第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論

河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院劉艷昌自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程(第2版)主編：胡壽松－－多媒體教學(xué)課程的性質(zhì)和特點(diǎn)自動(dòng)控制是一門(mén)技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來(lái)研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)。《自動(dòng)控制原理》是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課，（1）自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)課程，該課程與其它課程的關(guān)系。自動(dòng)控制理論電機(jī)與拖動(dòng)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分（含微分方程）復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）信號(hào)與系統(tǒng)（2）自動(dòng)控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴(yán)密、系統(tǒng)完整、邏輯性很強(qiáng)的一門(mén)學(xué)科。從基本反饋控制原理發(fā)展到：自適應(yīng)控制、優(yōu)化控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制討論的對(duì)象：因果系統(tǒng)、工程系統(tǒng)系統(tǒng)的廣義性：經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、工程、生物、環(huán)境、醫(yī)學(xué)課程特點(diǎn)：研究系統(tǒng)的共性問(wèn)題

實(shí)際系統(tǒng)物理模型數(shù)學(xué)模型方法（系統(tǒng)組成分析、設(shè)計(jì)◆自動(dòng)控制原理：是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。而不是對(duì)某一過(guò)程或?qū)ο蟮木唧w控制實(shí)現(xiàn)（正如微積分是一種數(shù)學(xué)工具一樣）?！艚鉀Q的基本問(wèn)題：建模：建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（實(shí)際問(wèn)題抽象，數(shù)學(xué)描述）分析：分析控制系統(tǒng)的性能（穩(wěn)定性、動(dòng)/穩(wěn)態(tài)性能）綜合：控制系統(tǒng)的綜合與校正——控制器設(shè)計(jì)（方案選擇、設(shè)計(jì)）自動(dòng)控制原理及其要解決的基本問(wèn)題自動(dòng)控制原理研究的主要內(nèi)容經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對(duì)象單輸入、單輸出系統(tǒng)（SISO）多輸入、多輸出系統(tǒng)（MIMO）數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)狀態(tài)方程研究手段頻域法、根軌跡法狀態(tài)空間方法研究目的系統(tǒng)綜合、校正最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)估計(jì)、自適應(yīng)控制簡(jiǎn)單→復(fù)雜自動(dòng)控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論非線性控制系統(tǒng)第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章線性控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)第九章2.自動(dòng)控制原理習(xí)題集解析（第1版）.胡壽松主編.科學(xué)出版社3.自動(dòng)控制原理題海大全（第1版）.胡壽松主編.科學(xué)出版社[4]薛定宇著，《反饋控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——MATLAB語(yǔ)言應(yīng)用》清華大學(xué)出版社[5]黃忠霖等編著,《控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真》國(guó)防工業(yè)出版社參考書(shū)自動(dòng)控制原理（第5版）.胡壽松主編.科學(xué)出版社引言

自動(dòng)控制學(xué)科由自動(dòng)控制技術(shù)和自動(dòng)控制理論兩部分組成。

什么是自動(dòng)控制?

無(wú)須人的直接參與，通過(guò)控制裝置，使機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，完成要求的任務(wù)，就叫自動(dòng)控制。

近幾十年來(lái)，自動(dòng)控制技術(shù)正在迅猛的發(fā)展，并在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防建設(shè)和航空航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。比如：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功與安全返回。導(dǎo)彈的準(zhǔn)確擊中目標(biāo)，雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)；交通系統(tǒng)：安全、快捷、舒適、準(zhǔn)點(diǎn)鋼鐵生產(chǎn)制造系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)線自動(dòng)碼垛機(jī)器人自動(dòng)包裝機(jī)器人家用電器：電扇：控制轉(zhuǎn)速電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度洗衣機(jī)：控制水位、強(qiáng)弱、時(shí)間等智能建筑：通信電梯供水通風(fēng)空調(diào)安防抄表…工業(yè)機(jī)器人：拉提琴靈巧手排爆步行吹笛足球比賽其他機(jī)器人：自動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域軍事工業(yè)航空航天制造業(yè)機(jī)器人流程工業(yè)

電子工業(yè)家用電器交通系統(tǒng)，樓宇系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，社會(huì)系統(tǒng)…鋼鐵、石化、造紙、制藥等控制無(wú)處不在！

隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)可以說(shuō)已滲透到各種學(xué)科領(lǐng)域，成為促進(jìn)當(dāng)代生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要因素。事實(shí)上，任何技術(shù)設(shè)備、工作機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程都必須按要求運(yùn)行。例如：要使火炮能自動(dòng)跟蹤并命中飛行目標(biāo)，炮身就必須按照指揮儀的命令而作方位角和俯仰角的變動(dòng)；要把數(shù)噸重人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里高空的軌道，使其所攜帶的各種儀器能長(zhǎng)期使用、準(zhǔn)確地工作，就必須保持衛(wèi)星的正確姿態(tài)，使它的太陽(yáng)能電池一直朝向太陽(yáng)，無(wú)線電發(fā)射天線一直指向地球；

要使數(shù)控機(jī)床能加工出高精度的工件，就必須保證其工作臺(tái)或刀架的進(jìn)給量準(zhǔn)確地按照程序指令的設(shè)定值變化；要想使輪船安全順利的航行，就必須按照領(lǐng)航員的命令改變尾舵的方向；所有這一切都是以高水平的自動(dòng)控制技術(shù)為前提的。要使煉鋼爐提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，就必須嚴(yán)格控制爐溫……等等。

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了許多新問(wèn)題，這些問(wèn)題要求從理論上加以解決。自動(dòng)控制理論正是在解決這些實(shí)際技術(shù)問(wèn)題的過(guò)程中逐步形成和發(fā)展起來(lái)的，它是研究自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。按其發(fā)展的不同階段，可把自動(dòng)控制理論分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。經(jīng)典控制理論也就是自動(dòng)控制原理，是20世紀(jì)40年代到50年代形成的一門(mén)獨(dú)立學(xué)科。早期的控制自動(dòng)控制理論的發(fā)展概況系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，只要列出微分方程并求解之，就可以用時(shí)域法分析他們的性能。第二次世界大戰(zhàn)前后，由于生產(chǎn)和軍事的需要，各國(guó)均在大力研制新型武器，于是出現(xiàn)了較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)通常是用高階微分方程來(lái)描述的。由于高階微分方程求解的困難，各種控制系統(tǒng)的理論研究和分析方法就應(yīng)運(yùn)而生。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在研究負(fù)反饋放大器時(shí)創(chuàng)立了有名的穩(wěn)定性判據(jù)，并提出了穩(wěn)定裕量的概念。

在此基礎(chǔ)上，1945年伯德（H.W.Bode）提出了分析控制系統(tǒng)的一種圖解方法即頻率法，致使研究控制系統(tǒng)的方法由初期的時(shí)域分析轉(zhuǎn)到頻域分析。隨后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又創(chuàng)立了另一種圖解法即有名的根軌跡法。追溯到1877年，勞斯（E.Routh）和1895年赫爾維茨（A.Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了關(guān)于判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)。這些都是經(jīng)典控制理論的重要組成部分。50年代中期，經(jīng)典控制理論又添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，從而形成了完整的理論體系。

40~50年代經(jīng)典控制理論

（頻域法或復(fù)頻域法）

核心：傳遞函數(shù)，穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度等

特點(diǎn)：圖形方法，直觀簡(jiǎn)便，設(shè)置參數(shù)少，

（以簡(jiǎn)單控制結(jié)構(gòu)獲取相對(duì)滿意的性能）適用范圍：?jiǎn)屋斎雴屋敵觯⊿ISO）系統(tǒng)

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：復(fù)變函數(shù)，積分變換

SISO:SingleInputandSingleOutput50年代開(kāi)始，由于空間技術(shù)的發(fā)展，各種高速、高性能的飛行器相繼出現(xiàn)，要求高精度地處理多變量、非線性、時(shí)變和自適應(yīng)等控制問(wèn)題，60年代初又形成了現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)是：1956年龐特里亞金提出了極大值原理，1957年貝爾曼（R.Bellman）提出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃，1960年卡爾曼（R.E.Kalman）提出了最優(yōu)濾波理論以及狀態(tài)空間方法的應(yīng)用。從60年代至今40多年來(lái)，現(xiàn)代控制理論又有巨大的發(fā)展，并形成了若干學(xué)科分支，如線性控制理論、最優(yōu)控制理論、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論等。

60~70年代現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間法）

核心：狀態(tài)變量的能控、能觀性，

系統(tǒng)性能的最優(yōu)化

特點(diǎn)：時(shí)域法，統(tǒng)一處理SISO、MIMO系統(tǒng)，

有完整的理論體系數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：線性代數(shù)，矩陣?yán)碚?/p>

缺點(diǎn)：對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度要求高，

實(shí)際性能達(dá)不到設(shè)計(jì)的最優(yōu)，

所需狀態(tài)反饋難以直接實(shí)現(xiàn)MIMO:Multi-InputandMulti-Output70年代~現(xiàn)在多種新型控制理論多變量頻域控制理論

①經(jīng)典SISO→MIMO；

②基于互質(zhì)分解的全新的頻域優(yōu)化理論魯棒控制（robustcontrol）

魯棒性（robustness）：系統(tǒng)存在模型誤差或受到擾動(dòng)時(shí)仍能保持良好性能的能力

魯棒控制：使系統(tǒng)具有良好魯棒性的控制70年代~現(xiàn)在多種新型控制理論智能控制（intelligentcontrol）

控制系統(tǒng)具有擬人智能（學(xué)習(xí)、記憶、判斷、推理等）大系統(tǒng)控制、復(fù)雜系統(tǒng)控制等

被控系統(tǒng)具有高維數(shù)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、多約束、多目標(biāo)、不確定性、分散性、非線性、大時(shí)滯、難建模等特征，如電力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了控制理論的發(fā)展；而自動(dòng)控制理論的發(fā)展，又指導(dǎo)了控制技術(shù)的應(yīng)用，使其進(jìn)一步完善。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)及理論已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。近年來(lái)，控制科學(xué)的應(yīng)用范圍還擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其他許多社會(huì)生活領(lǐng)域，并為各學(xué)科之間的相互滲透起了促進(jìn)作用?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，自動(dòng)控制技術(shù)和理論已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會(huì)不可缺少的組成部分。自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和生活質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，改善勞動(dòng)條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和創(chuàng)造人類文明等方面都具有十分重要的意義。作為現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，都必須具備一定的自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)知識(shí)。本課程的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容：經(jīng)典控制理論

建模、分析、綜合范圍：線性定常SISO系統(tǒng)（包括連續(xù)與離散）與非線性系統(tǒng)重點(diǎn)：基本概念、基本理論、基本方法高等數(shù)學(xué)——微分方程、拉氏變換、富氏變換及復(fù)變函數(shù)等電路——電路理論及運(yùn)算方法、暫態(tài)過(guò)程分析電子技術(shù)——運(yùn)算放大器元件及參數(shù)計(jì)算電機(jī)——工作原理及機(jī)械特性需要復(fù)習(xí)的內(nèi)容基本要求

通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，獲得自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念和基本理論；掌握分析自動(dòng)控制系統(tǒng)或過(guò)程控制系統(tǒng)的基本方法。第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論§1.1自動(dòng)控制的基本原理§1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類§1.4自動(dòng)控制理論概要

主要內(nèi)容1.自動(dòng)控制的基本原理2.概念：自動(dòng)控制、受控對(duì)象、控制器、被控量等3.自動(dòng)控制的基本方式和自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類4.對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求5.典型輸入信號(hào)1.1.1自動(dòng)控制的基本概念

1、人工控制：控制系統(tǒng)可以由人工控制，也可以采用自動(dòng)控制。圖1－1水位人工控制原理圖

如圖1－1

所示，水位保持系統(tǒng)?！?.1自動(dòng)控制的基本原理第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論人工控制（續(xù)）

人工控制：眼、腦、手、水箱+閥門(mén)給定電壓放大后得到電樞電壓ua，從而控制轉(zhuǎn)速n。改變ug→ua改變→n改變，ug與n一一對(duì)應(yīng)。但是，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)（干擾量），會(huì)使n改變，即使ug不變，n

也改變?！鄒a（ug）與n的關(guān)系不精確，抗擾動(dòng)能力差，系統(tǒng)控制精度難以保證，應(yīng)用少。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論二、閉環(huán)控制系統(tǒng)：定義：閉環(huán)控制——被控量與給定值比較后用其偏差對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。亦稱反饋控制。特點(diǎn)：不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致。需要控制的是c(t)、而測(cè)量的是c(t)對(duì)r(t)的偏差。只要c(t)出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)就自行糾正。3.例如：直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖1－8所示。第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論圖1－8閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論負(fù)載↑→TL↑→(Te<TL)→n↓→un↓→△u↑→u1↑→ua↑n↑

或溫度T↑→Ra↑→E↓→n↓→un↓→△u↑→u1↑→ua↑n↑△系統(tǒng)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、應(yīng)用廣泛。閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）三、復(fù)合控制系統(tǒng)：1.定義：復(fù)合控制—給定補(bǔ)償或干擾補(bǔ)償與反饋控制結(jié)合起來(lái)就組成復(fù)合控制。第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）2.例如：如圖1－9

所示調(diào)速系統(tǒng)。此系統(tǒng)在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了負(fù)載擾動(dòng)補(bǔ)償。圖1－9復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)原理圖第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論負(fù)載突增TL↑→IdL↑→Us↑→ΔU2=U1+Us必↑→ua↑→n↑Te<TL→n↓圖1－10復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)方框圖復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論§1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3.1從信號(hào)傳送的特點(diǎn)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類

可以將控制系統(tǒng)分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三大類，前已述及，故不贅述。第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論一、恒值系統(tǒng)：定義——r(t)為常值的系統(tǒng)。目的——保證c(t)恒定。例如：調(diào)速系統(tǒng)（當(dāng)ug不變時(shí)），水池水位控制系統(tǒng)，空調(diào)、冰箱、恒溫箱及爐溫控制系統(tǒng)等。1.3.2按給定值的特點(diǎn)分：第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論圖1－12電阻爐微機(jī)溫度控制系統(tǒng)恒值系統(tǒng)（續(xù)）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論如圖1－12所示為電阻爐微機(jī)溫度控制系統(tǒng)，電阻絲通過(guò)晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)預(yù)先設(shè)置，實(shí)際爐溫由熱電偶檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成電壓（mv），經(jīng)放大濾波后，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將模擬信號(hào)→數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中與所設(shè)置的期望值比較后產(chǎn)生偏差信號(hào)。計(jì)算機(jī)便根據(jù)預(yù)定的控制算法（即控制規(guī)律）計(jì)算相應(yīng)的控制量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)楹阒迪到y(tǒng)（續(xù)）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論4.優(yōu)點(diǎn):計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，具有精度高、功能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、無(wú)噪聲、顯示醒目、讀數(shù)直觀、打印存檔方便、操作簡(jiǎn)單、靈活性和適應(yīng)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。0—10mA的電流，通過(guò)觸發(fā)器控制晶閘管的控制角α，從而改變晶閘管的整流電壓，也就改變了電阻絲中電流的大小，達(dá)到控制爐溫的目的。恒值系統(tǒng)（續(xù)）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論例如：跟蹤目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)、火炮群控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、參數(shù)的自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)、

X-Y記錄儀、船舶駕駛舵位跟蹤系統(tǒng)、飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀等等。

如圖1－13所示為船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)。

定義：給定值隨意變化而事先無(wú)法知道的系統(tǒng)。目的：使c(t)按一定精度跟蹤r(t)的變化。二、隨動(dòng)系統(tǒng)第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論圖1－13船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)）其任務(wù)是使船舵角位置按給定指令變化，即要求θ0跟隨θi:θ0(t)=θi(t)。第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論圖1－14

圖1－15船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)方框圖隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)）該系統(tǒng)由船舵（受控對(duì)象）、電位計(jì)（測(cè)量、比較元件）、電機(jī)、減速器、電壓和功率放大器等組成。第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論

由兩個(gè)電位計(jì)組成橋式連接，Δu=ui-ua。若θ0=θi，則預(yù)先整定ui=u0,則Δu=0，電機(jī)不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。若θi

變了，而θ0

未變，則有θ0≠θi

，

ui≠u(mài)0，Δu≠0，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)船舵角位置θ0向θi

要求的位置變化，直至θ0=θi

，Δu=0，電機(jī)才停止。系統(tǒng)重又平衡。隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)）4.優(yōu)點(diǎn)：控制對(duì)象簡(jiǎn)單，指令信號(hào)事先無(wú)法知道其變化規(guī)律?？捎霉β屎苄〉闹噶钚盘?hào)操縱功率很大的工作機(jī)械，還可進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論三、程序控制系統(tǒng)：定義：給定值或指令輸入信號(hào)按預(yù)定程序變化的系統(tǒng)。目的：c(t)按預(yù)定的程序去運(yùn)行。例如：順序控制器、數(shù)控機(jī)床、仿形機(jī)床等。如圖1－16所示為數(shù)控機(jī)床，將輸入處理，插補(bǔ)計(jì)算和控制功能可由邏輯電路實(shí)現(xiàn)，也可由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。一般都將加工軌跡編好程序。并轉(zhuǎn)換成脈沖輸入，再將工作臺(tái)移動(dòng)軌跡也換算成脈沖側(cè)出來(lái)與輸入脈沖比較后再換算成模擬信號(hào)用以控制SM。第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論圖1－16數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)方框程控系統(tǒng)（續(xù)）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論可分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)

①線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：線性函數(shù)，如線性微分方程、線性差分方程、線性代數(shù)方程。線性系統(tǒng)具有齊次性和疊加性，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)處理簡(jiǎn)便，理論體系完整。②非線性控制系統(tǒng)：用非線性方程描述的系統(tǒng)，不滿足疊加原理。1.3.3按數(shù)學(xué)描述分類第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論1.3.4按時(shí)間信號(hào)的性質(zhì)分類可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)：①連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各變量均對(duì)時(shí)間連續(xù)。離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中一處或幾處的變量為離散信號(hào)，如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng)。0t連續(xù)信號(hào)0t離散信號(hào)第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論①定常系統(tǒng)：系統(tǒng)的參數(shù)不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。描述其動(dòng)態(tài)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)為常數(shù)。②時(shí)變系統(tǒng)：系統(tǒng)的參數(shù)隨時(shí)間而變化。描述其動(dòng)態(tài)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)不為常數(shù)?？煞譃槎ǔＯ到y(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng)1.3.5按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化分類第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論§1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)理論概要系統(tǒng)有各種各樣，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特殊要求，但對(duì)于各類系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí)，研究的和感興趣的卻是系統(tǒng)在某種典型輸入信號(hào)下，其被控量變化的全過(guò)程。也就是說(shuō)，研究的內(nèi)容和方法都是相同或相似的，如：恒值系統(tǒng)研究擾動(dòng)作用引起被控量變化的全過(guò)程；隨動(dòng)系統(tǒng)研究被控量如何克服擾動(dòng)影響并跟隨給定量的變化過(guò)程。所以對(duì)于各種控制系統(tǒng)的要求可歸納為：系統(tǒng)的c(t)必須迅速、準(zhǔn)確的按輸入量的變化而變化，克服擾動(dòng)影響。1.4.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論實(shí)際中，由于機(jī)械部分質(zhì)量、慣量的存在以及電路中L.C的存在，輸出不會(huì)是理想狀態(tài)。要有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，最后趨于新的穩(wěn)態(tài)值。因此，從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的總體精度。圖1－17圖1－18基本要求（續(xù)）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論<一>穩(wěn)定性穩(wěn)定性指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件，一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，其c(t)偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨t的延長(zhǎng)逐漸減小或趨于零。(如曲線①和②)一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其c(t)偏離期望值的初始偏差將隨著t的增長(zhǎng)而發(fā)散。無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)。（如曲線③）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論②c(t)t0①③基本要求（續(xù)）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論<二>快速性

快速性指動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短。T過(guò)長(zhǎng)：系統(tǒng)長(zhǎng)久出現(xiàn)大偏差，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的指令信號(hào)。（例雷達(dá)、導(dǎo)彈等）若滿足既穩(wěn)又快，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度高。（如：飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)、當(dāng)飛機(jī)受到陣風(fēng)干擾偏離航線。若系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)原航線的速度過(guò)快，則乘客感到不適。函數(shù)記錄儀還可能損壞記錄筆。）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論<三>準(zhǔn)確性

準(zhǔn)確性指系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束到新的平衡工作狀態(tài)以后或系統(tǒng)受干擾后重新恢復(fù)平衡，最終保持的精度。反映后期性能。第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論<四>說(shuō)明因受控對(duì)象的不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求有所側(cè)重。如：恒值系統(tǒng)---對(duì)穩(wěn)（平衡）要求嚴(yán)格。而對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)---快、準(zhǔn)要求高。同一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)是相互制約的，提高過(guò)渡過(guò)程的快速性，可能會(huì)引起振蕩；改善了平穩(wěn)性，過(guò)渡過(guò)程又很遲緩。本課程的主要內(nèi)容就是如何分析和解決上述矛盾。第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論1.4.2典型輸入信號(hào)

1．階躍函數(shù)（位置函數(shù)）：

當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位階躍函數(shù)，記作且tr(t)0A第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論當(dāng)B=1時(shí)，稱為單位斜坡函數(shù)。

2．斜坡函數(shù)（等速度函數(shù)）∴斜坡函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是階躍函數(shù)。記作：tr(t)0第1章