控制系统一般概念(通信)

1、控制工程基础控制工程基础江南大学江南大学 物联网工程学院物联网工程学院课程性质：专业选修课任课教师：于力革联系方式作部门：物联网工程学院 自动化系第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念 1.1 引言 1.2 控制科学与控制论、系统论、信息论1.3 自动控制的发展1.4 自动控制系统分类和组成1.5 闭环控制系统的基本组成1.6 现代控制系统实例1.7 对控制系统的基本要求1.8 典型输入信号或者激励信号在现代科学技术发展中，自动控制理论与自动控制系统起着越来越重要的作用。除了在宇宙飞船系统、导弹制导系统和机器人系统等领域，自动控制具有特别重要的作用外，它已

2、经成为现代制造业和工业过程中的不可缺少的组成部分。 1.1 1.1 引言引言 通信中的自动控制通信中的自动控制 智能建筑的中枢神经系统 通信自动化系统它对建筑内外的信息进行收集、存储、处理、传输，并提供决策支持。无线传感网的信息传递 自动功率控制传感节点采集的信息通过一跳或多跳的方式发送给汇聚节点，依据通信距离自动控制其发送的功率。在实际信道传输数字信号的过程中，由于存在噪声以及信道传输特性不理想所造成的码间串扰，会引起传输差错。为了提高数字传输系统的可靠性，降低信息传输的差错率，可以采用差错控制编码，对差错进行控制。常用的差错控制方式主要有三种：前向纠错、检错重发检错重发和混合纠错。以检错重

3、发方式为例，发送端经信道编码后发出具有检错能力的码组，接收端收到后经检测如果发现传输中有错误，则通过反馈信道把这一判断结果反馈反馈给发送端，然后，发送端把前面发出的信息重新传送一次，直到接收端认为已经正确为止。从原理上讲：检错重发采用的是自动控制的原理。当外界扰动使得电动机的转速 升高时，测速发电机的输出电压 增大 ，从而导致电压放大器的输入电压 降低， 降低，因此电动机两端的电压 降低，最终使得电动机的输出转速 降低，维持在希望的转速值1000转/秒。ntuukuaun下图是一个速度反馈控制系统，目的是使直流电动机速度n维持在1000转/秒。 自动控制技术的核心就是反馈反馈控制或闭环闭环控制

4、。从以上叙述可以理解到，从以上叙述可以理解到，反馈反馈的含义是将系统的输出的含义是将系统的输出经过处理后再送到系统的输入端，以调整系统的再输经过处理后再送到系统的输入端，以调整系统的再输出。出。除了工程系统以外，生物系统中的变量，如人体的血糖和血压受某些过程的影响，而这些过程都可以通过自动控制方法进行研究。同样，在经济系统中，大到宏观控制，小到商业管理经济系统中的变量，如受政府财政政策影响的失业和通货膨胀，亦可利用控制方法来研究。自动控制的这些应用对现代社会的生产力产生了巨大的影响。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论（Cybernetics）、信息论(Information theo

5、ry)、系统论(Systematology)和仿生学(Bionics)为基础的智能控制理论深入。End1.2 1.2 控制科学与控制论、系统论、信息论控制科学与控制论、系统论、信息论自动控制系统是由各环节、部件组成，按反馈原理进行控制的。 反馈控制是一种最基本的控制方式，它要求根据误差信息通过一定的控制算法形成控制作用。在自动控制系统中包括多个环节：信息的量测（提取）、处理（加工和变换）和信息的传输（图中的箭头代表信息的传输方向或称信息流向）、存储及利用，并最终形成控制作用（也是一种信息）。因此可以看出，系统、信息和控制的紧密关系。系统是信息和控制的载体，而信息反映系统的性能，控制是实现预期性

6、能的手段。 “三论”系统论、信息论和控制论为现代科学技术提供了全新的思维方式和科学方法论原则，它们对整个人类社会起着巨大作用。信息论的创始人是美国学者C.香农(Shannon)。人们通过分析系统中信息的流向、变换和处理来认识系统中每个元件的作用、功能和构成。系统论是研究系统结构和功能一般规律的科学，其研究对象为各类系统，包括工程系统、社会系统、经济系统、生物系统等。 控制论是研究动物、机器、自然和社会等系统中控制、反馈和通信的共同规律的科学。End1.3 1.3 自动控制的发展自动控制的发展最早应用于工业过程的自动反馈控制器，是James Watt于1876年发明的离心飞球调速器，它被用来调节

7、蒸汽机的速度 。 航天飞机升空及在太航天飞机升空及在太空飞行空飞行,由于各种外部的因由于各种外部的因素素,使得飞机偏离既定轨道使得飞机偏离既定轨道,必须必须 控制其回到设计的轨控制其回到设计的轨道上。（道上。（反馈控制反馈控制） 阿波罗宇宙飞船要成功登上月球，阿波罗宇宙飞船要成功登上月球，必需要求飞船为必需要求飞船为软着陆软着陆，即飞船到达，即飞船到达月球表面的向下速度为零，飞船运行月球表面的向下速度为零，飞船运行过程中燃料消耗最小，飞行时间最短过程中燃料消耗最小，飞行时间最短等等（等等（最优控制最优控制）自动控制应用于航空航天，工业过程等等。自动控制应用于航空航天，工业过程等等。 战机追击中

8、，敌机飞行轨迹，战机追击中，敌机飞行轨迹，我机是无法预知的，我机的飞行控我机是无法预知的，我机的飞行控制系统能准确迅速地跟踪敌机将敌制系统能准确迅速地跟踪敌机将敌机击毁（机击毁（自适应跟踪控制自适应跟踪控制）。）。 美国美国F-22F-22隐形战斗机在执行任隐形战斗机在执行任务时要避开敌方雷达搜索，同时根据务时要避开敌方雷达搜索，同时根据地形变化进行控制，具有自学习的功地形变化进行控制，具有自学习的功能（能（智能控制智能控制）。）。中药生产过程控制系统中药生产过程控制系统（分离、纯化、精制、制备、干燥等）（分离、纯化、精制、制备、干燥等） 石油化工生产过程控制系统石油化工生产过程控制系统机器人

9、控制End1.4 1.4 自动控制系统的分类和组成自动控制系统的分类和组成 控制控制 通过对系统输入的操作使得输出达到指定的目标。1. 1. 自动控制的有关概念自动控制的有关概念自控控制自控控制 就是在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控对象（过程）自动地按预定规律变化的控制过程。 自动控制理论自动控制理论n 研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论。n 研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制系统自动控制系统 由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相依赖的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象输出的物理量(如玻璃窑炉控制系统中的温度、压力、液位)进行自动控制。2. 自动控制系统

10、的分类自动控制系统的分类根据控制方式分为根据控制方式分为：开环控制系统、反馈控制（闭环控制）系统等。根据系统性能分为根据系统性能分为：线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、确定性系统和不确定性系统等。根据被控制量变化规律分为根据被控制量变化规律分为：恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等。根据元件类型分为根据元件类型分为：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统和生物系统等。根据系统功用分为根据系统功用分为：温度控制系统、压力控制系统和位置控制系统等等。开环控制系统开环控制系统开环控制系统又称为前馈控制系统。控制作用是由输入信号直接向前输送，而不是由输出信号回输

11、到输入信号来进行控制的系统，称为开环控制系统n输出不影响输入，对输出不需测量，易于实现；输出不影响输入，对输出不需测量，易于实现；n组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；n系统的稳定性不是主要问题系统的稳定性不是主要问题。控制装置控制装置被控对象被控对象u给定值给定值扰动扰动 被控量被控量nc3. 开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统常见开环控制系统：自动洗衣机，自动流水线等。常见开环控制系统：自动洗衣机，自动流水线等。电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流电动机电动机Purukn扰动ua扰动电压放大器可控硅功

12、放闭环控制系统输入量输入量眼睛( (书位置书位置) )大脑手臂、手输出量输出量(手位置手位置)眼睛眼睛人取书的反馈控制系统示意图 输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫闭环控制系统（反馈控制系统）。电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅硅可控硅硅放大器放大器直流直流电动机电动机测速机测速机Puruubuk-nua闭环直流电机转速控制系统电位器电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅放大器放大器直流直流电动机电动机测速机测速机Puruubukn扰动ua电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅放大器放大器直流直流电动机电动机测速机测速机Puru

13、ubukn扰动ua控制器控制器执行机构执行机构被控对象被控对象测量（变换）测量（变换） -r给定值给定值e偏差偏差扰动扰动 被控量被控量nc测量信号测量信号 典型的闭环控制系统框图典型的闭环控制系统框图n反馈控制，按反馈极性分为：正反馈，负反馈反馈控制，按反馈极性分为：正反馈，负反馈n反馈系统如果无特殊说明，一般都指反馈系统如果无特殊说明，一般都指负反馈负反馈 n输出影响输入，故能削弱或抑制干扰；输出影响输入，故能削弱或抑制干扰；n低精度元件可组成高精度系统；低精度元件可组成高精度系统；n因为可能发生超调、振荡，故稳定性很重要。因为可能发生超调、振荡，故稳定性很重要。4. 4. 恒值控制系统和

14、伺服系统恒值控制系统和伺服系统 恒值控制系统恒值控制系统 输入量为恒定常值的反馈系统为恒值控制系统。系统的任务是保证在任何扰动作用下，输出量以一定的精度接近给定值。如化工生产过程中的温度、压力、流量和液位等物理量的控制均为恒值控制。图为一物料加热用的炉温自动控制系统。电炉是被控对象，而炉温是被控制量。由电位器组成的温度给定环节给出电压 ,对应所期望的炉内温度,它与表示实际炉温的热电偶的电压 相比较，形成误差电压rufufruuuuruf原理与框图：随动系统（伺服系统或跟踪系统）随动系统（伺服系统或跟踪系统） 输入量是事先不确定的反馈系统称为随动系统或伺服系统或跟踪系统，例如雷达跟踪系统就是这样

15、的系统。在图中所示的典型雷达系统中，抛物面形状的天线不断地发射电脉冲，系统接收从目标飞行器发射回来的回波，并计算雷达天线的坐标和指向目标的向量之间的偏差。系统的任务是保证在任何扰动作用下，让天线指向各个角落以保持这些指向目标的向量的平行。火炮自动瞄准系统，飞机俯仰角的仪表指示系统，X-Y记录仪均为类似的随动系统。 End 闭环控制系统是由各种不同的元部件组成的。将组成系统的闭环控制系统是由各种不同的元部件组成的。将组成系统的元部件元部件按职能分类按职能分类主要有以下几种：主要有以下几种：a. 测量元件测量元件：检测系统输出并参与控制的信号；：检测系统输出并参与控制的信号；b. 给定元件：给定元

16、件：系统输入，给出系统的控制目标；系统输入，给出系统的控制目标；c. 比较元件比较元件：比较和系统输出系统输入；比较和系统输出系统输入；d. 放大元件：放大元件：对控制信号进行放大；对控制信号进行放大；e. 执行元件：执行元件：执行控制信号，实现控制目标；执行控制信号，实现控制目标；f. 校正元件：校正元件：对控制信号进行修正；对控制信号进行修正；1.5 1.5 闭环控制系统的基本组闭环控制系统的基本组成成电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅硅可控硅硅放大器放大器直流直流电动机电动机测速机测速机Puruubuk-nua测量元件测量元件测速发电机测速发电机给定元件给定元件电位器电位器比较元件比

17、较元件电压放大器电压放大器 放大元件放大元件电压放大器电压放大器执行元件执行元件可控硅功放可控硅功放电位器电位器串联串联补偿元件补偿元件放大元件放大元件执行元件执行元件被控对象被控对象反馈反馈补偿元件补偿元件反馈反馈补偿元件补偿元件反馈控制系统基本组成框图反馈控制系统基本组成框图主反馈，局部反馈，单位反馈，负反馈，正反馈，主回路，局部回路等等概念：概念：End1.6 1.6 现代控制系统实例现代控制系统实例 1.硬盘驱动器的位置控制系统整个系统的控制目标是将磁头整个系统的控制目标是将磁头准确定位，以便正确读取磁盘准确定位，以便正确读取磁盘磁道上的信息，因此被控制变磁道上的信息，因此被控制变量是

18、磁头的位置。量是磁头的位置。 预期的行驶方向实际行驶方向原理原理：将预期的行车路线与实际的行车路线相比较，便能得到行驶偏差。实际路线的测量通过眼睛（传感器）来实现或者通过手（传感器）感知与方向盘的变化来实现。 2. 汽车驾驶控制系统对于无人驾驶汽车，是通过自动驾驶仪实现。3. 磁悬浮列车控制系统 磁悬浮列车是一种依靠电磁场特有的“同性相斥”的特性将车辆托起，使整个列车悬浮在铁轨之上，利用电磁力进行导向，并利用直线电机将电能直接转换为推进力，来推动列车前进 。飞行器控制系统是指驾驶员（或自动控制装置）通过对飞行器的副翼、升降舵、方向舵等装置的操纵，控制飞行器的俯仰、横滚和偏航等姿态的所需软硬件的

19、有机整体。 方向舵副翼升降舵典型飞机俯仰角控制系统结构图 4. 飞行控制系统 水温调节系统方框图5. 水温调节系统宏观经济系统 从20世纪60年代开始，控制论逐步应用到经济领域，形成经济控制论。一些典型的经济现象，如生产、消费、货币、利润、成本、税收、贸易、信贷、库存、销售等，可按其表现范围和结构差异分为宏观经济和微观经济。一般地，国家或省市等的国民经济称为宏观经济，企业级的经济称为微观经济。国民经济的反馈控制系统 7天宫一号与神十对接天宫一号神十End1.7 1.7 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求 为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制为了实现自动控制的基本任务，必须对系

20、统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要求，通常是通过系统对求，通常是通过系统对特定输入信号特定输入信号的的响应响应来满足的。来满足的。而这些特殊信号为：而这些特殊信号为：a a、电动机调速系统，要求转速是恒定的，即常值信、电动机调速系统，要求转速是恒定的，即常值信 号；号；b b、温度控制系统中，、温度控制系统中，要求温度是恒定的；要求温度是恒定的；c c、液位控制系统中，要求液位是恒定的；、液位控制系统中，要求液位是恒定的；d d、雷达跟踪系统中，要求及时准确地跟踪目标、雷达跟踪系统中，要求及时准确地跟踪目标 阶跃输入信号是变

21、化最剧烈，对系统最不利的外作用，如果系统在阶跃函数作用下能满足自动控制任务。那么，系统在其它缓慢变化的外作用下更能满足要求。所以，常选用阶跃函数作为典型输入来研究系统的性能。0 1234500.20.40.60.811.21.41 +1 +1 -1 - t ts s t tp p t tr r 001. 1. 对系统性能的基本要求对系统性能的基本要求阶跃响应的某些特征值，就是性能指标，可以统一评价系统的性能。总的来说，希望实际的调节过程尽可能接近于理想的调节过程。对系统性能的基本要求是稳、准、快稳、准、快三个方面。稳定性稳定性指系统重新恢复平稳状态的能力，即过渡过程收敛情况。指系统重新恢复平稳

22、状态的能力，即过渡过程收敛情况。曲线1、2、5最终趋于平衡状态，这类系统是稳定的。曲线3振荡发散，曲线4单调发散,这类系统的过渡过程随时间的推移而发散，无法正常工作，不稳定。曲线1要反复振荡才能达到稳态值，过渡过程持续时间很长。曲线2要经长时间的缓慢爬升才能到稳定值，系统响应迟 钝，过渡过程时间也很长，快速性都不好。曲线5快速趋于稳定，即稳且快，与理想的调节过程偏差最小。准确性准确性指过渡过程结束后稳态误差越小越好。指过渡过程结束后稳态误差越小越好。稳态误差：指过渡过程结束后，也就是进入稳态过程后，希望的输出量与实际输出量之间的误差，是恒量系统稳态精度的重要指标。快速性快速性指过渡过程进行的时

23、间长短。指过渡过程进行的时间长短。对性能指标的要求，不同类型的系统有不同的侧重点。对性能指标的要求，不同类型的系统有不同的侧重点。1.8 1.8 系统典型输入信号系统典型输入信号为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择几种典型的外输入信号，这些信号往往有一定的工程背景。如，某窑炉检修后，炉内温度从环境温控上升到工作温度1100C时的升温曲线为折线所示，若直接按虚线升温，则会造成耐火材料的损坏。a. 阶跃函数阶跃函数a.数学表达式数学表达式b.图形图形 0, 00,)(ttRtrR0 tr(t)表示在表示在t=0t=0时刻出现了时刻出现了幅值为幅值为R R的跳变，是非常的跳变

24、，是非常不利的外作用。不利的外作用。 R=1R=1时的阶跃函数叫单时的阶跃函数叫单位阶跃函数，常用位阶跃函数，常用1(t)1(t)表表示。示。常用阶跃函数作为评价常用阶跃函数作为评价系统动态性能的典型外作系统动态性能的典型外作用。所以阶跃函数在自动用。所以阶跃函数在自动控制系统的分析中起着特控制系统的分析中起着特别重要的作用。别重要的作用。b. 斜坡函数斜坡函数 （速度函数）（速度函数）a.数学表达式数学表达式b.图形图形 0, 00,)(ttRttr0 tr(t)表示从表示从t=0t=0时刻开始，时刻开始，以恒速以恒速R R变化。变化。R=1R=1叫单位速度函数。叫单位速度函数。c. 加速度

25、函数加速度函数a.数学表达式数学表达式b.图形图形 0, 00,21)(2ttRttr表示从表示从t=0t=0时刻开始，以时刻开始，以恒加速度恒加速度R R变化。变化。R=1R=1叫单位加速度函数。叫单位加速度函数。0 tr(t)e. 脉冲函数脉冲函数a.数学表达式数学表达式b.图形图形 tttAtr, 0, 00,)(理想脉冲函数是对理想脉冲函数是对趋于趋于0 0求极限得到的。求极限得到的。脉冲函数在现实是不存在的，脉冲函数在现实是不存在的，只是数学上的定义，在现实只是数学上的定义，在现实系统中常把作用时间很短，系统中常把作用时间很短，幅值很大而强度有限的外作幅值很大而强度有限的外作用近似看

26、作脉冲函数。用近似看作脉冲函数。当当A=1A=1时，称为单位脉冲时，称为单位脉冲函数，记作函数，记作(t)(t)强度为强度为A A的脉冲函数的脉冲函数r(t)r(t)表示成表示成 r(t)=Ar(t)=A(t)(t)0 tr(t)A0, 00,)(tttr 100dtt(t)t f. f.正弦正弦函数函数a.数学表达式数学表达式b.图形图形 A A为振幅，为振幅，w=2w=2f f为正弦为正弦函数的角频率。这里，初函数的角频率。这里，初始相角始相角=0=0，如果初始相，如果初始相角角不等于不等于0 0，那么正弦，那么正弦函数函数r(t)r(t)的表达式为：的表达式为： r(t)=Asin(wtr(t)=Asin(wt-) )正弦函数也是控制系统正弦函数也是控制系统常见的一种典型外作用，常见的一种典型外作用，很多实际的随动系统就是很多实际的随动系统就是经常在这种正弦函数作用经常在这种正弦函数作用下工作的。下工作的。系统在正弦函数作用下系统在正弦函数作用下的响应，即频率特性，是的响应，即频率特性，是自动控制理论研究系统性自动控制理论研究系统性能的重要依据。能的重要依据。0, 00,sin)(ttwtAtrr(t)tA从上表中可以看出，