第1章：自動(dòng)控制的一般概念

控制理論電氣工程及其自動(dòng)化控制理論：自動(dòng)化學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)引言研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用自動(dòng)控制系統(tǒng)（1）自動(dòng)控制（2）控制理論（3）自動(dòng)控制理論（4）機(jī)械工程控制基礎(chǔ)（5）自動(dòng)控制工程基礎(chǔ)（6）過(guò)程控制原理自動(dòng)控制原理專(zhuān)業(yè)控制理論課程學(xué)習(xí)要面臨數(shù)學(xué)基礎(chǔ)寬而深控制原理抽象計(jì)算復(fù)雜且繁瑣繪圖困難計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)語(yǔ)言MATLAB數(shù)值解/解析解（數(shù)學(xué)運(yùn)算）控制理論的內(nèi)容

二十世紀(jì)三項(xiàng)科學(xué)革命：控制論、量子論、相對(duì)論

控制論：

經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論（智能控制理論）經(jīng)典控制理論(古典控制理論)以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入---單輸出定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題：線性控制系統(tǒng)分析：時(shí)域分析、穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差分析、根軌跡分析、頻域分析。非線性控制系統(tǒng)分析：相平面分析、描述函數(shù)分析。（連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)）現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入--多輸出時(shí)變、非線性、高精度、高效能控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題：（線性系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、魯棒控制、最佳估計(jì)、容錯(cuò)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、集散控制、大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)）智能控制（專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法）參考資料自動(dòng)控制原理（第五版）胡壽松自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)李秋紅自動(dòng)控制原理的MATLAB實(shí)現(xiàn)黃忠霖控制數(shù)學(xué)問(wèn)題的MATLAB求解薜定宇交流伺服系統(tǒng)郭慶鼎自動(dòng)控制原理習(xí)題集胡壽松現(xiàn)代控制工程（第三版）盧伯英課題一：自動(dòng)控制的概念實(shí)例（示意圖）人工（手動(dòng)）控制：（1）對(duì)象：儲(chǔ)液系統(tǒng)（2）目標(biāo)：物位（3）眼睛：觀察物位變化（4）大腦：分析、比較、判斷（5）手/腳：動(dòng)作執(zhí)行課題一：自動(dòng)控制的概念實(shí)例（示意圖）自動(dòng)控制：（1）對(duì)象：儲(chǔ)液系統(tǒng)（2）目標(biāo)：物位（3）傳感器：檢測(cè)物位變化（4）控制器：控制功能（5）執(zhí)行器：完成控制動(dòng)作傳感器信號(hào)信號(hào)驅(qū)動(dòng)設(shè)備控制原理框圖（控制理念）對(duì)象手腳（執(zhí)行器）大腦（控制器）眼睛（傳感器）控制對(duì)象執(zhí)行裝置控制器測(cè)量裝置自動(dòng)控制概念的解析自動(dòng)控制：利用控制裝置自動(dòng)地操縱機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程，使其具有希望的狀態(tài)或性能。自動(dòng)控制系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)，由控制器與控制對(duì)象組成?？刂茖?duì)象控制器輸入量輸出量擾動(dòng)量?控制對(duì)象：要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程?？刂破鳎簩?duì)控制對(duì)象起控制作用的控制裝置總體。輸入量：作用于控制系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。輸出量：位于控制系統(tǒng)輸出端，并要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的物理量。擾動(dòng)量：破壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間預(yù)定規(guī)律的信號(hào)。自動(dòng)控制系統(tǒng)控制原理方框圖控制對(duì)象執(zhí)行裝置控制器測(cè)量裝置控制器比較環(huán)節(jié)輸入量偏差測(cè)量值輸出量控制量擾動(dòng)量控制動(dòng)作廣義對(duì)象自動(dòng)控制裝置元素：（1）：元件（2）：信號(hào)（物理量）及傳遞方向（3）：比較點(diǎn)（信號(hào)疊加）（4）：引出點(diǎn)（分支、信號(hào)強(qiáng)度）（5）+/-：符號(hào)的意義（正、負(fù)反饋）爐溫控制系統(tǒng)方框圖關(guān)鍵點(diǎn)：工作原理輸入輸出被控對(duì)象中間環(huán)節(jié)信號(hào)傳遞(自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖的繪制)控制系統(tǒng)一、控制原理與方式1.開(kāi)環(huán)控制

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指無(wú)被控量反饋的控制系統(tǒng),即需要控制的是被控對(duì)象的某一量(被控量),而測(cè)量的只是給定信號(hào),被控量對(duì)于控制作用沒(méi)有任何影響的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。控制器控制對(duì)象擾動(dòng)給定值輸出量控制器控制對(duì)象擾動(dòng)輸出量測(cè)量裝置按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制原理方框圖按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制原理方框圖信號(hào)由給定值至被控量單向傳遞。這種控制較簡(jiǎn)單,但有較大的缺陷,即對(duì)象或控制裝置受到干擾,或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化,會(huì)直接影響被控量,而無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償。因此,系統(tǒng)的控制精度難以保證。從另一種意義理解,意味著對(duì)受控對(duì)象和其它控制元件的技術(shù)要求較高。如數(shù)控線切割機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)、包裝機(jī)等多為開(kāi)環(huán)控制。2.反饋控制——閉環(huán)控制（核心）閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制,其原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號(hào)流向看,系統(tǒng)的輸出信號(hào)沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端,構(gòu)成閉合通道,故稱(chēng)閉環(huán)控制系統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)。前/正向通道反/負(fù)向通道這種控制方式,無(wú)論是由于干擾造成,還是由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差,系統(tǒng)就利用偏差去糾正偏差,故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是利用偏差來(lái)糾正偏差,使系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度。但與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較,閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,構(gòu)造比較困難。需要指出的是,由于閉環(huán)控制存在反饋信號(hào),利用偏差進(jìn)行控制,如果設(shè)計(jì)得不好,將會(huì)使系統(tǒng)無(wú)法正常和穩(wěn)定地工作。另外,控制系統(tǒng)的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性之間也常常存在矛盾。開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn),在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)工程要求及具體情況來(lái)決定。如果事先預(yù)知輸入量的變化規(guī)律,又不存在外部和內(nèi)部參數(shù)的變化,則采用開(kāi)環(huán)控制較好。如果對(duì)系統(tǒng)外部干擾無(wú)法預(yù)測(cè),系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化,為保證控制精度,采用閉環(huán)控制則更為合適。如果對(duì)系統(tǒng)的性能要求比較高,為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定性之間的矛盾,可以采用開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)。3.復(fù)合控制控制器控制對(duì)象擾動(dòng)輸出量輸入量補(bǔ)償器控制器控制對(duì)象擾動(dòng)輸出量輸入量補(bǔ)償器二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語(yǔ)典型反饋控制系統(tǒng)的原理如圖所示(1)被控對(duì)象:它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)象,它接受控制量并輸出被控制量。(2)控制器:接收變換和放大后的偏差信號(hào),轉(zhuǎn)換為對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操作的控制信號(hào)。(3)放大變換環(huán)節(jié):將偏差信號(hào)變換為適合控制器執(zhí)行的信號(hào)。它根據(jù)控制的形式、幅值及功率來(lái)放大變換。(4)校正裝置:為改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性而附加的裝置。如果校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)的前向通道中,稱(chēng)為串聯(lián)校正裝置;如果校正裝置接成反饋形式,稱(chēng)為并聯(lián)校正裝置,又稱(chēng)局部反饋校正。(5)反饋環(huán)節(jié):它用來(lái)測(cè)量被控量的實(shí)際值,并經(jīng)過(guò)信號(hào)處理,轉(zhuǎn)換為與被控制量有一定函數(shù)關(guān)系,且與輸入信號(hào)同一物理量的信號(hào)。反饋環(huán)節(jié)一般也稱(chēng)為測(cè)量變送環(huán)節(jié)。(6)給定環(huán)節(jié):產(chǎn)生輸入控制信號(hào)的裝置。(1)輸入信號(hào):泛指對(duì)系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界輸入信號(hào),既包括控制信號(hào)又包括擾動(dòng)信號(hào)。其中控制信號(hào)又稱(chēng)控制量、參考輸入、或給定值。(2)輸出信號(hào):是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的物理量,它與輸入信號(hào)之間有一定的函數(shù)關(guān)系。(3)反饋信號(hào):將系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出信號(hào)經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸入端的信號(hào),稱(chēng)為反饋信號(hào)。若此信號(hào)是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端,這種反饋信號(hào)稱(chēng)主反饋信號(hào)。而其它稱(chēng)為局部反饋信號(hào)。控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語(yǔ)(4)偏差信號(hào):控制輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差。(5)誤差信號(hào):它指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與希望值之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實(shí)際上并不存在,它只能用與控制輸入信號(hào)具有一定比例關(guān)系的信號(hào)來(lái)表示。在單位反饋情況下,希望值就是系統(tǒng)的輸入信號(hào),誤差信號(hào)等于偏差信號(hào)。(6)擾動(dòng)信號(hào):除控制信號(hào)以外,對(duì)系統(tǒng)的輸出有影響的信號(hào)。三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型1.按信號(hào)流向劃分（1）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)信號(hào)流動(dòng)由輸入端到輸出端單向流動(dòng)。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)若控制系統(tǒng)中信號(hào)除從輸入端到輸出端外,還有輸出到輸入的反饋信號(hào),則構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),也稱(chēng)反饋控制系統(tǒng),如圖所示。2.按系統(tǒng)輸入信號(hào)劃分（1）恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng))這種系統(tǒng)的特征是輸入量為一恒值,通常稱(chēng)為系統(tǒng)的給定值。控制系統(tǒng)的任務(wù)是盡量排除各種干擾因素的影響,使輸出量維持在給定值(期望值)。如工業(yè)過(guò)程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。（2）隨動(dòng)系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng))該系統(tǒng)的控制輸入量是一個(gè)事先無(wú)法確定的任意變化的量,要求系統(tǒng)的輸出量能迅速平穩(wěn)地復(fù)現(xiàn)或跟蹤輸入信號(hào)的變化。如雷達(dá)天線的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和高炮自動(dòng)描準(zhǔn)系統(tǒng)就是典型的隨動(dòng)系統(tǒng)。（3）程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制輸入信號(hào)不是常值,而是事先確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,編成程序裝在輸入裝置中,即控制輸入信號(hào)是事先確定的程序信號(hào),控制的目的是使被控對(duì)象的被控量按照要求的程序動(dòng)作。如數(shù)控車(chē)床就屬此類(lèi)系統(tǒng)。3.線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的,可用一個(gè)或一組線性微分方程來(lái)描述系統(tǒng)輸入和輸出之間關(guān)系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。(1)線性系統(tǒng)(2)非線性系統(tǒng)在系統(tǒng)中只要有一個(gè)元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關(guān)系,則稱(chēng)為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還沒(méi)有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分析法。通常對(duì)于非線性程度不很?chē)?yán)重,或做近似分析時(shí),均可用線性系統(tǒng)理論和方法來(lái)處理。4.定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)

(1)定常系統(tǒng)如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中各項(xiàng)系數(shù)都是與時(shí)間無(wú)關(guān)的常數(shù),則稱(chēng)為定常系統(tǒng)。該類(lèi)系統(tǒng)只要輸入信號(hào)的形式不變,在不同時(shí)間輸入下的輸出響應(yīng)形式是相同的。(2)時(shí)變系統(tǒng)如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一項(xiàng)系數(shù)是時(shí)間的函數(shù),此系統(tǒng)稱(chēng)為時(shí)變系統(tǒng)。5.連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)(1)連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)中所有元件的信號(hào)都是隨時(shí)間連續(xù)變化的,信號(hào)的大小均是可任意取值的模擬量,稱(chēng)為連續(xù)系統(tǒng)。(2)離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開(kāi)關(guān),將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號(hào),此類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器,其離散信號(hào)是以數(shù)碼形式傳遞的,此類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)字控制系統(tǒng)。6.單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)(1)單輸入單輸出系統(tǒng)(單變量系統(tǒng))系統(tǒng)的輸入量和輸出量各為一個(gè),稱(chēng)為單輸入單輸出系統(tǒng)。(2)多輸入多輸出系統(tǒng)(多變量系統(tǒng))若系統(tǒng)的輸入量和輸出量多于一個(gè),稱(chēng)為多輸入多輸出系統(tǒng)。對(duì)于線性多輸入多輸出系統(tǒng),系統(tǒng)的任何一個(gè)輸出等于數(shù)個(gè)輸入單獨(dú)作用下輸出的疊加。四、自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)是否能很好地工作,是否能精確地保持被控量按照預(yù)定的要求規(guī)律變化這取決于被控對(duì)象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)是否設(shè)計(jì)得當(dāng)。在理想情況下,控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量,在任何時(shí)候均相等,系統(tǒng)完全無(wú)誤差,且不受干擾的影響。實(shí)際系統(tǒng)中,由于各種各樣原因,系統(tǒng)在受到輸入信號(hào)(也包括擾動(dòng)信號(hào))的激勵(lì)時(shí),被控量將偏離輸入信號(hào)作用前的初始值,經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過(guò)程(過(guò)渡過(guò)程)，則系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣,可以從動(dòng)態(tài)過(guò)程中較充分地表現(xiàn)出來(lái)。單位階躍響應(yīng)仿真MATLAB模型仿真輸出1+△1-△

ts

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1.穩(wěn)定性(穩(wěn))

控制精度是衡量系統(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度。一個(gè)高品質(zhì)的系統(tǒng),在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,被控量對(duì)給定值的偏差應(yīng)該是最小的?？紤]動(dòng)態(tài)過(guò)程在不同階段中的特點(diǎn),工程上通常從穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)方面來(lái)衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)。穩(wěn)定工作是所有自動(dòng)控制系統(tǒng)的最基本要求,是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無(wú)法完成控制任務(wù)。考慮到實(shí)際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動(dòng),可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此,我們除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外,還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量。2.穩(wěn)態(tài)精度(準(zhǔn))

3.動(dòng)態(tài)過(guò)程(快)穩(wěn)態(tài)精度是指系統(tǒng)過(guò)渡到新的平衡工作狀態(tài)以后,或系統(tǒng)對(duì)抗干擾重新恢復(fù)平衡后,最終保持的精度。穩(wěn)態(tài)精度與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù),輸入信號(hào)形式有關(guān)。動(dòng)態(tài)過(guò)程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號(hào)作用下隨時(shí)間變化的全過(guò)程,衡量動(dòng)態(tài)過(guò)程的品質(zhì)好壞常采用單位階躍信號(hào)作用下過(guò)渡過(guò)程中的超調(diào)量,過(guò)渡過(guò)程時(shí)間等性能指標(biāo)。五、自動(dòng)控制課程的主要任務(wù)本課程的主要內(nèi)容是闡述構(gòu)成、分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論。對(duì)實(shí)際系統(tǒng),建立研究問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而利用所建立的數(shù)學(xué)模型來(lái)討論構(gòu)成、分析、綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論和方法。作為研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法來(lái)說(shuō),對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)常采用的是時(shí)域法,頻域法,根軌跡法以及目前廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)其輸入信號(hào)往往是比較復(fù)雜的,而系統(tǒng)的輸出響應(yīng)又與輸入信號(hào)類(lèi)型有關(guān)。因此,在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí),往往選擇一些典型輸入信號(hào),并且以最不利的信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入信號(hào),分析系統(tǒng)在此輸入信號(hào)下所得到的輸出響應(yīng)是否滿足要求，估計(jì)系統(tǒng)在比較復(fù)雜信號(hào)作用下的性能指標(biāo)。常采用的典型輸入信號(hào)有：1.階躍函數(shù)它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：它表示一個(gè)在t=0時(shí)刻出現(xiàn)的，幅值為A的階躍變化函數(shù)，如圖所示。在實(shí)際系統(tǒng)中，如負(fù)荷突然增大或減小，流量閥突然開(kāi)大或關(guān)小均可以近似看成階躍函數(shù)的形式。A=1的函數(shù)稱(chēng)為單位階躍函數(shù)，記