第1章自动控制系统简介

1、第一章第一章 自动控制系统自动控制系统简介简介1.1 自动控制系统概述自动控制系统概述1.2 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制1.3 自动控制系统的组成与工作原理自动控制系统的组成与工作原理1.4 自动控制系统的类型自动控制系统的类型1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求引言引言控制理论：控制理论：自动化学科自动化学科的重要理论基础的重要理论基础研究自动控制共同规律的技术科学研究自动控制共同规律的技术科学自动控制技术应用自动控制技术应用自动控制系统自动控制系统自动控制原理自动控制原理控制理论体系控制理论体系课程的性质和特点课程的性质和特点v自动控制是一门技术学科，从方法论

2、的角度来研究系统的建自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。立、分析与设计。v自动控制原理自动控制原理是本学科的专业基础课，是自动控制理论是本学科的专业基础课，是自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。微积分（含微分方程微积分（含微分方程）电机与拖动电机与拖动模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数电路理论电路理论信号与系统信号与系统自动控制理论自动控制理论复变函数、拉普拉斯变换复变函数、拉普拉斯变换大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学）课程学习要面临课程学习要面临v数学基础宽而深数学基础宽而深v控制原理

3、抽象控制原理抽象v计算复杂且繁琐计算复杂且繁琐v绘图困难绘图困难计算机数学语言计算机数学语言MATLABMATLAB数值解数值解/ /解析解（数学运算）解析解（数学运算）dcbxax2控制理论的内容控制理论的内容二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论 本章学习目标本章学习目标v了解自动控制系统类型的划分方法了解自动控制系统类型的划分方法v理解良好的控制系统应具备的特征理解良好的控制系统应具备的特征v掌握开环控制系统与闭环控制系统的特征与区别掌握开环控制系统与闭环控制系统的特征与区别v掌握自动控制系统的组成与工作原理掌握自动控制系统的组成与工作原理1.1 自动控制系统概述自动控制系统概述v

4、自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。究分析、设计自动控制系统的基本方法。v本章主要讲什么内容本章主要讲什么内容?v从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、从介绍自动控制的发

5、展历史入手，引出自动控制理论分析、设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制理念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制理论的总的目标有个大致的了解。论的总的目标有个大致的了解。制导导弹制导导弹 现代的高新技术让导弹长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标哈勃望远镜特殊地卫星中巴资源卫星人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收雷达技术 雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定

6、的方向向外发射出去，把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作天线作360360度的旋转，这样它就能在度的旋转，这样它就能在360360度范围内进行度范围内进行“搜索搜索”。1.1.1 自动控制发展简史自动控制发展简史v中国古代自动化方面的成就：中国古代自动化方面的成就：v公元前公元前14世纪至前

7、世纪至前11世纪，中世纪，中国、埃及和巴比伦出现自动计国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶；时漏壶；v公元公元130年，张衡发明水运浑年，张衡发明水运浑象，象，132年研制出自动测量地年研制出自动测量地震的候风地动仪；震的候风地动仪；v公元公元235年，马钧研制出用齿年，马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的指南车，轮传动自动指示方向的指南车，类似按扰动补偿的自控系统；类似按扰动补偿的自控系统；飞球调节器世界上公认的第一个自动控制系统 1788年瓦特发明飞球年瓦特发明飞球调节器，进一步推动调节器，进一步推动蒸汽机的应用，促进蒸汽机的应用，促进了工业的发展。了工业的发展。 推动了社会进步是飞推动了社会进

8、步是飞球调节器公认为第一球调节器公认为第一个自动控制系统的最个自动控制系统的最主要原因！主要原因！ 飞球调节器原理图 关 汽阀联结器 开 调节器轴 套环 汽轮机轴 没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！ 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自动控制系统也有类似现象。其它自动控制系统也有类似现象。 由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。约一个世纪之久。 自动控制理

9、论的开端 1868年英国麦克斯韦尔的年英国麦克斯韦尔的“论调速器论调速器”论文指出：论文指出： 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定。制的不稳定。 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。根的实部的正、负号问题。 麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为

10、自动控制理论的开端。的开端。经典控制理论的孕育经典控制理论的孕育 1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。年，英国劳斯提出代数稳定判据。 1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。稳定判据。 1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。 二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。制研究直接推动了经典控制的发展。经典控制理论的形成经典控制理论的形成 1948年，维纳

11、出版年，维纳出版控制论控制论，形成完整的经典控制，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。理论，标志控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人！维纳成为控制论的创始人！维纳维纳控制论控制论是关于怎样把机械元件和电气元件组是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门自然科学中，这量和效率等因素，可是，在其他各门自然科学中，这些因素是十分重要的。些因素是十分重要的。 控制论所讨论的主要问题是一个

12、系统的各个不同部分控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统的总体运之间的相互作用的定性性质，以及整个系统的总体运 动状态。动状态。1.1.2 自动控制系统举例自动控制系统举例 一个自动运行的系统，就是指它的运行不需要人为的干预。一个自动运行的系统，就是指它的运行不需要人为的干预。v令人的体温保持在令人的体温保持在37的自动温控系统的自动温控系统v心跳控制系统心跳控制系统v眼球聚焦系统眼球聚焦系统v温控系统温控系统v汽车自动导航控制系统汽车自动导航控制系统v电梯调度系统自动发送电梯搭载乘客电梯调度系统自动发送电梯搭载乘客空调空调自动调节房间温度：自动调

13、节房间温度： 以取暖为例，空调通过温度传以取暖为例，空调通过温度传感器检测房间的温度高低，空调控感器检测房间的温度高低，空调控制器将检测的温度与设定值进行比制器将检测的温度与设定值进行比较，若温度低于设定值的下限，则较，若温度低于设定值的下限，则使压缩机运行，温度上升，温度上使压缩机运行，温度上升，温度上升到设定值的上限时则停止运行。升到设定值的上限时则停止运行。 空调运行基于反馈信息（温度空调运行基于反馈信息（温度测量值），属于测量值），属于 “反馈控制反馈控制”，最，最为常见。为常见。 v实例（示意图）实例（示意图）人工（手动）控制：人工（手动）控制：（1 1）对象：储液系统）对象：储液系

14、统（2 2）目标：液位）目标：液位（3 3）眼睛：观察液位变）眼睛：观察液位变化化（4 4）大脑：分析、比较、）大脑：分析、比较、判断判断（5 5）手）手/ /脚：动作执行脚：动作执行液位人工控制系统液位人工控制系统v实例（示意图）实例（示意图）自动控制：自动控制：（1 1）对象：储液系统）对象：储液系统（2 2）目标：液位）目标：液位（3 3）传感器：检测液位）传感器：检测液位变化变化（4 4）控制器：控制功能）控制器：控制功能（5 5）执行器：完成控制）执行器：完成控制动作动作传感器传感器信号信号信号驱动设备信号驱动设备液位自动控制系统液位自动控制系统控制原理框图控制原理框图（控制理念）（

15、控制理念）对象对象手脚手脚 （执行器）（执行器）大脑大脑 （控制器）（控制器）眼睛眼睛 （传感器）（传感器） 控制控制对象对象执行装置执行装置控制器控制器测量装置测量装置1.1.3 自动控制系统术语自动控制系统术语v自动控制：自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利用是指没有人直接参与的情况下，利用控制装置（称控制器），使整个生产过程或工作控制装置（称控制器），使整个生产过程或工作机械（称被控对象）的某个工作状态或参数（即机械（称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。被控量）自动地按照预定的规律运行。v自动控制系统：自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，能够实

16、现自动控制任务的系统，由由控制器与控制对象控制器与控制对象组成。组成。控制对象控制对象控制器控制器输入量输入量输出量输出量扰动量扰动量?v被控对象被控对象控制系统所控制和操纵的对象，接受控制量并控制系统所控制和操纵的对象，接受控制量并输出被控量；输出被控量；v控制器控制器外加的设备或装置，用来接收变换和放大的偏差外加的设备或装置，用来接收变换和放大的偏差信号，转换为对被控对象进行操作的控制信号；信号，转换为对被控对象进行操作的控制信号；v给定信号给定信号控制系统的输入信号，是时间的函数；控制系统的输入信号，是时间的函数；v输出信号输出信号控制系统的输出，即受控的物理量控制系统的输出，即受控的物

17、理量v反馈信号反馈信号从系统的输出端引出，经过变换回送到输入端从系统的输出端引出，经过变换回送到输入端与给定信号进行比较的信号；与给定信号进行比较的信号；v偏差信号偏差信号控制输入信号与主反馈信号之差；控制输入信号与主反馈信号之差；v扰动信号扰动信号破坏系统平衡，导致系统的被控量偏离其给定破坏系统平衡，导致系统的被控量偏离其给定值的因素；值的因素；v误差信号误差信号系统被控量的期望值与实际值之差。系统被控量的期望值与实际值之差。自动控制系统控制原理方框图自动控制系统控制原理方框图控制控制对象对象执行装置执行装置控制器控制器测量装置测量装置控制器控制器比较环节比较环节输入量输入量偏差偏差测量值测

18、量值输出量输出量控制量控制量扰动量扰动量控制动作控制动作广义对象广义对象自动控制装置自动控制装置元素：元素：（1 1） ：元件：元件（2 2） ：信号（物理量）及传递方向：信号（物理量）及传递方向（3 3） ：比较点（信号叠加）：比较点（信号叠加）（4 4） ：引出点（分支、信号强度）：引出点（分支、信号强度） （5 5）+/- +/- ：符号的意义（正、负反馈）：符号的意义（正、负反馈）1.2 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制1.2.1 反馈控制系统反馈控制系统 反馈：反馈：把取出的输出量送回到输入端，并与输入信把取出的输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。

19、号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若偏差越来越若偏差越来越小小，称为，称为负负反馈；反馈；若偏差越来越若偏差越来越大大，称为，称为正正反馈。反馈。 反馈控制：反馈控制：采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，由于引入被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭由于引入被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，反馈控制也称为闭环控制。合的，反馈控制也称为闭环控制。1.2.2 开环控制系统开环控制系统v如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制系统称为系统称为开环控制开环控制系统。系统。v即需要控制的是被控对

20、象的某一量即需要控制的是被控对象的某一量(被控量被控量),而测量的只是给而测量的只是给定信号定信号,被控量对于控制作用没有任何影响的系统。结构如被控量对于控制作用没有任何影响的系统。结构如图所示。图所示。开环控制系统举例开环控制系统举例v交通指挥的红绿灯转换；交通指挥的红绿灯转换；v自动生产线；自动生产线；v洗衣机洗涤过程；洗衣机洗涤过程；开环控制系统的缺陷开环控制系统的缺陷 信号由给定值至被控量单向传递。这种控制较简单，但有较信号由给定值至被控量单向传递。这种控制较简单，但有较大的缺陷，即对象或控制装置受到干扰，或工作中特性参数大的缺陷，即对象或控制装置受到干扰，或工作中特性参数发生变化，会

21、直接影响被控量，而无法发生变化，会直接影响被控量，而无法自动补偿自动补偿。因此，系。因此，系统的统的控制精度控制精度难以保证。难以保证。 从另一种意义理解，意味着对受控对象和其它控制元件的从另一种意义理解，意味着对受控对象和其它控制元件的技技术要求较高术要求较高。如数控线切割机进给系统、包装机等多为开环。如数控线切割机进给系统、包装机等多为开环控制。控制。1.2.3 闭环控制系统（核心）闭环控制系统（核心）v把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制，称为闭环控制系统。闭环，参与控制，称为闭环控制系统。前前/正向通道正向通道反反/负向

22、通道负向通道闭环控制系统的优缺点闭环控制系统的优缺点n 这种控制方式，无论是由于干扰造成，还是由于结构参数的这种控制方式，无论是由于干扰造成，还是由于结构参数的变化引起被控量出现偏差，系统就利用偏差去纠正偏差，故变化引起被控量出现偏差，系统就利用偏差去纠正偏差，故称为称为按偏差调节按偏差调节。v优点：系统的输出量能自动跟踪给定量，减小跟踪误差，提优点：系统的输出量能自动跟踪给定量，减小跟踪误差，提高控制精度，抑制扰动信号的影响；高控制精度，抑制扰动信号的影响；v缺点：与开环控制系统比较，闭环系统的结构比较缺点：与开环控制系统比较，闭环系统的结构比较复杂复杂，构，构造比较困难；引进反馈通道后使得

23、系统对前向通路中元件参造比较困难；引进反馈通道后使得系统对前向通路中元件参数的变化不灵敏；利用偏差控制如果设计不当，数的变化不灵敏；利用偏差控制如果设计不当，系统将无法系统将无法正常或者稳定工作正常或者稳定工作；控制系统的精度与系统的稳定性之间也；控制系统的精度与系统的稳定性之间也常常存在矛盾。常常存在矛盾。 1.2.4 开环与闭环控制系统的对比开环与闭环控制系统的对比v开环控制系统的特点开环控制系统的特点（1）只有正向作用，没有反馈作用；）只有正向作用，没有反馈作用；（2）控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度；）控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度；（3）没有抑制内、外干扰的能力；）

24、没有抑制内、外干扰的能力；（4）系统结构简单，成本低。）系统结构简单，成本低。v闭环控制系统的特点闭环控制系统的特点（1）既有正向作用，也有反馈作用；）既有正向作用，也有反馈作用；（2）控制精度与元件精度、控制方法、调整精度有关，控制）控制精度与元件精度、控制方法、调整精度有关，控制精度较高；精度较高；（3）有抑制干扰的能力；）有抑制干扰的能力；（4）系统结构复杂，成本相对较高。）系统结构复杂，成本相对较高。开环与闭环的选择开环与闭环的选择 开环控制和闭环控制方式各有优缺点，在实际工程中应根据开环控制和闭环控制方式各有优缺点，在实际工程中应根据工程要求及具体情况来决定。工程要求及具体情况来决定

25、。 如果事先预知输入量的变化规律，又不存在外部和内部参数如果事先预知输入量的变化规律，又不存在外部和内部参数的变化，则采用开环控制较好。的变化，则采用开环控制较好。 如果对系统外部干扰无法预测，系统内部参数又经常变化，如果对系统外部干扰无法预测，系统内部参数又经常变化，为保证控制精度，采用闭环控制则更为合适。为保证控制精度，采用闭环控制则更为合适。 如果对系统的性能要求比较高，为了解决闭环控制精度与稳如果对系统的性能要求比较高，为了解决闭环控制精度与稳定性之间的矛盾，可以采用开环控制与闭环控制相结合的复合定性之间的矛盾，可以采用开环控制与闭环控制相结合的复合控制系统。控制系统。复合控制复合控制

26、1.3 自动控制系统的组成与工作原理自动控制系统的组成与工作原理给定元件放大元件执行元件被控对象测量元件-+UrUeUaUfT典型自动控制系统组成部分典型自动控制系统组成部分v（1）被控对象）被控对象自动控制系统需要进行控制的机器、设自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程；备或生产过程；v（2）测量元件）测量元件其职能是测量被控制的物理量；其职能是测量被控制的物理量；v（3）给定元件）给定元件其职能是给出与期望的被控量相对应的其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）；系统输入量（即参据量）；v（4）比较元件）比较元件对系统输出量与输入量进行代数运算并对系统输出量与输入量

27、进行代数运算并给出偏差信号，起综合、比较变换作用；给出偏差信号，起综合、比较变换作用；v（5）放大元件）放大元件将比较元件给出的偏差进行放大，用来将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象；推动执行元件去控制被控对象；v（6）执行元件）执行元件直接作用于被控对象，使其被控量发生直接作用于被控对象，使其被控量发生变化的元件。变化的元件。1.4 自动控制系统的类型自动控制系统的类型1.4.1 按照信号流向进行划分按照信号流向进行划分开环控制系统开环控制系统信号流动由输入端到输出端单向流动信号流动由输入端到输出端单向流动闭环控制系统闭环控制系统 若控制系统中信号除从输入端到输出端外

28、，还有输出到输入若控制系统中信号除从输入端到输出端外，还有输出到输入的反馈信号，则构成闭环控制系统，也称反馈控制系统的反馈信号，则构成闭环控制系统，也称反馈控制系统 1.4.2 按照输入信号进行划分按照输入信号进行划分（1）恒值控制系统）恒值控制系统v系统的输入量是一恒值，并且要求系统的输出量相应地保持恒系统的输入量是一恒值，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。定。v控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响，使输出量维控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响，使输出量维持在给定值持在给定值(期望值期望值)。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。系统。

29、（2）随动系统）随动系统v系统的输入量是任意变化的量，并且要求系统的输出量能跟随系统的输入量是任意变化的量，并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化作出相应的变化。输入量的变化作出相应的变化。v如雷达天线的自动跟踪系统、高炮自动描准系统，就是典型的如雷达天线的自动跟踪系统、高炮自动描准系统，就是典型的随动系统。随动系统。（3）程序控制系统）程序控制系统v系统的输入量不是常值，而是事先确定的程序信号，并且要系统的输入量不是常值，而是事先确定的程序信号，并且要求被控对象的被控量按照要求的程序变化。求被控对象的被控量按照要求的程序变化。v即控制输入信号是事先确定的程序信号，控制的目的是使被即控制输入信

30、号是事先确定的程序信号，控制的目的是使被控对象的被控量按照要求的程序动作。控对象的被控量按照要求的程序动作。v如数控车床就属此类系统。如数控车床就属此类系统。 1.4.3 按照是否与时间相关进行划分按照是否与时间相关进行划分（1）定常系统）定常系统v描述系统特性的微分方程中各项系数都是与时间无关的常数；描述系统特性的微分方程中各项系数都是与时间无关的常数；v该类系统只要输入信号的形式不变，在不同时间输入下的输出该类系统只要输入信号的形式不变，在不同时间输入下的输出响应形式是相同的。响应形式是相同的。 （2）时变系统）时变系统v描述系统特性的微分方程中至少有一项系数是时间的函数。描述系统特性的微

31、分方程中至少有一项系数是时间的函数。1.4.4 按照信号是否为脉冲形式进行划分按照信号是否为脉冲形式进行划分（1）连续系统）连续系统v系统中传递的信号都是时间的连续函数；系统中传递的信号都是时间的连续函数；v信号的大小均是可任意取值的信号的大小均是可任意取值的模拟量模拟量。（2）离散系统）离散系统v系统中传递的信号有一处或几处是脉冲序列或数字序列；系统中传递的信号有一处或几处是脉冲序列或数字序列；v若系统中采用了采样开关，将连续信号转变为离散的脉冲形式若系统中采用了采样开关，将连续信号转变为离散的脉冲形式的信号，此类系统称为的信号，此类系统称为采样控制系统采样控制系统或或脉冲控制系统脉冲控制系

32、统；v若采用数字计算机或数字控制器，其离散信号是以数码形式传若采用数字计算机或数字控制器，其离散信号是以数码形式传递的，此类系统称为递的，此类系统称为数字控制系统数字控制系统。1.4.5 按照输入输出量的数量进行划分按照输入输出量的数量进行划分（1）单输入单输出系统）单输入单输出系统v系统的输入量和输出量各为一个；系统的输入量和输出量各为一个；（2）多输入多输出系统）多输入多输出系统v系统的输入量和输出量多于一个；系统的输入量和输出量多于一个；v对于线性多输入多输出系统，系统的任何一个输出等于数个对于线性多输入多输出系统，系统的任何一个输出等于数个输入单独作用下输出的输入单独作用下输出的叠加叠

33、加。 线性系统线性系统v组成系统元器件的特性均为线性的，可用一个或一组组成系统元器件的特性均为线性的，可用一个或一组线性微线性微分方程来描述系统输入和输出之间关系分方程来描述系统输入和输出之间关系。v线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。 非线性系统非线性系统v在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性微分方程描述在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系，则称为非线性系统。其输入和输出关系，则称为非线性系统。v非线性系统还没有一种完整、成熟、统一的分析法。通常对非线性系统还没有一种完整、成熟、统一的分析法。通常对于非线性程度不

34、很严重，或做近似分析时，均可用线性系统于非线性程度不很严重，或做近似分析时，均可用线性系统理论和方法来处理。理论和方法来处理。1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 自动控制系统是否能很好地工作，是否能精确地保持被控量按照自动控制系统是否能很好地工作，是否能精确地保持被控量按照预定的要求规律变化，这取决于预定的要求规律变化，这取决于被控对象和控制器及各功能元器被控对象和控制器及各功能元器件的特性参数件的特性参数是否设计得当。是否设计得当。 在理想情况下，控制系统的输出量和输入量，在任何时候均相等，在理想情况下，控制系统的输出量和输入量，在任何时候均相等，系统完全无误差，且不受

35、干扰的影响。实际系统中，由于各种各系统完全无误差，且不受干扰的影响。实际系统中，由于各种各样原因，系统在受到输入信号样原因，系统在受到输入信号(也包括扰动信号也包括扰动信号)的激励时，被控的激励时，被控量将偏离输入信号作用前的初始值，经历一段量将偏离输入信号作用前的初始值，经历一段动态过程动态过程(过渡过过渡过程程)，则系统控制性能的优劣，可以从动态过程中较充分地表现出，则系统控制性能的优劣，可以从动态过程中较充分地表现出来。来。12s +2s+122outStep1Scope单位阶跃响应仿真MATLAB模型 仿真输出0 1234500.20.40.60.811.21.41+1- t ts s

36、 t tp p t tr r 控制精度控制精度是衡量系统技术性能的重要尺度。是衡量系统技术性能的重要尺度。一个高品质的系统，在整个运行过程中，被控量对给一个高品质的系统，在整个运行过程中，被控量对给定值的偏差应该是最小的。定值的偏差应该是最小的。考虑动态过程在不同阶段中的特点，工程上通常从考虑动态过程在不同阶段中的特点，工程上通常从稳稳、准准、快快三个方面来衡量自动控制系统。三个方面来衡量自动控制系统。v若系统有扰动或给定输入量发生变化，系统的输出量产生的过渡过程随若系统有扰动或给定输入量发生变化，系统的输出量产生的过渡过程随时间增长而衰减，回到或接近原来的稳定值；时间增长而衰减，回到或接近原

37、来的稳定值；v能跟随变化了的输入信号，则称系统稳定；能跟随变化了的输入信号，则称系统稳定；v稳定性是系统的固有特性，通常由系统的结构、参数决定，与外部输入稳定性是系统的固有特性，通常由系统的结构、参数决定，与外部输入信号无关。信号无关。v稳定工作是所有自动控制系统的最基本要求，是系统能否工作的前题。稳定工作是所有自动控制系统的最基本要求，是系统能否工作的前题。不稳定的系统根本无法完成控制任务。不稳定的系统根本无法完成控制任务。v考虑到实际系统工作环境或参数的变动，可能导致系统不稳定，因此，考虑到实际系统工作环境或参数的变动，可能导致系统不稳定，因此，我们除要求系统稳定外，还要求其具有一定的我们

38、除要求系统稳定外，还要求其具有一定的稳定裕量稳定裕量。1、稳定性（稳）、稳定性（稳）2、准确性（准）、准确性（准）v稳态误差是衡量控制系统精度的重要指标。稳态误差是衡量控制系统精度的重要指标。v在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差称为给定参考输入所要求的期望输出之差称为给定稳态误差稳态误差。v这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。v准确性与控制系统的结构、参数及输入信号形式有关。准确性与控制系统的结构、参数及输入信号形式有关。3、 快速性（快）快速性（快）v系统从一个稳定状态过渡到另外一个新的稳定状态，都需要系统从一个稳定状态过渡到另外一个新的稳定状态，都需要经历一个过渡过程，快速性对过渡过程的形式和快慢提出要经历一个过渡过程，快速性对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为求，一般称为动态性能动态性能。v动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作用下随时间变动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作用下随