自动控制原理_胡寿松_第五版_第一章_绪论(简)

1、自动控制原理自动控制原理电气工程学院电气工程学院罗瑜清罗瑜清第一章第一章 绪论绪论课程的性质、目的和任务课程的性质、目的和任务 本课程是自动化类学生的一门本课程是自动化类学生的一门专业基础课专业基础课，是一门理论性和工程应用性，是一门理论性和工程应用性都很强的技术基础课，也是后续专业课的桥梁，因此具有非常重要的地位。都很强的技术基础课，也是后续专业课的桥梁，因此具有非常重要的地位。 本课程的本课程的目的目的: 培养学生的辩证思维能力培养学生的辩证思维能力 树立理论联系实际的科学观点树立理论联系实际的科学观点 提高综合分析问题的能力。提高综合分析问题的能力。 本课程的本课程的基本任务基本任务:

2、“控制控制(control)(control)”含有含有“对某种对象按照某种要求进行操纵对某种对象按照某种要求进行操纵”的含义。的含义。因此，人类从远古时代就开始了因此，人类从远古时代就开始了“控制控制”。几乎所有的能几乎所有的能“动动”的人造物，的人造物，都是都是被控制被控制的。例如：人们的关系。你让某人完成某项工作，你动用了某的。例如：人们的关系。你让某人完成某项工作，你动用了某些手段，使某人很好的完成了工作，就可以说你些手段，使某人很好的完成了工作，就可以说你“控制控制”了对方。了对方。 因此，因此，“控制控制”是非常广义的是非常广义的，“控制理论控制理论”就是研究那些渗透于就是研究那些

3、渗透于“控制控制”中的，具有普遍意义的中的，具有普遍意义的控制原理控制原理。大家网上查询大家网上查询“自动控制与人类进步自动控制与人类进步”的材料的材料 Automatic Control & Human Civilization前言前言 自动控制自动控制是人类在认识世界和是人类在认识世界和发明创新发明创新的过程中发展起来的一门重要的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性笨重，重复性的劳动中解放出来，从事的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。更富创造性的工作。 控制论是控制论是。在理论研究中，广泛的使用了各种。在理论研究中，广

4、泛的使用了各种数学工具：微积分，概率论，复变函数，泛函，变分法，拓扑学等，实际数学工具：微积分，概率论，复变函数，泛函，变分法，拓扑学等，实际上是数学的一个分支。上是数学的一个分支。 我们讨论的自控原理，仅仅是控制论的一个小部分，只讨论了控制系我们讨论的自控原理，仅仅是控制论的一个小部分，只讨论了控制系统分析和设计的统分析和设计的。属于经典控制部分。属于经典控制部分。主要介绍自动控制的基本概念，控制系统的常用术语及方框图表主要介绍自动控制的基本概念，控制系统的常用术语及方框图表示示； 如何建立系统的数学模型（如何建立系统的数学模型（定量分析定量分析的基础），着重讨论对传递的基础），着重讨论对传

5、递函数的分析和基于方框图、梅逊公式的数学模型的简化方法；函数的分析和基于方框图、梅逊公式的数学模型的简化方法；主要内容：主要内容：1.自动控制、自动控制系统的概念自动控制、自动控制系统的概念 2.自动控制系统的基本方式自动控制系统的基本方式 3.自动控制系统的类型自动控制系统的类型 4.自动控制系统的要求和分析设计自动控制系统的要求和分析设计介绍线性系统的时域分析，并重点对系统的稳定性、快速性和准介绍线性系统的时域分析，并重点对系统的稳定性、快速性和准确性的分析进行了讨论。确性的分析进行了讨论。 介绍了线性系统的校正方法，频率法校正、反馈校正、复合校正介绍了线性系统的校正方法，频率法校正、反馈

6、校正、复合校正的设计方法和性能指标的验算方法的设计方法和性能指标的验算方法；介绍了分析非线性系统的描述函数法和相平面法；讨论了工程实介绍了分析非线性系统的描述函数法和相平面法；讨论了工程实际中常用的非线性特性及解决的一般方法；际中常用的非线性特性及解决的一般方法；介绍了离散控制系统理论（计算机控制基础），介绍了离散控制系统理论（计算机控制基础），z变换理论，数变换理论，数字控制器的设计方法字控制器的设计方法。 介绍了线性系统的根轨迹分析方法，重点介绍了根轨迹作图方法；介绍了线性系统的根轨迹分析方法，重点介绍了根轨迹作图方法； 频域法：极坐标图，伯德图，奈奎斯特稳定判据，性能指标计算频域法：极坐

7、标图，伯德图，奈奎斯特稳定判据，性能指标计算等；等； 现实当中，由于存在希望和要求，比如：要求某些物理量维持在一个现实当中，由于存在希望和要求，比如：要求某些物理量维持在一个特定的标准上，但往往由于种种原因，实现起来并不是很容易，于是需要特定的标准上，但往往由于种种原因，实现起来并不是很容易，于是需要“控制控制”。 当水的流出量增当水的流出量增大或流入量减小，平大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的衡则被破坏，液面的高度高度不能自然不能自然地维持地维持恒定。恒定。水箱水箱流出流出流入流入h图图1.1 水箱液面水箱液面 例如：下面的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度例如：下面的水箱液面，因生

8、产和生活需要，希望液面高度h 维持恒定。维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。1.2 自控控制和自动控制系统自控控制和自动控制系统 这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发生的。这便使得这种这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发生的。这便使得这种“水位恒定的要求水位恒定的要求”变得难以实现。变得难以实现。 所谓所谓控制控制就是就是强制性地改变某些物理量（如上例中的进水量），而使强制性地改变某些物理量（如上例中的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度另外某些特定的物理量（如液面高度h）维

9、持在某种特定的标准上）维持在某种特定的标准上。 下面是人工控制的例子。下面是人工控制的例子。 这种人为地强这种人为地强制性地改变进水量，制性地改变进水量，而使液面高度维持而使液面高度维持恒定的过程，即是恒定的过程，即是人工控制人工控制过程。过程。 不能满足复杂、不能满足复杂、快速和精确的要求，快速和精确的要求，不利于减轻劳动强度。不利于减轻劳动强度。1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件自动控制的定义及基本职能元件1.自动控制的定义自动控制的定义 自动控制自动控制就是在在没有人没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自

10、动地按预先给定的规律去运行。（或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。 当出水与进水的平衡被当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降破坏时，水箱水位下降(或上或上升升)，出现偏差。这偏差由浮，出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自动控制器在子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开偏差的作用下，控制阀门开大大(或关小或关小)，对偏差进行修，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。正，从而保持液面高度不变。水箱水箱流出流出流入流入h控制器控制器浮子浮子图图1.3 液面自动控制液面自动控制水箱水箱流出流出流入流入h水箱水箱流出流出流入流入h控制器控制器浮子浮子 眼睛眼睛 浮子浮

11、子 大脑大脑 自动控制器自动控制器 肌肉、手肌肉、手 执行元件执行元件2. 自动控制的基本职能元件自动控制的基本职能元件 自动控制自动控制,实际上就是由实际上就是由自动控制装置自动控制装置来代替来代替人人的基本功能来实现的。的基本功能来实现的。 比较两图可以看出，用自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少比较两图可以看出，用自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的的三种三种代替人的职能基本元件：代替人的职能基本元件：图图14 控制功能框图控制功能框图 （a）人工控制）人工控制 (b) 自动控制自动控制肌肉和阀门肌肉和阀门希望液位希望液位实际液位实际液位大大 脑脑水水 箱箱眼眼 睛睛(a)气气

12、 动阀动阀 门门希望液位希望液位实际液位实际液位浮浮 子子控制器控制器水水 箱箱(b) 画出以上画出以上人工控制人工控制与与自动控制自动控制的功能方框图进行对照。的功能方框图进行对照。 测量元件与变送器（代替测量元件与变送器（代替眼睛眼睛）；）； 自动控制器（代替自动控制器（代替大脑大脑）；）； 执行元件（代替执行元件（代替肌肉、手肌肉、手）。）。 这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。图这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。图1.5是典型控制系统方框图是典型控制系统方框图。执执 行元行元 件件参考输入参考输入输输 出出测量变送元件测量变送元件控制器控制器对

13、对 象象扰动输入扰动输入图图15 控制系统典型方框图控制系统典型方框图1.2.3 自动控制中的一些术语及方框图自动控制中的一些术语及方框图1.常用术语常用术语 控制对象控制对象：被控设备或物体，也可是被控过程（被控设备或物体，也可是被控过程（炉温炉温）。）。 控制器：控制器：使被控对象具有所要求的性能或状态的使被控对象具有所要求的性能或状态的控制设备控制设备。接收输入或偏差信。接收输入或偏差信号按控制规律给出操作量，送到控制对象。号按控制规律给出操作量，送到控制对象。 系统系统：一个整体，是一些部件的组合，完成一定任务。：一个整体，是一些部件的组合，完成一定任务。 系统输出系统输出：被控制的量

14、，称对输入的响应。：被控制的量，称对输入的响应。 操作量操作量：由控制器改变的量值或状态，也称控制量。：由控制器改变的量值或状态，也称控制量。 参考输入参考输入：给定，使系统具有预定输出或性能的激发信号。代表输出的希望值；：给定，使系统具有预定输出或性能的激发信号。代表输出的希望值；又称给定输入，指令输入，又称给定输入，指令输入，期望输出期望输出等。等。 扰动扰动：干扰和破坏系统具有预定性能和输出的：干扰和破坏系统具有预定性能和输出的干扰信号干扰信号，分内部和外部扰动，分内部和外部扰动（输入输入量）。量）。 特性特性：输入与输出之间的关系，分动态和静态，可用特性曲线直观描述。：输入与输出之间的

15、关系，分动态和静态，可用特性曲线直观描述。 静态特性静态特性：系统稳定后，：系统稳定后，IN & OUT; d(参数和信号参数和信号)=0; 静态放大倍数。静态放大倍数。 动态特性动态特性：IN和和OUT处在变化过程中所表现的特性；过渡过程处在变化过程中所表现的特性；过渡过程平衡平衡另另一个平衡；一个平衡；2. 系统方框图系统方框图 将系统中各个部分都用一个将系统中各个部分都用一个方框方框来表示，并注上来表示，并注上文字或代号文字或代号，根据各，根据各方框之间的信息传递关系，用有方框之间的信息传递关系，用有向线段向线段把它们依次连接起来，并标明相应把它们依次连接起来，并标明相应的的信息

16、信息。 突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节之间的相互影响，便突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节之间的相互影响，便于定性和定量分析。于定性和定量分析。执执 行元行元 件件参考输入参考输入输输 出出测量变送元件测量变送元件控制器控制器对对 象象扰动输入扰动输入图图15 控制系统典型方框图控制系统典型方框图控制量控制量1.3.1 开环控制开环控制 开环控制是最简单的一种控制方式，开环控制的一般开环控制是最简单的一种控制方式，开环控制的一般定义：定义：若系统的若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称为开环控制系统输出量对系统的控制作用没有影响，则称为开环控制系统。特点是：特点是：控

17、制控制量与被控制量之间只有量与被控制量之间只有前向通道而没有反向通道前向通道而没有反向通道,信息的传递路径不是闭合信息的传递路径不是闭合的，故称开环。的，故称开环。 开环控制系统的典型方框图如图所示。开环控制系统的典型方框图如图所示。1.3 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制控制器控制器被制对象被制对象输入量输入量输出量输出量 例子：例子：交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动生产线，交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动生产线，数控车床等等。数控车床等等。 按输入信号的不同，可分为按输入信号的不同，可分为按给定控制按给定控制和和按扰动控制按扰动控制两种常见形式。两种常见

18、形式。 自动控制的形式多种多样，采取何种控制手段，视具体自动控制的形式多种多样，采取何种控制手段，视具体用途用途和和目的目的而定，而定，本节介绍两种常见形式：开环和闭环控制。本节介绍两种常见形式：开环和闭环控制。 1.按给定控制按给定控制 图图16是一个直流电动机转速控制系统。是一个直流电动机转速控制系统。 当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，从而改变电动当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，从而改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的控制过程，用方框图简单直机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。观地表示出来。 M功

19、率功率放大器放大器电动机电动机负载负载电电位位器器图图16 直流电动机转速开环控制直流电动机转速开环控制图图17 直流电动机转速控制方框图直流电动机转速控制方框图电动机电动机转速转速滑臂位置滑臂位置功率放大器功率放大器电位器电位器 控制精度取决于所用控制精度取决于所用元件性能的优劣及校准的元件性能的优劣及校准的精度！系统本身无法保证。精度！系统本身无法保证。任何的干扰都会使输出改任何的干扰都会使输出改变。变。优点：结构简单，调整优点：结构简单，调整方便方便缺点：精度差，抗干扰缺点：精度差，抗干扰性差性差2.按扰动控制按扰动控制 图图18 是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。是一个按扰动控

20、制的直流电动机转速控制系统。电压电压放大器放大器M功率功率放大器放大器负载负载+- R i+图图18 按扰动控制直流电机转速按扰动控制直流电机转速 如果扰动如果扰动可可量测，可把量测，可把它作为一种输入，施加相它作为一种输入，施加相应的控制，对系统的输出应的控制，对系统的输出产生影响。产生影响。“防患未然防患未然”，起到抗干扰的作用。起到抗干扰的作用。 把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生影响及控制补偿作用，把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生影响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的路径也是单向的路径也是单向的，不

21、闭不闭合的合的。有时我们称按扰动控制为。有时我们称按扰动控制为顺馈控制。顺馈控制。控制过程可用方框图表示成如图控制过程可用方框图表示成如图1.9所示的形式。所示的形式。电动机电动机转速转速给定不变给定不变功率放大器功率放大器电位器电位器-+扰动扰动电压电压放大器放大器检检 测测电电 阻阻图图1.9 按扰动控制方框图按扰动控制方框图信号汇合点，信号汇合点，+代表加，代表加，-代代表减表减开环控制的特点：开环控制的特点： （1）结构简单结构简单、调整方便、成本低。、调整方便、成本低。 （2）给定一个输入，有相应的一个输出。）给定一个输入，有相应的一个输出。 （3）在系统方框图中，作用信号是）在系统

22、方框图中，作用信号是单方向传递单方向传递的，形成开环。的，形成开环。 （4）输出不影响输入输出不影响输入。 （5）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确的数值，即）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确的数值，即开环控开环控制精度不高，制精度不高，或或抗干扰能力差抗干扰能力差。“致命致命”缺点！缺点！1.3.2 闭环控制闭环控制 定义定义：凡是系统凡是系统输出信号输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控制系统。制系统。 在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作用在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作用(控制器输出控制器输出)

23、，若，若部分或部分或全部全部取自被控量的反馈信息，即根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行取自被控量的反馈信息，即根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为控制的任务，这种控制原理称为反馈控制原理反馈控制原理。正是由于引入了反馈信息，使整个控。正是由于引入了反馈信息，使整个控制过程成为制过程成为闭合闭合的。因此，按反馈原理建立起来的控制系统，叫做的。因此，按反馈原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统闭环控制系统。 在闭环控制系统中，其控制量是在闭环控制系统中，其控制量是被控量与给定值之间的偏差被控量与给定值之间的偏差。控制装置控制装置控制对象控制对象反

24、馈元件反馈元件输入输入输出输出+-偏差偏差图图1-13 闭环控制系统方框图闭环控制系统方框图 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。比如，人可以用手。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现了闭环控制的原理。图拿到放在桌上的书等物，体现了闭环控制的原理。图1.11是直流电动机转速是直流电动机转速闭环控制的例子。闭环控制的例子。M功率功率放大器放大器电动机电动机负载负载电电位位器器F测速发动机测速发动机图图1-11 直流电动机转速闭环控制系统直流电动机转速闭环控制系统电动机电动机转速转速给定位置给定位置功率功率放大器放大器电位器电位器+-负载

25、扰动负载扰动测速发动机测速发动机ufureua图图1-12 直流电动机转速闭环控制方框图直流电动机转速闭环控制方框图keuua0 闭环控制的特点：闭环控制的特点： 控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏差信号偏差信号，由，由偏差产生对系统被控量的控制；偏差产生对系统被控量的控制； 信息的传递路径为一个闭合的环路，称为闭环。信息的传递路径为一个闭合的环路，称为闭环。 控制精度高，抗干扰能力强。控制精度高，抗干扰能力强。 闭环控制系统的典型方框图如图所示。闭环控制系统的典型方框图如图所示。控制器控制器控制对象控制对象反馈元件反馈元件输入输入输出输出+-偏

26、差偏差图图1-13 闭环控制系统方框图闭环控制系统方框图1.3.3 开环与闭环控制系统的比较开环与闭环控制系统的比较 闭环系统的优点闭环系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当系统的参数变化均相当不敏感不敏感。这样，对于给定的控制对象，有可能采用。这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统。在开环情况下，就不可不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统。在开环情况下，就不可能做到这一点。能做到这一点。 从稳定性的观点从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建造，因为对开环系统出

27、发，开环控制系统比较容易建造，因为对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但是在闭环系统中，稳定性则始终是一个重来说，不存在稳定性的问题。但是在闭环系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因为闭环系统可能引起过调误差，从而导致系统做等幅振荡或变要问题。因为闭环系统可能引起过调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。幅振荡。 工程上常采用的工程上常采用的复合控制复合控制方法，就是把两者结合起来使用。复合控制方法，就是把两者结合起来使用。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（给定或扰动）的实质上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行加强或补偿，

28、以达到精确的控制效果。顺馈通路，对该信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果。常见的方常见的方式有以下两种：式有以下两种： 通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入通常，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，以提高系统的信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。跟踪能力。控制器控制器控制对象控制对象补偿装置补偿装置输入输入输出输出+ +- -图图1-14 1-14 附加输入给定补偿附加输入给定补偿微分环节，超前微分环节，超前控制，控制，快速控制快速控制2.2.附加扰动输入补偿附加扰动输入补偿 该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制

29、作用，该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起到对扰动影响主要起到对扰动影响“防患未然防患未然”的效果。的效果。控制器控制器控制对象控制对象补偿装置补偿装置输入输入输出输出+-+扰动扰动图图1-15 附加扰动输入补偿附加扰动输入补偿 附加的顺馈回路相当于开环控制，对附加的顺馈回路相当于开环控制，对补偿装置稳定性的要求补偿装置稳定性的要求较高较高，否则会减弱补偿效果。但对闭环性能影响不大，特别对稳，否则会减弱补偿效果。但对闭环性能影响不大，特别对稳定性无影响，定性无影响，却能大大提供控制精度却能大大提供控制精度，获得广泛应用。，获得广泛应用。1-4 1-4 自动控制系统的分类及

30、基本组成自动控制系统的分类及基本组成 自动控制系统有多种分类方法。自动控制系统有多种分类方法。按信号传递路径，可分为按信号传递路径，可分为开环，闭环开环，闭环等等控制系统；按系统元件的属性可分为控制系统；按系统元件的属性可分为机械，电气，液压和气动控制系统机械，电气，液压和气动控制系统。从。从研究自控系统的动态性能，运动规律和设计方法的理论角度研究自控系统的动态性能，运动规律和设计方法的理论角度，除按系统信号，除按系统信号传递路径分外，还可以按如下四种情况来划分。传递路径分外，还可以按如下四种情况来划分。 给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望的输出值，反映了控制系给定信号是系统的指令信息

31、。它代表了系统希望的输出值，反映了控制系统要完成的基本任务和职能。统要完成的基本任务和职能。 给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定值上。给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定值上。液液位控制系统位控制系统，直流电动机调速系统直流电动机调速系统等等。等等。：给定信号是预先不知道的随机信号。要求系统的输出快：给定信号是预先不知道的随机信号。要求系统的输出快速、准确地跟随给定值的变化。速、准确地跟随给定值的变化。NO.1跟随性，跟随性，NO.2抗干扰性。抗干扰性。跟踪卫星的雷跟踪卫星的雷达天线系统，自动导航系统，自动测量仪器达天线系统，自动导航系统，自动测量仪器等。等。 给定值按预先给定的规律

32、变化的控制系统。比随动系统给定值按预先给定的规律变化的控制系统。比随动系统的设计有针对性，数控的设计有针对性，数控机床，加热炉温度自动控制机床，加热炉温度自动控制等。等。 1.4.2 按系统的数学描述划分按系统的数学描述划分 1. 1.线性系统线性系统 当系统当系统各元件各元件输入输出特性输入输出特性都都是线性特性，系统的状态和性能可以用线性是线性特性，系统的状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时，则称这种系统为线性系统。微分（或差分）方程来描述时，则称这种系统为线性系统。 所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的直线所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的直线，也称其为线性元件。

33、，也称其为线性元件。因此，由线性元件组成的系统则必是线性系统。线性系统的一个突出特点就是满因此，由线性元件组成的系统则必是线性系统。线性系统的一个突出特点就是满足足叠加原理叠加原理，可运用叠加原理的两个性质（叠加性和齐次性），作为鉴别系统是，可运用叠加原理的两个性质（叠加性和齐次性），作为鉴别系统是否为线性系统的依据。否为线性系统的依据。 可细分为可细分为线性定常系统线性定常系统和和线性时变系统线性时变系统。 2. 2.非线性系统非线性系统 系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就由非线性方程来描述，这系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。种系

34、统称为非线性系统。图图1-16 常见非线性特性常见非线性特性（a）饱和特性（）饱和特性（b）继电特性（）继电特性（c）死区特性）死区特性INOUT本质非线本质非线性性非本质非非本质非线性线性非本质非非本质非线性线性 1.4.3 按信号传递的连续性划分按信号传递的连续性划分 1.连续系统连续系统 连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的时间的连续函数连续函数。这类系统的运动状态是用微分方程来描述的。这类系统的运动状态是用微分方程来描述的。 连续系统中各元件传输的信息在工程上称为连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量模拟量

35、，多数实，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用r(t)和和c(t)表示。表示。r(t) t 0c(t) t 0模拟元件模拟元件r(t)c(t)2.离散系统离散系统 控制系统中控制系统中只要有一处只要有一处的信号是脉冲序列或数码时，该系统即为离散的信号是脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程差分方程来描述。实际物理系统中，来描述。实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要，人为地将信息的表现形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要，人为地将连续信号离

36、散化，我们称其为连续信号离散化，我们称其为采样采样。c(t) t 0c(t)c*(t)c*(t) t 0图图1-18 采样过程采样过程A/D计算机计算机D/A放大器放大器对象对象检测元件检测元件+-r(t)e(t)e*(t)数字控制器数字控制器c(t)图图1-19 计算机控制系统计算机控制系统1.4.4 按系统的输入与输出信号的数量划分按系统的输入与输出信号的数量划分 1. 1.单变量系统单变量系统（SISO） 外部特性是只有一个输入，一个输出，但内部可以是多回路，多变量。外部特性是只有一个输入，一个输出，但内部可以是多回路，多变量。 经典控制理论的主要研究对象，工具：传递函数；本课程讲授的内

37、容。经典控制理论的主要研究对象，工具：传递函数；本课程讲授的内容。 2. 2.多变量系统多变量系统（MIMO） 现代控制理论的主要研究对象，工具：状态空间法；讨论多参数、多变现代控制理论的主要研究对象，工具：状态空间法；讨论多参数、多变量、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计。量、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计。 随着科技的发展，系统越来越复杂，计算机的使用，使复杂系统的精确随着科技的发展，系统越来越复杂，计算机的使用，使复杂系统的精确控制成为可能。并使得现控向纵深发展，最佳控制，自适应，自学习，得到控制成为可能。并使得现控向纵深发展，最佳控制，自适应，自学习，得到充分的

38、研究。并扩充到非工程领域，如经济，生物，社会经济系统等。充分的研究。并扩充到非工程领域，如经济，生物，社会经济系统等。1.4.5 自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成 在形形色色的自动控制系统中，在形形色色的自动控制系统中，反馈控制反馈控制是最基本的控制方式之一。一个典型的反是最基本的控制方式之一。一个典型的反馈控制系统总是由馈控制系统总是由控制对象控制对象和各种结构不同的和各种结构不同的职能元件职能元件组成的。除控制对象外，其他各组成的。除控制对象外，其他各部分可统称为部分可统称为控制装置控制装置。每一部分各司其职，共同完成控制任务。下面给出这些职能元。每一部分各司其职，共同完成控制

39、任务。下面给出这些职能元件的种类和各自的职能。件的种类和各自的职能。其职能是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。其职能是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。其职能是检测被控量，如果测出的物理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电其职能是检测被控量，如果测出的物理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以便利用电的手段加以处理。量，以便利用电的手段加以处理。输出输出输输入入放大放大元件元件+-测量变送元件测量变送元件给定给定元件元件执行执行元件元件串联串联校正校正元件元件+-对对象象反馈校正元件反馈校正元件图图1-22 反馈控制系统基

40、本组成反馈控制系统基本组成 比较元件比较元件：其职能是把测量元件检测到的实际输出值与给定元件给出的输入其职能是把测量元件检测到的实际输出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。值进行比较，求出它们之间的偏差。 放大元件放大元件：其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。执行机构或被控对象。 执行元件执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件校正元件：为为改善或提高改善或提高系统的性能，在系统基本结构基础上附加参数可灵系统的

41、性能，在系统基本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。活调整的元件。工程上称为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。输出输出输输入入放大放大元件元件+-测量变送元件测量变送元件给定给定元件元件执行执行元件元件串联串联校正校正元件元件+-对对象象反馈校正元件反馈校正元件图图1-22 反馈控制系统基本组成反馈控制系统基本组成1.5.1 1.5.1 对系统的要求对系统的要求 各类控制系统为达到理想的控制目的，必须具备以下两个方面的性能：各类控制系统为达到理想的控制目的，必须具备以下两个方面的性能： （1 1）使系统的输出快速准确地按输入信号要求的

42、期望输出值变化。）使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期望输出值变化。快速性快速性 （2 2）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。抗干扰抗干扰 这是对所有控制系统提出的基本要求。如果要精确的保持被控量等于期望这是对所有控制系统提出的基本要求。如果要精确的保持被控量等于期望值，任何时候都相等，毫无延迟，实现起来很难，只能近似实现。值，任何时候都相等，毫无延迟，实现起来很难，只能近似实现。 在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能元件。并且也由于能源功在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系统放大能力必然有限。因而使

43、相应的运动加速度不会太大，率的限制，使得系统放大能力必然有限。因而使相应的运动加速度不会太大，速度和位移不会瞬间变化，而要经历一段时间，即系统运动必然有一个渐变的速度和位移不会瞬间变化，而要经历一段时间，即系统运动必然有一个渐变的过程过程（过渡过程）（过渡过程）。 r(t) t 0c(t) t 0图图1-23 实际系统响应实际系统响应（a）输入信号（）输入信号（b）输出信号）输出信号(a)(b)系统受到外加信号作用后，被控量随时间系统受到外加信号作用后，被控量随时间t变化变化的过程。系统控制性能的优劣的过程。系统控制性能的优劣 可以从可以从c(t)中充分体现中充分体现(在时域分在时域分析中，就是要首先求出析中，就是要首先求出c(t)。)()()(tctctcsst稳态响应，强迫分量，稳态响应，强迫分量，定态完全取决于输入的定态完全取决于输入的形式形式暂态，自由分量暂态，自由分量0)(limtct)()()(lim)(limtctctctcssssttt不论初始条件如何，最终总能实现定态的系统；反之，不论初始条件如何，最终总能实现定态的系统；反之，。只有稳态系统，才有必要进一步衡量其控制的其它品质。只有稳态系统，才有必要进一步衡量其控制的其它品质。：在