1 控制系统导论

烟台大学光电信息学院

2010-20111胡寿松.自动控制原理简明教程.科学出版社教材2参考书3参考书戴忠达.自动控制理论基础.清华大学出版社文锋.自动控制理论.中国电力出版社刘坤.MATLAB自动控制原理习题精解.国防工业出版社。GeneF.FranklinJ.DavidPowellAbbas

Emami-Naeini

FeedbackControlofDynamicSystemsSixthEdition20094几点要求纪律：考勤；手机；课堂纪律；欢迎任何形式的意见和建议。作业：认真、独立完成；考核：考试成绩+平时成绩；5第一章控制系统导论

§1-1自动控制的基本原理§1-2自动控制系统示例§1-3自动控制系统的分类§1-4自控系统的基本要求§1-5本课程主要内容6§1-1自动控制的基本原理1.1.1自动控制技术及其应用1.自动控制:就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。如：数控车床、无人驾驶飞机、空调、全自动洗衣机等7(1)人工控制（水箱水位人工控制系统）

观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。8(2)自动控制（水箱水位自动控制系统）浮子：测量作用连杆：比较作用放大器伺服电动机调节作用减速器阀门：执行元件作用9当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。水位自动控制的目的：使偏差消除或减小，使实际水位达到要求的水位值。10空调、冰箱自动调节温度等数控车床按预定程序自动切削工作人造卫星准确进入预定轨道并回收无人驾驶飞机按照预定航线自动升降飞行工业、农业、交通、通信、生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中2.自动控制系统在生产生活中应用111.1.2自动控制理论1.自动控制理论：研究自动控制共同规律的技术学科。2.自动控制理论的发展：第一阶段：经典控制理论的产生、发展和成熟；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；12（1）经典控制理论控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。131868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据。1895年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论；1948年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。14经典控制理论的基本特征：主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；只用于单输入，单输出的控制系统；只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。15

反馈控制是一种最基本最重要的控制方式。引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。16（2）现代控制理论经典控制理论的局限性:由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。17

现代控制理论在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。1819目前发展：跨越学科界限，向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。智能控制理论被誉为最新一代的控制理论。智能控制代表性理论：模糊控制、神经网络控制、遗传算法、混沌控制、小波理论、拟人化智能控制、博奕论等。201.1.3自动控制系统1.自动控制系统：由被控对象和控制装置（控制器）按照一定方式连接起来、能完成一定自动控制任务的总体。 输出量：自动控制系统的被控制量 输入量：影响系统输出量的外界输入

21(1)电动机转速自动控制系统(开环)22输入量：给定电压Ua；输出量：电动机转速n被控对象：机械负载（转速）控制装置：电压比较器、电压功率放大器K23(2)电动机转速自动控制系统(闭环)242.反馈控制原理反馈：把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。反馈控制的原理：在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。251.1.4反馈控制系统的基本组成被控对象控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成)1.测量元件：测量被控制的物理量(一般为电量)；2.给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量；3.比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差；261.1.4反馈控制系统的基本组成

4.放大元件：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；5.执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。6.校正元件(补偿元件):它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。271.1.5基本控制方式1.反馈控制方式（偏差控制）1）若n↑→Ud↑（Ua不变）→

Ub↓→n↓2）若n↓→Ud↓（Ua不变）→

Ub↑→n↑输入信号：Ua；反馈信号Ud偏差量△U＝Ua－Ud28优点：提高系统的抗干扰性； 提高系统控制精度。反馈控制方式优缺点:缺点：系统有延时存在，系统得不到及时校正； 闭环系统可能产生振荡，甚至不稳定； 系统结构复杂，系统性能分析和设计较麻烦。292.开环控制方式输入信号：Ua控制量Ub＝K×Ua输出信号：n1）Ua↑→Ub↑→

n↑2）Ua↓

→

Ub↓→n↓定义：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。30开环控制方式优缺点优点：结构简单 调整方便 成本低缺点：顺向作用，没有修正偏差能力 抗干扰能力差313.复合控制方式(1)给定输入的复合控制：(2)扰动作用的复合控制：32§1-2自动控制系统示例1.2.1自动平衡式记录仪331.2.1自动平衡式记录仪开始时：Ui＝0，Uc＝0，Ua＝0，K1位于右端，K2位于左端若Ui↑

→

Uc↑

→

Ua↑

→

电动机正转→

K2右移→记录笔工作

（Uc＝Ui－Uf）

↓

K1左移→Uf↑

→

Uc＝0

→

Ua＝0

↓

Uf

不变←

K1停←电动机停转

↓

记录笔停

←

K2停341.2.2飞机俯仰角控制系统给定电位器反馈电位器351.2.2飞机俯仰角控制系统361.2.3电阻炉微型计算机温度控制系统37

开环系统1.3.1闭环系统(反馈控制) 复合控制§1-3自动控制系统的分类 恒值控制系统1.3.2 随动系统

程序控制系统381.恒值控制系统（调节系统）系统特点：系统输入量不变，但由于扰动的存在，是被控量偏离要求值，控制系统根据偏差产生控制作用，并以一定的准确度保持在要求值附近。主要任务：尽量排除扰动的影响例：电动机转速调节系统392.随动系统（伺服系统）火炮跟踪系统40系统特点：给定值是预先未知的、随时间任意变换的函数；要求系统的被控量以尽可能小的误差跟随给定值。主要任务：使输出跟随输入的变化。例：火炮跟踪系统。41

连续系统：组成系统各环节的输入、 输出信号均是连续时间 信号的系统。

离散系统：

控制系统中信号是离散 时间信号的系统。

采样离散控制系统：控制系统既有连 续时间信号又有离散时 间信号的系统。（工业 计算机控制系统）1.3.3连续系统与离散系统42 单输入单输出系统SISO ——经典控制理论范畴

多输入多输出系统MIMO ——现代控制理论范畴1.3.4

SISO系统与MIMO系统43

在线性控制系统中,组成控制系统的元件都具有线性特性。这种系统的输入/输出关系一般可以用微分方程、差分方程或传递函数等来描述,也可以用状态空间表达式来表示。线性系统的主要特点是具有齐次性和适用叠加原理。1.3.5

线性系统与非线性系统44如果线性系统中的参数不随时间变化,则称为线性定常系统;否则称为线性时变系统。本书主要讨论线性定常系统。在控制系统中，若至少有一个元件具有非线性特性，则称该系统为非线性控制系统。非线性系统一般不具有齐次性，也不适用叠加原理，而且它的输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有很大关系。45

确定系统：系统结构、参数、输入 信号均是确定的，则输出也 是确定的。

不确定系统：系统结构、参数或输 入信号是不确定。1.3.6

确定系统与不确定系统461.4.1自动控制系统的基本要求§1-4自控系统的基本要求1.稳定性 ——稳

稳定性是保证控制系统能否应用于实际的先决条件。自动控制理论应给出系统稳定性判断的方法，阐述系统稳定性与系统结构及参数间的关系。47

2.快速性 ——快控制系统对其过渡过程的形式和快慢提出要求——动态性能（稳态、暂态）动态过程的优劣对随动控制系统和恒值控制系统都具有非常重要的意义。

3.准确性 ——准准确性表征系统实际稳态值与期望值间的差值——稳态误差稳态误差是表征系统控制精度的性能指标。481.4.2典型外作用1.单位阶跃函数492.斜坡函数斜坡函数与阶跃函数互为微分和积分的关系503.抛物线函数抛物线函数与斜坡函数互为微分和积分的关系51脉冲函数与阶跃函数互为微分和积分的关系4.脉冲函数525.正弦函数角频率：ω(rad/s)周期：T＝1/ω(s)振幅：A初始相位：j531.5.1主要内容

稳定性自控系统的分析 快速性 准确性控制系统设计与综合

当控制系统的主要元器件和结构形式确定以后，为满足动态性能指标和稳态性能指标的要求，需要改变系统的某些参数或附加某种装置，称为控制系统的校正；改变系统参数或附加校正装置的过程称为系统的综合。§1-5本课程主要内容541.5.2主要分析方法

自动控制理论在阐述自动控制与自动控制系统相关基本概念的基础上，从控制系统的数学模型入手，分别介绍时域分析法、根轨迹分析法、和频率特性分析法。上述三种分析方法虽然不同，但都围绕着系统稳定性、稳态特性和动态特性的分析这条主线来进行的，各种分析方法之间具有内在的联系。系统校正与综合的讨论，这是比系统分析更深层次的内容。针对线性离散控制系统的基本分析方法。非线性系统的描述函数法和相平面分析法。55REVIEWQUESTIONSWhatisthemaincomponentsofafeedbackcontrolsystem?Whatisth