清華機械工程控制基礎(chǔ)課件0-緒論(第二講)第一頁，共50頁。經(jīng)典控制理論

控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進和完善了自動控制理論的發(fā)展。1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1895年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論1948年，伊萬斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。2第二頁，共50頁。經(jīng)典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對系統(tǒng)的外部描述方法。

應(yīng)該指出的是，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號后，系統(tǒng)對來自內(nèi)部和外部干擾的響應(yīng)變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時，反饋作用又帶來了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，正是這個曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題激發(fā)了人們對反饋控制系統(tǒng)進行深入研究的熱情，推動了自動控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來的。3第三頁，共50頁。現(xiàn)代控制理論

由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實際應(yīng)用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計算機的發(fā)展，20世紀60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。1954年貝爾曼（R.Belman)提出動態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無論對線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。4第四頁，共50頁。大系統(tǒng)理論

20世紀70年代開始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制理論和方法以系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計為基礎(chǔ)，在實時辨識基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性。隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴大，從個別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟管理、生物工程、能源、運輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會科學(xué)領(lǐng)域。大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。4/30/20235第五頁，共50頁。智能控制

是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。智能控制的概念和原理主要是針對被控對象、環(huán)境、控制目標或任務(wù)的復(fù)雜性提出來的，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。被控對象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動態(tài)突變，多時間標度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴格的特性指標等。智能控制是驅(qū)動智能機器自主地實現(xiàn)其目標的過程，對自主機器人的控制就是典型的例子而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識。

智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認為，其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、和專家控制等方法。

4/30/20236第六頁，共50頁。1.4控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計1.控制系統(tǒng)的數(shù)字化特點含有大量的矩陣運算 Fortan/C科學(xué)計算頻域、時域分析控制模型圖形化2.開發(fā)平臺：以計算機為工具，進行控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真分析Matatlab軟件為代表1).控制系統(tǒng)工具箱—m文件算法分析2).Simulink仿真—建模、分析和仿真7第七頁，共50頁。1.5控制系統(tǒng)的基本概念1.開環(huán)控制與閉環(huán)控制1)．開環(huán)控制

開環(huán)控制是指系統(tǒng)的被控制量（輸出量）只受控于控制作用，而對控制作用不能反施任何影響的控制方式。采用開環(huán)控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。例如：圖1-1電加熱爐8第八頁，共50頁。開環(huán)控制系統(tǒng)例1被控制對象：爐子被控制量（輸出量）：爐溫控制裝置：開關(guān)K和電熱絲，對被控制量起控制作用。圖1－19第九頁，共50頁。開環(huán)控制系統(tǒng)例2 如圖1-2所示，為一個典型的液位控制系統(tǒng)，H為液面高度(又稱液位)，控制的目的在于保持液面高度不變。如果由于閥門V1的開度變化而引起輸出流量發(fā)生變化時，必然引起液位H的變化，為了保持H不變必需人為地控制閥門V2的開度來改變輸入的流量，以維持液面高度H不變。

圖1－2液位控制系統(tǒng)示意圖10第十頁，共50頁。但是液位H的變化卻不會自動使閥門V2開度發(fā)生變化，也就是說系統(tǒng)的輸出量(液面高度)對系統(tǒng)的控制作用(輸入流量)沒有任何影響。這種輸出量對控制作用沒有任何影響，或者說控制器與控制對象之間只有單向作用而沒有反向作用的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，框圖如圖1-3所示。圖1－3

開環(huán)控制系統(tǒng)框圖11第十一頁，共50頁。方框圖的有關(guān)概念

方框

控制裝置和被控對象分別用方框表示信號線方框的輸入和輸出以及它們之間的聯(lián)接用帶箭頭的信號線表示輸入信號進入方框的信號輸出信號離開方框的信號

控制系統(tǒng)的輸出量就是被控量,它的希望值一般是系統(tǒng)輸入信號的函數(shù)。信號線方框信號線輸入信號輸出信號12第十二頁，共50頁。開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖控制裝置被控對象輸入量輸出量13第十三頁，共50頁。開環(huán)控制的特點由于開環(huán)控制的特點是控制裝置只按照給定的輸入信號對被控制量進行單向控制，而不對控制量進行測量并反向影響控制作用。這樣，當(dāng)爐溫偏離希望值時，開關(guān)K的接通或斷開時間不會相應(yīng)改變。因此，開環(huán)控制不具有修正由于擾動（使被控制量偏離希望值的因素）而出現(xiàn)的被控制量與希望值之間偏差的能力，即抗干擾能力差。

開環(huán)系統(tǒng)主要問題：無法自動減小或消除由于擾動而產(chǎn)生的(實際液位與設(shè)定液位之間)誤差。

14第十四頁，共50頁。2).閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是指系統(tǒng)的被控制量（輸出量）與控制作用之間存在著反饋的控制方式。采用閉環(huán)控制的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制是一切生物控制自身運動的基本規(guī)律。人本身就是一個具有高度復(fù)雜控制能力的閉環(huán)系統(tǒng)。（例如圖1-4）手是被控對象，手的位置為被控量。15第十五頁，共50頁。人作為閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖16第十六頁，共50頁。反饋的概念反饋：把輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端并與輸入信號比較的過程。若反饋信號是與輸入信號相減而使偏差值越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋。顯然，負反饋控制是一個利用偏差進行控制并最后消除偏差的過程，又稱偏差控制。同時，由于有反饋的存在，整個控制過程是閉合的，故也稱為閉環(huán)控制。17第十七頁，共50頁。開環(huán)向閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)換例118第十八頁，共50頁。開環(huán)向閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)換例2

在上述圖1-2的開環(huán)液位控制系統(tǒng)中，加上一個液位的自動測量與比較裝置，如右圖所示.液位控制閉環(huán)系統(tǒng)示意圖19第十九頁，共50頁?？梢钥吹?控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用有影響，或控制器與控制對象之間既有順向作用又有反向聯(lián)系，故這種控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。說明的是：輸出量對系統(tǒng)的控制作用的影響稱為“反饋”

。那么，閥門V1開度變化引起輸出流量和液位變化時，該裝置通過測量和比較，得到實際液位與給定值的偏差，這個偏差信號通過執(zhí)行部件(圖中的伺服電動機)反過來使控制輸入流量的閥門V2開度自動作相應(yīng)的變化，把液位又調(diào)整到原來的高度。20第二十頁，共50頁。

閉環(huán)系統(tǒng):控制的是控制對象的輸出量(被控量)，測量的是輸出量與給定值之間的偏差。因此只要出現(xiàn)偏差，就能自動糾偏，用它可以實現(xiàn)準確的控制,因此,它是自動控制系統(tǒng)工作的主要方式。閉環(huán)控制框圖21第二十一頁，共50頁。

如上圖所示：閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制信號沿前向通道和反饋通道閉路不斷傳送，往復(fù)循環(huán)，所以又稱反饋控制系統(tǒng)。同樣的例子有：船舶主機的冷卻水和潤滑油的溫度控制系統(tǒng)，船舶鍋爐中蒸汽壓力和液位控制系統(tǒng)，船舶發(fā)電機的頻率控制系統(tǒng)等均是這種系統(tǒng)。閉環(huán)控制框圖22第二十二頁，共50頁。閉環(huán)控制的電加熱爐方框圖23第二十三頁，共50頁。開環(huán)控制直流電動機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖圖1－824第二十四頁，共50頁。閉環(huán)控制直流電動機調(diào)速系統(tǒng)圖1－925第二十五頁，共50頁。閉環(huán)控制系統(tǒng)典型方框圖26第二十六頁，共50頁。3).開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點開環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，容易設(shè)計和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點，對那些負載恒定，擾動小，控制精度要求不高的實際系統(tǒng)，是有效的控制方式。閉環(huán)系統(tǒng)：由于增加了檢測裝置和反饋環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本有所增加；但它提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力；同時負反饋對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。27第二十七頁，共50頁。4).開環(huán)控制＋閉環(huán)控制的復(fù)合系統(tǒng)第一級直角坐標位置控制（開環(huán)）第二級關(guān)節(jié)坐標位置控制（閉環(huán)）28第二十八頁，共50頁。2.反饋控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語和定義（1）反饋控制系統(tǒng)的概念反饋是控制系統(tǒng)中一個最基本、最重要的概念。下面以船舶主機冷卻水溫度的自動控制為例說明反饋控制系統(tǒng)的一些基本概念。船舶主機缸套與活塞需要冷卻，冷卻水溫度必須控制在某個范圍內(nèi)(一般缸套冷卻水溫度為50℃一60℃，活塞冷卻水溫度為40℃～50℃)，方能保證主機的正常運行。29第二十九頁，共50頁。上圖是主機冷卻水溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由冷卻器、蝶閥機構(gòu)和溫度計組成。循環(huán)冷卻水由主機流出后，在冷卻器內(nèi)用海水冷卻，其進入冷卻器的流量由蝶閥控制。冷卻水還有一個旁通管路，其流量由另一蝶閥控制。兩個蝶閥聯(lián)動，當(dāng)一個蝶閥開大時另一個關(guān)小。主機冷卻水溫度控制系統(tǒng)示意圖30第三十頁，共50頁。

主機入口處冷卻水的溫度是通過冷卻器和旁通管路混合的冷卻水溫度，故使蝶閥開度增大(即旁通蝶閥關(guān)小)時，主機入口冷卻水溫度下降，反之溫度上升。如果輪機值班人員用肉眼觀察主機入口處溫度計上的溫度，再不斷地手操蝶閥的開度，使主機入口冷卻水溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)，這種控制方式，稱為人工控制，如下圖所示。人工控制示意圖31第三十一頁，共50頁。在人工控制方式下，輪機人員十分勞累，而且控制精度也不高。如果把肉眼的觀察、大腦的判斷和手工的操作，用自動化儀表與設(shè)備來代替，這樣就構(gòu)成了一個反饋自動控制系統(tǒng)。如下圖所示，為電動儀表組成的主機冷卻水溫度自動控制系統(tǒng)

電動儀表控制的主機冷卻水溫度控制系統(tǒng)示意圖32第三十二頁，共50頁。工作原理是：當(dāng)主機負載變化時，冷卻水溫度隨著變化。1.主機冷卻水入口處熱電阻測量溫度，變送器將測量值轉(zhuǎn)換成電信號；2.控制器接受變送器輸入的電信號，將其與給定值（電信號表示）相比較；3.所得的偏差信號經(jīng)放大、運算后輸出一個電信號，驅(qū)動電動執(zhí)行器;4.執(zhí)行器，改變蝶閥的開度，使主機冷卻水入口處的冷卻水溫度恢復(fù)至原來的給定溫度。從上述主機冷卻水溫度反饋控制系統(tǒng)實例，我們可以引出下列一些概念。33第三十三頁，共50頁。(1)控制對象(或稱調(diào)節(jié)對象)：指被控制的設(shè)備與機器，在上述系統(tǒng)中控制對象指的是淡水冷卻器?？刂茖ο蟮妮敵隽烤褪强刂葡到y(tǒng)的被控制量(或稱被控量)。在上述系統(tǒng)中冷卻水的溫度，便是輸出量。(2)控制器(或稱調(diào)節(jié)器)：具有比較、放大、判斷決策與發(fā)出指令的功能。在上述系統(tǒng)中便是溫度控制器。

控制器有兩個輸入量：一個稱為給定值；另一個輸入量來自測量變送器的信號，這個信號的傳遞方向是從其輸出端回到輸入端，所以稱為反饋信號。這兩個信號在控制器中比較得到輸出量與給定值之間的一個偏差信號(正或負)，控制器對該偏差信號按設(shè)定的控制規(guī)律進行運算，然后發(fā)出控制指令信號，送入執(zhí)行器。

34第三十四頁，共50頁。(3)執(zhí)行器：接受控制器來的控制信號，經(jīng)過功率放大后產(chǎn)生控制作用，驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變進入控制對象的物質(zhì)流或能量流，使輸出量向著給定值的方向發(fā)生變化。在上述系統(tǒng)中電動執(zhí)行器與蝶閥機構(gòu)便構(gòu)成了執(zhí)行器。

(4)測量變送器：測量輸出量的大小和變化，并把被控量大小與變化變成與給定值相同類型的信號送人控制器。上述系統(tǒng)中的熱電阻及溫度變送器。測量變送器送出的信號稱為反饋信號。為防止輸出量過調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定，取反饋信號符號與給定值的相反，稱為負反饋。從而自動控制系統(tǒng)也稱為負反饋控制系統(tǒng)。如果反饋信號符號取得與給定值同向，便是正反饋，它不能減少或消除偏差，系統(tǒng)也不能穩(wěn)定工作，因此，自動控制系統(tǒng)中幾乎不用正反饋。35第三十五頁，共50頁。如上所述，反饋控制系統(tǒng)包括除控制對象、測量變送器、控制器和執(zhí)行器四個部分，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖l—9所示

r(t)給定信號；b(t)反饋信號；e(t)偏差信號；p(t)控制信號；q(t)控制作用信號；y(t)被控量；f(t)控制對象的外界擾動圖1－9自動控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖36第三十六頁，共50頁。反饋控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語和定義（2）37第三十七頁，共50頁。反饋控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語和定義

(2)參考(給定)輸入r:輸入到控制系統(tǒng)中的指令信號；(主)反饋b:與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系且與參考輸入量綱相同的反饋信號；偏差e:參考輸入與主反饋之差，即e=r-b;控制量u:從控制器輸出并作用于被控制對象的信號；擾動n：來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部，對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號；38第三十八頁，共50頁。反饋控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語、定義（2）輸出c：反饋控制系統(tǒng)的被控制量，即被控制對象的輸出量；比較環(huán)節(jié)：將參考輸入與主反饋信號進行比較的環(huán)節(jié)，它的輸出等于參考輸入與主反饋信號的差值，即偏差e,比較環(huán)節(jié)又稱為偏差檢測器?？刂茖ο螅罕豢刂频臋C器，設(shè)備，過程或系統(tǒng)；控制器：用來對被控制對象施加控制作用的裝置；反饋環(huán)節(jié)：將輸出量轉(zhuǎn)化為主反饋信號的裝置；反饋環(huán)節(jié)中通常含有信號檢測裝置。39第三十九頁，共50頁。3.反饋控制系統(tǒng)的分類外反饋（人為的反饋）為達到一定的控制目的而有意設(shè)計的反饋。例如：爐溫、水溫控制系統(tǒng)等內(nèi)反饋(自然形成的反饋)例如：40第四十頁，共50頁。4.反饋控制系統(tǒng)的分類（1）恒值系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)（按參考輸入形式分類）

恒值系統(tǒng)是指參考輸入量保持常值的系統(tǒng)。其任務(wù)是消除或減少擾動信號對系統(tǒng)輸出的影響，使被控制量（即系統(tǒng)的輸出量）保持在給定或希望的數(shù)值上。例如： 隨動系統(tǒng)是指參考輸入量隨時間任意變化的系統(tǒng)。其任務(wù)是要求輸出量以一定的精度和速度跟蹤參考輸入量，跟蹤的速度和精度是隨動系統(tǒng)的兩項主要性能指標。例如：41第四十一頁，共50頁。控制系統(tǒng)的分類（2）線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)（按照組成系統(tǒng)的元件特性分類）線性系統(tǒng)是指構(gòu)成系統(tǒng)的所有元件都是線性元件的系統(tǒng)。其動態(tài)性能可用線性微分方程描述，系統(tǒng)滿足疊加原理。例如：非線性系統(tǒng)是指構(gòu)成系統(tǒng)的元件中含有非線性元件的系統(tǒng)。其只能用非線性微分方程描述，不滿足疊加原理。同時把可以進行線性化處理的系統(tǒng)或元件特性稱為非本質(zhì)非線性特性。反之，稱之為本質(zhì)非線性，它只能用非線性理論分析研究。例如：42第四十二頁，共50頁?？刂葡到y(tǒng)的分類（3）連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（按照系統(tǒng)內(nèi)信號的傳遞形式分類）

連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)內(nèi)各處的信號都是以連續(xù)的模擬量傳遞的系統(tǒng)。如果系統(tǒng)內(nèi)某處或數(shù)處信號是以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)則稱為離散系統(tǒng)。其脈沖序列可由脈沖信號發(fā)生器或振蕩器產(chǎn)生，也可用采樣開