大綱11/3/20222主要內(nèi)容引言11/2/20222引言-日常生活中的自動控制問題電冰箱恒溫控制：冰箱內(nèi)儲物量的增加和減少、冰箱門開啟和關(guān)閉的次數(shù)不同、外界環(huán)境溫度的變化等，都會影響冰箱內(nèi)的溫度，若希望維持冰箱內(nèi)溫度恒定不變，則需要有某種控制裝置（系統(tǒng)）對冰箱內(nèi)的溫度進行檢測和控制。溫度檢測→功率控制－恒值控制?？照{(diào)的溫度控制：溫度檢測→功率控制－恒值控制。溫度控制的兩種基本方法：開關(guān)控制：恒功率、間歇控制（缺點：噪音、耗能）變頻控制：變功率、連續(xù)控制（優(yōu)點：降噪、節(jié)能）洗衣機的時間控制：定時控制－程序控制11/3/20223引言-日常生活中的自動控制問題電冰箱恒溫控制：冰箱內(nèi)儲物量的引言－工業(yè)生產(chǎn)中的自動控制問題加熱爐的溫度自動控制－恒值控制?；どa(chǎn)中反應(yīng)塔的溫度和壓力能夠自動維持恒定不變。程序控制機床能夠按預先排定的工藝程序自動地進行切削，加工出預期的幾何形狀。在鋼鐵工業(yè)中，初軋機的軋輥來回轉(zhuǎn)動，將鋼錠碾軋至規(guī)定尺寸。為了保證軋制質(zhì)量，要求實現(xiàn)低速咬鋼、帶鋼升速、高速軋制等，這就要求拖動軋機的電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向按照一定的規(guī)律變化；然而，由于鋼錠尺寸的不同，加熱溫度不同，以及由于鋼錠進入軋輥時對軋輥的沖擊等，都會導致電機的負荷和轉(zhuǎn)速發(fā)生巨大波動，從而需要有控制裝置對電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進行控制。11/3/20224引言－工業(yè)生產(chǎn)中的自動控制問題加熱爐的溫度自動控制－恒值控制引言－國防工業(yè)中的自動控制問題火炮自動瞄準系統(tǒng)－跟蹤雷達和指揮儀所組成的防空系統(tǒng)能使火炮自動地瞄準目標－隨動控制。宇宙飛船在茫茫太空中要按預定的軌道飛行，并保持一定的姿態(tài)，但太空中有千變?nèi)f化的因素對它產(chǎn)生影響，需要有高性能的控制裝置對它進行控制。人造地球衛(wèi)星能夠發(fā)射到預定軌道并能準確回收。無人駕駛飛機能按預定航行線路自動飛行。導彈的目標尋找和制導。11/3/20225引言－國防工業(yè)中的自動控制問題火炮自動瞄準系統(tǒng)－跟蹤雷達和指引言－為什么要研究自動控制理論不同的生產(chǎn)機械、生產(chǎn)過程雖然要實現(xiàn)的任務(wù)各不相同，但都有一個共同點，即要求其中的某些物理量（如溫度、速度、位置等）按照特定的規(guī)律變化。（被控制量、輸出量）現(xiàn)實世界中存在各種阻礙上述要求實現(xiàn)的因素（擾動）；凡是由外部作用引起的擾動稱為外擾（如外界溫度、負載波動、風向和風力的變化）；由于內(nèi)部元器件特性變化引起的擾動稱為內(nèi)擾。為解決上述矛盾，就要采用控制裝置，對生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程的這些物理量進行控制。被控制的生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程稱為被控對象。研究自動控制系統(tǒng)（裝置）的基本理論稱為自動控制理論。11/3/20226引言－為什么要研究自動控制理論不同的生產(chǎn)機械、生產(chǎn)過程雖然要引言－自動控制技術(shù)的應(yīng)用自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制系統(tǒng)（裝置），使生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程（被控制對象）的某些物理量自動地按照預定的（恒定或變動的）規(guī)律運行。在人類征服自然、改造自然的過程中，自動控制技術(shù)起著極其重要的作用。自動控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通運輸、企業(yè)管理、科學研究等各個領(lǐng)域的應(yīng)用愈來愈廣泛。自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，改善了人們的生活水平和勞動條件。隨著生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，自動控制技術(shù)更顯示了越來越重要的作用和廣闊的應(yīng)用前景。11/3/20227引言－自動控制技術(shù)的應(yīng)用自動控制是指在沒有人直接參與的情況下主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史小結(jié)教學大綱11/3/20228主要內(nèi)容引言11/2/20228控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)

人工控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)的基本組成

基本組成

名詞術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較11/3/20229控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)11/2/人工控制系統(tǒng)恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)－原理圖～220V溫度計眼手腦加熱電阻絲恒溫爐調(diào)壓器11/3/202210人工控制系統(tǒng)恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)－原理圖～220V溫度計（輸入）(輸出)期望爐溫＋手調(diào)壓器恒溫爐溫度計眼－反饋擾動實際爐溫偏差腦人工控制系統(tǒng)恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)－職能方塊圖11/3/202211（輸入）(輸出)期望爐溫＋手調(diào)壓器恒溫爐溫度計眼－擾動實際爐自動控制系統(tǒng)11/3/202212自動控制系統(tǒng)11/2/202212控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)

人工控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)的基本組成

基本組成

名詞術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較11/3/202213控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)11/2/開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制器與被控對象之間只有順（前）向作用，沒有反（逆）向作用，系統(tǒng)的輸出量對控制作用沒有影響。直流電機速度開環(huán)控制系統(tǒng)在開環(huán)控制系統(tǒng)中，只有從輸入端到輸出端的信號作用路徑，而沒有從輸出端到輸入端的作用路徑。11/3/202214開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制器與被控對象之間只有順（前）向作用，沒開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖結(jié)構(gòu)比較簡單，調(diào)整比較方便。當因擾動作用（如電源輸入變化、晶閘管整流裝置特性的變化或負載轉(zhuǎn)矩變化等）引起電機轉(zhuǎn)速偏離原來校準的數(shù)值時，系統(tǒng)沒有對偏差修正的能力。開環(huán)控制系統(tǒng)的精度取決于系統(tǒng)校準的精度和系統(tǒng)中元器件特性的穩(wěn)定程度，從而對其所采用的元器件的精度和穩(wěn)定性提出了較高的要求。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點11/3/202215開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖結(jié)構(gòu)比較簡單，調(diào)整比較方便。開環(huán)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例直流電機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)導彈發(fā)射和制導系統(tǒng)11/3/202216閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例直流電機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)導彈發(fā)射和制導系統(tǒng)1閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，不僅有從輸入端到輸出端的作用路徑（前向通道），還有從輸出端到輸入端的信號作用路徑（反饋通道）。由于引入了反饋，系統(tǒng)的方塊圖形成了閉環(huán)，構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。11/3/202217閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，不僅有從輸入端到輸出端的閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點：采用反饋控制提高了系統(tǒng)的精度。負反饋：使偏差減小或消除的反饋作用。反饋控制是自動控制的基本原理，負反饋控制系統(tǒng)的原理是根據(jù)所檢測的偏差進行控制，從而抑制或消除偏差，即檢測偏差，抑制或消除偏差。由擾動引起的偏差，只要擾動作用點被反饋路徑包圍，都能被反饋作用抑制或消除。因此，系統(tǒng)對這部分元器件內(nèi)部參數(shù)的變化不敏感，可以用精度不高而成本低的元器件組成。對作用點不被反饋路徑包圍的擾動所引起的偏差，反饋作用無能為力，如給定元件、反饋元件的精度。當閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或參數(shù)配合不當時，可能引起過調(diào)，造成系統(tǒng)振蕩，甚至不能正常工作。對閉環(huán)系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是一個重要問題。11/3/202218閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點：采用反饋控制提高了系統(tǒng)控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)

人工控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)的基本組成

基本組成

名詞術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較11/3/202219控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)11/2/反饋控制系統(tǒng)的基本組成給定環(huán)節(jié)：根據(jù)系統(tǒng)輸出量的期望值，產(chǎn)生系統(tǒng)的給定輸入信號的環(huán)節(jié)。反饋環(huán)節(jié)：對系統(tǒng)輸出量的實際值進行測量，將它轉(zhuǎn)換成反饋信號，并使反饋信號成為與給定信號同類型、同數(shù)量級的物理量。比較器：將給定信號與反饋信號進行比較，產(chǎn)生偏差信號的環(huán)節(jié)?？刂破鳎焊鶕?jù)偏差信號，按一定的控制規(guī)律，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號的環(huán)節(jié)。執(zhí)行環(huán)節(jié)：將控制信號進行功率放大，直接推動被控對象，使被控制量發(fā)生變化的環(huán)節(jié)。被控對象：控制系統(tǒng)所要控制的設(shè)備或生產(chǎn)過程，它的輸出量為被控制量。11/3/202220反饋控制系統(tǒng)的基本組成給定環(huán)節(jié)：根據(jù)系統(tǒng)輸出量的期望值，產(chǎn)生名詞術(shù)語（1）輸入信號r(t)：又稱輸入量、控制量、給定量。它是控制輸出量變化規(guī)律的信號。往往把輸入到控制系統(tǒng)中的信號（包括擾動信號）廣義地叫做輸入量。輸出信號c(t)：又稱輸出量、被控制量、被調(diào)整量。它的變化規(guī)律是要加以控制的，應(yīng)保持與輸入信號之間有一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號b(t)：或稱反饋量。從系統(tǒng)（或元件）輸出端取出信號，經(jīng)過變換后加到系統(tǒng)（或元件）輸入端。擾動信號f(t)：又稱擾動和干擾。除控制信號以外，對系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生影響的因素都叫擾動。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部，則稱為內(nèi)擾；產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾，外擾動也是系統(tǒng)的一種輸入量。11/3/202221名詞術(shù)語（1）輸入信號r(t)：又稱輸入量、控制量、給定量。名詞術(shù)語（2）正反饋：反饋信號與輸入信號符號相同，能加強輸入信號的作用。負反饋：反饋信號與輸入信號符號相反，抵消輸入信號作用。主反饋：直接取自系統(tǒng)最終輸出端的反饋。主反饋一定是負反饋，否則偏差越來越大，直至系統(tǒng)失去控制。局部反饋：除主反饋外，有的系統(tǒng)還有局部反饋，主要是為系統(tǒng)進行校正、補償或線性化而加入的。偏差信號ε(t)：或稱偏差?？刂菩盘柵c主反饋信號之差。誤差信號e(t)：或稱誤差。系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之差。注意誤差與偏差不是同一概念，只有在全反饋系統(tǒng)中，誤差才等于偏差。11/3/202222名詞術(shù)語（2）正反饋：反饋信號與輸入信號符號相同，能加強輸入控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)

人工控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)的基本組成

基本組成

名詞術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較11/3/202223控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)11/2/開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了反饋，因此對外擾動和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化引起的偏差能夠自動地糾正。這樣就可以采用精度不太高而成本比較低的元件組成一個精確的控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)則相反，因為沒有反饋，故沒有糾正偏差的能力，外擾動和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化將引起系統(tǒng)的精度降低。從穩(wěn)定性的角度看，開環(huán)系統(tǒng)容易解決。而閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性始終是一個關(guān)鍵問題。如果參數(shù)選擇不當，就會造成系統(tǒng)振蕩，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，完全失去控制。開環(huán)系統(tǒng)容易建造，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作穩(wěn)定。一般來說，當系統(tǒng)控制量的變化規(guī)律能預先知道，并且不存在外部擾動（或有辦法抑制）時，采用開環(huán)控制較好。特別是被控制量很難進行測量時更是如此。如果系統(tǒng)的控制量和干擾量均無法事先預知時，或系統(tǒng)中元件參數(shù)不穩(wěn)定時，采用閉環(huán)控制的優(yōu)點就顯得特別突出。若要求實現(xiàn)復雜而準確度較高的控制任務(wù)，則可將開環(huán)控制與閉環(huán)控制結(jié)合起來一起作用，組成一個比較經(jīng)濟而又性能較好的復合控制系統(tǒng)。11/3/202224開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了反饋，因此對主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史小結(jié)教學大綱11/3/202225主要內(nèi)容引言11/2/202225自動控制系統(tǒng)的基本類型按給定變化規(guī)律分類恒值控制系統(tǒng)（恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)）隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)11/3/202226自動控制系統(tǒng)的基本類型按給定變化規(guī)律分類11/2/20222恒值控制系統(tǒng)（恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)）在這種系統(tǒng)中，系統(tǒng)的給定輸入量是恒值，在擾動存在的情況下，要求輸出量保持恒定。其分析設(shè)計的重點是要求系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。直流電動機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)電爐溫度控制系統(tǒng)11/3/202227恒值控制系統(tǒng)（恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)）在這種系統(tǒng)中，系統(tǒng)的給定輸入量是隨動系統(tǒng)在反饋控制系統(tǒng)中，若給定輸入信號是預先未知的隨時間變化的函數(shù)，這種系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。實例：國防工業(yè)的火炮跟蹤系統(tǒng)、雷達導引系統(tǒng)、機械加工設(shè)備的伺服機構(gòu)、天文望遠鏡的跟蹤系統(tǒng)。在導彈發(fā)射和制導系統(tǒng)中，給定信號是目標機的方位和速度，這些信號是隨時間變化的未知函數(shù)。位置控制系統(tǒng)：控制目的是使輸出軸的轉(zhuǎn)角迅速準確地跟隨輸入軸的轉(zhuǎn)角變化。對隨動系統(tǒng)來說，輸入信號是隨機的，要求輸出能迅速而準確地復現(xiàn)輸入信號的變化，其分析和設(shè)計的重點是研究系統(tǒng)的跟隨性能。位置控制系統(tǒng)11/3/202228隨動系統(tǒng)在反饋控制系統(tǒng)中，若給定輸入信號是預先未知的隨時間變程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的輸入信號是已知的時間函數(shù)。程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)相似，只是輸入信號的變化規(guī)律是預先確定的。程序控制系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng)，也可以是閉環(huán)系統(tǒng)。應(yīng)用實例：仿形銑床、數(shù)控機床、機械手控制系統(tǒng)。數(shù)控機床控制系統(tǒng)11/3/202229程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的輸入信號是已知的時間函數(shù)線性系統(tǒng)及其重要特性線性系統(tǒng)：組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性的；系統(tǒng)的數(shù)學模型可以用線性微分方程描述；在線性微分方程中，只含輸入量或輸出量各階導數(shù)的一次項。線性定常系統(tǒng)：線性系統(tǒng)元件的參數(shù)是集中的且不隨時間變化。線性時變系統(tǒng)：系統(tǒng)元件的參數(shù)是隨時間變化的，即系統(tǒng)微分方程的系數(shù)是時間的函數(shù)。例如：宇宙飛船隨著燃料的消耗其質(zhì)量不斷變化；帶鋼卷筒由于卷徑變化其轉(zhuǎn)動慣量不是恒定的。線性系統(tǒng)的兩個重要特性：比例性和疊加性。比例性：當系統(tǒng)的輸入量增大K倍時，系統(tǒng)的輸出量也相應(yīng)增大K倍。疊加性：當多個輸入量作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)總響應(yīng)等于各個輸入量分別作用于系統(tǒng)的響應(yīng)之和。11/3/202230線性系統(tǒng)及其重要特性線性系統(tǒng)：11/2/202230非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一個以上的元件的特性是非線性的系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)的數(shù)學模型要用非線性微分方程描述。非線性微分方程：某些項的系數(shù)與變量有關(guān)，即方程中含有變量及其導數(shù)的高次項或乘積項。11/3/202231非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一個以上的元件的特性是非線性的連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信號都是時間的連續(xù)函數(shù)。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是以脈沖序列或數(shù)字編碼形式出現(xiàn)的。離散系統(tǒng)包括采樣控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。采樣控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中的連續(xù)信號被采樣成脈沖序列。數(shù)字控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中的連續(xù)信號被采樣后量化成數(shù)字信號。11/3/202232連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史小結(jié)教學大綱11/3/202233主要內(nèi)容引言11/2/202233對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)精度動態(tài)品質(zhì)魯棒性（穩(wěn)健性）自動控制理論主要研究的問題分析綜合11/3/202234對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求11/2/2穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)定性是指系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下，受到擾動作用偏離平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)恢復原有平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的前提。為了使系統(tǒng)在環(huán)境或參數(shù)變化時還能保持穩(wěn)定，在設(shè)計時還要留有一定的穩(wěn)定裕量。穩(wěn)態(tài)是指穩(wěn)定的系統(tǒng)在過渡過程（暫態(tài)）結(jié)束后所處的狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)精度常以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差是指穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)期望輸出量和實際輸出量之差。系統(tǒng)設(shè)計時希望穩(wěn)態(tài)誤差要小。在恒值調(diào)速系統(tǒng)中，希望因負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差的變動要盡量??；在隨動系統(tǒng)中，希望輸出信號與輸入信號盡量一致。11/3/202235穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)定性是指系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下，受到擾動作用偏動態(tài)品質(zhì)與魯棒性動態(tài)品質(zhì)通常用動態(tài)響應(yīng)指標來衡量。動態(tài)響應(yīng)指標是系統(tǒng)在單位階躍輸入及零初始條件下的一些指標，如調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量、振蕩次數(shù)等，它們反映系統(tǒng)過渡過程性能的優(yōu)劣。調(diào)節(jié)時間反映系統(tǒng)動態(tài)過程的快速性；超調(diào)量和振蕩次數(shù)反映系統(tǒng)過渡過程的平穩(wěn)性。調(diào)節(jié)時間即過渡過程時間。超調(diào)量即動態(tài)響應(yīng)最大值超出穩(wěn)態(tài)值的部分相對于穩(wěn)態(tài)值的百分數(shù)。振蕩次數(shù)即過渡過程中系統(tǒng)振蕩的次數(shù)。魯棒性是指系統(tǒng)特性抵御各種攝動因素影響的能力。如對抗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾的能力。引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變異或參數(shù)攝動的原因是多方面的，如由于對象的建模誤差、制造公差、元器件老化、零部件磨損和系統(tǒng)運行環(huán)境的變化等。系統(tǒng)性能受參數(shù)攝動影響的屬性稱為系統(tǒng)的靈敏度。如果一個控制系統(tǒng)的靈敏度低，抗干擾性好，則稱該系統(tǒng)的魯棒性好。11/3/202236動態(tài)品質(zhì)與魯棒性動態(tài)品質(zhì)通常用動態(tài)響應(yīng)指標來衡量。動態(tài)響應(yīng)指

綜合性能指標在多變量控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)最優(yōu)控制，往往采用綜合性的性能指標。根據(jù)不同系統(tǒng)的任務(wù)，選取的性能指標形式也不同。例如：在宇航技術(shù)中，不僅要求快速而準確地將運載火箭送入新軌道，并且燃料消耗要最少，在性能指標中就應(yīng)包含對輸出誤差和對控制能量的要求。自動控制理論主要研究的問題分析：在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)已經(jīng)確定的條件下，對系統(tǒng)的性能進行分析，并提出改善性能的途徑。綜合：根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的任務(wù)，給出穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標，要求組成一個系統(tǒng)，并確定適當?shù)膮?shù)，使系統(tǒng)滿足給定的性能指標。11/3/202237綜合性能指標自動控制理論主要研究的問題11/2/20223主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史小結(jié)教學大綱11/3/202238主要內(nèi)容引言11/2/202238自動控制理論的發(fā)展簡史（1）人類對反饋這一基本原理早有認識，并利用它創(chuàng)造了許多裝置，如孵卵器、水利及風力磨坊的速度調(diào)節(jié)器等。1788年，JamesWatt發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)速器是最早的自動控制系統(tǒng)。11/3/202239自動控制理論的發(fā)展簡史（1）人類對反饋這一基本原理早有認識，自動控制理論的發(fā)展簡史（2）隨后，G.B.Airy發(fā)現(xiàn)并首先討論了控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定問題。1868年，麥克斯韋爾（JamesClerkMaxwell）發(fā)表了《論調(diào)節(jié)器》一文，系統(tǒng)研究了反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。1877年勞斯（E.J.Routh）及1895年胡爾維茨（A.Hurwitz)分別獨立地提出了穩(wěn)定性判據(jù)。1877～1880年，俄國科學家發(fā)明了火炮隨動系統(tǒng)和飛行器駕駛系統(tǒng)。1892年，李雅普諾夫（A.M.Lyapunov）發(fā)表了《論運動穩(wěn)定性的一般問題》，全面論述了穩(wěn)定性問題，并為狀態(tài)變量法控制理論打下了基礎(chǔ)。1934年，海森（H.L.Hazen)發(fā)表了《侍服機構(gòu)理論》的重要論文，第一次提出了自動控制系統(tǒng)的精確理論。主要研究和解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度問題。11/3/202240自動控制理論的發(fā)展簡史（2）隨后，G.B.Airy發(fā)現(xiàn)并首自動控制理論的發(fā)展簡史（3）隨著武器的進化，要求控制系統(tǒng)能準確跟蹤變化的目標，從而對自動控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能提出了要求。而設(shè)計具有高動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度的控制系統(tǒng)所需的理論已在通訊工程領(lǐng)域中得到發(fā)展。為解決遠距離通訊的失真問題，1927年布萊克（H.S.Black）發(fā)明了負反饋放大器，并發(fā)現(xiàn)了反饋系統(tǒng)的重要特性。1932年，乃奎斯特（H.Nyquist）提出了乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，為頻率法奠定了基礎(chǔ)。伯德（H.W.Bode）完善了分析控制系統(tǒng)的圖解法即頻率法。1947年，美國麻省理工學院輻射實驗室的詹姆斯（James）、尼柯爾斯（Nichols）和菲利普斯（Philips）將反饋放大器理論、過程的PID控制和隨機過程理論結(jié)合起來，形成一套侍服機構(gòu)設(shè)計方法。11/3/202241自動控制理論的發(fā)展簡史（3）隨著武器的進化，要求控制系統(tǒng)能準自動控制理論的發(fā)展簡史（4）1948年，伊萬斯（W.R.Evans）又提出了根軌跡法。至此，控制理論的第一發(fā)展階段基本完成。以頻率法和根軌跡法為核心的控制理論稱為經(jīng)典控制理論。它特別適用于單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)（僅有一個輸入量和一個輸出量的系統(tǒng)），至今仍被廣泛而成功地應(yīng)用于控制領(lǐng)域中。20世紀60年代，由于宇航、軍工及過程控制方面的發(fā)展，出現(xiàn)了許多的多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，它們具有變量多、變量相互間有耦合的特點，還具有非線性、時變特性，并且往往要求系統(tǒng)能在一定的控制約束條件下達到性能指標最優(yōu)。對多輸入多輸出系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論顯得無能為力。然而現(xiàn)代數(shù)學和計算技術(shù)的發(fā)展為控制理論的進一步發(fā)展準備了數(shù)學基礎(chǔ)和計算工具，從而促進了現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展。11/3/202242自動控制理論的發(fā)展簡史（4）1948年，伊萬斯（W.R.自動控制理論的發(fā)展簡史（5）現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容有：美國貝爾曼（Bellman）等人提出的狀態(tài)空間法；前蘇聯(lián)龐特里亞金（Pontryagin）的極大值原理；貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃法；卡爾曼（Kallman）的最佳濾波器理論及能控能觀性理論?，F(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)、以狀態(tài)空間法為主要方法來分析和設(shè)計系統(tǒng)，其目的是尋找最優(yōu)控制規(guī)律，使系統(tǒng)的性能指標達到最優(yōu)化。20世紀70年代以來，控制理論又向大系統(tǒng)理論和智能控制理論發(fā)展（亦稱第三代控制理論）?，F(xiàn)代控制理論不能代替經(jīng)典控制理論。當分析和設(shè)計簡單系統(tǒng)時，常用經(jīng)典控制理論；當分析和設(shè)計多輸入多輸出系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)時，常用現(xiàn)代控制理論。11/3/202243自動控制理論的發(fā)展簡史（5）現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容有：美國貝主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史小結(jié)教學大綱11/3/202244主要內(nèi)容引言11/2/202244小結(jié)介紹了自動控制的基本概念，重點是反饋控制原理。負反饋控制的原理是檢測偏差，抑制或消除偏差。通過分析閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理和方塊圖，介紹了控制系統(tǒng)的分析方法，并指出了各組成環(huán)節(jié)的作用。介紹了自動控制理論的一些常用術(shù)語。對自動控制系統(tǒng)的要求及分類方法進行了簡單介紹。11/3/202245小結(jié)介紹了自動控制的基本概念，重點是反饋控制原理。11/2/主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史小結(jié)教學大綱11/3/202246主要內(nèi)容引言11/2/202246教學大綱緒論控制系統(tǒng)的數(shù)學模型（1）（2）（3）控制系統(tǒng)的時域分析（1）（2）控制系統(tǒng)的頻率法分析（1）（2）（3）（4）控制系統(tǒng)的校正與綜合11/3/202247教學大綱緒論11/2/202247教學計劃（1）第一講緒論引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史第二講控制系統(tǒng)的數(shù)學模型（1）物理系統(tǒng)的動態(tài)描述－數(shù)學模型建立系統(tǒng)數(shù)學模型的一般步驟非線性數(shù)學模型的線性化11/3/202248教學計劃（1）第一講緒論11/2/202248教學計劃（2）第三講控制系統(tǒng)的數(shù)學模型（2）傳遞函數(shù)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)第四講控制系統(tǒng)的數(shù)學模型（3）系統(tǒng)方塊圖及其變換系統(tǒng)信號流圖第五講控制系統(tǒng)的時域分析（1）控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)和典型試驗信號基于傳遞函數(shù)的輸出響應(yīng)線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析11/3/202249教學計劃（2）第三講控制系統(tǒng)的數(shù)學模型（2）11/2/20教學計劃（3）第六講控制系統(tǒng)的時域分析（2）控制系統(tǒng)的動態(tài)性能分析高階系統(tǒng)的低階近似分析基本控制規(guī)律第七講控制系統(tǒng)的頻率法分析（1）概述--頻率特性典型環(huán)節(jié)的頻率特性第八講控制系統(tǒng)的頻率法分析（2）系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制11/3/202250教學計劃（3）第六講控制系統(tǒng)的時域分析（2）11/2/20教學計劃（4）第九講控制系統(tǒng)的頻率法分析（3）用頻率法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性第十講控制系統(tǒng)的頻率法分析（4）用頻率法分析系統(tǒng)的動靜態(tài)品質(zhì)第十一講控制系統(tǒng)的校正與綜合常用的串聯(lián)校正方法和校正裝置控制系統(tǒng)的校正與綜合基于頻率法的串聯(lián)校正PID控制11/3/202251教學計劃（4）第九講控制系統(tǒng)的頻率法分析（3）11/2/2

SEEYOUNEXTTIME！11/3/202252SEEYOUNEXTTIME！11/2/20225樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。11月-2211月-22Thursday,November3,2022人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。22:11:2222:11:2222:1111/3/202210:11:22PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。11月-2222:11:2222:11Nov-2203-Nov-22加強交通建設(shè)管理，確保工程建設(shè)質(zhì)量。22:11:2222:11:2222:11Thursday,November3,2022安全在于心細，事故出在麻痹。11月-2211月-2222:11:2222:11:22November3,2022踏實肯干，努力奮斗。2022年11月3日10:11下午11月-2211月-22追求至善憑技術(shù)開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務(wù)樹立形象。03十一月202210:11:22下午22:11:2211月-22嚴格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。十一月2210:11下午11月-2222:11November3,2022作業(yè)標準記得牢，駕輕就熟除煩惱。2022/11/322:11:2222:11:2203November2022好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。10:11:22下午10:11下午22:11:2211月-22專注今天，好好努力，剩下的交給時間。11月-2211月-2222:1122:11:2222:11:22Nov-22牢記安全之責，善謀安全之策，力務(wù)安全之實。2022/11/322:11:22Thursday,November3,2022相信相信得力量。11月-222022/11/322:11:2211月-22謝謝大家！樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。11月-2211月-22控制工程基礎(chǔ)

第一講緒論清華大學機械工程系朱志明教授11/3/202254控制工程基礎(chǔ)

第一講緒論清華大學機械工程系11/主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史小結(jié)教學大綱11/3/202255主要內(nèi)容引言11/2/20222引言-日常生活中的自動控制問題電冰箱恒溫控制：冰箱內(nèi)儲物量的增加和減少、冰箱門開啟和關(guān)閉的次數(shù)不同、外界環(huán)境溫度的變化等，都會影響冰箱內(nèi)的溫度，若希望維持冰箱內(nèi)溫度恒定不變，則需要有某種控制裝置（系統(tǒng)）對冰箱內(nèi)的溫度進行檢測和控制。溫度檢測→功率控制－恒值控制?？照{(diào)的溫度控制：溫度檢測→功率控制－恒值控制。溫度控制的兩種基本方法：開關(guān)控制：恒功率、間歇控制（缺點：噪音、耗能）變頻控制：變功率、連續(xù)控制（優(yōu)點：降噪、節(jié)能）洗衣機的時間控制：定時控制－程序控制11/3/202256引言-日常生活中的自動控制問題電冰箱恒溫控制：冰箱內(nèi)儲物量的引言－工業(yè)生產(chǎn)中的自動控制問題加熱爐的溫度自動控制－恒值控制?；どa(chǎn)中反應(yīng)塔的溫度和壓力能夠自動維持恒定不變。程序控制機床能夠按預先排定的工藝程序自動地進行切削，加工出預期的幾何形狀。在鋼鐵工業(yè)中，初軋機的軋輥來回轉(zhuǎn)動，將鋼錠碾軋至規(guī)定尺寸。為了保證軋制質(zhì)量，要求實現(xiàn)低速咬鋼、帶鋼升速、高速軋制等，這就要求拖動軋機的電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向按照一定的規(guī)律變化；然而，由于鋼錠尺寸的不同，加熱溫度不同，以及由于鋼錠進入軋輥時對軋輥的沖擊等，都會導致電機的負荷和轉(zhuǎn)速發(fā)生巨大波動，從而需要有控制裝置對電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進行控制。11/3/202257引言－工業(yè)生產(chǎn)中的自動控制問題加熱爐的溫度自動控制－恒值控制引言－國防工業(yè)中的自動控制問題火炮自動瞄準系統(tǒng)－跟蹤雷達和指揮儀所組成的防空系統(tǒng)能使火炮自動地瞄準目標－隨動控制。宇宙飛船在茫茫太空中要按預定的軌道飛行，并保持一定的姿態(tài)，但太空中有千變?nèi)f化的因素對它產(chǎn)生影響，需要有高性能的控制裝置對它進行控制。人造地球衛(wèi)星能夠發(fā)射到預定軌道并能準確回收。無人駕駛飛機能按預定航行線路自動飛行。導彈的目標尋找和制導。11/3/202258引言－國防工業(yè)中的自動控制問題火炮自動瞄準系統(tǒng)－跟蹤雷達和指引言－為什么要研究自動控制理論不同的生產(chǎn)機械、生產(chǎn)過程雖然要實現(xiàn)的任務(wù)各不相同，但都有一個共同點，即要求其中的某些物理量（如溫度、速度、位置等）按照特定的規(guī)律變化。（被控制量、輸出量）現(xiàn)實世界中存在各種阻礙上述要求實現(xiàn)的因素（擾動）；凡是由外部作用引起的擾動稱為外擾（如外界溫度、負載波動、風向和風力的變化）；由于內(nèi)部元器件特性變化引起的擾動稱為內(nèi)擾。為解決上述矛盾，就要采用控制裝置，對生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程的這些物理量進行控制。被控制的生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程稱為被控對象。研究自動控制系統(tǒng)（裝置）的基本理論稱為自動控制理論。11/3/202259引言－為什么要研究自動控制理論不同的生產(chǎn)機械、生產(chǎn)過程雖然要引言－自動控制技術(shù)的應(yīng)用自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制系統(tǒng)（裝置），使生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程（被控制對象）的某些物理量自動地按照預定的（恒定或變動的）規(guī)律運行。在人類征服自然、改造自然的過程中，自動控制技術(shù)起著極其重要的作用。自動控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通運輸、企業(yè)管理、科學研究等各個領(lǐng)域的應(yīng)用愈來愈廣泛。自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，改善了人們的生活水平和勞動條件。隨著生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，自動控制技術(shù)更顯示了越來越重要的作用和廣闊的應(yīng)用前景。11/3/202260引言－自動控制技術(shù)的應(yīng)用自動控制是指在沒有人直接參與的情況下主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史小結(jié)教學大綱11/3/202261主要內(nèi)容引言11/2/20228控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)

人工控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)的基本組成

基本組成

名詞術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較11/3/202262控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)11/2/人工控制系統(tǒng)恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)－原理圖～220V溫度計眼手腦加熱電阻絲恒溫爐調(diào)壓器11/3/202263人工控制系統(tǒng)恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)－原理圖～220V溫度計（輸入）(輸出)期望爐溫＋手調(diào)壓器恒溫爐溫度計眼－反饋擾動實際爐溫偏差腦人工控制系統(tǒng)恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)－職能方塊圖11/3/202264（輸入）(輸出)期望爐溫＋手調(diào)壓器恒溫爐溫度計眼－擾動實際爐自動控制系統(tǒng)11/3/202265自動控制系統(tǒng)11/2/202212控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)

人工控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)的基本組成

基本組成

名詞術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較11/3/202266控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)11/2/開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制器與被控對象之間只有順（前）向作用，沒有反（逆）向作用，系統(tǒng)的輸出量對控制作用沒有影響。直流電機速度開環(huán)控制系統(tǒng)在開環(huán)控制系統(tǒng)中，只有從輸入端到輸出端的信號作用路徑，而沒有從輸出端到輸入端的作用路徑。11/3/202267開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制器與被控對象之間只有順（前）向作用，沒開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖結(jié)構(gòu)比較簡單，調(diào)整比較方便。當因擾動作用（如電源輸入變化、晶閘管整流裝置特性的變化或負載轉(zhuǎn)矩變化等）引起電機轉(zhuǎn)速偏離原來校準的數(shù)值時，系統(tǒng)沒有對偏差修正的能力。開環(huán)控制系統(tǒng)的精度取決于系統(tǒng)校準的精度和系統(tǒng)中元器件特性的穩(wěn)定程度，從而對其所采用的元器件的精度和穩(wěn)定性提出了較高的要求。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點11/3/202268開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖結(jié)構(gòu)比較簡單，調(diào)整比較方便。開環(huán)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例直流電機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)導彈發(fā)射和制導系統(tǒng)11/3/202269閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例直流電機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)導彈發(fā)射和制導系統(tǒng)1閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，不僅有從輸入端到輸出端的作用路徑（前向通道），還有從輸出端到輸入端的信號作用路徑（反饋通道）。由于引入了反饋，系統(tǒng)的方塊圖形成了閉環(huán)，構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。11/3/202270閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，不僅有從輸入端到輸出端的閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點：采用反饋控制提高了系統(tǒng)的精度。負反饋：使偏差減小或消除的反饋作用。反饋控制是自動控制的基本原理，負反饋控制系統(tǒng)的原理是根據(jù)所檢測的偏差進行控制，從而抑制或消除偏差，即檢測偏差，抑制或消除偏差。由擾動引起的偏差，只要擾動作用點被反饋路徑包圍，都能被反饋作用抑制或消除。因此，系統(tǒng)對這部分元器件內(nèi)部參數(shù)的變化不敏感，可以用精度不高而成本低的元器件組成。對作用點不被反饋路徑包圍的擾動所引起的偏差，反饋作用無能為力，如給定元件、反饋元件的精度。當閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或參數(shù)配合不當時，可能引起過調(diào)，造成系統(tǒng)振蕩，甚至不能正常工作。對閉環(huán)系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是一個重要問題。11/3/202271閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點：采用反饋控制提高了系統(tǒng)控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)

人工控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)的基本組成

基本組成

名詞術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較11/3/202272控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)11/2/反饋控制系統(tǒng)的基本組成給定環(huán)節(jié)：根據(jù)系統(tǒng)輸出量的期望值，產(chǎn)生系統(tǒng)的給定輸入信號的環(huán)節(jié)。反饋環(huán)節(jié)：對系統(tǒng)輸出量的實際值進行測量，將它轉(zhuǎn)換成反饋信號，并使反饋信號成為與給定信號同類型、同數(shù)量級的物理量。比較器：將給定信號與反饋信號進行比較，產(chǎn)生偏差信號的環(huán)節(jié)?？刂破鳎焊鶕?jù)偏差信號，按一定的控制規(guī)律，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號的環(huán)節(jié)。執(zhí)行環(huán)節(jié)：將控制信號進行功率放大，直接推動被控對象，使被控制量發(fā)生變化的環(huán)節(jié)。被控對象：控制系統(tǒng)所要控制的設(shè)備或生產(chǎn)過程，它的輸出量為被控制量。11/3/202273反饋控制系統(tǒng)的基本組成給定環(huán)節(jié)：根據(jù)系統(tǒng)輸出量的期望值，產(chǎn)生名詞術(shù)語（1）輸入信號r(t)：又稱輸入量、控制量、給定量。它是控制輸出量變化規(guī)律的信號。往往把輸入到控制系統(tǒng)中的信號（包括擾動信號）廣義地叫做輸入量。輸出信號c(t)：又稱輸出量、被控制量、被調(diào)整量。它的變化規(guī)律是要加以控制的，應(yīng)保持與輸入信號之間有一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號b(t)：或稱反饋量。從系統(tǒng)（或元件）輸出端取出信號，經(jīng)過變換后加到系統(tǒng)（或元件）輸入端。擾動信號f(t)：又稱擾動和干擾。除控制信號以外，對系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生影響的因素都叫擾動。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部，則稱為內(nèi)擾；產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾，外擾動也是系統(tǒng)的一種輸入量。11/3/202274名詞術(shù)語（1）輸入信號r(t)：又稱輸入量、控制量、給定量。名詞術(shù)語（2）正反饋：反饋信號與輸入信號符號相同，能加強輸入信號的作用。負反饋：反饋信號與輸入信號符號相反，抵消輸入信號作用。主反饋：直接取自系統(tǒng)最終輸出端的反饋。主反饋一定是負反饋，否則偏差越來越大，直至系統(tǒng)失去控制。局部反饋：除主反饋外，有的系統(tǒng)還有局部反饋，主要是為系統(tǒng)進行校正、補償或線性化而加入的。偏差信號ε(t)：或稱偏差。控制信號與主反饋信號之差。誤差信號e(t)：或稱誤差。系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之差。注意誤差與偏差不是同一概念，只有在全反饋系統(tǒng)中，誤差才等于偏差。11/3/202275名詞術(shù)語（2）正反饋：反饋信號與輸入信號符號相同，能加強輸入控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)

人工控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)的基本組成

基本組成

名詞術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較11/3/202276控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)11/2/開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了反饋，因此對外擾動和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化引起的偏差能夠自動地糾正。這樣就可以采用精度不太高而成本比較低的元件組成一個精確的控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)則相反，因為沒有反饋，故沒有糾正偏差的能力，外擾動和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化將引起系統(tǒng)的精度降低。從穩(wěn)定性的角度看，開環(huán)系統(tǒng)容易解決。而閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性始終是一個關(guān)鍵問題。如果參數(shù)選擇不當，就會造成系統(tǒng)振蕩，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，完全失去控制。開環(huán)系統(tǒng)容易建造，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作穩(wěn)定。一般來說，當系統(tǒng)控制量的變化規(guī)律能預先知道，并且不存在外部擾動（或有辦法抑制）時，采用開環(huán)控制較好。特別是被控制量很難進行測量時更是如此。如果系統(tǒng)的控制量和干擾量均無法事先預知時，或系統(tǒng)中元件參數(shù)不穩(wěn)定時，采用閉環(huán)控制的優(yōu)點就顯得特別突出。若要求實現(xiàn)復雜而準確度較高的控制任務(wù)，則可將開環(huán)控制與閉環(huán)控制結(jié)合起來一起作用，組成一個比較經(jīng)濟而又性能較好的復合控制系統(tǒng)。11/3/202277開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了反饋，因此對主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史小結(jié)教學大綱11/3/202278主要內(nèi)容引言11/2/202225自動控制系統(tǒng)的基本類型按給定變化規(guī)律分類恒值控制系統(tǒng)（恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)）隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)11/3/202279自動控制系統(tǒng)的基本類型按給定變化規(guī)律分類11/2/20222恒值控制系統(tǒng)（恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)）在這種系統(tǒng)中，系統(tǒng)的給定輸入量是恒值，在擾動存在的情況下，要求輸出量保持恒定。其分析設(shè)計的重點是要求系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。直流電動機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)電爐溫度控制系統(tǒng)11/3/202280恒值控制系統(tǒng)（恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)）在這種系統(tǒng)中，系統(tǒng)的給定輸入量是隨動系統(tǒng)在反饋控制系統(tǒng)中，若給定輸入信號是預先未知的隨時間變化的函數(shù)，這種系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。實例：國防工業(yè)的火炮跟蹤系統(tǒng)、雷達導引系統(tǒng)、機械加工設(shè)備的伺服機構(gòu)、天文望遠鏡的跟蹤系統(tǒng)。在導彈發(fā)射和制導系統(tǒng)中，給定信號是目標機的方位和速度，這些信號是隨時間變化的未知函數(shù)。位置控制系統(tǒng)：控制目的是使輸出軸的轉(zhuǎn)角迅速準確地跟隨輸入軸的轉(zhuǎn)角變化。對隨動系統(tǒng)來說，輸入信號是隨機的，要求輸出能迅速而準確地復現(xiàn)輸入信號的變化，其分析和設(shè)計的重點是研究系統(tǒng)的跟隨性能。位置控制系統(tǒng)11/3/202281隨動系統(tǒng)在反饋控制系統(tǒng)中，若給定輸入信號是預先未知的隨時間變程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的輸入信號是已知的時間函數(shù)。程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)相似，只是輸入信號的變化規(guī)律是預先確定的。程序控制系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng)，也可以是閉環(huán)系統(tǒng)。應(yīng)用實例：仿形銑床、數(shù)控機床、機械手控制系統(tǒng)。數(shù)控機床控制系統(tǒng)11/3/202282程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的輸入信號是已知的時間函數(shù)線性系統(tǒng)及其重要特性線性系統(tǒng)：組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性的；系統(tǒng)的數(shù)學模型可以用線性微分方程描述；在線性微分方程中，只含輸入量或輸出量各階導數(shù)的一次項。線性定常系統(tǒng)：線性系統(tǒng)元件的參數(shù)是集中的且不隨時間變化。線性時變系統(tǒng)：系統(tǒng)元件的參數(shù)是隨時間變化的，即系統(tǒng)微分方程的系數(shù)是時間的函數(shù)。例如：宇宙飛船隨著燃料的消耗其質(zhì)量不斷變化；帶鋼卷筒由于卷徑變化其轉(zhuǎn)動慣量不是恒定的。線性系統(tǒng)的兩個重要特性：比例性和疊加性。比例性：當系統(tǒng)的輸入量增大K倍時，系統(tǒng)的輸出量也相應(yīng)增大K倍。疊加性：當多個輸入量作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)總響應(yīng)等于各個輸入量分別作用于系統(tǒng)的響應(yīng)之和。11/3/202283線性系統(tǒng)及其重要特性線性系統(tǒng)：11/2/202230非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一個以上的元件的特性是非線性的系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)的數(shù)學模型要用非線性微分方程描述。非線性微分方程：某些項的系數(shù)與變量有關(guān)，即方程中含有變量及其導數(shù)的高次項或乘積項。11/3/202284非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一個以上的元件的特性是非線性的連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信號都是時間的連續(xù)函數(shù)。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是以脈沖序列或數(shù)字編碼形式出現(xiàn)的。離散系統(tǒng)包括采樣控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。采樣控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中的連續(xù)信號被采樣成脈沖序列。數(shù)字控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中的連續(xù)信號被采樣后量化成數(shù)字信號。11/3/202285連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史小結(jié)教學大綱11/3/202286主要內(nèi)容引言11/2/202233對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)精度動態(tài)品質(zhì)魯棒性（穩(wěn)健性）自動控制理論主要研究的問題分析綜合11/3/202287對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求11/2/2穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)定性是指系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下，受到擾動作用偏離平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)恢復原有平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的前提。為了使系統(tǒng)在環(huán)境或參數(shù)變化時還能保持穩(wěn)定，在設(shè)計時還要留有一定的穩(wěn)定裕量。穩(wěn)態(tài)是指穩(wěn)定的系統(tǒng)在過渡過程（暫態(tài)）結(jié)束后所處的狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)精度常以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差是指穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)期望輸出量和實際輸出量之差。系統(tǒng)設(shè)計時希望穩(wěn)態(tài)誤差要小。在恒值調(diào)速系統(tǒng)中，希望因負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差的變動要盡量小；在隨動系統(tǒng)中，希望輸出信號與輸入信號盡量一致。11/3/202288穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)定性是指系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下，受到擾動作用偏動態(tài)品質(zhì)與魯棒性動態(tài)品質(zhì)通常用動態(tài)響應(yīng)指標來衡量。動態(tài)響應(yīng)指標是系統(tǒng)在單位階躍輸入及零初始條件下的一些指標，如調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量、振蕩次數(shù)等，它們反映系統(tǒng)過渡過程性能的優(yōu)劣。調(diào)節(jié)時間反映系統(tǒng)動態(tài)過程的快速性；超調(diào)量和振蕩次數(shù)反映系統(tǒng)過渡過程的平穩(wěn)性。調(diào)節(jié)時間即過渡過程時間。超調(diào)量即動態(tài)響應(yīng)最大值超出穩(wěn)態(tài)值的部分相對于穩(wěn)態(tài)值的百分數(shù)。振蕩次數(shù)即過渡過程中系統(tǒng)振蕩的次數(shù)。魯棒性是指系統(tǒng)特性抵御各種攝動因素影響的能力。如對抗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾的能力。引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變異或參數(shù)攝動的原因是多方面的，如由于對象的建模誤差、制造公差、元器件老化、零部件磨損和系統(tǒng)運行環(huán)境的變化等。系統(tǒng)性能受參數(shù)攝動影響的屬性稱為系統(tǒng)的靈敏度。如果一個控制系統(tǒng)的靈敏度低，抗干擾性好，則稱該系統(tǒng)的魯棒性好。11/3/202289動態(tài)品質(zhì)與魯棒性動態(tài)品質(zhì)通常用動態(tài)響應(yīng)指標來衡量。動態(tài)響應(yīng)指

綜合性能指標在多變量控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)最優(yōu)控制，往往采用綜合性的性能指標。根據(jù)不同系統(tǒng)的任務(wù)，選取的性能指標形式也不同。例如：在宇航技術(shù)中，不僅要求快速而準確地將運載火箭送入新軌道，并且燃料消耗要最少，在性能指標中就應(yīng)包含對輸出誤差和對控制能量的要求。自動控制理論主要研究的問題分析：在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)已經(jīng)確定的條件下，對系統(tǒng)的性能進行分析，并提出改善性能的途徑。綜合：根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的任務(wù)，給出穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標，要求組成一個系統(tǒng)，并確定適當?shù)膮?shù)，使系統(tǒng)滿足給定的性能指標。11/3/202290綜合性能指標自動控制理論主要研究的問題11/2/20223主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動控制系統(tǒng)的基本類型對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論的發(fā)展簡史小結(jié)教學大綱11/3/202291主要內(nèi)容引言11/2/202238自動控制理論的發(fā)展簡史（1）人類對反饋這一基本原理早有認識，并利用它創(chuàng)造了許多裝置，如孵卵器、水利及風力磨坊的速度調(diào)節(jié)器等。1788年，JamesWatt發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)速器是最早的自動控制系統(tǒng)。11/3/202292自動控制理論的發(fā)展簡史（1）人類對反饋這一基本原理早有認識，自動控制理論的發(fā)展簡史（2）隨后，G.B.Airy發(fā)現(xiàn)并首先討論了控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定問題。1868年，麥克斯韋爾（JamesClerkMaxwell）發(fā)表了《論調(diào)節(jié)器》一文，系統(tǒng)研究了反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。1877年勞斯（E.J.Routh）及1895年胡爾維茨（A.Hurwitz)分別獨立地提出了穩(wěn)定性判據(jù)。1877～1880年，俄國科學家發(fā)明了火炮隨動系統(tǒng)和飛行器駕駛系統(tǒng)。1892年，李雅普諾夫（A.M.Lyapunov）發(fā)表了《論運動穩(wěn)定性的一般問題》，全面論述了穩(wěn)定性問題，并為狀態(tài)變量法控制理論打下了基礎(chǔ)。1934年，海森（H.L.Hazen)發(fā)表了《侍服機構(gòu)理論》的重要論文，第一次提出了自動控制系統(tǒng)的精確理論。主要研究和解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度問題。11/3/202293自動控制理論的發(fā)展簡史（2）隨后，G.B.Airy發(fā)現(xiàn)并首自動控制理論的發(fā)展簡史（3）隨著武器的進化，要求控制系統(tǒng)能準確跟蹤變化的目標，從而對自動控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能提出了要求。而設(shè)計具有高動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度的控制系統(tǒng)所需的理論已在通訊工程領(lǐng)域中得到發(fā)展。為解決遠距離通訊的失真問題，1927年布萊克（H.S.Black）發(fā)明了負反饋放大器，并發(fā)現(xiàn)了反饋系統(tǒng)的重要特性。1932年，乃奎斯特（H.Nyquist）提出了乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，為頻率法奠定了基礎(chǔ)。伯德（H.W.Bode）完善了分析控制系統(tǒng)的圖解法即頻率法。1947年，美國麻省理工學院輻射實驗室的詹姆斯（James）、尼柯爾斯（Nichols）和菲利普斯（Philips）將反饋放大器理論、過程的PID控制和隨機過程理論結(jié)合起來，形成一套侍服機構(gòu)設(shè)計方法。11/3/202294自動控制理論的發(fā)展簡史（3）隨著武器的進化，要求控制系統(tǒng)能準自動控制理論的發(fā)展簡史（4）1948年，伊萬斯（W.R.Evans）又提出了根軌跡法。至此，控制理論的第一發(fā)展階段基本完成。以頻率法和根軌跡法為核心的控制理論稱為經(jīng)典控制理論。它特別適用于單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)（僅有一個輸入量和一個輸出量的系統(tǒng)），至今仍被廣泛而成功地應(yīng)用于控制領(lǐng)域中。20世紀60年代，由于宇航、軍工及過程控制方面的發(fā)展，出現(xiàn)了許多的多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，它們具有變量多、變量相互間有耦合的特點，還具有非線性、時變特性，并且往往要求系統(tǒng)能在一定的控制約束條件下達到性能指標最優(yōu)。對多輸入多輸出系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論顯得無能為力。然而現(xiàn)代數(shù)學和計算技術(shù)的發(fā)展為控制理論的進一步發(fā)展準備了數(shù)學基礎(chǔ)和計算工具，從而促進了現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展。11/3/202295自動控制理論的發(fā)展簡史（4）1948年，伊萬斯（W.R.自動控制理論的發(fā)展簡史（5）現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容有：美國貝爾曼（Bellman）等人提出的狀態(tài)空間法；前蘇聯(lián)龐特里亞金（Pontryagin）的極大值原理；貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃法；卡爾曼（Kall