自动控制原理课件-绪论

1、2/25/2022整理课件1 已知系统结构和参数，根据系统对于某种典已知系统结构和参数，根据系统对于某种典型输入信号作用下的被控量的响应，求出评价系型输入信号作用下的被控量的响应，求出评价系统性能的指标：稳定性、动态性能和稳态性能。统性能的指标：稳定性、动态性能和稳态性能。 如果给定系统经分析其性能指标满足要求，如果给定系统经分析其性能指标满足要求，则不存在进行控制系统设计问题。如不满足要求则不存在进行控制系统设计问题。如不满足要求且被控对象本身又不能改变，则控制系统设计的且被控对象本身又不能改变，则控制系统设计的任务就是改变系统的某些参数或加入某种校正装任务就是改变系统的某些参数或加入某种校

2、正装置，使其满足预期的性能指标要求。置，使其满足预期的性能指标要求。2/25/2022整理课件2 系统分析和系统设计是相互联系、交替进行系统分析和系统设计是相互联系、交替进行的。不是单纯为了分析而分析，而是为了设计新的。不是单纯为了分析而分析，而是为了设计新系统或改造已有的系统。对于从事自动控制的工系统或改造已有的系统。对于从事自动控制的工程技术人员而言，更重要的是设计系统以及改造程技术人员而言，更重要的是设计系统以及改造那些性能未达到要求的系统。那些性能未达到要求的系统。2/25/2022整理课件3第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型第三章第三章 线性系统

3、的时域分析线性系统的时域分析第四章第四章 线性系统的根轨迹法线性系统的根轨迹法第五章第五章 线性系统的频域分析法线性系统的频域分析法第六章第六章 线性系统的校正方法线性系统的校正方法2/25/2022整理课件41.1 引言引言1.2 控制系统的一般概念控制系统的一般概念1.3 控制系统示例控制系统示例1.4 控制系统分类控制系统分类1.5 控制系统的性能指标控制系统的性能指标1.6 控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计2/25/2022整理课件51. 自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用 在现代科学技术的众多领域中，自动控制技在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重

4、要的作用。所谓自动控制，就是术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，就是在在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。如数控车床按预定自动地按照预定的规律运行。如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收等。收等。2/25/2022整理课件6 自动控制技术除了在工业上广泛应用外，自动控制技术除了在工业上广泛应用外，

5、近几十年来，随着计算机技术的发展和应用，近几十年来，随着计算机技术的发展和应用，在航空、航天、机器人控制、导弹制导及核动在航空、航天、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中，自动控制技术具有越来力等高新技术领域中，自动控制技术具有越来越重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应越重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会生活中不可或缺的一部分。成为现代社会生活中不可或缺的一部分。2/25/2022整理课件7v自动控制自动控制：

6、是指在没是指在没有人直接参与的情况有人直接参与的情况下，利用控制装置使下，利用控制装置使被控对象（如机器、被控对象（如机器、设备或生产过程）的设备或生产过程）的一 个 或 数 个 物 理 量一 个 或 数 个 物 理 量（如电压、电流、速（如电压、电流、速度、位置、温度、流度、位置、温度、流量、化学成分等）自量、化学成分等）自动的按照预定的规律动的按照预定的规律运行（或变化）。运行（或变化）。v自动控制系统自动控制系统：是指是指能够对被控对象的工能够对被控对象的工作状态进行自动控制作状态进行自动控制的系统。它一般由控的系统。它一般由控制装置和被控对象组制装置和被控对象组成。被控对象是指那成。被

7、控对象是指那些要求实现自动控制些要求实现自动控制的机器、设备或生产的机器、设备或生产过程。控制装置是指过程。控制装置是指对被控对象起控制作对被控对象起控制作用的设备总体用的设备总体。2/25/2022整理课件8 自动控制系统的功能和组成是多种自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单和复杂之分。它多样的，其结构有简单和复杂之分。它可以只控制一个物理量，也可以控制多可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的全部生产个物理量甚至一个企业机构的全部生产和管理过程；它可以是一个具体的工程和管理过程；它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较抽象的社会系统、系统，也可以是比较抽象

8、的社会系统、生态系统或经济系统。生态系统或经济系统。2/25/2022整理课件9 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是。既是一门古老的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新一门古老的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从兴学科。从1868年年 Maxwell提出低阶系统稳定性判据至今一百多提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成

9、熟；成熟；第二阶段第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段第四阶段：智能控制发展阶段。：智能控制发展阶段。2/25/2022整理课件10 控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自

10、动控制理论的于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。发展。1868年，提出了低阶系统的稳定性代数判据年，提出了低阶系统的稳定性代数判据 。1895年，数学家年，数学家Routh和和Hurwitz分别独立地提出了高阶系统的分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即稳定性判据，即Routh和和Hurwitz判据。判据。二战期间（二战期间（1938-1945年）提出了频率响应理论；年）提出了频率响应理论； 1948年，提年，提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论成了

11、以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。2/25/2022整理课件11（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分 方程描述的系统的分析与综合；方程描述的系统的分析与综合；（2）多用于单输入，单输出的反馈控制系统；）多用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽略系统的内部）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽略系统的内部 状态，是一种对系统的外部描述方法。状态，是一种对系统的外部描述方法。 应当指出，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入应当指出，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈

12、信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分“迟迟钝钝”，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和

13、成熟控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。起来的。2/25/2022整理课件12 由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有一定的局限性。在实际应用中有一定的局限性。 随着航天事业和计算机的发展，随着航天事业和计算机的发展，20世纪世纪60年代初，在经年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。基

14、础的现代控制理论迅速发展起来。1954年贝尔曼（年贝尔曼（R.Bellman)提出动态规划理论提出动态规划理论1956年庞特里雅金（）提出极大值原理年庞特里雅金（）提出极大值原理1960年卡尔曼（年卡尔曼（)提出多变量最优控制和最优滤波理论提出多变量最优控制和最优滤波理论 现代控制理论在数学工具、理论基础和研究方法上不仅现代控制理论在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统

15、，单变量系统或多变量系统，都是一种定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法有效的分析方法。2/25/2022整理课件13l古典（经典）控制理论与现代控制理论的区别古典（经典）控制理论与现代控制理论的区别参数估计及系统辨识参数估计及系统辨识机理建模机理建模矩阵理论矩阵理论积分变换（积分变换（L.T）不确定性系统不确定性系统确定性系统确定性系统控制对象控制对象MIMO控制对象控制对象SISO现代控制理论现代控制理论古典控制理论古典控制理论2/25/2022整理课件14 20世纪世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些

16、新的控制方法和理论。如：广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如：（1）现代频域方法）现代频域方法 以传递函数矩阵为数学模型，研以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法）鲁棒控制方法 在保证系统稳定性和其它性能基在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。确定性。2/25/2022

17、整理课件15 随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。领域。 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素

18、众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。性阶段。 2/25/2022整理课件16 是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的

19、智能才能思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为: :模型的不模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性

20、则表现为变化的不确定性和难以辨识。变化的不确定性和难以辨识。 智能控制是从智能控制是从“仿人仿人”的概念出发的。一般认为，其方法的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。法。 2/25/2022整理课件17定义：系统的控制量不受输出量影响的控制系统。定义：系统的控制量不受输出量影响的控制系统。特点：系统的输出量与输入量之间不存在反馈的通道，特点：系统的输出量与输入量之间不存在反馈的通道， 这种控制方式称为开环控制。这种控制方式称为开环控制。 在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不在开环控

21、制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。开环控制系统又称无反馈控制系统。控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量图图 开环控制系统方块图开环控制系统方块图控制量控制量2/25/2022整理课件18l闭环控制系统又称反馈控制系统，最广泛控制方式。闭环控制系统又称反馈控制系统，最广泛控制方式。l反馈反馈把取出的输出量送回输入端，并与输入信把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈 。l

22、反馈控制反馈控制采用采用负反馈负反馈(正反馈较少正反馈较少)并利用偏差并利用偏差进行控制的过程进行控制的过程 （利用偏差修正偏差）。（利用偏差修正偏差）。l由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制 。2/25/2022整理课件19图图 闭环控制系统方块图闭环控制系统方块图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量控制量控制量2/25/2022整理课件20l开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正开环控制：顺

23、向作用，没有反向的联系，没有修正偏差的能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、偏差的能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。泵，风扇）。 l闭环控制：为偏差控制，可以抑制内扰动（系统参闭环控制：为偏差控制，可以抑制内扰动（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格成

24、倍增加，车床、洗衣机、汽车）；系统设（价格成倍增加，车床、洗衣机、汽车）；系统设计、分析麻烦。计、分析麻烦。 2/25/2022整理课件21v方框方框 控制装置和被控对象分别用方框表示控制装置和被控对象分别用方框表示v信号线信号线 方框的输入和输出以及它们之间的联接用方框的输入和输出以及它们之间的联接用 带箭头带箭头的信号线表示的信号线表示v输入信号输入信号 进入方框的信号进入方框的信号v输出信号输出信号 离开方框的信号离开方框的信号 控制系统的输出量就是被控量控制系统的输出量就是被控量,它的期望值一般是它的期望值一般是 系统输入信号的函数。系统输入信号的函数。信号线信号线方框方框信号线信号线

25、2/25/2022整理课件22v反馈反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。若反馈信号是与输入信号相减而号比较的过程。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈；反之，则称使偏差值越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。显然，负反馈控制是一个利用偏差进为正反馈。显然，负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，又称行控制并最后消除偏差的过程，又称偏差控制。偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为的，故也称为闭环控制闭环控制。2/25/2022整理课

26、件23人工控制的恒值水位系统人工控制的恒值水位系统 水位自动控制系统水位自动控制系统进水阀门出水水池实际水位要求水位进水出水水池浮子连杆2/25/2022整理课件24电枢控制直流电动机电枢控制直流电动机SM+-auBinMfz设一台直流电动机带动负载以转速设一台直流电动机带动负载以转速n在转动，要求在转动，要求保持转速不变，即控制转速：保持转速不变，即控制转速：n=n0=常数常数变化负载转矩：激磁电流：电枢电压：nMfziuBa2/25/2022整理课件25电机转速人工控制系统电机转速人工控制系统SM+-auBin转速表MfzAW10n0进行比较得到偏差；进行比较得到偏差；3.根据偏差的大小和

27、正负进行控制：根据偏差的大小和正负进行控制：0000nnnunnnnnunnaa2/25/2022整理课件26电机转速自动控制系统电机转速自动控制系统SM+-1uBinMfz功率放大电压放大TM2u1W2Wcicuau02120nnnuuuuunnnMfza反馈信号02120nnnuuuuunnnMfza反馈信号电位计电位计w1是给定元是给定元件，产生基准电压件，产生基准电压u1，u1的设定值与的设定值与转速的期望值转速的期望值n0相相对应。称电压对应。称电压u1为为参考输入，电压参考输入，电压u2为反馈信号为反馈信号2/25/2022整理课件27 由以上分析可知：产生控制作用的关键是偏差由以

28、上分析可知：产生控制作用的关键是偏差信号，而偏差信号是对被控量不断测量转换并反馈信号，而偏差信号是对被控量不断测量转换并反馈到输入端与参考输入量相减（即负反馈）得到的，到输入端与参考输入量相减（即负反馈）得到的，这种利用负反馈得到偏差信号，进而产生控制作用，这种利用负反馈得到偏差信号，进而产生控制作用，又去消除偏差的控制原理就叫反馈控制原理又去消除偏差的控制原理就叫反馈控制原理W1电电压压放放大大 功功率率放放大大直直流流电电动动机机测测速速电电机机W20n tru 1 teuauMfz tcncu2u-2/25/2022整理课件28v开环系统开环系统：具有结构简单，稳定性好，容易设具有结构简

29、单，稳定性好，容易设计和调整以及成本较低的优点，对那些负载恒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系统，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。是有效的控制方式。v闭环系统闭环系统：由于增加了检测装置和反馈环节，由于增加了检测装置和反馈环节，结构较复杂，成本有所增加；但它提高了系统结构较复杂，成本有所增加；但它提高了系统的控制精度和抗干扰能力；同时负反馈对系统的控制精度和抗干扰能力；同时负反馈对系统稳定性产生不利影响稳定性产生不利影响。2/25/2022整理课件29图图1.2 闭环控制系统方块图闭环控制系统方块图输入量输入量控制器控制器控制

30、对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量控制量控制量2/25/2022整理课件30v参考输入参考输入r: 输入到控制系统中的指令信号；输入到控制系统中的指令信号；v主反馈主反馈b: 与输出成正比或某种函数关系且与参考输与输出成正比或某种函数关系且与参考输入量纲相同的反馈信号；入量纲相同的反馈信号；v偏差偏差e: 参考输入与主反馈之差，即参考输入与主反馈之差，即e=r-b;v控制量控制量u: 从控制器输出并作用于被控制对象的信号；从控制器输出并作用于被控制对象的信号；v扰动扰动n：来自系统内部或外部，对系统输出产生不利来自系统内部或外部，对系统输出产生不利

31、影响的信号；影响的信号；2/25/2022整理课件31输出：输出：反馈控制系统的被控制量，即被控制对象的反馈控制系统的被控制量，即被控制对象的输出量；输出量；比较环节：比较环节：将参考输入与主反馈信号进行比较的环将参考输入与主反馈信号进行比较的环节，它的输出等于参考输入与主反馈信号的差值，节，它的输出等于参考输入与主反馈信号的差值，即偏差即偏差e,比较环节又称为偏差检测器比较环节又称为偏差检测器。控制对象：控制对象：被控制的机器，设备，过程或系统；被控制的机器，设备，过程或系统；控制器：控制器：用来对被控制对象施加控制作用的装置；用来对被控制对象施加控制作用的装置；反馈环节反馈环节：将输出量转

32、化为主反馈信号的装置；反：将输出量转化为主反馈信号的装置；反馈环节中通常含有信号检测装置。馈环节中通常含有信号检测装置。2/25/2022整理课件32一、从描述系统的数学模型来分类一、从描述系统的数学模型来分类l线性系统线性系统：构成系统的所有元件均是线性的，系统：构成系统的所有元件均是线性的，系统的数模为线性微分方程，满足叠加性与均匀性（或的数模为线性微分方程，满足叠加性与均匀性（或齐次性）。其中又视微分方程中的系数为常数或时齐次性）。其中又视微分方程中的系数为常数或时变，称系统为变，称系统为定常线性系统定常线性系统或或时变线性系统时变线性系统。 叠加性叠加性：当几个输入信号同时作用于系统时

33、，：当几个输入信号同时作用于系统时，系统的响应等于每个输入信号单独作用于系统时所系统的响应等于每个输入信号单独作用于系统时所产生的响应之和。产生的响应之和。 均匀性均匀性：当输入信号按倍数变化时，系统响应：当输入信号按倍数变化时，系统响应也按同一个倍数变化。也按同一个倍数变化。 2/25/2022整理课件33 线性系统的上述特性将使系统分析大大简化。例线性系统的上述特性将使系统分析大大简化。例如实际系统往往是如实际系统往往是MISO，应用叠加原理可分别考虑，应用叠加原理可分别考虑每个输入单独作用时系统引起的响应，然后将它们叠每个输入单独作用时系统引起的响应，然后将它们叠加，从而将加，从而将MI

34、SO系统转化为系统转化为SISO系统来讨论。系统来讨论。 又如实际系统输入信号的幅值各种各样，运算不又如实际系统输入信号的幅值各种各样，运算不方便。应用均匀性可将其输入信号幅值取为方便。应用均匀性可将其输入信号幅值取为1，这样，这样得到的响应和实际输入信号所产生的响应，其变化特得到的响应和实际输入信号所产生的响应，其变化特性完全相同，所不同的只是在幅值上按比例放大和缩性完全相同，所不同的只是在幅值上按比例放大和缩小。因此，我们在研究系统性能时，系统的各类输入小。因此，我们在研究系统性能时，系统的各类输入信号幅值一般均取为信号幅值一般均取为1。2/25/2022整理课件34非线性系统非线性系统：

35、系统中只要有一个元部件的输入输出特：系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性系统。非线性方性是非线性的，这类系统就称为非线性系统。非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。如导数的高次幂或乘积项。如 trtctctctc2 线性系统的重要特征是可以应用线性叠加原理。由线性系统的重要特征是可以应用线性叠加原理。由于描述非线性系统运动的数学模型为非线性微分方程，于描述非线性系统运动的数学模型为非线性微分方程，因此不满足叠加性。因此不满足叠加性。故能否应用叠加原理是两类系统的故能否应用叠加

36、原理是两类系统的本质区别。本质区别。2/25/2022整理课件35注意：严格来说，实际的物理系统中不存在线性系注意：严格来说，实际的物理系统中不存在线性系统，总是或多或少存在不同程度的非线性特性。为统，总是或多或少存在不同程度的非线性特性。为了研究方便，当非线性不显著或系统在非线性特性了研究方便，当非线性不显著或系统在非线性特性区域的工作范围不大，可将其视为线性，或将其线区域的工作范围不大，可将其视为线性，或将其线性化，然后按线性系统处理。性化，然后按线性系统处理。 饱和非线性饱和非线性 死区非线性死区非线性 间隙非线性间隙非线性 继电非线性继电非线性2/25/2022整理课件36l恒值控制系

37、统（自动调节系统）恒值控制系统（自动调节系统） 输入信号是某个恒定不变的常数，要求系统的输入信号是某个恒定不变的常数，要求系统的被控量尽可能的保持在期望值附近，系统面临被控量尽可能的保持在期望值附近，系统面临的主要问题是存在使被控量偏离期望值的扰动；的主要问题是存在使被控量偏离期望值的扰动；控制的任务就是要增强系统的抗扰动能力，使控制的任务就是要增强系统的抗扰动能力，使扰动作用于系统时，被控量能尽快的恢复到期扰动作用于系统时，被控量能尽快的恢复到期望值上。望值上。例如：工业生产中的温度、压力、流量等参数的控例如：工业生产中的温度、压力、流量等参数的控制系统制系统二、按输入信号特征分类（二、按输

38、入信号特征分类（1）2/25/2022整理课件37l随动控制系统（伺服系统）随动控制系统（伺服系统） 输入信号是随时间任意变化的函数，要求系统输入信号是随时间任意变化的函数，要求系统的输出信号紧紧跟随输入信号的变化。系统面的输出信号紧紧跟随输入信号的变化。系统面临的主要矛盾是，被控对象和执行机构因惯性临的主要矛盾是，被控对象和执行机构因惯性等因素的影响，使得系统的输出信号不能紧紧等因素的影响，使得系统的输出信号不能紧紧跟随输入信号的变化，控制系统的主要任务就跟随输入信号的变化，控制系统的主要任务就是提高系统的跟踪能力，使系统能够跟随难以是提高系统的跟踪能力，使系统能够跟随难以预知的输入信号的变

39、化。预知的输入信号的变化。 例如：火炮自动跟踪系统、跟踪卫星的雷达天线例如：火炮自动跟踪系统、跟踪卫星的雷达天线 控制系统等。控制系统等。二、按输入信号特征分类（二、按输入信号特征分类（2）2/25/2022整理课件38l连续系统连续系统：系统中所有物理量均为时间的连续函：系统中所有物理量均为时间的连续函数，其数模为数，其数模为微分方程微分方程l离散系统离散系统：系统中所有物理量均为时间的离散函：系统中所有物理量均为时间的离散函数，其数模为数，其数模为差分方程差分方程 离散系统是一个总称，如果系统中使用采样开关，离散系统是一个总称，如果系统中使用采样开关，将连续函数形式的信号转变为离散脉冲序列

40、形式将连续函数形式的信号转变为离散脉冲序列形式的信号进行，这样的系统称为的信号进行，这样的系统称为采样控制系统，采样控制系统，如如果使用计算机或数字控制器，离散信号以数码形果使用计算机或数字控制器，离散信号以数码形式传递，这样的系统称为式传递，这样的系统称为数字控制系统数字控制系统三、从信号的连续离散来分类三、从信号的连续离散来分类2/25/2022整理课件39 定常系统定常系统： 如果描述系统的微分方程或差分方如果描述系统的微分方程或差分方程的系数均为常数，这类系统为定常系统，又程的系数均为常数，这类系统为定常系统，又称称时不变系统时不变系统。特点：系统的响应特性只取决。特点：系统的响应特性

41、只取决于输入信号的形状和系统的特性，而与输入信于输入信号的形状和系统的特性，而与输入信号施加的时刻无关。号施加的时刻无关。 tr ty0ttrtyt00t四、按系统参数是否随时间变化分类四、按系统参数是否随时间变化分类2/25/2022整理课件40l时变系统时变系统： 如果系统的参数或结构随时间而变如果系统的参数或结构随时间而变化，则称这类系统为时变系统。特点：系统的响化，则称这类系统为时变系统。特点：系统的响应特性不仅取决于输入信号的形状和系统的特性，应特性不仅取决于输入信号的形状和系统的特性，而且还与输入信号施加的时间有关。对于同一系而且还与输入信号施加的时间有关。对于同一系统来说，当输入

42、信号在不同时刻作用于系统时，统来说，当输入信号在不同时刻作用于系统时，系统的响应是不同的。时变系统的这一特性给系系统的响应是不同的。时变系统的这一特性给系统的分析研究带来了困难。统的分析研究带来了困难。 tr ty0ttrtyt00t2/25/2022整理课件41稳定性稳定性 系统在受到扰动作用后自动返回原来的平系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量

43、具有非发散性；反之，系统是不稳是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。定系统。2/25/2022整理课件422/25/2022整理课件43稳态误差稳态误差 指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度。开环控制系统的稳态误差偏离希望值的程度。开环控制系统的稳态误差通常与系统的增益或放大倍数有关，而反馈控通常与系统的增益或放大倍数有关，而反馈控制系统（闭环系统）的控制精度主要取决于它制系统（闭环系统）的控制精度主要取决于它的反馈深度。稳态误差越小，系统的精度越高，的反馈深度。稳态误差越小，系统的精度越高，它由系统的稳态响应反映出来。它由系统的稳

44、态响应反映出来。2/25/2022整理课件44瞬态响应指标瞬态响应指标 在时域中，常用单位阶跃信号作用下，系统输在时域中，常用单位阶跃信号作用下，系统输出的超调量出的超调量 p ,上升时间上升时间Tr,峰值时间峰值时间Tp,过渡过程时过渡过程时间（或调整时间）间（或调整时间）Ts和振荡次数和振荡次数N等特征量表示。等特征量表示。单位阶跃信号作用下，稳定系统的典型输出响单位阶跃信号作用下，稳定系统的典型输出响应曲线应曲线 见下见下图图2/25/2022整理课件45h(t)t时间时间tr上上 升升峰值时间峰值时间tpAB超调量超调量% =AB100%h(t)t调节时间调节时间tsh(t)t时间时间tr上上 升升峰值时间峰值时间tpAB超调量超调量% =AB100%调节时间调节时间ts2/25/2022整理课件4