《控制工程基础》-第1章控制工程的基本概念

1.1系统与控制系统1.1.1系统的概念系统是由若干相互作用和相互依存的事物组合而成的、具有特定功能的整体。在工程领域，系统可以是电的、机械的、液压的、气动的、热力学的、生物医学的，或者这些系统的某种组合。在实际工程中，系统一般可以定义为：任何一组存在某种因果关系的物理元件。系统不可能独立存在，系统与外界环境总是相互作用的。外界环境施加于系统的作用称为系统的输入或激励、原因，而将要求系统完成的功能称为系统的输出响应、效果。通常，输入和输出都是物理变量，例如，温度、压力、液位、电压、位移、速度等。下一页返回1.1系统与控制系统1.1.2系统组成三要素：物质、能量和信息从信息论的观点出发，任何系统的组成都包括物质、能量、信息三个要素。物质构成系统的形体，系统的运动离不开能量，而信息则是系统的灵魂，因为信息反映了系统运动的状态和特征。所谓信息是宇宙物质和运动，包括人脑的思维运动的不均匀性的度量。信息是客观事物存在或运动状态的特征；信息既不是物质也不是能量，信息就是信息。信息寓于信号之中，或者说，信号是传输信息的载体，信息是传输的内容。信号是含有能量的物质，具有可观测性，工程领域中使用的物理变量就是信号，信号常用数学函数来描述。下一页上一页返回1.1系统与控制系统1.1.3控制和控制系统控制就是按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的方法学。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量、输出信号）自动地按照预定的规律运行。如图1-1所示，控制系统一般由三个部分组成：控制目标、控制系统和控制结果。控制目标也就是系统的输入信号xi(t)，控制结果也就是系统的输出信号xo(t)。能使系统的输出信号准确复现、跟踪输入信号，实现某种控制目的的系统，就是控制系统。下一页上一页返回1.2控制系统的基本概念1.2.1控制系统的工作原理以恒温控制系统为例，分析其控制过程。实现恒温控制有人工控制和自动控制两种方法。图1-2为人工恒温控制系统的简图。控制的目的是克服电源电压波动、恒温箱箱门的开闭、环境温度的变化等干扰，保持恒温箱内的温度恒定在某个给定的期望值上。操作者可通过调整调压器，改变加在加热电阻丝上的电压，从而改变流过加热电阻丝的电流来达到这个控制目的。箱内的实际温度用温度计测量。下一页上一页返回1.2控制系统的基本概念人工控制的过程是：（1）观测由检测元件（温度计）测出的恒温箱内的实际温度（被控制量、输出信号）。（2）将测出的恒温箱内的实际温度与要求的温度值（给定输入量）进行比较，得出偏差的大小和方向。（3）根据偏差的大小和方向进行再调节。当恒温箱内的温度高于所要求的给定温度值时，调整调压器使流过加热电阻丝的电流减小，温度就会降低；若温度低于给定的值，则调整调压器，使电流增加，温度回升到正常范围。下一页上一页返回1.2控制系统的基本概念

从上述调节过程可以看出，人工控制的过程就是测量、求偏差、再控制，以纠正偏差的过程。简单地说，就是“检测偏差用以纠正偏差”的控制过程。在这里，偏差是关键。人工恒温控制系统的控制过程可以用系统的职能框图清晰而形象地表示，如图1-3所示。图中，箭头表示信号传递、变换、作用的方向，每个职能框代表一个环节，各环节的作用是单向的，其输出受输入控制。系统的职能框图描述了系统的组成，信号在系统中传递、变换的过程，也描述了系统的工作原理。

图1-4为恒温箱的自动恒温控制系统示意图。下一页上一页返回1.2控制系统的基本概念综上所述，可以归纳控制系统的工作原理如下：（1）通过测量元件检测输出信号的实际值；（2）将实际值与给定值（输入信号）进行比较得出偏差信号；（3）利用偏差信号产生的控制调节作用去消除偏差。

图1-5所示为恒温自动控制系统的职能框图。从图中信号变换、传递的过程，可以清楚地理解反馈控制的基本原理。下一页上一页返回1.2控制系统的基本概念

各种不同的控制系统实现自动控制的装置可以不相同，但反馈控制的原理却是相同的。信号、反馈和控制是控制工程的三个要素，反馈是实现自动控制最基本的方法。必须指出，理解控制系统的工作原理，首先必须明确如下四个问题：（1）控制的目的是什么？（2）受控对象是什么？（3）输出信号（被控量）是什么？（4）输出信号如何检测？下一页上一页返回1.2控制系统的基本概念1.2.2控制过程的物理本质在机器系统、生命系统甚至社会与经济系统中，都存在一个共同的本质是通过信息的传递、变换、处理与交换（反馈）来进行控制的。那么控制系物理本质来看，任何控制系统的控制过程都是一种信息处理使能量（或物质定规律转移、传递的过程。因此，提高信息处理能力和速度，以最短的时间代价（能量消耗最少），实现系统按预定规律进行能量（或物质、或信息）转统设计所要解决的中心问题，换言之，最优控制始终是控制的核心问题。下一页上一页返回1.2控制系统的基本概念1.2.3开环控制、闭环控制和复合控制在工程中，控制方式也称控制策略，有开环控制、闭环控制和复合控制三种。1.开环控制如果系统只是根据输入信号和干扰信号进行控制，而输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出信号在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响，这样的控制方式称为开环控制。图1-8所示的数控机床进给系统，由于没有反馈通道，所以是一个开环控制系统。系统的输出信号仅受输入信号的控制。下一页上一页返回1.2控制系统的基本概念2.闭环控制如果系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生直接影响，这种系统称为闭环控制系统。这里，闭环的作用就是应用反馈来减少偏差。因此，反馈控制系统必定是闭环控制系统。例如，前述的恒温箱温度自动控制系统就是一个闭环控制系统。3.复合控制同时采用闭环控制和开环控制的控制方式称为复合控制。这种控制方式综合了开环与闭环控制的优点，常见的有两种方式：一种是干扰补偿复合控制，即开环补偿＋闭环控制，如图1-9所示；另一种是主令复合控制，即主令开环＋闭环控制，如图1-10所示。复合控制适用于要求较高的控制系统，可以较好地解决系统稳定性与控制精度之间的矛盾，提供较优的控制质量。1.2控制系统的基本概念1.2.4闭环控制系统的组成

图1-11所示为一个较完整的闭环控制系统职能框图。由图可见，闭环控制系统一般应该包括给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件等。下一页上一页返回1.3控制系统的基本类型1.3.1按输入量的特征分类1.伺服系统伺服系统在工业部门又称随动系统。这种系统的输入信号的变化规律一般是不能预先确定的（也可以是事先已知的）。当输入信号发生变化时，则要求输出信号迅速而平稳地跟随着变化，且能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律（此即伺服的含义）。控制输入指令可以由操作者根据需要随时发出，也可以由目标物或相应的测量装置发出。机械加工中的仿形机床和武器装备中的火炮自动瞄准系统以及导弹目标自动跟踪（制导）系统等均属伺服系统。

图1-13所示为液压仿形刀架工作原理图。下一页上一页返回1.3控制系统的基本类型2.恒值控制系统这种控制系统的输入量是一个恒定值，一经给定，在运行过程中就不再改变（可在停止期校准或更改）；恒值控制系统的任务是保证在各种扰动作用下，系统的输出量为恒值。下一页上一页返回1.3控制系统的基本类型3.程序控制系统这种系统的输入量不为常值，但其变化规律是预先知道和确定的。可以预先将输入量的变化规律编成程序，由该程序发出控制指令，在输入装置中再将控制指令转换为控制信号，经过全系统的作用，使控制对象按指令的要求而运动。计算机绘图仪就是典型的程序控制系统。化学工业中，化工处理的过程常用程序控制系统。工业生产中的过程控制系统，按生产工艺的要求编制成特定的程序，由计算机来实现其控制。这就是近年来迅速发展起来的数字程序控制系统和计算机控制系统。微处理机控制将程序控制系统推向更普遍的应用领域。

图1-14表示一个用于机床切削加工的程序控制系统。下一页上一页返回1.3控制系统的基本类型1.3.2按系统中传递信号的性质分类1.连续控制系统系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统称为连续控制系统。连续控制系统又有线性系统和非线性系统之分。用线性微分方程描述的系统称为线性系统，不能用线性微分方程描述、存在着非线性部件的系统称为非线性系统。2.离散控制系统系统中某一处或数处的信号是脉冲序列或数字量传递的系统称为离散控制系统（也称数字控制系统）。在离散系统中，数字测量、放大、比较、给定等部件一般均由微处理机实现，计算机的输出经D／A转换加给伺服放大器，然后再去驱动执行元件；或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元件。下一页上一页返回1.3控制系统的基本类型1.3.3按系统的数学描述性质分类1.线性控制系统能用线性运动微分方程描述的系统，称为线性控制系统。线性系统的重要特性是满足叠加原理。叠加原理包含叠加性和齐次性（均匀性）。线性系统的叠加原理可用图1-15形象地描述。2.非线性系统不能用线性运动微分方程描述的系统，称为非线性控制系统。非线性系统的重要特点是含有（即使只有一个）非线性元件，它的输出—输入关系要用非线性微分方程描述，系统的分析需要应用非线性控制理论。下一页上一页返回1.4对控制系统的基本要求1.稳定性稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。2.精确性控制系统的精确性即控制精度，一般以稳态误差来衡量。3.快速性快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。4.健壮性健壮性（Robust，鲁棒性）是一个比较复杂的概念，简单地说，就是抗干扰的能力。系统在工作中会受到各种外部、内部因素的干扰，系统必须具有强的抵抗干扰的能力，才能保证自身正常、可靠地工作。1.5控制工程发展概况20世纪70年代至今，控制理论在与模糊数学、分形几何、混沌理论、灰色理论、人工智能、神经网络、遗传算法等学科的交叉、渗透和结合中不断发展，向着“大系统理论”和“智能控制理论”的方向发展。前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。“大系统理论”是用控制和信息的观点研究大系统的结构方案、总体设计中的分析方法和协调问题。“智能控制理论”是通过研究与模拟人类活动的机理，研究具有仿人智能的工程控制和信息处理问题。目前，智能控制理论已经初步形成了模糊控制、神经网络控制和专家系统等重要分支。纵观控制工程发展历程，它反映了人类社会由机械化步入电气化，继而走向自动化、信息化和智能化的时代特征。下一页上一页返回1.6控制工程的主要任务（1）系统分析：在控制系统的结构和参数已经确定的条件下，对系统的性能进行分析，并提出改善性能的途径。（2）系统综合：根据控制系统要实现的任务，给出