控制工程基础第一章绪论

1、pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院1主要内容主要内容第一节第一节 控制论的基本含义控制论的基本含义第第二二节节 控制的基本方式控制的基本方式第第三三节节 反馈控制系统的基本组反馈控制系统的基本组成成第四节第四节 控制系统控制系统的分类的分类第五节第五节 控制系统的性能要求控制系统的性能要求 第六节第六节 自动控制的应用举例自动控制的应用举例第七节第七节 MATLAB MATLAB在控制系统中的应用在控制系统中的应用第八节第八节 本课程的特点与学习方法本课程的特点与学习方法 pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院2 在工农业生产、交通运

2、输、国防建设、科学研在工农业生产、交通运输、国防建设、科学研究及日常生活等各个领域，自动控制技术的应用非究及日常生活等各个领域，自动控制技术的应用非常广泛。常广泛。 从工艺过程中对压力温度、湿度、粘度和流量从工艺过程中对压力温度、湿度、粘度和流量的控制到机械制造业中机械零件的加工、处理和装的控制到机械制造业中机械零件的加工、处理和装配，自动控制技术都是其重要的组成部分。太空航配，自动控制技术都是其重要的组成部分。太空航行、人造卫星等高新尖技术中，更渗透着控制工程行、人造卫星等高新尖技术中，更渗透着控制工程的辉煌成果。的辉煌成果。 自动控制理论与实践的不断发展，为人们提供自动控制理论与实践的不断

3、发展，为人们提供了设计最佳系统的方法，大大提高了生产率，同时了设计最佳系统的方法，大大提高了生产率，同时促进了技术的进步。促进了技术的进步。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院3第一节第一节 控制论的基本含义控制论的基本含义 控制控制（Control）：）：是指由是指由人或用控制装置人或用控制装置使使受控受控对象对象按照一定目的来动作所进行的操作。按照一定目的来动作所进行的操作。 例：用微型计算机控制热处理炉的炉温使之保例：用微型计算机控制热处理炉的炉温使之保持某个恒定值或按一定规律变化，其中，热处理炉持某个恒定值或按一定规律变化，其中，热处理炉就是就是受控对象受

4、控对象（Controlled Object）。温度为温度为被控量被控量(Controlled Variable)。要求被控量保持的数值或变化。要求被控量保持的数值或变化规律，称为被控量的规律，称为被控量的期期望望值值。而。而操作或控制的任务操作或控制的任务就是使受控对象的被控量等于或按一定精度符合期就是使受控对象的被控量等于或按一定精度符合期望值。望值。一、一、 控制的含义控制的含义pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院4指控制的任务由人来完成。指控制的任务由人来完成。人工控制：人工控制：自动控制：自动控制： 指控制的任务用控制装置来完成，指控制的任务用控制装置来完

5、成，而人不经常直接参与。而人不经常直接参与。 自动控制系统：自动控制系统： 一般由控制装置和被控对象组成。一般由控制装置和被控对象组成。煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制自行车速度控制自行车速度控制汽车驾驶汽车驾驶收音机音量调节收音机音量调节电饭煲电饭煲空调空调抽水马桶抽水马桶声控光控路灯声控光控路灯电动机转速控制电动机转速控制导弹飞行控制导弹飞行控制控制的控制的分类分类pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院5受控对象：受控对象：被控制的装置。被控制的装置。被控量：被控量：表征被控对象工作状态的物理量。表征被控对象工作状态的物理量。期望值：期望

6、值：被控量所应保持的数值或变化规律。被控量所应保持的数值或变化规律。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院6控制量控制量:阀门开阀门开度（蒸汽流量）度（蒸汽流量）例例 水温人工控制系统水温人工控制系统 受控对象受控对象:水箱水箱系统的构成：系统的构成：被控制量被控制量:水温水温 蒸汽通蒸汽通过热传导器过热传导器件把热量传件把热量传递给水递给水,水的水的温度与蒸汽温度与蒸汽的流量成正的流量成正比比. 手动调手动调节阀门的开节阀门的开度，从而调度，从而调节蒸汽的流节蒸汽的流量量,来控制水来控制水的温度的温度.但人工难以实现稳定的高质量控制但人工难以实现稳定的高质量控制.

7、 pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院7例例 水温自动控制系统水温自动控制系统系统中增加了：系统中增加了：控制器控制器电机电机加入给定信号加入给定信号工作原理：工作原理：检测实际温度检测实际温度产生控制信号产生控制信号 通过电机调通过电机调节阀门的开度节阀门的开度 从而调节蒸从而调节蒸汽流入，控制汽流入，控制水的温度水的温度. 实实现没有人直接现没有人直接参入的自动水参入的自动水温控制温控制.控制器控制器pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院8 任何实际运行的物理系统都是任何实际运行的物理系统都是因果系统因果系统，输出，输出(Outpu

8、t Variable)（或称响应）是输入（或称响应）是输入（Input- Variable）（或称激励）引起的后果。或称激励）引起的后果。 自动控制系统的自动控制系统的输入称为给定量输入称为给定量(Reference- Variable)或称参考输入量或称参考输入量，输出就是被控量。输出就是被控量。图图1-1-1 1-1-1 系统方框图系统方框图输入量输入量系统系统输出量输出量 这种关系可以用由方框及输入输出箭头表示的这种关系可以用由方框及输入输出箭头表示的方框图方框图（Block Diagram）来描述来描述 。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院9二二、工程控

9、制论、工程控制论 工程控制论工程控制论研究以工程技术为对象的控制论问研究以工程技术为对象的控制论问题。具体地讲，是研究在这一工程领域中广义系统题。具体地讲，是研究在这一工程领域中广义系统的动力学问题，的动力学问题，也就是研究系统及其输入、输出三也就是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。者之间的动态关系。 例如，在机床数控技术中，调整到一定状态的例如，在机床数控技术中，调整到一定状态的数控机床就是系统，数控指令就是输入，数控机床就是系统，数控指令就是输入，而数控机而数控机床有关的运动就是输出。床有关的运动就是输出。 pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院10输入

10、或输入中的有关信息输入或输入中的有关信息。控制工程主要研究并解决的问题控制工程主要研究并解决的问题：(1)(1)系统分析系统分析: :(2)(2)系统的最优控制系统的最优控制：(3)(3)最优设计最优设计：(4)(4)系统辨识系统辨识（系统识别系统识别）： (5)(5)滤波与预测滤波与预测：当系统已定且输入已知时，求出系统当系统已定且输入已知时，求出系统的的输出输出 ( (响应响应) )，并通过输出研究系统本身的有关问题，并通过输出研究系统本身的有关问题。也已给定也已给定 ， 要确定系统的输入应使输出尽可能符合给要确定系统的输入应使输出尽可能符合给定的最佳要求定的最佳要求。当系统已定，且系统的

11、输出当系统已定，且系统的输出系统系统以以使得输出尽可能符合给定的最佳要求使得输出尽可能符合给定的最佳要求。 当输入已知且输出也给定时，确定当输入已知且输出也给定时，确定当输入与输出均已知时当输入与输出均已知时求出系统的结构与参数。求出系统的结构与参数。当系统已定，当系统已定， 输出已知时，识别输出已知时，识别pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院11三三、控制理论的内容、控制理论的内容控制理论控制理论经典控制理论经典控制理论(19(19世纪中叶世纪中叶-20-20世纪世纪5050年代年代) )现代控制理论现代控制理论(60(60年代以来年代以来) ) 具有具有“自动

12、自动”功能的装置自古有之，瓦功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。 麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于1868年发表的论文当属最早的理论工作。年发表的论文当属最早的理论工作。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院12 从从20世纪世纪20年代到年代到40年代形成了以时年代形成了以时域法，频率法和根轨迹法为支柱的域法，频率法和根轨迹法为支柱的“古典古典”控制理论。控制理论。 60年代以来，随着计算机技术

13、的发年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生了基于展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的所谓状态空间模型的所谓“现代现代”控制理论。控制理论。 近年来，在非线性系统理论、离散近年来，在非线性系统理论、离散事件系统、大系统和复杂系统理论以及专事件系统、大系统和复杂系统理论以及专家系统、模糊控制和人工神经网络控制等家系统、模糊控制和人工神经网络控制等方面均有不同程度的发展。方面均有不同程度的发展。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院13一、反馈一、反馈 根据反馈信号对输入信号的影响不同将其分为根据反馈信号对输入信号的影响不同将其分为正反馈

14、正反馈和和负反馈负反馈。信息反馈是最基信息反馈是最基本的自动控制原本的自动控制原理。理。第二节第二节 控制的基本方式控制的基本方式反馈回去的信号与原系统的反馈回去的信号与原系统的输入信号的作用性质相反输入信号的作用性质相反（或相位相（或相位相180）反馈回去的信号与原系统的输反馈回去的信号与原系统的输入信号的作用性质或相位相同入信号的作用性质或相位相同 反馈：反馈：把输出量送回到系统的输入端，并与输把输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程。入信号比较的过程。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院14 人用手取桌子上的书，就是一个负反馈系统。这人用手取桌子上

15、的书，就是一个负反馈系统。这个负反馈控制系统的基本组成及工作原理可以用一个个负反馈控制系统的基本组成及工作原理可以用一个闭环的方框图表示。闭环的方框图表示。图图1-1-2-1 2-1 人取书的反馈控制方框图人取书的反馈控制方框图输入信号输入信号(书位置书位置)眼睛眼睛大脑大脑手臂、手手臂、手输出信号输出信号(手位置手位置)眼睛眼睛 可见可见反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行闭环控制的过程。闭环控制的过程。 pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院15 图图1-1-2 2- -4 4 开环控制系统开环控制系统控制器控制器输入输入输出

16、输出控制对象控制对象 系统的输出量对系统无控制作用，系统的输出量对系统无控制作用，或者说系统中无反馈回路的系统，或者说系统中无反馈回路的系统，称为开环控制系称为开环控制系统统(Open Loop Control System)。开环系统的方框图如开环系统的方框图如图图1-1-2 2- -4 4所示。所示。二、二、控制的基本方式控制的基本方式 系统的输出量对系统有控制作用，系统的输出量对系统有控制作用，或者说系统中存在反馈回路的系统，称为闭环控制系或者说系统中存在反馈回路的系统，称为闭环控制系统统(Closed Loop Control System)。 闭环控制系统的方框图闭环控制系统的方框图

17、如图如图1-1-2 2- -5 5所示。所示。（一）开环控制：（一）开环控制：（二）（二）闭环控制闭环控制：控制器控制器输入输入输出输出控制对象控制对象图图1-1-2 2- -5 5闭环控制系统闭环控制系统pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院16功率放大器+-负载电动机n uguaueuD给定 偏差例例 转台速度开环控制系统转台速度开环控制系统转台转台 电机电机电源和放电源和放 大装置大装置速度设置速度设置系统组成：系统组成：由图可见：由图可见： 速度设置信号通速度设置信号通过功率放大以后，过功率放大以后，提供给电动机驱动提供给电动机驱动电源，电动机带动电源，电动

18、机带动转台旋转。转台旋转。 由于被控制量由于被控制量速度没有反馈到速度没有反馈到输入端与给定信输入端与给定信号比较号比较,为开环控为开环控制系统。制系统。给定给定速度速度实际实际转速转速系统结构图系统结构图:放大放大器器直流电动机直流电动机转台转台 这种转台在这种转台在C D 机、计算机机、计算机磁盘驱动器等许磁盘驱动器等许多现代装置中广多现代装置中广泛应用泛应用.图图1-2-6 1-2-6 转台速度开环控制系统转台速度开环控制系统pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院17结构简单，结构简单，控制精度不高，无法抑制扰动。控制精度不高，无法抑制扰动。容易容易设计和调整

19、以及成本较低的优点，对那些负设计和调整以及成本较低的优点，对那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式。系统，是有效的控制方式。开环控制的特点：开环控制的特点：pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院18 当速度受扰动当速度受扰动发生变化时，偏发生变化时，偏差电压也随之变差电压也随之变化，通过闭环调化，通过闭环调节能消除干扰。节能消除干扰。例例 转台速度闭环控制系统转台速度闭环控制系统 系统中增加了系统中增加了测速发电机作为测速发电机作为反馈装置反馈装置 测出电动机的测出电动机的速度反馈给控制速度反馈给控制

20、器。器。 与给定信号比较产生偏差电压，经过与给定信号比较产生偏差电压，经过功率放大后对电动机的速度进行闭环控制功率放大后对电动机的速度进行闭环控制.系统结构图系统结构图测速机测速机偏差偏差预 期预 期速度速度实 际实 际转速转速放大器放大器_直流电动机直流电动机转台转台图图1-2-7 1-2-7 转台速度闭环控制系统转台速度闭环控制系统pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院19 （3）能减小或消除由扰动形成的偏差，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。闭环控制系统的特点：闭环控制系统的特点： （1）系统的控制信号是给定值与反馈量的差值，故称为按偏差控制或反馈控制。 （

21、2）闭环系统有两种传输通道：前向通道和反馈通道。自动控制原理中主要讨论闭环控制系统。自动控制原理中主要讨论闭环控制系统。 反馈是控制的精髓pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院20 直流电动机速度控制系统直流电动机速度控制系统图图1-2-1-2-8 8直流电动机速度自动控制的原理结构图直流电动机速度自动控制的原理结构图功率放大器U电动机测速发电机电位器 输入信号输入信号测量元件测量元件(变送器变送器)偏差信号偏差信号控制器控制器受控对象受控对象控制的任务：使受控对象的被控量等于控制的任务：使受控对象的被控量等于或按照一定的精度符合希望值。或按照一定的精度符合希望值。

22、由于有由于有“反馈反馈”作用的存在作用的存在，具有自动修正被控制量，具有自动修正被控制量出现偏差的能力，可以修正元件参数变化及外界扰出现偏差的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差。动引起的误差。 由于反馈的存由于反馈的存在，控制系统在，控制系统可能出现可能出现“振振荡荡”。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院21功率放大器电压放大器+-负载测速发电机nuguaufueud在这种（闭环）系统中，测量元件测的是被在这种（闭环）系统中，测量元件测的是被控量（转速控量（转速n），所以，无论任何因素，只），所以，无论任何因素，只要要n变化，就可以自动调节，消除或减

23、小这变化，就可以自动调节，消除或减小这种变化。种变化。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院22 复合控制实质上是在闭环控制回路的基础上，附复合控制实质上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号（给定信号或扰动信号）的顺馈通路，加一个输入信号（给定信号或扰动信号）的顺馈通路，对该输入信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效对该输入信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果。常见的方式有以下两种：果。常见的方式有以下两种：（一）附加给定输入补偿的复合控制（一）附加给定输入补偿的复合控制（二）附加扰动输入补偿的复合控制（二）附加扰动输入补偿的复合控制 这是一种对控制能力的

24、加强作用，往往提供的是这是一种对控制能力的加强作用，往往提供的是输入信号的微分，起到超前控制作用。输入信号的微分，起到超前控制作用。保证系统输出与作用在系统上的扰动完全无关保证系统输出与作用在系统上的扰动完全无关。三、复合控制三、复合控制pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院23（一）附加给定输入补偿的复合控制（一）附加给定输入补偿的复合控制 图图1-2-1-2-9 9给出了附加给定输入补偿复合控制方框给出了附加给定输入补偿复合控制方框图。通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信图。通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提

25、号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。高系统的跟踪能力。比较器比较器输入输入图图1-2-1-2-9 9 附加给定输入补偿的复合控制附加给定输入补偿的复合控制补偿装置补偿装置被控对象被控对象输出输出控制器控制器pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院24（二）附加扰动输入补偿的复合控制（二）附加扰动输入补偿的复合控制 图图1-2-11-2-10 0给出了附加扰动输入补偿的复合控制方给出了附加扰动输入补偿的复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起到对扰动影响到对扰动影响“防患未然防患未然”的

26、效果。的效果。图图1-2-1-2-1 10 0 附加扰动输入补偿的复合控制附加扰动输入补偿的复合控制补偿装置补偿装置输入输入比较器比较器控制器控制器被控对象被控对象输出输出扰动扰动pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院25第三节第三节 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成图图1-3-1 1-3-1 反馈控制系统基本组成反馈控制系统基本组成测量元件测量元件给定元件给定元件输入量输入量串联校正串联校正元件元件执行元件执行元件+放大变换放大变换元件元件被控对象被控对象输出量输出量并联正并联正元件元件主反馈主反馈局部反馈局部反馈扰扰动动量量r(t)e(t)b(t)n

27、(t)c(t)pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院26将组成系统的职能元件按职能分类主要有以下几种：将组成系统的职能元件按职能分类主要有以下几种：给定元件给定元件(Reference Element)：测量元件测量元件(Measurement Element):比较元件比较元件(Comparison Element)：放大元件放大元件(Amplification Element)：执行元件执行元件(Actuator Element)：校正元件校正元件(Correction Element)：用于给出输入信号的环节，用于给出输入信号的环节，出现在反馈回路中出现在反馈

28、回路中。用于把测量元件检测到的用于把测量元件检测到的用于将比较元件给出的用于将比较元件给出的用于直接驱动被控对象，用于直接驱动被控对象，其参数可灵活调整，以改善其参数可灵活调整，以改善以确定被控对象的目标值以确定被控对象的目标值。用于检测被控量，通常用于检测被控量，通常实际输出值经过变换与给定元件给出的输入值进行比较，求出实际输出值经过变换与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差它们之间的偏差。偏偏差差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控对象对象。使使被控量发生变化被控量发生变化。系系统的性能统的性能。pagepage控

29、制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院27 用方框表示各个元件，用单向箭头表示各种不同的信号和用方框表示各个元件，用单向箭头表示各种不同的信号和流向流向。自动控制系统的基本变量及表示符号统一表示为如下形自动控制系统的基本变量及表示符号统一表示为如下形式：式：输入信号输入信号r(t):反馈信号反馈信号b(t)：输出信号输出信号c(t):误差信号误差信号(t)：偏差信号偏差信号e(t)：扰动信号扰动信号n(t)：给定量，代表输出的期望值。给定量，代表输出的期望值。 被控制量，表征对象过程的状态和性能。被控制量，表征对象过程的状态和性能。 正反馈使控制作用加强，负反馈使控制作用减小。正反馈

30、使控制作用加强，负反馈使控制作用减小。 比较元件的输出，等于输入信号与主反馈信号比较元件的输出，等于输入信号与主反馈信号输出信号的期望值与实际值之差。输出信号的期望值与实际值之差。来自系统内部或外部的、干扰和破坏系统具有来自系统内部或外部的、干扰和破坏系统具有之差。之差。 预定性能和预定输出的信号。预定性能和预定输出的信号。 pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院28单回路系统单回路系统：只包含一个主反馈通道的系统只包含一个主反馈通道的系统。 多回路系统：多回路系统：有两个或两个以上反馈通道的系统。有两个或两个以上反馈通道的系统。 单位反馈单位反馈 （Unit Fe

31、edback）系统：系统：系统的主反馈信号系统的主反馈信号直接取自系统的输出端而不经过任何变换。直接取自系统的输出端而不经过任何变换。 非单位反馈系统：非单位反馈系统：系统的主反馈信号是由输出信号经反系统的主反馈信号是由输出信号经反馈元件变换而得。馈元件变换而得。 前向通道前向通道（Forward Path） ： 信号从输入端沿箭头方向到信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道。达输出端的传输通道。 反馈通道反馈通道（Feedback Path）: : 与前向通道信号传递方向相与前向通道信号传递方向相反的通道。反的通道。 从输出端到输入端的反馈称为从输出端到输入端的反馈称为主反馈主反馈(Ma

32、in Feedback)。 从中间环节到输入端或从输出端到中间环节的反馈称为从中间环节到输入端或从输出端到中间环节的反馈称为局部反馈局部反馈(Local Feedback)。 pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院29第四节第四节 控制系统的分类控制系统的分类一、按给定信号的特征分类一、按给定信号的特征分类二、二、按描述系统的数学模型不同来分按描述系统的数学模型不同来分三、三、按系统传递信号的性质分类按系统传递信号的性质分类四四、按系统的输入按系统的输入/ /输出信号的数量来分输出信号的数量来分五五、按微分方程的性质分类按微分方程的性质分类六六、其它分类方法其它分类

33、方法 pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院30一、按给定信号的特征分类一、按给定信号的特征分类 （一）恒值控制系统（一）恒值控制系统( (或称自动调节系统或称自动调节系统) )（二）过程控制系统（二）过程控制系统( (或称程序控制系统或称程序控制系统) ) 特点：特点：输入信号是一个恒定的数值输入信号是一个恒定的数值。主要研究各种干扰对。主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰，使被控量保持恒定的系统输出的影响以及如何克服这些干扰，使被控量保持恒定的希望值，基本控制过程是抗扰过程希望值，基本控制过程是抗扰过程( (自动调节过程自动调节过程) )，所以也

34、称，所以也称为为自动调节系统自动调节系统。 特点：特点：输入信号是已知的时间函数输入信号是已知的时间函数，系统的控制过程按预，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。（三）（三）随动控制系统随动控制系统 特点：特点：输入信号是一个未知的时间函数输入信号是一个未知的时间函数，给定量的变化，给定量的变化规律是事先不知道的或不需要知道的。规律是事先不知道的或不需要知道的。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院31例如：电机速度控制、恒温、恒压、水例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统等。位控制系统等。 p

35、agepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院32 例如：例如：机械手机械手自动化生产线：自动化生产线：pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院33如：火炮自动跟踪系统、轮舵位置控制系统等。如：火炮自动跟踪系统、轮舵位置控制系统等。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院34放大装置放大装置例例 位置随动系统位置随动系统环型电位器环型电位器电机电机电源电源齿轮齿轮系统组成：系统组成：负载负载输入输入r输出输出c工作过程：工作过程：r=cUd= 0UdrcUd0电动机带动齿轮转动电动机带动齿轮转动,调节调节c,使使 r= c电

36、动机静止电动机静止系统结构图系统结构图r r_电位器电位器m m c cu ue eu ud d放大器放大器电动机电动机减速器减速器+-cccrrucuauecruuur减速器船舵角位置给定值，表示命令角的位置负载Epagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院35二、按描述系统的数学模型不同来分二、按描述系统的数学模型不同来分（一（一) )线性系统线性系统 由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系线性定常系统统。线性系统的线性系统的主要特点

37、是具有叠加性和齐次性主要特点是具有叠加性和齐次性，即当即当系统的输入分别为系统的输入分别为r r1 1( (t t) )和和r r2 2( (t t) )时，对应的输出分别为时，对应的输出分别为c c1 1( (t t) )和和c c2 2( (t t) )，则当输入为则当输入为r r( (t t)=)=a a1 1r r1 1( (t t)+)+a a2 2r r2 2( (t t) )时，输时，输出量为出量为c c( (t t)=)=a a1 1c c1 1( (t t)+)+a a2 2c c2 2( (t t) )（a a1 1、a a2 2为常系数为常系数）。）。经典控制理论以连续线

38、性定经典控制理论以连续线性定常控制系统为研究对象。常控制系统为研究对象。( (二）非线性系统二）非线性系统pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院36（二）非线性系统（二）非线性系统非线性的理论研究一般只能近似的非线性的理论研究一般只能近似的定性描述和数值计算定性描述和数值计算。严格来说，任何物理系统的特性都严格来说，任何物理系统的特性都是非线性的。是非线性的。注意注意： 在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，该系统为非线性系统。时，该系统为非线性系统。非线性系统不满足叠加性或齐非线性系统不满足叠加性或齐次性。

39、次性。由非线性方程描述的系统。由非线性方程描述的系统。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院37 系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传递的控制系统。其主要特点是：系统中用的形式传递的控制系统。其主要特点是：系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。可分为脉冲控制系统和数字控制系统。可分为脉冲控制系统和数字控制系统。三、按系统传递信号的性质分类三、按系统传递信号的性质分类（一）连续系统（一）连续系统 系统各部分的信号都是时间的连续函数。如电系统各部分的信号都是

40、时间的连续函数。如电动机速度自动控制系统。动机速度自动控制系统。（二）离散系统（二）离散系统pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院38四、按系统的输入四、按系统的输入/ /输出信号的数量来分输出信号的数量来分类类（一）单输入单输出系统（一）单输入单输出系统 系统只有一个输入量和一个输出量，而不考虑系统内部系统只有一个输入量和一个输出量，而不考虑系统内部的通道与结构。的通道与结构。（二）多输入多输出系统（二）多输入多输出系统具有多个输入信号和多个输出信号的系统。具有多个输入信号和多个输出信号的系统。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院39

41、五、按微分方程的性质分类五、按微分方程的性质分类（一）集中参数系统（一）集中参数系统 系统中的参量是定常的或是时间的函数，系统的各状态系统中的参量是定常的或是时间的函数，系统的各状态（输入量输出量及中间量）都是时间的函数。（输入量输出量及中间量）都是时间的函数。（二）（二）分布参数系统分布参数系统 至少有一个环节需用偏微分方程描述其运动，系统的输至少有一个环节需用偏微分方程描述其运动，系统的输出将不再单纯是时间变量的函数，而且还是系统内部状态变出将不再单纯是时间变量的函数，而且还是系统内部状态变量的函数量的函数。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院40六、其它分类

42、方法六、其它分类方法 （一）（一）按控制系统的功能来分：按控制系统的功能来分：温度控制系统温度控制系统速度控制系统速度控制系统位置控制系统位置控制系统 （二）（二）按系统元件组成来分：按系统元件组成来分：机电系统机电系统液压系统液压系统生物系统生物系统 （三）（三）按不同的控制理论分支设计的新型控制系统按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分来分：最优控制系统最优控制系统自适应控制系统自适应控制系统预测控制系统预测控制系统模糊控制系统模糊控制系统 神经网络控制系统神经网络控制系统pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院41 被控量随时间变化的曲线称为被控量随时间变化

43、的曲线称为控制过程曲线控制过程曲线或或响响应曲线。应曲线。一般来说，可能有图一般来说，可能有图1-5-11-5-1所示的几种形式。所示的几种形式。 系统的控制过程以被控量随时间的变化来表征的。系统的控制过程以被控量随时间的变化来表征的。 第五节第五节 控制系统的性能要求控制系统的性能要求 pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院42( )ctOt稳态值稳态值(b)(b)发散发散图图1-5-1 1-5-1 控制系统被控量变化的动态特性控制系统被控量变化的动态特性 稳态值稳态值O( )c t( (a)a)惯性平稳收敛惯性平稳收敛t( )c t(c)(c)衰减振荡收敛衰减振

44、荡收敛稳态值稳态值OtO( )c t(d)(d)临界临界tO( )c t(e)(e)发散发散tpagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院43 不稳定系统（如图不稳定系统（如图1-5-1b,d,e1-5-1b,d,e）, ,被控量为发散或被控量为发散或等幅振荡曲线。被控量处于变化状态的过渡过程称为等幅振荡曲线。被控量处于变化状态的过渡过程称为系统的动态过程，被控量处于平衡的状态称为静态或系统的动态过程，被控量处于平衡的状态称为静态或稳态。稳态。 对于稳定系统（如图对于稳定系统（如图1-5-1a,c1-5-1a,c）来说，当系统受到）来说，当系统受到各种干扰或者人为改变参考

45、输入量时，被控量就会发各种干扰或者人为改变参考输入量时，被控量就会发生变化，通过系统的自动控制作用，经过一定的过渡生变化，通过系统的自动控制作用，经过一定的过渡过程，被控量又恢复到给定值或一个新的稳定值。过程，被控量又恢复到给定值或一个新的稳定值。 常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。 二、快速性二、快速性一、稳定性一、稳定性三、准确性三、准确性pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院44一、稳定性一、稳定性 系统受外作用力后系统受外

46、作用力后,其动态过程其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。稳定性：稳定性： 系统受外作用力系统受外作用力经过一段时间，其经过一段时间，其被控量达到某一稳被控量达到某一稳定状态，则系统是定状态，则系统是稳定的。稳定的。否则为不稳定的。否则为不稳定的。r(t)t0c(t)r(t)c(t)不稳定的系统是不稳定的系统是无法正常工作的。无法正常工作的。 扰动信号作用下扰动信号作用下 的不稳定系统的不稳定系统:d(t)t0c(t)c(t)d(t) 一个能在生产一个能在生产实际中应用的系统实际中应用的系统,不仅应具有稳定性不仅应具有稳定性,而且在动态过程中而且在动态过程中

47、的震荡也不能过于的震荡也不能过于强烈强烈.pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院45 AAfdfcpagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院46通过动态过程时间长短表征快速性。通过动态过程时间长短表征快速性。二、快速性二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了快速性表明了系统输出对输入系统输出对输入响应的快慢程度响应的快慢程度 过渡过程时过渡过程时间越短，表明间越短，表明快速性越好。快速性越好。反之亦然。反之亦然。t1t2pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院47 由输入给定值与输出响

48、应的终值之间的由输入给定值与输出响应的终值之间的差值差值ess大小表征。大小表征。三、准确性三、准确性r(t)t0c(t)ess 它反映了系统它反映了系统的稳态精度。若的稳态精度。若系统最终的误差系统最终的误差为零，则称为无为零，则称为无差系统，否则为差系统，否则为有差系统。有差系统。c(t)r(t)pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院48 从控制的任务看，我们希望响应曲线越逼近期从控制的任务看，我们希望响应曲线越逼近期望值越好，响应的动态过程越短越好，响应过程越望值越好，响应的动态过程越短越好，响应过程越平稳越好。平稳越好。 稳定性、快速性和准确性往往是互相制稳

49、定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中约的。在设计与调试的过程中,若过分强调某若过分强调某方面的性能方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到则可能会使其他方面的性能受到影响影响.pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院49第六节第六节 自动控制的应用举例自动控制的应用举例 大多数自动控制系统都是应用反馈控制原理控大多数自动控制系统都是应用反馈控制原理控制某一个受控对象（例如机床工作台，锅炉，机械制某一个受控对象（例如机床工作台，锅炉，机械手臂，火箭体等），或是一个生产过程（例如切削手臂，火箭体等），或是一个生产过程（例如切削过程，加热过程，位置监测

50、过程等）的控制工程实过程，加热过程，位置监测过程等）的控制工程实例。例。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院50图图1-6-1 1-6-1 车削过程车削过程 图图1-6-11-6-1所示的车削过程，往往会产生自激振动，所示的车削过程，往往会产生自激振动，这种现象的产生与切削过程本身存在内部反馈作用这种现象的产生与切削过程本身存在内部反馈作用有关。有关。例例 车削过程分析。车削过程分析。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院51 上述的信息传递关系可用图上述的信息传递关系可用图1-6-21-6-2的闭环系统来表的闭环系统来表示。这样，对于

51、切削过程的动态特性，切削自激振动示。这样，对于切削过程的动态特性，切削自激振动的分析，完全可以应用控制理论有关稳定性理论进行的分析，完全可以应用控制理论有关稳定性理论进行分析，从而找到控制切削过程、抑制切削振动的有效分析，从而找到控制切削过程、抑制切削振动的有效途径。途径。图图1-6-2 1-6-2 车削过程控制方框图车削过程控制方框图x+a切削过程切削过程py机床机床-工件系统工件系统y-pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院52例例 锅炉液位控制系统。锅炉液位控制系统。图图1-6-3 1-6-3 锅炉液位控制系统锅炉液位控制系统pagepage控制工程基础第一章

52、 绪论 机电工程学院机电工程学院53 为了保证锅炉正常运行，需要维持锅炉液位为正为了保证锅炉正常运行，需要维持锅炉液位为正常标准值。锅炉液位过低，易烧干锅而发生严重事故；常标准值。锅炉液位过低，易烧干锅而发生严重事故；锅炉液位过高，则易使蒸汽带水并有溢出危险。因此，锅炉液位过高，则易使蒸汽带水并有溢出危险。因此，必须通过调节器严格控制锅炉液位的高低，以保证锅必须通过调节器严格控制锅炉液位的高低，以保证锅炉正常安全地运行。炉正常安全地运行。 图图1-6-41-6-4是锅炉液位控制系统方是锅炉液位控制系统方框图。图中，锅炉为被控对象，其输出为被控参数液框图。图中，锅炉为被控对象，其输出为被控参数液

53、位。位。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院54被控液位被控液位图图1-6-4 1-6-4 锅炉液位控制系统方框图锅炉液位控制系统方框图测量变送器测量变送器给定值给定值调节阀调节阀+调节器调节器锅炉锅炉测量值测量值偏差值偏差值调节器输出调节器输出水水扰动扰动 只要实际液位高度与正常给定液位高度之间出现只要实际液位高度与正常给定液位高度之间出现了偏差，调节器均应立即进行控制，去开大或关小给了偏差，调节器均应立即进行控制，去开大或关小给水阀门，使液位恢复到给定值。水阀门，使液位恢复到给定值。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院55例例1-

54、31-3 函数记录仪。函数记录仪。 函数记录仪通常由测量元件、放大元件、伺服电函数记录仪通常由测量元件、放大元件、伺服电动机测速机组、齿轮系及绳轮等组成，采用负反馈动机测速机组、齿轮系及绳轮等组成，采用负反馈控制原理工作，其原理如图控制原理工作，其原理如图1-6-51-6-5所示。所示。 函数记录仪是一种通用的自动记录仪，它可以在函数记录仪是一种通用的自动记录仪，它可以在直角坐标上自动描绘两个电量的函数关系。同时，记直角坐标上自动描绘两个电量的函数关系。同时，记录仪还带有走纸机构，用以描绘一个电量对时间的函录仪还带有走纸机构，用以描绘一个电量对时间的函数关系。数关系。 系统的输入是待记录电压，

55、被控对象是记录笔，系统的输入是待记录电压，被控对象是记录笔，其位移即为被控量。系统的任务是控制记录笔位移，其位移即为被控量。系统的任务是控制记录笔位移，在记录纸上描绘出待记录的电压曲线。在记录纸上描绘出待记录的电压曲线。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院56 图图1-6-5 1-6-5 函数记录仪原理示意图函数记录仪原理示意图pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院57QRMRMRpurupruuu0urpuu 在图在图1-6-51-6-5中，测量元件是由电位器中，测量元件是由电位器 和和 组成的桥式组成的桥式测量电路，记录笔就固定在电

56、位器测量电路，记录笔就固定在电位器 的滑臂上，因此，测量的滑臂上，因此，测量电路的输出电压电路的输出电压 与记录笔位移成正比。当有慢变的输入电与记录笔位移成正比。当有慢变的输入电压压 时，在放大元件输入口得到偏差电压时，在放大元件输入口得到偏差电压 ，经，经放大后驱动伺服电动机，并通过齿轮系及绳轮带动记录笔移放大后驱动伺服电动机，并通过齿轮系及绳轮带动记录笔移动，同时使偏差电压减小。当偏差电压动，同时使偏差电压减小。当偏差电压 时，电动机停时，电动机停止转动，记录笔也静止不动。此时止转动，记录笔也静止不动。此时 ，表明记录笔位移，表明记录笔位移与输入电压相对应。如果输入电压随时间连续变化，记录

57、笔与输入电压相对应。如果输入电压随时间连续变化，记录笔便描绘出随时间连续变化的相应曲线。函数记录仪控制方框便描绘出随时间连续变化的相应曲线。函数记录仪控制方框图如图图如图1-6-61-6-6所示。所示。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院58 图中测速发电机反馈与电动机速度成正比的电压，图中测速发电机反馈与电动机速度成正比的电压，用以增加阻尼，改善系统性能。用以增加阻尼，改善系统性能。图图1-6-6 1-6-6 函数记录仪方框图函数记录仪方框图测量测量电路电路放大器放大器变换器变换器齿轮系齿轮系及绳轮及绳轮+ +伺服伺服电机电机记录笔记录笔位移位移测速测速发电机发

58、电机puurupagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院59例例1-41-4 工业机器人。工业机器人。 图图1-6-1-6-7 7 工业机器人完成装配工作工业机器人完成装配工作pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院60 图图1-6-1-6-7 7所示工业机器人要完成将工件放入指定所示工业机器人要完成将工件放入指定孔中的任务，其基本的控制方框图如图孔中的任务，其基本的控制方框图如图1-6-1-6-8 8所示。所示。指令指令位置位置图图1-6-1-6-8 8 工业机器人控制方框图工业机器人控制方框图轨迹规划轨迹规划控制器控制器驱动器驱动器机器人手

59、臂机器人手臂传感器传感器 控制器的任务是根据指令要求，以及传感器所测控制器的任务是根据指令要求，以及传感器所测得的手臂实际位置和速度反馈信号，考虑手臂的动力得的手臂实际位置和速度反馈信号，考虑手臂的动力学，按一定的规律产生控制作用，驱动手臂各关节，学，按一定的规律产生控制作用，驱动手臂各关节，以保证机器人手臂完成指定的工作并满足性能指标的以保证机器人手臂完成指定的工作并满足性能指标的要求。要求。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院61第七节第七节 MATLAB MATLAB在控制系统中的应用在控制系统中的应用 MATLABMATLAB既是一种语言，又是一种编程环境。既是一种语言，又是一种编程环境。MATLABMATLAB提提供了很多方便用户的工具，用于管理变量、输入输出数据供了很多方便用户的工具，用于管理变量、输入输出数据以及生成和管理以及生成和管理M M文件。其强大的功能在控制工程仿真中起文件。其强大的功能在控制工程仿真中起到越来越重要的作用。本书后续各章节中也都使用到越来越重要的作用。本书后续各章节中也都使用MATLABMATLAB实现控制系统的计算和绘图等功能。实现控制系统的计算和绘图等功能。 MATLABMATLAB当中的控制系统工具箱，提供了若干用于控制当中的控制系统工具箱，提供了若干用于控制工程的函数。这些函数大