1、控制理論：自動化學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)自動控制技術(shù)應(yīng)用自動控制技術(shù)應(yīng)用自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 自動控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計。 自動控制原理是本學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是自動控制理論的基礎(chǔ)課程，該課程與其它課程的關(guān)系如下。微積分（含微分方程微積分（含微分方程）電機與拖動電機與拖動模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)線性代數(shù)電路理論電路理論信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)自動控制理論自動控制理論復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)） 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)寬而深數(shù)學(xué)基礎(chǔ)寬而深 控制原理

2、抽象控制原理抽象 計算復(fù)雜且繁瑣計算復(fù)雜且繁瑣 繪圖困難繪圖困難計算機數(shù)學(xué)語言計算機數(shù)學(xué)語言MATLABMATLAB數(shù)值解數(shù)值解/ /解析解（數(shù)學(xué)運算）解析解（數(shù)學(xué)運算）dcbxax2 二十世紀三項科學(xué)革命：控制論、量二十世紀三項科學(xué)革命：控制論、量子論、相對論子論、相對論 導(dǎo) 讀自動化技術(shù)幾乎滲透到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域及社會生活的各個方面，是當代發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛、最引人注目的高科技，是推動新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，在某種程度上說，自動化是現(xiàn)代化的同義詞。自動控制原理研究分析、設(shè)計自動控制系統(tǒng)的基本方法。本章主要講什么內(nèi)容?從介紹自動控制的發(fā)展歷史入手，引出自動控制理論分析、設(shè)

3、計自動控制系統(tǒng)的基本思想，然后介紹自動控制的基本概念，以及對自動控制系統(tǒng)的基本要求，使讀者對自動控制理論的總的目標有個大致的了解。制導(dǎo)導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)彈 現(xiàn)代的高新技術(shù)讓導(dǎo)彈長上了“眼睛”和“大腦”，利用負反饋控制原理去緊緊盯住目標哈勃望遠鏡特殊地衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)星 雷達操作時，天線就要不停地轉(zhuǎn)動。天線的作用是雷達操作時，天線就要不停地轉(zhuǎn)動。天線的作用是把雷達中產(chǎn)生的無線電波按照一定的方向向外發(fā)射出去，把雷達中產(chǎn)生的無線電波按照一定的方向向外發(fā)射出去，并把被反射回來的無線電波接收下來。正因為天線所起并把被反射回來的無線電波接收下來。正因為天線所起的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達要注視和偵察整個的作用好

4、似人的眼睛一樣，因此雷達要注視和偵察整個天空的狀況，天線就要不停地轉(zhuǎn)動，用一個驅(qū)動馬達使天空的狀況，天線就要不停地轉(zhuǎn)動，用一個驅(qū)動馬達使天線作天線作360360度的旋轉(zhuǎn)，這樣它就能在度的旋轉(zhuǎn)，這樣它就能在360360度范圍內(nèi)進行度范圍內(nèi)進行“搜索搜索”。10中國古代自動化方面的輝煌成就： 公元725年，一行、梁令瓚發(fā)明有自動報時機構(gòu)的水運渾象，其中使用了一個天衡裝置，是一個按被調(diào)量偏差調(diào)節(jié)的自動調(diào)節(jié)器； 公元1086-1092年，蘇頌和韓公廉建造具有“天衡”自動調(diào)節(jié)和自動報時機構(gòu)的水運儀象臺； 公元l135年，宋代王普記述“蓮華漏”上使用浮子閥門式機構(gòu)自動調(diào)節(jié)漏壺的水位； 公元1637年，明代

5、的天工開物一書中記載有程序控制思想的提花織機結(jié)構(gòu)圖。 飛球調(diào)節(jié)器世界上公認的第一個自動控制系統(tǒng) 圖 1.1 飛球調(diào)節(jié)器原理圖 關(guān) 汽閥聯(lián)結(jié)器 開 調(diào)節(jié)器軸 套環(huán) 汽輪機軸 1788年瓦特發(fā)明飛球調(diào)節(jié)器，進一步推動蒸汽機的應(yīng)用，促進了工業(yè)的發(fā)展。 推動了社會進步是飛球調(diào)節(jié)器公認為第一個自動控制系統(tǒng)的最主要原因！自動控制原理國家精品課程 浙江工業(yè)大學(xué)自動化研究所12沒有理論指導(dǎo)使控制技術(shù)停滯了一個世紀！ 飛球調(diào)節(jié)器有時使蒸汽機速度出現(xiàn)大幅度振蕩。其它自動控制系統(tǒng)也有類似現(xiàn)象。 由于當時還沒有自控理論，所以不能從理論上解釋這一現(xiàn)象。為了解決這個問題，盲目探索了大約一個世紀之久。 自動控制原理國家精品

6、課程 浙江工業(yè)大學(xué)自動化研究所13自動控制理論的開端 1868年英國麥克斯韋爾的“論調(diào)速器”論文指出： 不應(yīng)單獨研究飛球調(diào)節(jié)器，必須從整個系統(tǒng)分析控制的不穩(wěn)定。 建立系統(tǒng)微分方程，分析微分方程解的穩(wěn)定性，從而分析實際系統(tǒng)是否會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。這樣，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，變成了判別微分方程的特征根的實部的正、負號問題。 麥克斯韋爾的這篇著名論文被公認為自動控制理論的開端。14經(jīng)典控制理論的孕育 1875年，英國勞斯提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。 1895年，德國赫爾維茲提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。 1892年，俄國李雅普諾夫提出穩(wěn)定性定義和兩個穩(wěn)定判據(jù)。 1932年，美國奈奎斯特提出奈氏穩(wěn)定判據(jù)。 二戰(zhàn)中自動火炮、雷

7、達、飛機以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展。經(jīng)典控制理論的形成 1948年，維納出版控制論，形成完整的經(jīng)典控制理論，標志控制學(xué)科的誕生。 維納成為控制論的創(chuàng)始人！維納控制論是關(guān)于怎樣把機械元件和電氣元件組合成穩(wěn)定的并且具有特定性能的系統(tǒng)的科學(xué)。這門新科學(xué)的一個非常突出的特點就是完全不考慮能量、熱量和效率等因素，可是，在其他各門自然科學(xué)中，這些因素是十分重要的。 控制論所討論的主要問題是一個系統(tǒng)的各個不同部分之間的相互作用的定性性質(zhì)，以及整個系統(tǒng)的總體運 動狀態(tài)。空間技術(shù)促使現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生現(xiàn)代控制理論促進了空間技術(shù)的發(fā)展 二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國大力發(fā)展空間技術(shù)，經(jīng)典控制理論不能

8、滿足需要，需要研究新的控制理論。 現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，促進了空間技術(shù)的發(fā)展。17現(xiàn)代控制理論在工業(yè)過程控制方面遭遇滑鐵盧，促使了智能控制技術(shù)的誕生 現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，但由于工業(yè)過程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預(yù)期的效果。模擬人的控制技術(shù)智能控制，雖然不能實現(xiàn)精確的控制，但對各種復(fù)雜系統(tǒng)能夠做到比較滿意的控制。以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入-單輸單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題：出定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題：線性控制系統(tǒng)分析：時域分析、穩(wěn)定性與線性控制系統(tǒng)分析：時域分析、穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差分析、根軌跡分析、頻域分析。穩(wěn)態(tài)誤

9、差分析、根軌跡分析、頻域分析。非線性控制系統(tǒng)分析：相平面分析、描述非線性控制系統(tǒng)分析：相平面分析、描述函數(shù)分析。函數(shù)分析。（連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)）（連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)）以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多多輸出時變、非線性、高精度、高效能控制輸出時變、非線性、高精度、高效能控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題：系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題：（線性系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、線性系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、魯棒控制、最佳估計、容錯控制、系統(tǒng)辨魯棒控制、最佳估計、容錯控制、系統(tǒng)辨識、集散控制、大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)識、集散控制、大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)）智能控制（智能控制（專家系統(tǒng)、模糊控制、

10、神經(jīng)專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法） 自動控制原理（第六版）自動控制原理（第六版） 胡壽松胡壽松 MATLABMATLAB與控制理論實驗教程與控制理論實驗教程 汪寧汪寧 自動控制理論自動控制理論 夏德鈴夏德鈴 自動控制原理習題集自動控制原理習題集 胡壽松胡壽松 實例（示意圖）實例（示意圖）人工（手動）控制：（1）對象：儲液系統(tǒng)（2）目標：液位（3）眼睛：觀察 液位變化（4）大腦：分析、比 較、判斷（5）手/腳：動作執(zhí)行 實例（示意圖）實例（示意圖）自動控制：（1）對象：儲液系統(tǒng)（2）目標：液位（3）傳感器：檢測 液位變化（4）控制器：控制功能（5）執(zhí)行器：完成控制 動作傳

11、感器傳感器信號信號信號驅(qū)動設(shè)備信號驅(qū)動設(shè)備對象對象手腳手腳 （執(zhí)行器）（執(zhí)行器）大腦大腦 （控制器）（控制器）眼睛眼睛 （傳感器）（傳感器） 控制控制對象對象執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置控制器控制器測量裝置測量裝置 自動控制：自動控制：是指沒有人直接參與的情況下，利是指沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置（稱控制器），使整個生產(chǎn)過程或用控制裝置（稱控制器），使整個生產(chǎn)過程或工作機械（稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參工作機械（稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。 自動控制系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制任務(wù)的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制任

12、務(wù)的系統(tǒng)，由控制器與控制對象組成。由控制器與控制對象組成?？刂茖ο罂刂茖ο罂刂破骺刂破鬏斎肓枯斎肓枯敵隽枯敵隽繑_動量擾動量?(- -)utug擾動擾動 給定給定 裝置裝置 放大器放大器 電動機電動機 轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)速反 饋裝置饋裝置 觸發(fā)器觸發(fā)器 晶闡管可晶闡管可 控整流器控整流器控控 制制 裝裝 置置受控對象受控對象n 方框圖方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2- -+- -+ TGMudouc直流電機調(diào)直流電機調(diào)速系統(tǒng)速系統(tǒng)+3.反饋控制原理反饋控制原理 控制對象：控制對象：要求實現(xiàn)自動控制的機器、要求實現(xiàn)自動控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。設(shè)備或生產(chǎn)過程。 控制器：控制器：對控制對象

13、起控制作用的控制對控制對象起控制作用的控制裝置總體。裝置總體。 輸入量：輸入量：作用于控制系統(tǒng)輸入端，并可作用于控制系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。量。 輸出量：輸出量：位于控制系統(tǒng)輸出端，并要求位于控制系統(tǒng)輸出端，并要求實現(xiàn)自動控制的物理量。實現(xiàn)自動控制的物理量。 擾動量：擾動量：破壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間破壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間預(yù)定規(guī)律的信號。預(yù)定規(guī)律的信號。4.反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成控制控制對象對象執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置控制器控制器測量裝置測量裝置控制器控制器比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)輸入量輸入量偏差偏差測量值測量值輸出量輸

14、出量控制量控制量擾動量擾動量控制動作控制動作廣義對象廣義對象自動控制裝置自動控制裝置典型反饋控制系統(tǒng)的原理如圖所示典型反饋控制系統(tǒng)的原理如圖所示 (1)被控對象:它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象,它接受控制量并輸出被控制量。(2)控制器:接收變換和放大后的偏差信號,轉(zhuǎn)換為對被控對象進行操作的控制信號。(3)放大變換環(huán)節(jié):將偏差信號變換為適合控制器執(zhí)行的信號。它根據(jù)控制的形式、幅值及功率來放大變換。(4)校正裝置:為改善系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)特性而附加的裝置。如果校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)的前向通道中,稱為串聯(lián)校正裝置;如果校正裝置接成反饋形式,稱為并聯(lián)校正裝置,又稱局部反饋校正。(5)反饋環(huán)節(jié):它用來測量被控量

15、的實際值,并經(jīng)過信號處理,轉(zhuǎn)換為與被控制量有一定函數(shù)關(guān)系,且與輸入信號同一物理量的信號。反饋環(huán)節(jié)一般也稱為測量變送環(huán)節(jié)。(6)給定環(huán)節(jié):產(chǎn)生輸入控制信號的裝置。 (1)輸入信號:泛指對系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界輸入信號,既包括控制信號又包括擾動信號。其中控制信號又稱控制量、參考輸入、或給定值。(2)輸出信號:是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的物理量,它與輸入信號之間有一定的函數(shù)關(guān)系。(3)反饋信號:將系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出信號經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸入端的信號,稱為反饋信號。若此信號是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端,這種反饋信號稱主反饋信號。而其它稱為局部反饋信號。 控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語

16、 (4)(4)偏差信號偏差信號: :控制輸入信號與主反饋信號之差?？刂戚斎胄盘柵c主反饋信號之差。(5)(5)誤差信號誤差信號: :它指系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值它指系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際上之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際上并不存在并不存在, ,它只能用與控制輸入信號具有一定比例它只能用與控制輸入信號具有一定比例關(guān)系的信號來表示。在單位反饋情況下關(guān)系的信號來表示。在單位反饋情況下, ,希望值就希望值就是系統(tǒng)的輸入信號是系統(tǒng)的輸入信號, ,誤差信號等于偏差信號。誤差信號等于偏差信號。(6)(6)擾動信號擾動信號: :除控制信號以外除控制信號以外,

17、 ,對系統(tǒng)的輸出有影對系統(tǒng)的輸出有影響的信號。響的信號。 元素：元素：（1 1） ：元件：元件（2 2） ：信號（物理量）及傳遞方向：信號（物理量）及傳遞方向（3 3） ：比較點（信號疊加）：比較點（信號疊加）（4 4） ：引出點（分支、信號強度）：引出點（分支、信號強度） （5 5）+/- +/- ：符號的意義（正、負反饋）：符號的意義（正、負反饋） 開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng), ,即即需要控制的是被控對象的某一量需要控制的是被控對象的某一量( (被控量被控量), ),而測量的而測量的只是給定信號只是給定信號, ,被控量對于控制作用沒有任何影

18、響的被控量對于控制作用沒有任何影響的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。 信號由給定值至被控量單向傳遞。這種控制信號由給定值至被控量單向傳遞。這種控制較簡單較簡單, ,但有較大的缺陷但有較大的缺陷, ,即對象或控制裝置受到干即對象或控制裝置受到干擾擾, ,或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化, ,會直接影響被控量會直接影響被控量, ,而無法而無法自動補償自動補償。因此。因此, ,系統(tǒng)的系統(tǒng)的控制精度控制精度難以保證。難以保證。從另一種意義理解從另一種意義理解, ,意味著對受控對象和其它控制意味著對受控對象和其它控制元件的元件的技術(shù)要求較高技術(shù)要求較高。如數(shù)控線切割機進給系統(tǒng)、。

19、如數(shù)控線切割機進給系統(tǒng)、包裝機等多為開環(huán)控制。包裝機等多為開環(huán)控制。 閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制,其其原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號流向看原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號流向看,系統(tǒng)的輸系統(tǒng)的輸出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端,構(gòu)成閉合構(gòu)成閉合通道通道,故稱閉環(huán)控制系統(tǒng)故稱閉環(huán)控制系統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)?；蚍答伩刂葡到y(tǒng)。 前前/ /正向通道正向通道反反/ /負向通道負向通道 這種控制方式這種控制方式, ,無論是由于干擾造成無論是由于干擾造成, ,還是由于還是由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)

20、偏差, ,系統(tǒng)就利用系統(tǒng)就利用偏差去糾正偏差偏差去糾正偏差, ,故這種控制方式為故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)按偏差調(diào)節(jié)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是利用偏差來糾正閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是利用偏差來糾正偏差偏差, ,使系統(tǒng)達到使系統(tǒng)達到較高的控制精度較高的控制精度。但與開環(huán)控制。但與開環(huán)控制系統(tǒng)比較系統(tǒng)比較, ,閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, ,構(gòu)造比較困難。構(gòu)造比較困難。需要指出的是需要指出的是, ,由于閉環(huán)控制存在由于閉環(huán)控制存在反饋信號反饋信號, ,利用偏利用偏差進行控制差進行控制, ,如果設(shè)計得不好如果設(shè)計得不好, ,將會使將會使系統(tǒng)無法正常系統(tǒng)無法正常和穩(wěn)定地工作和穩(wěn)定地工

21、作。另外。另外, ,控制系統(tǒng)的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)控制系統(tǒng)的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性之間也常常存在矛盾。定性之間也常常存在矛盾。 開環(huán)控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點開環(huán)控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點, ,在實際在實際工程中應(yīng)根據(jù)工程要求及具體情況來決定。如果工程中應(yīng)根據(jù)工程要求及具體情況來決定。如果事先預(yù)知輸入量的變化規(guī)律事先預(yù)知輸入量的變化規(guī)律, ,又不存在外部和內(nèi)部又不存在外部和內(nèi)部參數(shù)的變化參數(shù)的變化, ,則采用開環(huán)控制較好。如果對系統(tǒng)外則采用開環(huán)控制較好。如果對系統(tǒng)外部干擾無法預(yù)測部干擾無法預(yù)測, ,系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化, ,為保證為保證控制精度控制精度, ,采用閉環(huán)控制則更為

22、合適。采用閉環(huán)控制則更為合適。如果對系統(tǒng)如果對系統(tǒng)的性能要求比較高的性能要求比較高, ,為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定性之間的矛盾性之間的矛盾, ,可以采用開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)可以采用開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)。合的復(fù)合控制系統(tǒng)。(- -)utug擾動擾動 給定給定 裝置裝置 放大器放大器 電動機電動機 轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)速反 饋裝置饋裝置 觸發(fā)器觸發(fā)器 晶闡管可晶闡管可 控整流器控整流器控控 制制 裝裝 置置受控對象受控對象n 方框圖方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2- -+- -+ TGMudouc直流電機調(diào)直流電機調(diào)速系統(tǒng)速系統(tǒng)+1-2 自動控制

23、系統(tǒng)示例自動控制系統(tǒng)示例1、函數(shù)記錄儀、函數(shù)記錄儀2.飛機飛機-自動駕駛儀系統(tǒng)自動駕駛儀系統(tǒng)給定電位器給定電位器反饋電位器反饋電位器給給定定裝裝置置放放大大器器舵機舵機飛機飛機 反饋電反饋電位器位器 垂直垂直陀螺儀陀螺儀0c擾動擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖飛機方塊圖飛機方塊圖3.電阻爐溫微型計算機控制系統(tǒng)電阻爐溫微型計算機控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖4.液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)控制器控制器減速器減速器電動機電動機電位器電位器浮子浮子用水開關(guān)用水開關(guān)Q2Q1cifSM(- -)utug擾動擾動 給定給定 裝置裝置 放大器放大器 電動機電動機 轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)速反 饋裝置饋

24、裝置 觸發(fā)器觸發(fā)器 晶闡管可晶闡管可 控整流器控整流器控控 制制 裝裝 置置受控對象受控對象n 方框圖方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2- -+- -+ TGMudouc直流電機調(diào)直流電機調(diào)速系統(tǒng)速系統(tǒng)+ 工作原理工作原理 輸入輸出輸入輸出 被控對象被控對象 中間環(huán)節(jié)中間環(huán)節(jié) 信號傳遞信號傳遞(自動控制系統(tǒng)方塊圖的繪制)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)（1）開環(huán)控制系統(tǒng) 信號流動由輸入端到輸出端單向流動。 （2）閉環(huán)控制系統(tǒng) 若控制系統(tǒng)中信號除從輸入端到輸出端外,還有輸出到輸入的反饋信號,則構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),也稱反饋控制系統(tǒng),如圖所示。 （1）恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)) 這種系統(tǒng)的特征是輸入

25、量為一恒值,通常稱為系統(tǒng)的給定值?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是盡量排除各種干擾因素的影響,使輸出量維持在給定值(期望值)。如工業(yè)過程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。 （2）隨動系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng)) 該系統(tǒng)的控制輸入量是一個事先無法確定的任意變化的量,要求系統(tǒng)的輸出量能迅速平穩(wěn)地復(fù)現(xiàn)或跟蹤輸入信號的變化。如雷達天線的自動跟蹤系統(tǒng)和高炮自動描準系統(tǒng)就是典型的隨動系統(tǒng)。 （3）程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的控制輸入信號不是常值,而是事先確定的運動規(guī)律,編成程序裝在輸入裝置中,即控制輸入信號是事先確定的程序信號,控制的目的是使被控對象的被控量按照要求的程序動作。如數(shù)控車床就屬此類系統(tǒng)。 組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的,可用一個或

26、一組線性微分方程來描述系統(tǒng)輸入和輸出之間關(guān)系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。 (1)線性系統(tǒng) (2)非線性系統(tǒng) 在系統(tǒng)中只要有一個元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關(guān)系,則稱為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還沒有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分析法。通常對于非線性程度不很嚴重,或做近似分析時,均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。(1)定常系統(tǒng) 如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中各項系數(shù)都是與時間無關(guān)的常數(shù),則稱為定常系統(tǒng)。該類系統(tǒng)只要輸入信號的形式不變,在不同時間輸入下的輸出響應(yīng)形式是相同的。 (2)時變系統(tǒng) 如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一項系數(shù)是時間的函數(shù),此系統(tǒng)稱為時變系統(tǒng)。 (1)連續(xù)

27、系統(tǒng) 系統(tǒng)中所有元件的信號都是隨時間連續(xù)變化的,信號的大小均是可任意取值的模擬量,稱為連續(xù)系統(tǒng)。 (2)離散系統(tǒng) 離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是脈沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開關(guān),將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號,此類系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計算機或數(shù)字控制器,其離散信號是以數(shù)碼形式傳遞的,此類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。(1)單輸入單輸出系統(tǒng)(單變量系統(tǒng)) 系統(tǒng)的輸入量和輸出量各為一個,稱為單輸入單輸出系統(tǒng)。 (2)多輸入多輸出系統(tǒng)(多變量系統(tǒng)) 若系統(tǒng)的輸入量和輸出量多于一個,稱為多輸入多輸出系統(tǒng)。對于線性多輸入多輸出系統(tǒng),系統(tǒng)的任何一個輸出等于數(shù)個輸入單獨

28、作用下輸出的疊加。 自動控制系統(tǒng)是否能很好地工作,是否能精確地保持被控量按照預(yù)定的要求規(guī)律變化這取決于被控對象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)是否設(shè)計得當。 在理想情況下,控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量,在任何時候均相等,系統(tǒng)完全無誤差,且不受干擾的影響。實際系統(tǒng)中,由于各種各樣原因,系統(tǒng)在受到輸入信號(也包括擾動信號)的激勵時,被控量將偏離輸入信號作用前的初始值,經(jīng)歷一段動態(tài)過程(過渡過程)，則系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣,可以從動態(tài)過程中較充分地表現(xiàn)出來。12s +2s+122outStep1Scope單位階躍響應(yīng)仿真MATLAB模型 仿真輸出0 1234500.20.40.60.811.21.41+1-

29、 t ts s t tp p t tr r 控制精度是衡量系統(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度。一個高品質(zhì)的系統(tǒng),在整個運行過程中,被控量對給定值的偏差應(yīng)該是最小的?？紤]動態(tài)過程在不同階段中的特點,工程上通常從穩(wěn)、準、快三個方面來衡量自動控制系統(tǒng)。 穩(wěn)定工作是所有自動控制系統(tǒng)的最基本要求,是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無法完成控制任務(wù)?？紤]到實際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動,可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此,我們除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外,還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量。 穩(wěn)態(tài)精度是指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后,或系統(tǒng)對抗干擾重新恢復(fù)平衡后,最終保持的精度。穩(wěn)態(tài)精度與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù),輸入信號形式有關(guān)。 動態(tài)過程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號作用下隨時間變化的全過程,衡量動態(tài)過程的品質(zhì)好壞常采用單位階躍信號作用下過渡過程中的超調(diào)量,過渡過程時間等性能指標。 對于一個實際系統(tǒng)其輸入信號往往是比較復(fù)雜的,而系統(tǒng)的輸出響應(yīng)又與