第一章 绪论(1-1)

1、1 控制理论基础控制理论基础 2 第一章 绪论 1 11 1 自动控制及其发展自动控制及其发展 一一. .概述概述 1. 1. 自动控制自动控制 就是指在脱离人的直接干预，利用控制装置就是指在脱离人的直接干预，利用控制装置 （简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的 某一物理量（如温度、压力、某一物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按值等）准确地按 照预期的规律运行。照预期的规律运行。 另一种定义：是指机器设备在没有人直接参另一种定义：是指机器设备在没有人直接参 与的情况下，经过自动检测，信息处理、分析判与的情况下，经过自动检测，信息处理、分析判 断

2、、操纵控制实现预期的目标。断、操纵控制实现预期的目标。 3 2. 自动控制系统自动控制系统 是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分 按一定规律组成的具有特定功能的整体。按一定规律组成的具有特定功能的整体。 n自动化的核心是“控制” n自动化技术的两个方面 n 1、人手（脚）的延伸-动力方面的自动 化技术：工业化 n 2、人脑的延伸-信息处理方面的自动化 技术：信息处理和决策等功能-信息化 4 瓦特的控制蒸汽机速度的离心式调速器 5 11 自动控制及其发展自动控制及其发展 3. 3. 控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。控制系统的组成：输入

3、部分、控制系统部分和输出部分。 从物理角度上看，从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系 统响应变化情况； 从数学角度上看，从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。 输入 输出 控制系统 6 11 自动控制及其发展自动控制及其发展 二. 自动控制理论的发展 1、经典控制理论、经典控制理论 研究的主要对象是单输入、单输出单变量系统。 如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车 的运动轨迹等。 2 2、现代控制理论、现代控制理论 研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统。 如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏 板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。 计算机科学地

4、发展，极大地促进了控制科学地发展 7 经典控制理论与现代控制理论比较经典控制理论与现代控制理论比较 项目经典控制理论现代控制理论 研究对象线性定常系统 （单输入、单输出） 线性、非线性、定常、 时变系统 （多输入、多输出） 描述方法传递函数 （输入、输出描述） 向量空间 （状态空间描述） 研究办法根轨迹法和频率法状态空间法 研究目标系统分析及给定输入、 输出情况下的系统综 合 揭示系统的内在规律，实 现在一定意义下的最优控 制与设计 8 二. 自动控制理论的发展 3、大系统控制理论、大系统控制理论 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结 合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、 结构

5、复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。 它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中 有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分 的控制等等。 大系统控制理论目前仍处于发展阶段。 9 二. 自动控制理论的发展 4、智能控制、智能控制 这是近年来新发展起来的一种控制技术，是 人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据 人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前 需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。 学派：结构派结构派和功能派功能派 它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有 争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验 与技巧解决许多以往控制中难以

6、解决的棘手问题 （如建模等），因此得到了人们极大的重视，。 10 第二节第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成控制系统的反馈工作原理及其组成 1. 1. 温控系统：人工控制温控系统：人工控制 调压器 温度计 电热丝 炉子 220 11 第二节第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成控制系统的反馈工作原理及其组成 控制目标：控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。要求炉子的温度恒定在期望的数值上。 控制过程：控制过程： 输入信号 （期望炉温） 输出信号 （实际炉温） 脑 （计算、比较） 放大、执行 （手臂、手） 被控对象 （电热丝、炉子） 测量 （眼睛） 12 第二节第二节 控制系统的反馈工作

7、原理及其组成控制系统的反馈工作原理及其组成 2. 2. 温控系统：自动控制温控系统：自动控制 13 第二节第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成控制系统的反馈工作原理及其组成 控制目标：控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。要求炉子的温度恒定在期望的数值上。 控制过程：控制过程： b u u+ _ 实际温度 电压放大器功率放大器 炉子 热电偶 电机、减速器、 调压器 期望温度 r u 14 第二节第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成控制系统的反馈工作原理及其组成 一般的形式一般的形式 输入信号输入信号系统控制目标的反映，是人的意志的具体体。系统控制目标的反映，是人的意志的具体体。 控制

8、系统控制系统主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制 量，驱动执行机构完成控制功能。量，驱动执行机构完成控制功能。 输出信号输出信号系统的控制结果，反映了被控对象的运行状。系统的控制结果，反映了被控对象的运行状。 输入信号 输出信号 放大 比较执行 被控对象 测量 15 第二节第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成控制系统的反馈工作原理及其组成 火炮自动跟踪系统火炮自动跟踪系统“火炮打飞机火炮打飞机” + _ _ 受信仪放大器减速器 校正装置 检测装置 电机 + 16 第二节第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成控制系统的反馈工作原理及其组成 3. 典型

9、的反馈控制系统的结构图典型的反馈控制系统的结构图 17 第三节 自动控制系统的分类 一、按信号的传递路径来分一、按信号的传递路径来分 1、开环控制系统、开环控制系统 指系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对 系统的控制作用不发生影响的系统。 图纸 程序 指令 （步进电机） 微型计算机放大器执行机构 工作机床 切削刀具 18 第三节 自动控制系统的分类 2、闭环控制系统、闭环控制系统 系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路的系统叫闭系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路的系统叫闭 环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。“闭环闭环” 这个术语的含

10、义，就是将输出信号通过测量元件反馈到系这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件反馈到系 统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。 位移微型计算机放大器执行机构工作机床切削刀具 反馈测量元件 图纸 19 第三节 自动控制系统的分类 二、按系统的输入信号的变化规律不同来分二、按系统的输入信号的变化规律不同来分 1、恒值控制系统（或称自动调节系统）、恒值控制系统（或称自动调节系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值。特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒 温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。 2 2、过程控制系统（或称程序控制系统）、过程控制系统

11、（或称程序控制系统） 特点：输入信号是一个已知的函数。特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程 按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地 复现输入，如化工中的压力、温度、流量控制。 恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。 20 第三节 自动控制系统的分类 3 3、随动系统（或称伺服系统）、随动系统（或称伺服系统） 特点：输入信号是一个未知函数。特点：输入信号是一个未知函数。要求控制 系统的输出量跟随输入信号变化。 如：火炮自动跟踪系统。 该系统要求有较好的跟踪能力。 21 第三节 自动控制系统的分类 三、按系统传输信号的性质来分 1、连续系统、连续系统 特点：特点：系统各部分信号

12、都是模拟的连续函数。目前 工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。 2、离散系统、离散系统 特点：特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码 形式传递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开 关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以 脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号 以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。 22 第三节 自动控制系统的分类 输入 输出 采样开关 + _ ( )e t ( )e t 保持器被控过程 输入输出 + _ A DD A 计算机放大器执行器被控对象 反馈装置 23 第三节 自动控制系统的分类 四、按描述系统的数学模型不同来分四、按描述系统的数学模型不

13、同来分 1、线性系统、线性系统 特点：特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学 模型为线性微分方程。运动方程一般形式： 式中：r(t)系统输入量； c(t)系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。 c(t)a dt dc(t) a dt c(t)d a dt c(t)d a 01 1 -n 1 -n 1 -n 1 -n n n n n r(t)b dt dr(t) b dt r(t)d b dt r(t)d b 01 1 -m 1 -m 1 -m 1 -m m m m m 24 第三节 自动控制系统的分类 2、非线性系统、非线性系统 特点：特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的 非线性环节时，则称此系统为非线性系统。 非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目 前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。 其他的分类方法：其他的分类方法： 按功能来分：按功能来分： 温度控制系统、速度控制系统、 位置控系统等。 按元件组成分：按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。 25 第四节 对控制系统的要求及典型信号 n基本要求：稳定性 快速性 准确性 n典型信号： 1. 脉冲信号 ht