第1章緒論1.1自動(dòng)控制理論簡(jiǎn)介1.2閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型1.4對(duì)控制系統(tǒng)性能的基本要求1.5本課程的性質(zhì)和任務(wù)習(xí)題隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著越來(lái)越重要的作用。自動(dòng)控制技術(shù)及其理論已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、電子、電力、航空、航海、航天等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。例如應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)，人造衛(wèi)星按預(yù)定軌道運(yùn)行，并始終保持正確的姿態(tài)，使它的太陽(yáng)能電池一直朝向太陽(yáng)，無(wú)線電天線一直指向地球；電網(wǎng)的電壓和頻率自動(dòng)地維持不變；金屬切削機(jī)床的切削速度在電網(wǎng)電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，能自動(dòng)保持近似不變。以上這些，都是自動(dòng)控制的結(jié)果。自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動(dòng)條件，而且在人類(lèi)征服自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和改善人民物質(zhì)生活等方面起著極為重要的作用。

自動(dòng)控制的概念和分析問(wèn)題的方法正向其他領(lǐng)域滲透，其應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)展到交通管理、生物醫(yī)學(xué)、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理、社會(huì)科學(xué)和其他許多社會(huì)生活領(lǐng)域，并為各學(xué)科之間的相互交流與滲透起到了促進(jìn)作用。

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，為自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。事實(shí)上，自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)和國(guó)防建設(shè)中必不可少的一門(mén)重要技術(shù)。

1.1自動(dòng)控制理論簡(jiǎn)介

一、歷史回顧

自動(dòng)控制理論可分為經(jīng)（古）典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。

1788年，英國(guó)人瓦特(JamesWatt)為控制蒸汽機(jī)的速度而發(fā)明了離心調(diào)速器，從而揭開(kāi)了經(jīng)典控制理論的序幕，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。1868年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋（J．C．Maxwell）建立了調(diào)速器系統(tǒng)的線性常微分方程，并對(duì)瓦特速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了分析和解釋?zhuān)_(kāi)辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)的先河。

1877年和1895年，英國(guó)數(shù)學(xué)家勞斯(E．J．Routh)和德國(guó)數(shù)學(xué)家古爾維茨(A．Hurwitz)分別獨(dú)立地建立了根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)，為經(jīng)典控制理論中的時(shí)域分析法奠定了基礎(chǔ)。

1932年，美國(guó)物理學(xué)家奈奎斯特（H．Nyquist）運(yùn)用復(fù)變函數(shù)理論，提出了根據(jù)對(duì)穩(wěn)態(tài)正弦輸入的開(kāi)環(huán)響應(yīng)，確定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法，從而建立了以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù)，奠定了頻率響應(yīng)法的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)30年代末和40年代初，伯德（H．W．Bode）和尼柯?tīng)査?N．B．Nichols)進(jìn)一步將頻率響應(yīng)法加以發(fā)展，形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法。頻率響應(yīng)法為工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)滿足性能要求的線性閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行的方法。20世紀(jì)40年代末到50年代初，美國(guó)科學(xué)家伊凡思(Evans)提出的根軌跡法，被廣泛應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)中。到20世紀(jì)50年代，經(jīng)典控制理論已發(fā)展的相當(dāng)成熟，形成了相對(duì)完整的理論體系，并且在工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)典控制理論主要以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，以時(shí)域分析法、根軌跡法和頻域分析法為核心，研究單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有多輸入、多輸出的現(xiàn)代設(shè)備變得愈來(lái)愈復(fù)雜，所以需要大量方程來(lái)描述現(xiàn)代控制系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論只涉及單輸入、單輸出系統(tǒng)，對(duì)于多輸入、多輸出甚至于包含時(shí)變參數(shù)、多變量、強(qiáng)耦合等的復(fù)雜的控制問(wèn)題就無(wú)能為力了。20世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)域分析提供了可能性。利用狀態(tài)變量、基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論應(yīng)運(yùn)而生。

現(xiàn)代控制理論在古典控制理論的基礎(chǔ)上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程實(shí)踐的需要而迅速發(fā)展起來(lái)。它主要以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出，變參數(shù)，非線性，高精度，高效能等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。

近幾十年來(lái)，不斷出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論，例如自適應(yīng)控制，模糊控制，預(yù)測(cè)控制，容錯(cuò)控制，魯棒控制，非線性控制和大系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)控制，最優(yōu)控制，最佳濾波，系統(tǒng)辨識(shí)等理論都是這一領(lǐng)域研究的前沿課題。近年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代控制理論在實(shí)踐中也得到越來(lái)越多的應(yīng)用。從而適應(yīng)了現(xiàn)代設(shè)備日益增加的復(fù)雜性，同時(shí)也滿足了軍事、空間技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)_度、重量和成本方面的嚴(yán)格要求。二、控制系統(tǒng)的基本概念與舉例

自動(dòng)控制就是在沒(méi)有人直接參與的條件下，利用控制器使被控對(duì)象（如機(jī)器、設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）的過(guò)程。自動(dòng)控制是一門(mén)理論性很強(qiáng)的科學(xué)技術(shù)，一般泛稱(chēng)為“自動(dòng)控制技術(shù)”。把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需的各個(gè)部件按一定的規(guī)律組合起來(lái)去控制被控對(duì)象，這個(gè)組合體叫做“控制系統(tǒng)”。分析與綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論稱(chēng)之為“控制理論”。下面，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明有關(guān)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念。

1.數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)控制系統(tǒng)

圖1-1所示為一數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理圖。圖1-1（a）為一種簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，輸入為一定頻率和數(shù)量的脈沖信號(hào)，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而控制工作臺(tái)的移動(dòng)（系統(tǒng)的輸出），整個(gè)過(guò)程中，對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際位置不作檢查。這種控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但從輸入信號(hào)到輸出位移的整個(gè)控制過(guò)程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的誤差均會(huì)對(duì)工作臺(tái)的位置精度造成一定的影響，因而控制精度不會(huì)很高。圖1-1（b）為一種反饋控制系統(tǒng)，測(cè)量裝置隨時(shí)測(cè)定工作臺(tái)的實(shí)際位置，然后反饋回輸入端，與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，并根據(jù)工作臺(tái)實(shí)際位置與理想位置之間的偏差決定控制動(dòng)作，進(jìn)而達(dá)到消除工作臺(tái)實(shí)際位置與理想位置之間的誤差的目的，這種控制方式的控制精度較高。圖1-1數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)控制系統(tǒng)(a)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)；(b)反饋控制系統(tǒng)

2.液面自動(dòng)控制系統(tǒng)

圖1-2所示為液面水位高度自動(dòng)控制系統(tǒng)。圖中，F(xiàn)1為放水閥，F(xiàn)2為進(jìn)水閥，K為功率放大器，D為拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)。控制系統(tǒng)要求液面的高度等于h0，即不論放水閥F1輸出的流量如何變化，系統(tǒng)總能自動(dòng)地維持其液面高度在允許的偏（誤）差范圍之內(nèi)。假設(shè)水池液面的高度因F1閥開(kāi)度的增大而降低到h1時(shí)，則系統(tǒng)立即產(chǎn)生一個(gè)與降落液面高度h0－h(huán)1成比例的誤差電壓u，該電壓經(jīng)放大器放大后供電給進(jìn)水閥的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使進(jìn)水閥F2的開(kāi)度也相應(yīng)地增大，從而使水池的液面恢復(fù)到所希望的高度h0。為了使控制系統(tǒng)的表示既簡(jiǎn)單又明了，在控制工程中一般均采用方框表示系統(tǒng)中的各個(gè)組成部件，即在每個(gè)方框中填入它所表示部件的名稱(chēng)或其功能函數(shù)的表達(dá)式，不必畫(huà)出它們的具體結(jié)構(gòu)；根據(jù)信號(hào)在系統(tǒng)中的傳遞方向，用有向線段依次把它們連接起來(lái)，就得到整個(gè)系統(tǒng)的框圖。據(jù)此，可把圖1-2所示液面控制系統(tǒng)的原理圖改用圖1-3所示的框圖來(lái)表示。顯然，后者的表示不僅比前者簡(jiǎn)單，而且信號(hào)在系統(tǒng)中的傳遞也更為清晰。在以后的討論中，控制系統(tǒng)一般均以框圖的形式表示。圖1-2液面自動(dòng)控制系統(tǒng)圖1-3圖1-2所示系統(tǒng)的方框圖

3.電爐爐溫控制系統(tǒng)

機(jī)電工業(yè)中常用的原材料，如硅鋼片在熱處理過(guò)程中需要進(jìn)行10小時(shí)連續(xù)保溫680℃后，才能達(dá)到預(yù)期的性能，這就需要對(duì)退火爐的溫度進(jìn)行控制。電爐爐溫控制系統(tǒng)的原理圖如圖1-4所示。

這里用調(diào)壓器給電爐加熱，圖中的熱電偶用來(lái)測(cè)量爐溫，它的輸出電壓u2正比于爐溫T，即u2=K2T。電壓u1為給定的基準(zhǔn)電壓，其設(shè)定值與爐溫的期望值相對(duì)應(yīng)。下面說(shuō)明爐溫控制系統(tǒng)的工作原理。圖1-4電爐爐溫控制系統(tǒng)假設(shè)系統(tǒng)已調(diào)好，處于平衡狀態(tài)，即u1=u2，Δu=0，電動(dòng)機(jī)不動(dòng)，此時(shí)爐溫T=T0=680℃。若因某種原因使?fàn)t溫T高于要求的爐溫T0，即T>T0，則有u1<u2，使得偏差Δu=u1－u2<0。經(jīng)放大后使ud≠0，ud的極性決定直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)調(diào)壓器手柄朝減小加熱電流的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使?fàn)t溫T

及反饋信號(hào)u2下降，進(jìn)而使Δu與ud下降，直到u1=u2，Δu=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電爐的溫度恢復(fù)到要求的數(shù)值。此時(shí)系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。爐溫控制系統(tǒng)方框圖如圖1-5所示。圖1-5爐溫控制系統(tǒng)方框圖

4.火炮隨動(dòng)控制系統(tǒng)

火炮隨動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)是控制火炮跟蹤敵機(jī)，以便適時(shí)開(kāi)炮擊中目標(biāo),其原理圖如圖1-6所示。圖1-6火炮隨動(dòng)系統(tǒng)原理線路圖圖中一對(duì)自整角機(jī)組成測(cè)角線路。自整角發(fā)送機(jī)Ⅰ轉(zhuǎn)軸的位置由指揮儀來(lái)控制，此軸為系統(tǒng)的輸入軸。當(dāng)炮瞄雷達(dá)搜索到目標(biāo)且目標(biāo)已進(jìn)入火炮射程之內(nèi)時(shí)，天線隨動(dòng)系統(tǒng)將進(jìn)入自動(dòng)跟蹤工作狀態(tài)。安裝在天線軸上的數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)不斷地把目標(biāo)的方位角（俯仰角）數(shù)據(jù)傳遞給指揮儀。指揮儀根據(jù)當(dāng)時(shí)氣候條件，炮彈在空中飛行的彈道，目標(biāo)在空中移動(dòng)的速度、高度等數(shù)據(jù)，計(jì)算出使炮彈與目標(biāo)在空

中相遇的火炮炮口方位角(俯仰角)應(yīng)有的數(shù)值θ1(t)。θ1(t)即為火炮隨動(dòng)系統(tǒng)的參考輸入信號(hào)。自整角接收機(jī)Ⅱ的轉(zhuǎn)子軸與火炮軸相固聯(lián)，此軸為系統(tǒng)的輸出軸。自整角機(jī)測(cè)量出系統(tǒng)的輸入軸與輸出軸之間的角差，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓。其輸出電壓的大小由角差的大小決定，而輸出電壓的相位由角差的符號(hào)決定，即

u=K(θ1－θ2)=KΔθ

式中，K為自整角機(jī)的傳遞系數(shù)，單位為V/(°)。圖1-6中的直流電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)的執(zhí)行元件，由功率放大器的輸出信號(hào)ud來(lái)控制。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸經(jīng)減速器帶動(dòng)被控對(duì)象(火炮)。下面說(shuō)明火炮隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理。(1-1)假設(shè)火炮隨動(dòng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，即θ1=θ2=0，故u=0，則直流電動(dòng)機(jī)不動(dòng)，火炮亦不動(dòng)。若自整角發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)10°，則角差Δθ=10°，使u≠0，此信號(hào)經(jīng)由相敏檢波變成直流信號(hào)，并經(jīng)功率放大使u具有足夠的功率去驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。u的極性決定電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)火炮順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)火炮軸轉(zhuǎn)過(guò)10°時(shí)，由于自整角接收機(jī)與火炮同軸相聯(lián)，因此接收機(jī)轉(zhuǎn)子也順時(shí)針轉(zhuǎn)10°，使得θ1=θ2=10°，即Δθ=0°，u=0，電動(dòng)機(jī)及火炮停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)火炮已瞄準(zhǔn)目標(biāo)。反之，若自整角發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)10°，火炮亦逆時(shí)針轉(zhuǎn)10°。實(shí)際上，角差很小時(shí)火炮就要?jiǎng)幼?。若自整角發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，則火炮也跟著發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子按相同方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，火炮的軸就始終跟隨自整角發(fā)送機(jī)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)被控制量θ2(t)始終自動(dòng)而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量θ1(t)的規(guī)律，即控制火炮自動(dòng)跟蹤敵機(jī)。這里需要兩套相同的隨動(dòng)系統(tǒng)分別控制火炮的方位角和俯仰角?；鹋陔S動(dòng)系統(tǒng)方框圖如圖1-7所示。圖1-7火炮隨動(dòng)系統(tǒng)方框圖三、控制系統(tǒng)的基本組成

由以上可知，一個(gè)典型的控制系統(tǒng)如圖1-8所示。圖中的每一個(gè)方框代表一個(gè)具有特定功能的元件。

除被控對(duì)象外，控制系統(tǒng)通常還由給定元件、測(cè)量元件（反饋元件）、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件等元件組成。這些功能元件分別承擔(dān)相應(yīng)的職能，共同完成控制任務(wù)。圖1-8典型反饋控制系統(tǒng)方框圖

(1)給定元件——主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)的元件，用于確定被控對(duì)象的給定量。

(2)測(cè)量元件——或稱(chēng)為反饋元件，主要用于測(cè)量被控變量或輸出量，并將其轉(zhuǎn)換為便于傳送的另一物理量。例如爐溫控制系統(tǒng)中的熱電偶。

(3)比較元件——用于比較輸入信號(hào)和測(cè)量環(huán)節(jié)所測(cè)得的反饋信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)小功率的偏差信號(hào)，用于對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。

(4)放大元件——為了實(shí)現(xiàn)控制，對(duì)比較元件產(chǎn)生的小功率偏差信號(hào)進(jìn)行功率放大，用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，控制被控對(duì)象。常用的放大元件類(lèi)型有電流放大、電氣—液壓放大等。

(5)執(zhí)行元件——接收放大環(huán)節(jié)送來(lái)的控制信號(hào)，直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。例如爐溫控制系統(tǒng)中直流電動(dòng)機(jī)。

(6)被控對(duì)象——控制系統(tǒng)所要操縱的對(duì)象，它的輸出量即為系統(tǒng)的被控制量。另外，在控制系統(tǒng)中還存在著各種信號(hào)，如輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、反饋信號(hào)、偏差信號(hào)、誤差信號(hào)、擾動(dòng)信號(hào)等。自動(dòng)控制的過(guò)程就是各種信號(hào)在系統(tǒng)中不斷流動(dòng)并相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程。

(1)輸入信號(hào)——由給定環(huán)節(jié)產(chǎn)生，一般指控制輸出量變化規(guī)律的信號(hào)。

(2)輸出信號(hào)——輸入的結(jié)果，它的變化規(guī)律通過(guò)控制應(yīng)與輸入信號(hào)之間保持確定的關(guān)系。

(3)反饋信號(hào)——輸出信號(hào)經(jīng)反饋元件變換后加到輸入端的信號(hào)，符號(hào)與輸入信號(hào)相同者為正反饋，符號(hào)與輸入信號(hào)相反者為負(fù)反饋。

(4)偏差信號(hào)——輸入信號(hào)與反饋信號(hào)經(jīng)比較環(huán)節(jié)相比較后產(chǎn)生的信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)放大元件放大后用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件控制被控對(duì)象，最終實(shí)現(xiàn)減小偏差信號(hào)的目的。

(5)誤差信號(hào)——輸出量實(shí)際值與期望值之差。

(6)擾動(dòng)信號(hào)——偶然的、無(wú)法人為控制的信號(hào)，分為內(nèi)擾動(dòng)信號(hào)和外擾動(dòng)信號(hào)。

以上各組成元件和控制信號(hào)構(gòu)成了一般自動(dòng)控制系統(tǒng)基本單元。此外，為了改善控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，通常還在系統(tǒng)中加上某種形式的校正裝置，主要的校正形式有反饋校正和串聯(lián)校正等。加入校正元件后的系統(tǒng)組成框圖如圖1-9所示。圖1-9加入校正元件的典型反饋控制系統(tǒng)方框圖

1.2閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制

一、反饋控制系統(tǒng)

所謂反饋控制，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來(lái)進(jìn)行控制，即通過(guò)比較系統(tǒng)輸出量與輸入量之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入端到輸出端的信號(hào)前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，兩者組成一個(gè)閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動(dòng)控制的主要形式。在工程上常把在運(yùn)行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統(tǒng)稱(chēng)為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而把用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某種過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)稱(chēng)為伺服系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)。

反饋控制系統(tǒng)由控制器、受控對(duì)象和反饋通路組成。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)起到相應(yīng)的控制作用，去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。二、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

最常見(jiàn)的系統(tǒng)控制方式分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。若系統(tǒng)的被控制量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響，則此系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其框圖如圖1-10所示。

在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入端與輸出端之間只有信號(hào)的前向通道，而不存在由輸出端到輸入端的反饋通路。因此，既不需要對(duì)被控量進(jìn)行測(cè)量，也不需要將被控量反饋到系統(tǒng)的輸入端與參考信號(hào)比較。這樣，對(duì)于一個(gè)確定的參考信號(hào)，就有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的被控制量。因此，系統(tǒng)的控制精度將取決于控制器及被控對(duì)象的參數(shù)穩(wěn)定性。也就是說(shuō)，欲使開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)具有滿足要求的控制精度，則系統(tǒng)各部分的參數(shù)值，在工作過(guò)程中都必須嚴(yán)格保持在事先校準(zhǔn)的量值上，這就必須對(duì)組成系統(tǒng)的元部件質(zhì)量提出嚴(yán)格的要求。顯然，當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)會(huì)引起被控制信號(hào)較大的變化，系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化同樣會(huì)引起被控制信號(hào)較大的變化，這就是說(shuō)，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)沒(méi)有抗干擾能力。圖1-10開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)三、閉環(huán)控制系統(tǒng)

凡是系統(tǒng)的被控制量對(duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)都叫閉環(huán)控制系統(tǒng)，其方框圖如圖1-11所示。

閉環(huán)控制系統(tǒng)工作的機(jī)理是：將系統(tǒng)的輸出信號(hào)引回到輸入端，與輸入信號(hào)相比較，利用所得的偏差信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到減小偏差或消除偏差的目的。顯然這就是負(fù)反饋控制原理，它是構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心。在實(shí)踐中，反饋控制和閉環(huán)控制這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)常常交換使用。圖1-11閉環(huán)控制系統(tǒng)在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，需要對(duì)被控制信號(hào)不斷地進(jìn)行測(cè)量、變換并反饋到系統(tǒng)的控制端與參考輸入信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)，實(shí)現(xiàn)按偏差控制。如在前面介紹的隨動(dòng)控制系統(tǒng)和爐溫控制系統(tǒng)就是閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子。

由于閉環(huán)控制系統(tǒng)采用了負(fù)反饋，使系統(tǒng)的被控制信號(hào)對(duì)外界干擾和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化都不敏感，即閉環(huán)控制抗干擾能力強(qiáng)，這樣就有可能采用成本低的元部件構(gòu)成精確的控制系統(tǒng)，而開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)則做不到這一點(diǎn)。四、開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較

一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本較低。當(dāng)系統(tǒng)輸入量與輸出量的變化規(guī)律能預(yù)先知道，并且既不存在內(nèi)部擾動(dòng)也不存在外部擾動(dòng)，或者對(duì)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的干擾，可以有辦法抑制時(shí)，才能采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。目前，一些自動(dòng)化裝置，如自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)、交通信號(hào)燈等，一般都是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是控制精度不高，抑制干擾能力差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感。當(dāng)系統(tǒng)的控制量和干擾量均無(wú)法事先預(yù)知時(shí)，就必須采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，不論是輸入信號(hào)的變化，或者干擾的影響，或者系統(tǒng)內(nèi)部的變化，只要被控量偏離了規(guī)定值，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作去消除偏差。因此，閉環(huán)控制抑制干擾能力強(qiáng)，與開(kāi)環(huán)控制相比，系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化不敏感，可以選用不太精密的元件構(gòu)成較為精密的控制系統(tǒng)，獲得滿意的動(dòng)態(tài)特性和控制精度。但是采用反饋裝置需要添加元部件，造價(jià)較高，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。如果系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)選取不適當(dāng)，則控制過(guò)程可能變得很差，甚至出現(xiàn)振蕩或發(fā)散等不穩(wěn)定的情況。因此，如何分析系統(tǒng)，合理選擇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而獲得滿意的系統(tǒng)性能，是自動(dòng)控制理論必須研究和解決的問(wèn)題。

從系統(tǒng)的穩(wěn)定性來(lái)考慮，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)容易解決，因而不是十分重要的問(wèn)題。但對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性始終是一個(gè)重要問(wèn)題，因閉環(huán)控制系統(tǒng)可能引起系統(tǒng)振蕩，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。如果要求實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而準(zhǔn)確度較高的控制任務(wù)，則可將開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制適當(dāng)結(jié)合起來(lái)，組成一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)而性能較好的復(fù)合控制系統(tǒng)。

1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型

自動(dòng)控制系統(tǒng)可以從不同的角度進(jìn)行分類(lèi)。如按照分析和設(shè)計(jì)的方法，通?？煞譃榫€性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)，時(shí)變控制系統(tǒng)和非時(shí)變控制系統(tǒng)。按照系統(tǒng)參考輸入信號(hào)的變化規(guī)律，分為恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)。按照系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號(hào)的性質(zhì)，又可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。此外，也有的按照組成系統(tǒng)元件的種類(lèi)來(lái)劃分，如機(jī)電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)和生物控制系統(tǒng)等。若按照被控制量的名稱(chēng)來(lái)分類(lèi)，有溫度控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和張力控制系統(tǒng)等。這里只介紹下列三種常用的分類(lèi)方法，使讀者在分析和設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)之前，對(duì)它們的特征有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。一、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)

若組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性，則稱(chēng)這種系統(tǒng)為線性控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的輸入與輸出間的關(guān)系一般用微分方程、傳遞函數(shù)來(lái)描述，也可以用狀態(tài)空間表達(dá)式來(lái)表示。線性控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有齊次性、適用疊加原理。如果線性控制系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時(shí)間而變化，則稱(chēng)為線性定常控制系統(tǒng)；反之，則稱(chēng)為線性時(shí)變控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中，如有一個(gè)或一個(gè)以上的元件具有非線性特性，則稱(chēng)該系統(tǒng)為非線性控制系統(tǒng)。常見(jiàn)的非線性特性有飽和特性、死區(qū)特性、間隙特性、繼電特性、磁滯特性等，如圖1-12所示。非線性系統(tǒng)一般不具有齊次性，也不適用疊加原理，而且它的輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性與其初始狀態(tài)有很大的關(guān)系。非線性理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那么完整，一般只能做近似的定性描述和數(shù)值計(jì)算。圖1-12非線性特性舉例(a)飽和特性；(b)死區(qū)特性；(c)磁滯特性；(d)繼電特性；(e)死區(qū)繼電特性；(f)磁環(huán)繼電特性；嚴(yán)格地說(shuō)，絕對(duì)的線性控制系統(tǒng)(或元件)是不存在的，因?yàn)樗械奈锢硐到y(tǒng)和元件在不同的程度上都具有非線性特性。為了簡(jiǎn)化對(duì)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，在一定的條件下，可以對(duì)某些非線性特性作線性化處理。這樣，非線性系統(tǒng)就近似為線性系統(tǒng)，從而可以用分析線性系統(tǒng)的理論和方法對(duì)它進(jìn)行研究。

工程上有時(shí)為了改善控制系統(tǒng)的性能，常常人為地引入某種非線性元件。例如為了實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間控制，采用開(kāi)關(guān)型的控制方式；又如在由晶閘管組成的整流裝置的直流調(diào)速系統(tǒng)中，為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和限制電動(dòng)機(jī)的最大電流，有意識(shí)地把速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成具有飽和非線性特性的器件。二、恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)

恒值控制系統(tǒng)的參考輸入為常量，要求它的被控制量在任何擾動(dòng)的作用下能盡快地恢復(fù)(或接近)到原有的穩(wěn)態(tài)值。圖1-1所示的液面控制系統(tǒng)就屬于恒值控制系統(tǒng)。由于這類(lèi)系統(tǒng)能自動(dòng)地消除或削弱各種擾動(dòng)對(duì)被控制量的影響，因此它又名為自鎮(zhèn)定系統(tǒng)。

隨動(dòng)控制系統(tǒng)的參考輸入是一個(gè)變化的量，一般是隨機(jī)的，要求系統(tǒng)的被控制量能快速、準(zhǔn)確地跟隨參考輸入信號(hào)的變化而變化。圖1-3所示的火炮隨動(dòng)控制系統(tǒng)就是一個(gè)位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)。三、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)

如果控制系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)，則稱(chēng)這類(lèi)系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)。前面所舉的液面控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)都屬于這類(lèi)控制系統(tǒng)。

在控制系統(tǒng)各部分的信號(hào)中，只要有一個(gè)是時(shí)間t的離散信號(hào)，則稱(chēng)這種系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。顯然，脈沖和數(shù)碼都屬于離散信號(hào)。圖1-13所示的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是一種常見(jiàn)的離散控制系統(tǒng)。圖1-13計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖

1.4對(duì)控制系統(tǒng)性能的基本要求

如上所述，恒值控制系統(tǒng)的任務(wù)是使系統(tǒng)的被控制量不受擾動(dòng)的影響，輸出力求等于參考輸入信號(hào)所要求的期望輸出值；隨動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是要求其被控制量能準(zhǔn)確、迅速地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。實(shí)際上，這些要求并不能百分之百地辦到，而只能近似地得到實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)橄到y(tǒng)中總存在著一些不同性質(zhì)的儲(chǔ)能元件，例如機(jī)械的慣性、電路中的電容與電感等。因而，即使在系統(tǒng)中加了校正裝置，系統(tǒng)的誤差量也不會(huì)立即被完全消除。從另一方面考慮，由于系統(tǒng)具有的能源功率有限，系統(tǒng)的放大能力必然也受限制，因而它運(yùn)動(dòng)的加速度有限，相應(yīng)的速度和位移就不可能在瞬間發(fā)生突變，而必須經(jīng)歷一段時(shí)間，即系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)必然是一個(gè)漸變的過(guò)程——?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)過(guò)程。此外，由于檢測(cè)元件本身制造上的誤差和機(jī)械傳動(dòng)間隙等因素，都會(huì)影響系統(tǒng)的控制精度。因此，對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，只要求在可能的范圍內(nèi)盡量滿足其技術(shù)上的要求。在輸入量的作用下，系統(tǒng)的輸出變量由初始狀態(tài)達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)的中間變化過(guò)程稱(chēng)為過(guò)渡過(guò)程，又稱(chēng)瞬態(tài)過(guò)程。過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后的輸出響應(yīng)稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)過(guò)程。系統(tǒng)的輸出響應(yīng)由過(guò)渡過(guò)程和穩(wěn)態(tài)過(guò)程組成。對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求一般從以下三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)。

1.系統(tǒng)的穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是對(duì)控制系統(tǒng)最基本的要求。所謂系統(tǒng)穩(wěn)定，粗略地說(shuō)，就是當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，系統(tǒng)的被控制量雖然偏離了原來(lái)的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動(dòng)一撤離，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，如果系統(tǒng)仍能回到原有的平衡狀態(tài)，則稱(chēng)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，當(dāng)其內(nèi)部參數(shù)稍有變化或初始條件改變時(shí)，仍能正常地進(jìn)行工作?？紤]到系統(tǒng)在工作過(guò)程中的環(huán)境和參數(shù)的變化，因而實(shí)際系統(tǒng)不僅要求能穩(wěn)定，而且還要求留有一定的穩(wěn)定裕量。

2.響應(yīng)的快速性

控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定，而且還要求系統(tǒng)的響應(yīng)具有一定的快速性，這對(duì)于某些系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)。快速性是指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快速程度。

3.響應(yīng)的準(zhǔn)確性

響應(yīng)的準(zhǔn)確性是指調(diào)整過(guò)程結(jié)束后，輸出量與給定輸入量之間的偏差程度，即系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。系統(tǒng)在擾動(dòng)信號(hào)作用下，其輸出必然偏離原平衡狀態(tài)。由于系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用，其輸出量會(huì)逐漸向原平衡狀態(tài)方向恢復(fù)。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的輸出量若不能恢復(fù)到原平衡狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)態(tài)值，則所產(chǎn)生的差值叫做擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差。這種誤差越小，表示系統(tǒng)抗擾動(dòng)的能力越強(qiáng)，其穩(wěn)態(tài)精度也越高。由于被控對(duì)象具體情況的不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性要求的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。例如隨動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度的要求較高，而恒值控制系統(tǒng)一般卻側(cè)重于穩(wěn)定性能和抗擾動(dòng)的能力。對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)，穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性這三項(xiàng)性能指標(biāo)之間往往是相互制約的。例如為了提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性和穩(wěn)態(tài)精度，就需要增大系統(tǒng)的放大能力，而放大能力的提高，必然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差，甚至?xí)瓜到y(tǒng)變的不穩(wěn)定。反之，若強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程穩(wěn)定性的要求，系統(tǒng)的增益系數(shù)就應(yīng)較小，這又會(huì)使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度降低和響應(yīng)的快速性變差。

1.5本課程的性質(zhì)和任務(wù)

控制工程基礎(chǔ)是一門(mén)研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要講述自動(dòng)控制技術(shù)中最基本的基礎(chǔ)理論,以及分析、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的一般方法。概括起來(lái)本課程的主要研究任務(wù)包括以下幾個(gè)方面。

1．系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析是指在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)已知、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型