控制工程基礎(chǔ)緒論

控制工程基礎(chǔ)

第一講緒論清華大學(xué)機(jī)械工程系朱志明教授第一頁，共五十三頁。5/1/20231控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史小結(jié)教學(xué)大綱第二頁，共五十三頁。5/1/20232控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論引言-日常生活中的自動(dòng)控制問題電冰箱恒溫控制：冰箱內(nèi)儲(chǔ)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(huì)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(duì)冰箱內(nèi)的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。溫度檢測(cè)→功率控制－恒值控制?？照{(diào)的溫度控制：溫度檢測(cè)→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(diǎn)：噪音、耗能）變頻控制：變功率、連續(xù)控制（優(yōu)點(diǎn)：降噪、節(jié)能）洗衣機(jī)的時(shí)間控制：定時(shí)控制－程序控制第三頁，共五十三頁。5/1/20233控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論引言－工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)控制問題加熱爐的溫度自動(dòng)控制－恒值控制。化工生產(chǎn)中反應(yīng)塔的溫度和壓力能夠自動(dòng)維持恒定不變。程序控制機(jī)床能夠按預(yù)先排定的工藝程序自動(dòng)地進(jìn)行切削，加工出預(yù)期的幾何形狀。在鋼鐵工業(yè)中，初軋機(jī)的軋輥來回轉(zhuǎn)動(dòng)，將鋼錠碾軋至規(guī)定尺寸。為了保證軋制質(zhì)量，要求實(shí)現(xiàn)低速咬鋼、帶鋼升速、高速軋制等，這就要求拖動(dòng)軋機(jī)的電動(dòng)機(jī)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(jìn)入軋輥時(shí)對(duì)軋輥的沖擊等，都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速發(fā)生巨大波動(dòng)，從而需要有控制裝置對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。第四頁，共五十三頁。5/1/20234控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論引言－國(guó)防工業(yè)中的自動(dòng)控制問題火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)－跟蹤雷達(dá)和指揮儀所組成的防空系統(tǒng)能使火炮自動(dòng)地瞄準(zhǔn)目標(biāo)－隨動(dòng)控制。宇宙飛船在茫茫太空中要按預(yù)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(duì)它產(chǎn)生影響，需要有高性能的控制裝置對(duì)它進(jìn)行控制。人造地球衛(wèi)星能夠發(fā)射到預(yù)定軌道并能準(zhǔn)確回收。無人駕駛飛機(jī)能按預(yù)定航行線路自動(dòng)飛行。導(dǎo)彈的目標(biāo)尋找和制導(dǎo)。第五頁，共五十三頁。5/1/20235控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論引言－為什么要研究自動(dòng)控制理論不同的生產(chǎn)機(jī)械、生產(chǎn)過程雖然要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)各不相同，但都有一個(gè)共同點(diǎn)，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(shí)世界中存在各種阻礙上述要求實(shí)現(xiàn)的因素（擾動(dòng)）；凡是由外部作用引起的擾動(dòng)稱為外擾（如外界溫度、負(fù)載波動(dòng)、風(fēng)向和風(fēng)力的變化）；由于內(nèi)部元器件特性變化引起的擾動(dòng)稱為內(nèi)擾。為解決上述矛盾，就要采用控制裝置，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過程的這些物理量進(jìn)行控制。被控制的生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過程稱為被控對(duì)象。研究自動(dòng)控制系統(tǒng)（裝置）的基本理論稱為自動(dòng)控制理論。第六頁，共五十三頁。5/1/20236控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論引言－自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用自動(dòng)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(jī)械或生產(chǎn)過程（被控制對(duì)象）的某些物理量自動(dòng)地按照預(yù)定的（恒定或變動(dòng)的）規(guī)律運(yùn)行。在人類征服自然、改造自然的過程中，自動(dòng)控制技術(shù)起著極其重要的作用。自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、交通運(yùn)輸、企業(yè)管理、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用愈來愈廣泛。自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大地提高了勞動(dòng)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(dòng)條件。隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，自動(dòng)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。第七頁，共五十三頁。5/1/20237控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史小結(jié)教學(xué)大綱第八頁，共五十三頁。5/1/20238控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)

人工控制系統(tǒng)

自動(dòng)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)比較第九頁，共五十三頁。5/1/20239控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論人工控制系統(tǒng)恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)－原理圖～220V溫度計(jì)眼手腦加熱電阻絲恒溫爐調(diào)壓器第十頁，共五十三頁。5/1/202310控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論（輸入）(輸出)期望爐溫＋手調(diào)壓器恒溫爐溫度計(jì)眼－反饋擾動(dòng)實(shí)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)－職能方塊圖第十一頁，共五十三頁。5/1/202311控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論自動(dòng)控制系統(tǒng)第十二頁，共五十三頁。5/1/202312控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)

人工控制系統(tǒng)

自動(dòng)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)比較第十三頁，共五十三頁。5/1/202313控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制器與被控對(duì)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(duì)控制作用沒有影響。直流電機(jī)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(hào)作用路徑，而沒有從輸出端到輸入端的作用路徑。第十四頁，共五十三頁。5/1/202314控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，調(diào)整比較方便。當(dāng)因擾動(dòng)作用（如電源輸入變化、晶閘管整流裝置特性的變化或負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化等）引起電機(jī)轉(zhuǎn)速偏離原來校準(zhǔn)的數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)沒有對(duì)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(zhǔn)的精度和系統(tǒng)中元器件特性的穩(wěn)定程度，從而對(duì)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(diǎn)第十五頁，共五十三頁。5/1/202315控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例直流電機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)第十六頁，共五十三頁。5/1/202316控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論閉環(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(hào)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)。第十七頁，共五十三頁。5/1/202317控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：采用反饋控制提高了系統(tǒng)的精度。負(fù)反饋：使偏差減小或消除的反饋?zhàn)饔?。反饋控制是自?dòng)控制的基本原理，負(fù)反饋控制系統(tǒng)的原理是根據(jù)所檢測(cè)的偏差進(jìn)行控制，從而抑制或消除偏差，即檢測(cè)偏差，抑制或消除偏差。由擾動(dòng)引起的偏差，只要擾動(dòng)作用點(diǎn)被反饋路徑包圍，都能被反饋?zhàn)饔靡种苹蛳?。因此，系統(tǒng)對(duì)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(duì)作用點(diǎn)不被反饋路徑包圍的擾動(dòng)所引起的偏差，反饋?zhàn)饔脽o能為力，如給定元件、反饋元件的精度。當(dāng)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或參數(shù)配合不當(dāng)時(shí)，可能引起過調(diào)，造成系統(tǒng)振蕩，甚至不能正常工作。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是一個(gè)重要問題。第十八頁，共五十三頁。5/1/202318控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)

人工控制系統(tǒng)

自動(dòng)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)比較第十九頁，共五十三頁。5/1/202319控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論反饋控制系統(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(hào)的環(huán)節(jié)。反饋環(huán)節(jié)：對(duì)系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值進(jìn)行測(cè)量，將它轉(zhuǎn)換成反饋信號(hào)，并使反饋信號(hào)成為與給定信號(hào)同類型、同數(shù)量級(jí)的物理量。比較器：將給定信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)?？刂破鳎焊鶕?jù)偏差信號(hào)，按一定的控制規(guī)律，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)的環(huán)節(jié)。執(zhí)行環(huán)節(jié)：將控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控制量發(fā)生變化的環(huán)節(jié)。被控對(duì)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。第二十頁，共五十三頁。5/1/202320控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論名詞術(shù)語（1）輸入信號(hào)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(hào)。往往把輸入到控制系統(tǒng)中的信號(hào)（包括擾動(dòng)信號(hào)）廣義地叫做輸入量。輸出信號(hào)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(hào)之間有一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號(hào)b(t)：或稱反饋量。從系統(tǒng)（或元件）輸出端取出信號(hào)，經(jīng)過變換后加到系統(tǒng)（或元件）輸入端。擾動(dòng)信號(hào)f(t)：又稱擾動(dòng)和干擾。除控制信號(hào)以外，對(duì)系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生影響的因素都叫擾動(dòng)。如果擾動(dòng)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(dòng)也是系統(tǒng)的一種輸入量。第二十一頁，共五十三頁。5/1/202321控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論名詞術(shù)語（2）正反饋：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)符號(hào)相同，能加強(qiáng)輸入信號(hào)的作用。負(fù)反饋：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)符號(hào)相反，抵消輸入信號(hào)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(fù)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(jìn)行校正、補(bǔ)償或線性化而加入的。偏差信號(hào)ε(t)：或稱偏差?？刂菩盘?hào)與主反饋信號(hào)之差。誤差信號(hào)e(t)：或稱誤差。系統(tǒng)輸出量的實(shí)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。第二十二頁，共五十三頁。5/1/202322控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論控制系統(tǒng)的工作原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)

人工控制系統(tǒng)

自動(dòng)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)比較第二十三頁，共五十三頁。5/1/202323控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用了反饋，因此對(duì)外擾動(dòng)和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化引起的偏差能夠自動(dòng)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(gè)精確的控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)則相反，因?yàn)闆]有反饋，故沒有糾正偏差的能力，外擾動(dòng)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(gè)關(guān)鍵問題。如果參數(shù)選擇不當(dāng)，就會(huì)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(jiǎn)單，成本低，工作穩(wěn)定。一般來說，當(dāng)系統(tǒng)控制量的變化規(guī)律能預(yù)先知道，并且不存在外部擾動(dòng)（或有辦法抑制）時(shí)，采用開環(huán)控制較好。特別是被控制量很難進(jìn)行測(cè)量時(shí)更是如此。如果系統(tǒng)的控制量和干擾量均無法事先預(yù)知時(shí)，或系統(tǒng)中元件參數(shù)不穩(wěn)定時(shí)，采用閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)就顯得特別突出。若要求實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而準(zhǔn)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(gè)比較經(jīng)濟(jì)而又性能較好的復(fù)合控制系統(tǒng)。第二十四頁，共五十三頁。5/1/202324控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史小結(jié)教學(xué)大綱第二十五頁，共五十三頁。5/1/202325控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論自動(dòng)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(dòng)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)第二十六頁，共五十三頁。5/1/202326控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論恒值控制系統(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(dòng)存在的情況下，要求輸出量保持恒定。其分析設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是要求系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。直流電動(dòng)機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)電爐溫度控制系統(tǒng)第二十七頁，共五十三頁。5/1/202327控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論隨動(dòng)系統(tǒng)在反饋控制系統(tǒng)中，若給定輸入信號(hào)是預(yù)先未知的隨時(shí)間變化的函數(shù)，這種系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)例：國(guó)防工業(yè)的火炮跟蹤系統(tǒng)、雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)、機(jī)械加工設(shè)備的伺服機(jī)構(gòu)、天文望遠(yuǎn)鏡的跟蹤系統(tǒng)。在導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)中，給定信號(hào)是目標(biāo)機(jī)的方位和速度，這些信號(hào)是隨時(shí)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(zhǔn)確地跟隨輸入軸的轉(zhuǎn)角變化。對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)來說，輸入信號(hào)是隨機(jī)的，要求輸出能迅速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化，其分析和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究系統(tǒng)的跟隨性能。位置控制系統(tǒng)第二十八頁，共五十三頁。5/1/202328控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)是已知的時(shí)間函數(shù)。程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)相似，只是輸入信號(hào)的變化規(guī)律是預(yù)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(shí)例：仿形銑床、數(shù)控機(jī)床、機(jī)械手控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)第二十九頁，共五十三頁。5/1/202329控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論線性系統(tǒng)及其重要特性線性系統(tǒng)：組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性的；系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(dǎo)數(shù)的一次項(xiàng)。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(shí)間變化。線性時(shí)變系統(tǒng)：系統(tǒng)元件的參數(shù)是隨時(shí)間變化的，即系統(tǒng)微分方程的系數(shù)是時(shí)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(dòng)慣量不是恒定的。線性系統(tǒng)的兩個(gè)重要特性：比例性和疊加性。比例性：當(dāng)系統(tǒng)的輸入量增大K倍時(shí)，系統(tǒng)的輸出量也相應(yīng)增大K倍。疊加性：當(dāng)多個(gè)輸入量作用于系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)總響應(yīng)等于各個(gè)輸入量分別作用于系統(tǒng)的響應(yīng)之和。第三十頁，共五十三頁。5/1/202330控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一個(gè)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(xué)模型要用非線性微分方程描述。非線性微分方程：某些項(xiàng)的系數(shù)與變量有關(guān)，即方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次項(xiàng)或乘積項(xiàng)。第三十一頁，共五十三頁。5/1/202331控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是時(shí)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(hào)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(hào)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(hào)被采樣后量化成數(shù)字信號(hào)。第三十二頁，共五十三頁。5/1/202332控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史小結(jié)教學(xué)大綱第三十三頁，共五十三頁。5/1/202333控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)精度動(dòng)態(tài)品質(zhì)魯棒性（穩(wěn)健性）自動(dòng)控制理論主要研究的問題分析綜合第三十四頁，共五十三頁。5/1/202334控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論穩(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(dòng)作用偏離平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)恢復(fù)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(shí)還能保持穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)系統(tǒng)期望輸出量和實(shí)際輸出量之差。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)希望穩(wěn)態(tài)誤差要小。在恒值調(diào)速系統(tǒng)中，希望因負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差的變動(dòng)要盡量??；在隨動(dòng)系統(tǒng)中，希望輸出信號(hào)與輸入信號(hào)盡量一致。第三十五頁，共五十三頁。5/1/202335控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論動(dòng)態(tài)品質(zhì)與魯棒性動(dòng)態(tài)品質(zhì)通常用動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)來衡量。動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)是系統(tǒng)在單位階躍輸入及零初始條件下的一些指標(biāo)，如調(diào)節(jié)時(shí)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(shí)間反映系統(tǒng)動(dòng)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(shí)間即過渡過程時(shí)間。超調(diào)量即動(dòng)態(tài)響應(yīng)最大值超出穩(wěn)態(tài)值的部分相對(duì)于穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?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(dòng)因素影響的能力。如對(duì)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(dòng)的原因是多方面的，如由于對(duì)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(yùn)行環(huán)境的變化等。系統(tǒng)性能受參數(shù)攝動(dòng)影響的屬性稱為系統(tǒng)的靈敏度。如果一個(gè)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。第三十六頁，共五十三頁。5/1/202336控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論

綜合性能指標(biāo)在多變量控制系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，往往采用綜合性的性能指標(biāo)。根據(jù)不同系統(tǒng)的任務(wù)，選取的性能指標(biāo)形式也不同。例如：在宇航技術(shù)中，不僅要求快速而準(zhǔn)確地將運(yùn)載火箭送入新軌道，并且燃料消耗要最少，在性能指標(biāo)中就應(yīng)包含對(duì)輸出誤差和對(duì)控制能量的要求。自動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，并提出改善性能的途徑。綜合：根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，給出穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，要求組成一個(gè)系統(tǒng)，并確定適當(dāng)?shù)膮?shù)，使系統(tǒng)滿足給定的性能指標(biāo)。第三十七頁，共五十三頁。5/1/202337控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史小結(jié)教學(xué)大綱第三十八頁，共五十三頁。5/1/202338控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史（1）人類對(duì)反饋這一基本原理早有認(rèn)識(shí)，并利用它創(chuàng)造了許多裝置，如孵卵器、水利及風(fēng)力磨坊的速度調(diào)節(jié)器等。1788年，JamesWatt發(fā)明的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器是最早的自動(dòng)控制系統(tǒng)。第三十九頁，共五十三頁。5/1/202339控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)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(dú)立地提出了穩(wěn)定性判據(jù)。1877～1880年，俄國(guó)科學(xué)家發(fā)明了火炮隨動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)理論》的重要論文，第一次提出了自動(dòng)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。第四十頁，共五十三頁。5/1/202340控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史（3）隨著武器的進(jìn)化，要求控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確跟蹤變化的目標(biāo)，從而對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能提出了要求。而設(shè)計(jì)具有高動(dòng)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(yuǎn)距離通訊的失真問題，1927年布萊克（H.S.Black）發(fā)明了負(fù)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(guó)麻省理工學(xué)院輻射實(shí)驗(yàn)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(jī)過程理論結(jié)合起來，形成一套侍服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。第四十一頁，共五十三頁。5/1/202341控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)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(gè)輸入量和一個(gè)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(jì)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(diǎn)，還具有非線性、時(shí)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(dá)到性能指標(biāo)最優(yōu)。對(duì)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(xué)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展為控制理論的進(jìn)一步發(fā)展準(zhǔn)備了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算工具，從而促進(jìn)了現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展。第四十二頁，共五十三頁。5/1/202342控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史（5）現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容有：美國(guó)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(dòng)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(jì)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(biāo)達(dá)到最優(yōu)化。20世紀(jì)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(dāng)分析和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)時(shí)，常用經(jīng)典控制理論；當(dāng)分析和設(shè)計(jì)多輸入多輸出系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，常用現(xiàn)代控制理論。第四十三頁，共五十三頁。5/1/202343控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史小結(jié)教學(xué)大綱第四十四頁，共五十三頁。5/1/202344控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論小結(jié)介紹了自動(dòng)控制的基本概念，重點(diǎn)是反饋控制原理。負(fù)反饋控制的原理是檢測(cè)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(dòng)控制理論的一些常用術(shù)語。對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求及分類方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。第四十五頁，共五十三頁。5/1/202345控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的工作原理和組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史小結(jié)教學(xué)大綱第四十六頁，共五十三頁。5/1/202346控制工程基礎(chǔ)：第一講緒論教學(xué)大綱緒論控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（1）（2）（3）控制系統(tǒng)的時(shí)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)的校正與綜合第四十七頁，共五