自动控制原理第一部分自动控制的一般概念

1、自动控制原理自动控制原理第一部分自动控第一部分自动控制的一般概念制的一般概念The basic conception of Automatic control经典控制理论经典控制理论 classical control theory现代控制理论现代控制理论 modern control theory被控对象被控对象 controlled objective反馈反馈 feedback控制理论控制理论 control theory控制器控制器 controller控制系统控制系统 control system 科技英语词汇科技英语词汇 自动控制理论是自动化学科的重要理论基础，自动控制理论是自动化学

2、科的重要理论基础，专门研究有关自动控制系统中的基本概念、基本专门研究有关自动控制系统中的基本概念、基本原理和基本方法。本部分介绍开环控制和闭环控原理和基本方法。本部分介绍开环控制和闭环控制的概念，控制系统的基本原理和组成，控制系制的概念，控制系统的基本原理和组成，控制系统的类型，以及对控制系统的基本要求等。统的类型，以及对控制系统的基本要求等。 内内 容容 提提 要要历史的回顾历史的回顾18世纪，世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。是自动控制领域的第一项重大成果。1884年，年，E. J. Routh提

3、出了有关线性系统稳定性的判据。提出了有关线性系统稳定性的判据。1932年，年，Nyquist研制出电子管振荡器，同时提出了著名的研制出电子管振荡器，同时提出了著名的Nyquist稳定性判据；此后稳定性判据；此后Bode总结出了负反馈放大器。总结出了负反馈放大器。1934年，年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。第二次世界大战期间，美国第二次世界大战期间，美国MIT伺服机构试验室对以往的伺服机构试验室对以往的自动调节器与反馈放大器作了总结，提出了

4、反馈控制的数自动调节器与反馈放大器作了总结，提出了反馈控制的数学基础。学基础。1948年，年，N. Wiener发表了著名的控制论，形成了完整发表了著名的控制论，形成了完整的经典控制理论。的经典控制理论。1950年，年，W. R. Evans提出了根轨迹法，能简便地寻找特征提出了根轨迹法，能简便地寻找特征方程的根，进一步充实了经典控制论。方程的根，进一步充实了经典控制论。1954年，钱学森发表了名著工程控制论，对推动我国年，钱学森发表了名著工程控制论，对推动我国控制理论的工程应用起了很大的作用。控制理论的工程应用起了很大的作用。 以上为经典控制部分以上为经典控制部分20世纪世纪60年代，数字计

5、算机技术的迅速发展为复杂系统的年代，数字计算机技术的迅速发展为复杂系统的基于时域分析的基于时域分析的现代控制理论现代控制理论提供了可能。提供了可能。从从1960年至今，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复年至今，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和智能控制技术，都得到充分的研究。杂系统的自适应和智能控制技术，都得到充分的研究。历史的回顾历史的回顾 在现代控制理论发展中，特别应该提到三位学者的重在现代控制理论发展中，特别应该提到三位学者的重大贡献：大贡献：1956年，前苏联科学家年，前苏联科学家Pontryagin 提出的极大值原理；提出的极大值原理；1957年，美国学者年，美国

6、学者Bellman提出动态规划；提出动态规划；1960年，美国的年，美国的Kalman提出了提出了Kalman滤波理论和状态滤波理论和状态空间分析方法；空间分析方法；他们的工作对现代控制他们的工作对现代控制理论的建立有着特别重要的作用。理论的建立有着特别重要的作用。古典控制理论古典控制理论 以传递函数为基础，主以传递函数为基础，主要研究单输入要研究单输入-单输出单输出的一类定常控制系统的的一类定常控制系统的分析与设计问题。这些分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，理论由于其发展较早，现已趋成熟。现已趋成熟。 现代控制理论现代控制理论 以状态空间法为基础，以状态空间法为基础，主要研究多输入主要

7、研究多输入-多输出、多输出、时变、非线性一类控制时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效系统具有高精度和高效能的特点。能的特点。控制理论的划分控制理论的划分 开环控制，闭环控制，控制装置，被控对象 ，稳定性，动态特性，典型外作用函数。 知 识 要 点v 1.1 自动控制的基本原理与方式v 1.2 自动控制系统示例v 1.3 自动控制系统的分类 v 1.4 自动控制系统性能的基本要求 v 1.5 自动控制课程的主要任务和学习方法 v小 结 本部分内容本部分内容1-11-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 1 自动控制技术及其应用自动控

8、制技术及其应用 自动控制（自动控制（Automatic control）是指在没有人直接是指在没有人直接参与的条件下，利用控制器参与的条件下，利用控制器(外加的设备或装置外加的设备或装置)使被控制对使被控制对象（如机器、设备和生产过程）的某个参数（或工作状态，象（如机器、设备和生产过程）的某个参数（或工作状态，即被控量）能自动按照预定的规律变化（或运行）。即被控量）能自动按照预定的规律变化（或运行）。例子例子 宇宙飞船的太阳能电池板宇宙飞船的太阳能电池板 化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定 金属切削机床的主轴速度金属切削机床的主轴速度自动控制的作用自动控制

9、的作用 提高劳动生产率，改善生活质量，探索未知世界提高劳动生产率，改善生活质量，探索未知世界 自动控制和人工控制的基本原理是相同的自动控制和人工控制的基本原理是相同的,它们都是建立它们都是建立在在“测量偏差测量偏差,修正偏差修正偏差”的基础上的基础上,并且为了测量偏差并且为了测量偏差,必须把必须把系统的实际输出反馈到输入端。自动控制和人工控制的区别系统的实际输出反馈到输入端。自动控制和人工控制的区别在于自动控制用控制器代替人完成控制。总之在于自动控制用控制器代替人完成控制。总之,所谓所谓自动控制自动控制就是在没有人直接参与的情况下就是在没有人直接参与的情况下,利用控制装置使被控对象中利用控制装

10、置使被控对象中某一物理量或数个物理量准确地按照预定的要求规律变化。某一物理量或数个物理量准确地按照预定的要求规律变化。2 自动控制理论自动控制理论 自动控制理论是研究自动控制共同规律的（技术）科学。自动控制理论是研究自动控制共同规律的（技术）科学。自动控制系统自动控制系统：为了实现各种复杂的控制任务，首：为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机整体，这就是自动控制系统。来，组成一个有机整体，这就是自动控制系统。3 反馈控制原理反馈控制原理(feedback control theory) 反馈控制原理

11、：在自动控制系统中，控制装置反馈控制原理：在自动控制系统中，控制装置(控控制器制器)对对被控对象被控对象施加的控制作用，是取自被控量施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。是反馈控制的原理。（人工）反馈控制的例子（人工）反馈控制的例子 水池液面控制系统人在参与控制中起了以下三方面的作用： 1) 测量实际液面高度h1用眼睛。 2) 将测得实际液面h1与希望液面的高度h0相比较用脑。 3) 根据比较的结果，即按照偏差的

12、正负去决定的动作用手。抽象成控制系统方块图液面（人工）反馈控制系统的框图 h0实际液面高度实际液面高度 h1 通常，把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产通常，把取出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，称为生偏差信号的过程，称为反馈反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为使产生的偏差越来越小，则称为负反馈负反馈；反之，则称为；反之，则称为正反馈正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为于引入

13、了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合闭合过程，因此过程，因此反馈控制也称反馈控制也称闭环控制闭环控制。 在工程实践中，为了实现上述对被控对象的反馈控制，系统在工程实践中，为了实现上述对被控对象的反馈控制，系统中必须配置具有人的眼睛、大脑和手臂功能的设备，以便用来对中必须配置具有人的眼睛、大脑和手臂功能的设备，以便用来对被控量进行连续地测量、反馈和比较，并按偏差进行控制。这些被控量进行连续地测量、反馈和比较，并按偏差进行控制。这些设备依其功能分别称为设备依其功能分别称为测量元件、比较元件和执行元件测量元件、比较元件和执行元件，并统称，并统称为为控制装置控制装置。液位液位(自动自动)反馈控制系

14、统反馈控制系统控制器控制器减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮浮子子用水开用水开关关Q2Q1h0ifSM 当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度面保持在希望高度h0上。一旦流入水量或流出水量发生变化，上。一旦流入水量或流出水量发生变化，水箱液面高度便相应变化。如当液面升高时，浮子位置亦相水箱液面高度便相应变化。如当液面升高时，浮子位置亦相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而应升高，通过杠杆作用使电位器

15、电刷从中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的流量减少。此时，水箱液面下降，阀门开度，使进入水箱的流量减少。此时，水箱液面下降，浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，系统重浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度。反之，若水箱液位下新处于平衡状态，液面恢复给定高度。反之，若水箱液位下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度到给定高度h0 。以液位以液位(自动自动)反馈

16、控制系统反馈控制系统(feedback control system)为例说明：为例说明：测量元件测量元件浮子和杠杆（物理量转换）。浮子和杠杆（物理量转换）。给定元件给定元件（实际上是）电位器中点（给出与期望的被控量相对（实际上是）电位器中点（给出与期望的被控量相对应的系统输入量）。应的系统输入量）。比较元件比较元件电位器电位器 （求浮子的希望位置与实位置之差）（求浮子的希望位置与实位置之差） 。放大元件放大元件放大器（当测量元件测得的信号与给定信号比较后得放大器（当测量元件测得的信号与给定信号比较后得到的误差信号不足以使执行元件动作时，一般都需要放大元件进到的误差信号不足以使执行元件动作时，

17、一般都需要放大元件进行电压和功率放大，来推动执行元件去控制被控对象）。行电压和功率放大，来推动执行元件去控制被控对象）。执行元件执行元件电机和阀电机和阀（直接驱动被控对象，以改变被控制量）。直接驱动被控对象，以改变被控制量）。校正元件校正元件（补偿元件）（补偿元件）为了改善控制系统的动、静态性能通常为了改善控制系统的动、静态性能通常还在系统中加上某种形式的校正装置。还在系统中加上某种形式的校正装置。 反馈控制系统是由各种结构不同的元部件组成的。从完成反馈控制系统是由各种结构不同的元部件组成的。从完成“自自动控制动控制”这一职能来看，一个系统必然包含这一职能来看，一个系统必然包含被控对象被控对象

18、和和控制装置控制装置两两大部分，而控制装置是由具有一定职能的各种大部分，而控制装置是由具有一定职能的各种基本元件基本元件组成的。组成的。4 . 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 典型反馈控制系统基本组成可用上面的方块图表示。图中，典型反馈控制系统基本组成可用上面的方块图表示。图中，用用“”代表比较元件，它将测量元件检测到的被控量与参据量代表比较元件，它将测量元件检测到的被控量与参据量进行比较，进行比较，“”号表示两者符号相反，即负反馈；号表示两者符号相反，即负反馈；“”号号（可省略（可省略）表示两者符号相同，即正反馈。信号从输入端沿箭头表示两者符号相同，即正反馈。信号从输入端沿箭头

19、方向到达输出端的传输通路称方向到达输出端的传输通路称前向通路前向通路；系统输出量经测量元件；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称反馈到输入端的传输通路称主反馈通路主反馈通路。前向通路与主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成共同构成主回路主回路。此外，还有。此外，还有局部反馈通路局部反馈通路以及由它构成的以及由它构成的内回内回路路。只包含一个主反馈通路的系统称。只包含一个主反馈通路的系统称单回路系统单回路系统；有两个或两个；有两个或两个以上反馈通路的系统称以上反馈通路的系统称多回路系统多回路系统。反馈控制系统基本组成 加到反馈控制系统上的外作用有两种类型，一种是有用加到反馈控制系统上的

20、外作用有两种类型，一种是有用输入输入，一种是一种是扰动扰动。有用输入决定系统被控量的变化规律；而扰动是系。有用输入决定系统被控量的变化规律；而扰动是系统不希望有的外作用，它破坏有用输入对系统的控制。在实际系统不希望有的外作用，它破坏有用输入对系统的控制。在实际系统中，扰动总是不可避免的。如电源电压的波动，环境温度、压统中，扰动总是不可避免的。如电源电压的波动，环境温度、压力以及负载的变化等。力以及负载的变化等。基本术语5. 控制系统的基本控制方式控制系统的基本控制方式 反馈控制（闭环控制）是自控系统最基本的控制方式，应用反馈控制（闭环控制）是自控系统最基本的控制方式，应用最广。除此之外，还有开

21、环控制方式和复合控制方式最广。除此之外，还有开环控制方式和复合控制方式. . 反馈反馈( (闭环闭环) ) 控制：指控制器与控制对象之间既有顺向作用又控制：指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。有反向联系的控制过程。反馈控制方式是按反馈控制方式是按偏差偏差进行控制的，其进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去产生一个相应的控制作用去减小或消除减小或消除这个偏差，使被控量与期这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。反馈控制系统，具有望值趋于一致。反馈控制系统，具有抑制内、

22、外扰动抑制内、外扰动对被控量产对被控量产生影响的能力，有生影响的能力，有较高的控制精度较高的控制精度。但这种系统使用元件较多，。但这种系统使用元件较多，结构复杂，系统的性能分析和设计也较麻烦。结构复杂，系统的性能分析和设计也较麻烦。 开环控制：指控制器与控制对象之间只有顺向作用而没有反开环控制：指控制器与控制对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。向联系的控制过程。特点是系统的输出量不会对系统的控制作特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。开环控制系统可以按用发生影响。开环控制系统可以按给定量控制方式给定量控制方式组成，也可组成，也可以按以按扰动控制方式扰动控制方式组成。组成。

23、按给定量控制的开环控制系统，其控制作用直接由系统的输入量产生，按给定量控制的开环控制系统，其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量，就有一个输出量与之相对应，控制精度完全取决于所用给定一个输入量，就有一个输出量与之相对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度。没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。但其结的元件及校准的精度。没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。但其结构简单、成本低，适用于在精度要求不高或扰动影响较小的场合。构简单、成本低，适用于在精度要求不高或扰动影响较小的场合。 按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的

24、扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响，这种控制方式也称用，以减小或抵消扰动对输出量的影响，这种控制方式也称顺馈控制顺馈控制。 例如在一般的直流速度控制系统中，转速常常随负载的增例如在一般的直流速度控制系统中，转速常常随负载的增加而下降，且其转速的下降是由于电枢回路的电压降引起的。加而下降，且其转速的下降是由于电枢回路的电压降引起的。如果设法将负载引起的电流变化测量出来，并按其大小产生一如果设法将负载引起的电流变化测量出来，并按其大小产生一个附加的控制作用，用以补偿由它引起的转速下降，这样就可个附加的控制作用，用以补偿由它引起的转速下降，这样就可以构成按扰动控制的开环控制系统

25、，如下图所示。可见，这种以构成按扰动控制的开环控制系统，如下图所示。可见，这种按扰动控制的开环控制方式是按扰动控制的开环控制方式是直接从扰动取得信息直接从扰动取得信息，并据以改，并据以改变被控量，因此，其抗扰动性好，控制精度也较高，但它变被控量，因此，其抗扰动性好，控制精度也较高，但它只适只适用于扰动是可测量的场合用于扰动是可测量的场合。 复合控制：复合控制：综上，较合理的一种控制方式是把按偏差控制综上，较合理的一种控制方式是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控实

26、现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。这样，系统的主要扰动已制，以消除其余扰动产生的偏差。这样，系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就比较容易设计，控制效果也会更好。被补偿，反馈控制系统就比较容易设计，控制效果也会更好。这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控复合控制方式制方式。下图表示一种同时按偏差和扰动控制电动机速度的。下图表示一种同时按偏差和扰动控制电动机速度的复合控制系统原理线路图和方块图。复合控制系统原理线路图和方块图。1.2 1.2 自动控制系统实例自动控制系统实例 1. 飞机飞机-

27、 -自动驾驶仪系统自动驾驶仪系统 飞机自动驾驶仪是一种能保飞机自动驾驶仪是一种能保持或改变飞机飞行状态的自动持或改变飞机飞行状态的自动装置。它可以稳定飞行的姿态、装置。它可以稳定飞行的姿态、高度和航迹；可以操纵飞机爬高度和航迹；可以操纵飞机爬高、下滑和转弯。飞机与自动高、下滑和转弯。飞机与自动驾驶仪组成的自动控制系统称驾驶仪组成的自动控制系统称为飞机为飞机-自动驾驶仪系统。自动驾驶仪系统。 系统稳定俯仰角的原理示意图。图中，垂直陀螺仪为测量元件用以系统稳定俯仰角的原理示意图。图中，垂直陀螺仪为测量元件用以测量飞机的俯仰角，当飞机以给定俯仰角水平飞行时，陀螺仪电位器无测量飞机的俯仰角，当飞机以给

28、定俯仰角水平飞行时，陀螺仪电位器无电压输出；如果飞机受到扰动，使俯仰角向下偏离期望值，陀螺仪电位电压输出；如果飞机受到扰动，使俯仰角向下偏离期望值，陀螺仪电位器输出与俯仰角偏差成正比的信号，经放大器放大后驱动舵机，一方面器输出与俯仰角偏差成正比的信号，经放大器放大后驱动舵机，一方面推动升降舵面向上偏转，产生使飞机抬头的转矩，以减小俯仰角偏差；推动升降舵面向上偏转，产生使飞机抬头的转矩，以减小俯仰角偏差；同时还带动反馈电位器滑臂，输出与舵偏角成正比的电压并反馈到输入同时还带动反馈电位器滑臂，输出与舵偏角成正比的电压并反馈到输入端。随着俯仰角偏差的减小，陀螺仪电位器输出信号越来越小，舵偏角端。随着

29、俯仰角偏差的减小，陀螺仪电位器输出信号越来越小，舵偏角也随之减小，直到俯仰角回到期望值。也随之减小，直到俯仰角回到期望值。 上图是飞机上图是飞机- -自动驾驶仪系统稳定俯仰角的系统方块图，图中，自动驾驶仪系统稳定俯仰角的系统方块图，图中，飞机是被控对象，俯仰角是被控量，放大器、舵机、垂直陀螺仪、反飞机是被控对象，俯仰角是被控量，放大器、舵机、垂直陀螺仪、反馈电位器等是控制装置，即自动驾驶仪。参据量是给定的常值俯仰角，馈电位器等是控制装置，即自动驾驶仪。参据量是给定的常值俯仰角，控制系统的任务就是在任何扰动（如阵风或气流冲击）作用下，始终控制系统的任务就是在任何扰动（如阵风或气流冲击）作用下，始

30、终保持飞机以给定俯仰角飞行。保持飞机以给定俯仰角飞行。2. 电阻炉微型计算机温度控制系统电阻炉微型计算机温度控制系统 图为某工厂电阻炉微型计算机温度控制系统原理示意图。图中，电图为某工厂电阻炉微型计算机温度控制系统原理示意图。图中，电阻丝通过晶闸管主电路加热，炉温期望值用计算机键盘预先设置阻丝通过晶闸管主电路加热，炉温期望值用计算机键盘预先设置(不一不一定是常值定是常值)，炉温实际值由热电偶检测，并转换成电压，经放大、滤波，炉温实际值由热电偶检测，并转换成电压，经放大、滤波后，由后，由 AD变换器将模拟量变换为数字量送入计算机，在计算机中与变换器将模拟量变换为数字量送入计算机，在计算机中与所设

31、置的温度期望值比较后产生偏差信号，计算机便根据预定的控制算所设置的温度期望值比较后产生偏差信号，计算机便根据预定的控制算法（即控制规律）计算出相应的控制量，再经法（即控制规律）计算出相应的控制量，再经DA变换器变换成电流，变换器变换成电流，通过触发器控制晶闸管导通角，从而改变电阻丝中电流大小，达到控制通过触发器控制晶闸管导通角，从而改变电阻丝中电流大小，达到控制炉温的目的。炉温的目的。按控制方式可分为：开环控制、反馈控制、复合控制等按控制方式可分为：开环控制、反馈控制、复合控制等按元件类型可分为：机械系统、电气系统、机电系统、液按元件类型可分为：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统

32、、生物系统等压系统、气动系统、生物系统等按系统功用可分为：温度控制系统、压力控制系统、位置按系统功用可分为：温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等控制系统等按系统性能分类：按系统性能分类：1 1）线性自动控制系统：）线性自动控制系统：线性定常线性定常自动自动控制系统；线性时变自动控制系统；控制系统；线性时变自动控制系统；2 2）非线性自动控制）非线性自动控制系统系统按系统中传递信号的性质分类：按系统中传递信号的性质分类：1 1）连续系统；）连续系统；2 2）采样系）采样系统（离散信号）统（离散信号）按控制信号变化规律分类：按控制信号变化规律分类：1 1）镇定系统（恒值控制系统）镇定系统（恒

33、值控制系统或调节器）；或调节器）； 2 2）程序控制系统）程序控制系统；3 3）随动系统）随动系统这类系统可以用线性微分方程式描述这类系统可以用线性微分方程式描述, ,其一般形式为其一般形式为)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn式中式中,c(t)是被控量是被控量,r(t)是输入量是输入量.系数系数a0,a1,an；b0,b1,bm是是常数时常数时,称为称为定常系统定常系统;系数系数a0,a1,an；b0,b1,bm随时间变化随时间变化时时,称为称为时变系统时变系统.线性定

34、常连续系统线性定常连续系统按其输入量的变化规律不按其输入量的变化规律不同又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统同又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统.1. 1. 线性连续控制系统线性连续控制系统 随动系统随动系统 输入信号是时间的任意函数，其变化规律事先不知道。系输入信号是时间的任意函数，其变化规律事先不知道。系统要求输出量以尽可能小的误差跟随输入信号的变化。系统分统要求输出量以尽可能小的误差跟随输入信号的变化。系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性快速性和准确性。程序控制系统程序控制系统 这类控制系统的输入信号是按预定规律随时间变化

35、的函数这类控制系统的输入信号是按预定规律随时间变化的函数, ,要求被控量迅速、准确地加以要求被控量迅速、准确地加以复现复现. .机械加工使用的数字程序控机械加工使用的数字程序控制机床便是一例制机床便是一例. . 恒值控制系统恒值控制系统 输入信号是恒定常值，被控量也是一个与之对应的常值，输入信号是恒定常值，被控量也是一个与之对应的常值，当外界有扰动时，系统要求被控量保持为一个恒定的希望值。当外界有扰动时，系统要求被控量保持为一个恒定的希望值。如电压控制系统。对系统的要求是如电压控制系统。对系统的要求是稳定性和稳态误差稳定性和稳态误差。 程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不同之处在于前

36、程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不同之处在于前者是者是已知已知的时间函数，后者则是的时间函数，后者则是未知未知的任意时间函数，而恒值控制系统的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的也可视为程序控制系统的特例特例。2. 线性定常离散系统线性定常离散系统 离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式, ,因而信号在时间上是离散的因而信号在时间上是离散的. .连续信号经采样转换成离散信号。连续信号经采样转换成离散信号。 一般一般, ,在离散系统中既有连续的模拟信号在离散系统中既有连续的模拟信号, ,也有离散的数也有离

37、散的数字信号字信号. .因此因此, ,离散系统要用差分方程来描述离散系统要用差分方程来描述. .线性差分方程的线性差分方程的一般形式为一般形式为)() 1() 1()()() 1() 1()(110110krbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn式中式中, mn, n为差分方程的次数为差分方程的次数,a0,a1,an；b0,b1,bm为常系为常系数数,r(k),c(k)分别为输入和输出采样序列分别为输入和输出采样序列. 工业计算机控制系统就是典型的离散系统，如前述的炉工业计算机控制系统就是典型的离散系统，如前述的炉温微机控制系统等。温微机控制系统等。3.非线性控制系统非线

38、性控制系统 系统中只要有一个元部件的输入系统中只要有一个元部件的输入- -输出特性是非线性的输出特性是非线性的, ,这类系统就称为非线性系统这类系统就称为非线性系统. .这时这时, ,要用非线性微分要用非线性微分( (或差分或差分) )方程来描述其特性方程来描述其特性. . 非线性方程的特点是非线性方程的特点是系数与变量有关系数与变量有关, ,或者或者方程中含有变方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项量及其导数的高次幂或乘积项, ,例如例如)()()()()(2trtytytyty 严格地说严格地说, ,实际的控制系统都是非线性系统实际的控制系统都是非线性系统. .但对于非线性程但对于非线性程

39、度不太严重的元部件度不太严重的元部件, ,可采用在一定范围内线性化的方法可采用在一定范围内线性化的方法, ,从而将从而将非线性系统近似为线性控制系统非线性系统近似为线性控制系统. . 由于非线性方程在数学处理上较困难由于非线性方程在数学处理上较困难, ,目前对不同类型的目前对不同类型的非线性系统的研究还没有统一的方法非线性系统的研究还没有统一的方法. . 尽管自控系统有不同的类型尽管自控系统有不同的类型, ,对每个系统也都有不同的特对每个系统也都有不同的特殊要求殊要求, ,但在已知系统的结构和参数时但在已知系统的结构和参数时, ,我们感兴趣的都是系统我们感兴趣的都是系统在某种典型输入信号下在某

40、种典型输入信号下, ,其被控量变化的全过程其被控量变化的全过程, ,且对全过程提且对全过程提出的共同基本要求都是一样的，即出的共同基本要求都是一样的，即稳稳定性、定性、快快速性和速性和准准确性。确性。 稳定性稳定性 稳定性是保证控制系统正常工作的稳定性是保证控制系统正常工作的先决先决条件条件. .一个稳定的一个稳定的控制系统控制系统, ,其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零渐减小或趋于零. . 不稳定系统输出量的过渡过程随时间而增长不稳定系统输出量的过渡过程随时间而增长或表现为持续震荡，无法完成预定的控制任务。或表现为持续震荡，

41、无法完成预定的控制任务。 线性自动控制系统的稳定性是由系统的结构所决定线性自动控制系统的稳定性是由系统的结构所决定, ,与外与外界因素无关界因素无关. .1 基本要求的提法基本要求的提法 快速性快速性 控制系统不仅要稳定控制系统不仅要稳定, ,还必须对其过渡过程的形式和快慢还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求提出要求, ,一般称为一般称为动态性能动态性能, ,其中包括过渡过程时间其中包括过渡过程时间( (即快速即快速性性) )和最大振荡幅度和最大振荡幅度( (即超调量即超调量). ). 如对于稳定的高射炮射角随如对于稳定的高射炮射角随动系统，虽炮身最终能跟踪目标，但若目标变动迅速，而炮动系统

42、，虽炮身最终能跟踪目标，但若目标变动迅速，而炮身跟踪目标所需过渡过程时间过长，就不可能击中目标。身跟踪目标所需过渡过程时间过长，就不可能击中目标。 准确性准确性 理想情况下理想情况下, ,当过渡过程结束后当过渡过程结束后, ,被控量达到的稳态值被控量达到的稳态值( (即即平衡状态平衡状态) )应与期望值一致应与期望值一致. .但实际上但实际上, ,由于系统结构、外作用由于系统结构、外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响, ,被控量的稳态值与被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在期望值之间会有误差存在, ,称为称为稳态误差稳态误差. .它是衡量控制系统它是

43、衡量控制系统控控制精度制精度的重要标志的重要标志, ,在技术指标中一般都有具体要求在技术指标中一般都有具体要求. .2 典型外作用典型外作用 在工程实践中，自动控制系统承受的外作用形式多种多样，对不在工程实践中，自动控制系统承受的外作用形式多种多样，对不同形式的外作用，系统被控量的变化情况（即响应）各不相同，为了同形式的外作用，系统被控量的变化情况（即响应）各不相同，为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选用几种确定性便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选用几种确定性函数作为函数作为典型外作用典型外作用。阶跃、斜坡、脉冲、正弦函数。阶跃、斜坡、脉冲、正弦函数(1) 阶跃函

44、数阶跃函数 阶跃函数的数学表达式为阶跃函数的数学表达式为000)(tRttf 表示一个在表示一个在t=0时出现的幅值为时出现的幅值为R的阶跃变化函数。在实际系统的阶跃变化函数。在实际系统中，这意味着中，这意味着t=0时突然加到系统上的一个幅值不变的外作用。幅值时突然加到系统上的一个幅值不变的外作用。幅值R1的阶跃函数，称的阶跃函数，称单位阶跃函数单位阶跃函数，用，用1(t)表示，幅值为表示，幅值为R的阶跃函的阶跃函数便可表示为数便可表示为f(t)R 1(t) 。在任意时刻。在任意时刻t0出现的阶跃函数可表示为出现的阶跃函数可表示为f(t- t0)R 1(t- t0) 。 阶跃函数是自动控制系统

45、在实际工作条件下经常遇到的一种外阶跃函数是自动控制系统在实际工作条件下经常遇到的一种外作用形式。如电源电压突然跳动等。在控制系统的分析设计工作中，作用形式。如电源电压突然跳动等。在控制系统的分析设计工作中，一般将阶跃函数作用下系统的响应特性作为评价系统动态性能指标的一般将阶跃函数作用下系统的响应特性作为评价系统动态性能指标的依据。依据。(2) 斜坡函数斜坡函数 斜坡函数的数学表达式为斜坡函数的数学表达式为000)(tRtttf 上式表示在上式表示在t=0时刻开始，以恒定速率时刻开始，以恒定速率R 随时间而变化的函数。随时间而变化的函数。在工程实践中，某些随动系统就常常工作于这种外作用下，例如在

46、工程实践中，某些随动系统就常常工作于这种外作用下，例如雷达雷达-高射炮防空系统，当雷达跟踪的目标以恒定速率飞行时，便高射炮防空系统，当雷达跟踪的目标以恒定速率飞行时，便可视为该系统工作于斜坡函数作用之下。可视为该系统工作于斜坡函数作用之下。(3) 脉冲函数脉冲函数 定义为定义为 脉冲函数在现实中是不存在的，只有数学上的定义，但它脉冲函数在现实中是不存在的，只有数学上的定义，但它却是一个重要而有效的数学工具。例如，一个任意形式的外作用，却是一个重要而有效的数学工具。例如，一个任意形式的外作用，可以分解成不同时刻的一系列脉冲函数之和，这样，通过研究控可以分解成不同时刻的一系列脉冲函数之和，这样，通过研究控制系统在脉冲函数作用下的响应特性，便可以了解在任意形式外制系统在脉冲函数作用下的响应特性，便可以了解在任意形式外作用下的响应特性。作用下的响应特性。(4) 正弦函数正弦函数 数学表达式为数学表达式为f(t) 正弦函数是控制系统常用的一正弦函数是控制系统常用的一种典型外作用，很多实际随动系统种典型外作用，很多实际随动系统就是常在这种正弦函数外作用下工就是常在这种正弦函数外作用下工作的。例如，舰船的消摆系统、稳作的。例如，舰船的消