第1章 控制系統(tǒng)一般概念(通信)

控制工程基礎(chǔ)江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院課程性質(zhì)：專業(yè)選修課任課教師：于力革聯(lián)系方式作部門：物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院自動(dòng)化系第一章控制系統(tǒng)的一般概念1.1引言1.2控制科學(xué)與控制論、系統(tǒng)論、信息論1.3自動(dòng)控制的發(fā)展1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)分類和組成1.5閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成1.6現(xiàn)代控制系統(tǒng)實(shí)例1.7對控制系統(tǒng)的基本要求1.8典型輸入信號或者激勵(lì)信號在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，自動(dòng)控制理論與自動(dòng)控制系統(tǒng)起著越來越重要的作用。除了在宇宙飛船系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)等領(lǐng)域，自動(dòng)控制具有特別重要的作用外，它已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)和工業(yè)過程中的不可缺少的組成部分。1.1引言

通信中的自動(dòng)控制智能建筑的中樞神經(jīng)系統(tǒng)——通信自動(dòng)化系統(tǒng)它對建筑內(nèi)外的信息進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、處理、傳輸，并提供決策支持。無線傳感網(wǎng)的信息傳遞——自動(dòng)功率控制傳感節(jié)點(diǎn)采集的信息通過一跳或多跳的方式發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，依據(jù)通信距離自動(dòng)控制其發(fā)送的功率。在實(shí)際信道傳輸數(shù)字信號的過程中，由于存在噪聲以及信道傳輸特性不理想所造成的碼間串?dāng)_，會(huì)引起傳輸差錯(cuò)。為了提高數(shù)字傳輸系統(tǒng)的可靠性，降低信息傳輸?shù)牟铄e(cuò)率，可以采用差錯(cuò)控制編碼，對差錯(cuò)進(jìn)行控制。常用的差錯(cuò)控制方式主要有三種：前向糾錯(cuò)、檢錯(cuò)重發(fā)和混合糾錯(cuò)。以檢錯(cuò)重發(fā)方式為例，發(fā)送端經(jīng)信道編碼后發(fā)出具有檢錯(cuò)能力的碼組，接收端收到后經(jīng)檢測如果發(fā)現(xiàn)傳輸中有錯(cuò)誤，則通過反饋信道把這一判斷結(jié)果反饋給發(fā)送端，然后，發(fā)送端把前面發(fā)出的信息重新傳送一次，直到接收端認(rèn)為已經(jīng)正確為止。從原理上講：檢錯(cuò)重發(fā)采用的是自動(dòng)控制的原理。當(dāng)外界擾動(dòng)使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高時(shí)，測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓增大，從而導(dǎo)致電壓放大器的輸入電壓降低，降低，因此電動(dòng)機(jī)兩端的電壓降低，最終使得電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速降低，維持在希望的轉(zhuǎn)速值1000轉(zhuǎn)/秒。下圖是一個(gè)速度反饋控制系統(tǒng)，目的是使直流電動(dòng)機(jī)速度n維持在1000轉(zhuǎn)/秒。

自動(dòng)控制技術(shù)的核心就是反饋控制或閉環(huán)控制。從以上敘述可以理解到，反饋的含義是將系統(tǒng)的輸出經(jīng)過處理后再送到系統(tǒng)的輸入端，以調(diào)整系統(tǒng)的再輸出。除了工程系統(tǒng)以外，生物系統(tǒng)中的變量，如人體的血糖和血壓受某些過程的影響，而這些過程都可以通過自動(dòng)控制方法進(jìn)行研究。同樣，在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，大到宏觀控制，小到商業(yè)管理經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的變量，如受政府財(cái)政政策影響的失業(yè)和通貨膨脹，亦可利用控制方法來研究。自動(dòng)控制的這些應(yīng)用對現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)力產(chǎn)生了巨大的影響。目前，自動(dòng)控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，正向以控制論（Cybernetics）、信息論(Informationtheory)、系統(tǒng)論(Systematology)和仿生學(xué)(Bionics)為基礎(chǔ)的智能控制理論深入。End1.2控制科學(xué)與控制論、系統(tǒng)論、信息論自動(dòng)控制系統(tǒng)是由各環(huán)節(jié)、部件組成，按反饋原理進(jìn)行控制的。反饋控制是一種最基本的控制方式，它要求根據(jù)誤差信息通過一定的控制算法形成控制作用。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中包括多個(gè)環(huán)節(jié)：信息的量測（提?。?、處理（加工和變換）和信息的傳輸（圖中的箭頭代表信息的傳輸方向或稱信息流向）、存儲(chǔ)及利用，并最終形成控制作用（也是一種信息）。因此可以看出，系統(tǒng)、信息和控制的緊密關(guān)系。系統(tǒng)是信息和控制的載體，而信息反映系統(tǒng)的性能，控制是實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能的手段。“三論”——系統(tǒng)論、信息論和控制論為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)提供了全新的思維方式和科學(xué)方法論原則，它們對整個(gè)人類社會(huì)起著巨大作用。信息論的創(chuàng)始人是美國學(xué)者C.香農(nóng)(Shannon)。人們通過分析系統(tǒng)中信息的流向、變換和處理來認(rèn)識系統(tǒng)中每個(gè)元件的作用、功能和構(gòu)成。系統(tǒng)論是研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能一般規(guī)律的科學(xué)，其研究對象為各類系統(tǒng)，包括工程系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等?？刂普撌茄芯縿?dòng)物、機(jī)器、自然和社會(huì)等系統(tǒng)中控制、反饋和通信的共同規(guī)律的科學(xué)。End1.3自動(dòng)控制的發(fā)展最早應(yīng)用于工業(yè)過程的自動(dòng)反饋控制器，是JamesWatt于1876年發(fā)明的離心飛球調(diào)速器，它被用來調(diào)節(jié)蒸汽機(jī)的速度。

航天飛機(jī)升空及在太空飛行,由于各種外部的因素,使得飛機(jī)偏離既定軌道,必須控制其回到設(shè)計(jì)的軌道上。（反饋控制）阿波羅宇宙飛船要成功登上月球，必需要求飛船為軟著陸，即飛船到達(dá)月球表面的向下速度為零，飛船運(yùn)行過程中燃料消耗最小，飛行時(shí)間最短等等（最優(yōu)控制）自動(dòng)控制應(yīng)用于航空航天，工業(yè)過程等等。

戰(zhàn)機(jī)追擊中，敵機(jī)飛行軌跡，我機(jī)是無法預(yù)知的，我機(jī)的飛行控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確迅速地跟蹤敵機(jī)將敵機(jī)擊毀（自適應(yīng)跟蹤控制）。美國F-22隱形戰(zhàn)斗機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)要避開敵方雷達(dá)搜索，同時(shí)根據(jù)地形變化進(jìn)行控制，具有自學(xué)習(xí)的功能（智能控制）。中藥生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（分離、純化、精制、制備、干燥等）

石油化工生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)機(jī)器人控制End1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類和組成控制通過對系統(tǒng)輸入的操作使得輸出達(dá)到指定的目標(biāo)。1.自動(dòng)控制的有關(guān)概念自控控制

就是在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對象（過程）自動(dòng)地按預(yù)定規(guī)律變化的控制過程。

自動(dòng)控制理論研究自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，進(jìn)行系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的一般性理論。研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。自動(dòng)控制系統(tǒng)

由控制裝置和被控對象所組成，它們以某種相依賴的方式組合成為一個(gè)有機(jī)整體，并對被控對象輸出的物理量(如玻璃窯爐控制系統(tǒng)中的溫度、壓力、液位)進(jìn)行自動(dòng)控制。2.自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類根據(jù)控制方式分為：開環(huán)控制系統(tǒng)、反饋控制（閉環(huán)控制）系統(tǒng)等。根據(jù)系統(tǒng)性能分為：線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)、確定性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)等。根據(jù)被控制量變化規(guī)律分為：恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等。根據(jù)元件類型分為：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和生物系統(tǒng)等。根據(jù)系統(tǒng)功用分為：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)等等。開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)又稱為前饋控制系統(tǒng)。控制作用是由輸入信號直接向前輸送，而不是由輸出信號回輸?shù)捷斎胄盘杹磉M(jìn)行控制的系統(tǒng)，稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。輸出不影響輸入，對輸出不需測量，易于實(shí)現(xiàn)；組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題?？刂蒲b置被控對象u給定值擾動(dòng)

被控量nc特點(diǎn)3.開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)常見開環(huán)控制系統(tǒng)：自動(dòng)洗衣機(jī)，自動(dòng)流水線等。開環(huán)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電位器電壓放大器可控硅功放直流電動(dòng)機(jī)Purukn擾動(dòng)ua框圖擾動(dòng)電壓放大器可控硅功放閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入量眼睛(書位置)大腦手臂、手輸出量(手位置)眼睛人取書的反饋控制系統(tǒng)示意圖輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，靠輸入量與主反饋信號之間的偏差對輸出量進(jìn)行控制的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）。電位器電壓放大器可控硅硅放大器直流電動(dòng)機(jī)測速機(jī)Purubuk-n擾動(dòng)ua框圖閉環(huán)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電位器電位器電壓放大器可控硅放大器直流電動(dòng)機(jī)測速機(jī)Purubuk－n擾動(dòng)ua負(fù)反饋調(diào)整過程電位器電壓放大器可控硅放大器直流電動(dòng)機(jī)測速機(jī)Purubuk＋n擾動(dòng)ua正反饋（有效控制）（失控）控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象測量（變換）-r給定值e偏差擾動(dòng)被控量nc測量信號

典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋控制，按反饋極性分為：正反饋，負(fù)反饋反饋系統(tǒng)如果無特殊說明，一般都指負(fù)反饋

輸出影響輸入，故能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)、振蕩，故穩(wěn)定性很重要。閉環(huán)特點(diǎn)：4.恒值控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)輸入量為恒定常值的反饋系統(tǒng)為恒值控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的任務(wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下，輸出量以一定的精度接近給定值。如化工生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量和液位等物理量的控制均為恒值控制。圖為一物料加熱用的爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)。電爐是被控對象，而爐溫是被控制量。由電位器組成的溫度給定環(huán)節(jié)給出電壓,對應(yīng)所期望的爐內(nèi)溫度,它與表示實(shí)際爐溫的熱電偶的電壓相比較，形成誤差電壓uruf原理與框圖：隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)）輸入量是事先不確定的反饋系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)，例如雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)就是這樣的系統(tǒng)。在圖中所示的典型雷達(dá)系統(tǒng)中，拋物面形狀的天線不斷地發(fā)射電脈沖，系統(tǒng)接收從目標(biāo)飛行器發(fā)射回來的回波，并計(jì)算雷達(dá)天線的坐標(biāo)和指向目標(biāo)的向量之間的偏差。系統(tǒng)的任務(wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下，讓天線指向各個(gè)角落以保持這些指向目標(biāo)的向量的平行?；鹋谧詣?dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，飛機(jī)俯仰角的儀表指示系統(tǒng)，X-Y記錄儀均為類似的隨動(dòng)系統(tǒng)。

End

閉環(huán)控制系統(tǒng)是由各種不同的元部件組成的。將組成系統(tǒng)的元部件按職能分類主要有以下幾種：a.測量元件：檢測系統(tǒng)輸出并參與控制的信號；b.給定元件：系統(tǒng)輸入，給出系統(tǒng)的控制目標(biāo)；c.比較元件：比較和系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸入；d.放大元件：對控制信號進(jìn)行放大；e.執(zhí)行元件：執(zhí)行控制信號，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)；f.校正元件：對控制信號進(jìn)行修正；1.5閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成電位器電壓放大器可控硅硅放大器直流電動(dòng)機(jī)測速機(jī)Purubuk-n擾動(dòng)ua測量元件——測速發(fā)電機(jī)給定元件——電位器比較元件——電壓放大器放大元件——電壓放大器執(zhí)行元件——可控硅功放電位器輸入量串聯(lián)補(bǔ)償元件放大元件執(zhí)行元件被控對象輸出量反饋補(bǔ)償元件局部反饋反饋補(bǔ)償元件主反饋反饋控制系統(tǒng)基本組成框圖主反饋，局部反饋，單位反饋，負(fù)反饋，正反饋，主回路，局部回路等等概念：End1.6現(xiàn)代控制系統(tǒng)實(shí)例

1.硬盤驅(qū)動(dòng)器的位置控制系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)的控制目標(biāo)是將磁頭準(zhǔn)確定位，以便正確讀取磁盤磁道上的信息，因此被控制變量是磁頭的位置。原理：將預(yù)期的行車路線與實(shí)際的行車路線相比較，便能得到行駛偏差。實(shí)際路線的測量通過眼睛（傳感器）來實(shí)現(xiàn)或者通過手（傳感器）感知與方向盤的變化來實(shí)現(xiàn)。

2.汽車駕駛控制系統(tǒng)對于無人駕駛汽車，是通過自動(dòng)駕駛儀實(shí)現(xiàn)。3.磁懸浮列車控制系統(tǒng)磁懸浮列車是一種依靠電磁場特有的“同性相斥”的特性將車輛托起，使整個(gè)列車懸浮在鐵軌之上，利用電磁力進(jìn)行導(dǎo)向，并利用直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換為推進(jìn)力，來推動(dòng)列車前進(jìn)。飛行器控制系統(tǒng)是指駕駛員（或自動(dòng)控制裝置）通過對飛行器的副翼、升降舵、方向舵等裝置的操縱，控制飛行器的俯仰、橫滾和偏航等姿態(tài)的所需軟硬件的有機(jī)整體。方向舵副翼升降舵典型飛機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.飛行控制系統(tǒng)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖5.水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)６．宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)從20世紀(jì)60年代開始，控制論逐步應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，形成經(jīng)濟(jì)控制論。一些典型的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象，如生產(chǎn)、消費(fèi)、貨幣、利潤、成本、稅收、貿(mào)易、信貸、庫存、銷售等，可按其表現(xiàn)范圍和結(jié)構(gòu)差異分為宏觀經(jīng)濟(jì)和微觀經(jīng)濟(jì)。一般地，國家或省市等的國民經(jīng)濟(jì)稱為宏觀經(jīng)濟(jì)，企業(yè)級的經(jīng)濟(jì)稱為微觀經(jīng)濟(jì)。國民經(jīng)濟(jì)的反饋控制系統(tǒng)

7．天宮一號與神十對接天宮一號神十End1.7自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的基本任務(wù)，必須對系統(tǒng)在控制過程中表現(xiàn)出來的行為提出要求。對控制系統(tǒng)的基本要求，通常是通過系統(tǒng)對特定輸入信號的響應(yīng)來滿足的。而這些特殊信號為：a、電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，要求轉(zhuǎn)速是恒定的，即常值信號；b、溫度控制系統(tǒng)中，要求溫度是恒定的；c、液位控制系統(tǒng)中，要求液位是恒定的；d、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)中，要求及時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)……

階躍輸入信號是變化最劇烈，對系統(tǒng)最不利的外作用，如果系統(tǒng)在階躍函數(shù)作用下能滿足自動(dòng)控制任務(wù)。那么，系統(tǒng)在其它緩慢變化的外作用下更能滿足要求。所以，常選用階躍函數(shù)作為典型輸入來研究系統(tǒng)的性能。1+△1-△

ts

tp

tr

△>01.對系統(tǒng)性能的基本要求階躍響應(yīng)的某些特征值，就是性能指標(biāo)，可以統(tǒng)一評價(jià)系統(tǒng)的性能?？偟膩碚f，希望實(shí)際的調(diào)節(jié)過程盡可能接近于理想的調(diào)節(jié)過程。對系統(tǒng)性能的基本要求是穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)方面。穩(wěn)定性指系統(tǒng)重新恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)的能力，即過渡過程收斂情況。曲線1、2、5最終趨于平衡狀態(tài)，這類系統(tǒng)是穩(wěn)定的。曲線3振蕩發(fā)散，曲線4單調(diào)發(fā)散,這類系統(tǒng)的過渡過程隨時(shí)間的推移而發(fā)散，無法正常工作，不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是對控制系統(tǒng)的最基本要求??！!曲線1要反復(fù)振蕩才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，過渡過程持續(xù)時(shí)間很長。曲線2要經(jīng)長時(shí)間的緩慢爬升才能到穩(wěn)定值，系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，過渡過程時(shí)間也很長，快速性都不好。曲線5快速趨于穩(wěn)定，即穩(wěn)且快，與理想的調(diào)節(jié)過程偏差最小。準(zhǔn)確性

指過渡過程結(jié)束后穩(wěn)態(tài)誤差越小越好。穩(wěn)態(tài)誤差：指過渡過程結(jié)束后，也就是進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程后，希望的輸出量與實(shí)際輸出量之間的誤差，是恒量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標(biāo)?？焖傩?/p>

指過渡過程進(jìn)行的時(shí)間長短。對性能指標(biāo)的要求，不同類型的系統(tǒng)有不同的側(cè)重點(diǎn)。1.8系統(tǒng)典型輸入信號為了能對不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來恒量，通常需要選擇幾種典型的外輸入信號，這些信號往往有一定的工程背景。如，某窯爐檢修后，爐內(nèi)溫度從環(huán)境溫控上升到工作溫度1100°C時(shí)的升溫曲線為折線所示，若直接按虛線升溫，則會(huì)造成耐火材料的損壞。a.階躍函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式圖形

R0

tr(t)表示在t=0時(shí)刻出現(xiàn)了幅值為R的跳變，是非常不利的外作用。R=1時(shí)的階躍函數(shù)叫單位階躍函數(shù)，常用1(t)表示。常用階躍函數(shù)作為評價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的典型外作用。所以階躍函數(shù)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析中起著特別重要的作用。b.斜坡函數(shù)（速度函數(shù)）數(shù)學(xué)表達(dá)式圖形

0

tr(t)表示從t=0時(shí)刻開始，以恒速R變化。R=1叫單位速度函數(shù)。c.加速度函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式圖形

表示從t=0時(shí)刻開始，以恒加速度R變化。R=1叫單位加速度函數(shù)。0

tr(t)e.脈沖函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式圖形

理想脈沖函數(shù)是對ε趨于0求極限得到的。脈沖函數(shù)在現(xiàn)實(shí)是不存在的，只是數(shù)學(xué)上的定義，在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中常把作用時(shí)間很短，幅值很大而強(qiáng)度有限的外作用近似看作脈沖函數(shù)。當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位脈沖函數(shù)，記作δ(t)強(qiáng)度為A的脈沖函數(shù)r(t)表示成r(t)=Aδ(t)0

tr(t)δ(t)tf.正弦函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式圖形

A為振幅，w=2πf為正弦函數(shù)的角頻率。這里，初始相角φ=0，如果初始相角φ不等于0，那么正弦函數(shù)r(t)的表達(dá)式為：

r(t)=Asin(wt-φ)正弦函數(shù)也是控制系統(tǒng)常見的一種典型外作用，很多實(shí)際的隨動(dòng)系統(tǒng)就是經(jīng)常在這種正弦函數(shù)作用下工作的。系統(tǒng)在正弦函數(shù)作用下的響應(yīng)，即頻率特性，是自動(dòng)控制理論研究系統(tǒng)性能的重要依據(jù)。r(t)tA從上表中可以看出，四種函數(shù)的關(guān)系具有導(dǎo)數(shù)關(guān)系。加速度函數(shù)速度函數(shù)階躍函數(shù)脈沖函數(shù)單位加速度函數(shù)單位速度函數(shù)單位階躍函數(shù)單位脈沖函數(shù)完參考書許賢良等.控制工程基礎(chǔ)教程.北京：國防工業(yè)