第1章控制系统的基本概念

1、控制系统的的工作原理及其组成控制系统的的工作原理及其组成控制系统的基本类型控制系统的基本类型对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求自动控制理论发展概述自动控制理论发展概述1-11-1 自动控制系统的工作原理及其组成自动控制系统的工作原理及其组成 一、自动控制问题的提出一、自动控制问题的提出 液位控制系统液位控制系统控制器控制器减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮子浮子用水开关用水开关Q2Q1cifSM手臂,手人眼输入信号大脑人眼用自动装置代替人工操作眼 睛 测 量 装 置 （ 浮 子 ） 手 气 动 阀 门头 脑 控 制 器 ， 比 较 、 计 算希望液位实实 际际 液液 位位肌肌 肉肉

2、、 手手阀阀 门门水水 箱箱眼眼 睛睛（III） 相对应的人工操纵系统方块图 脑二、反馈控制原理二、反馈控制原理 下图是水箱水位自动控制系统的框图。下图是水箱水位自动控制系统的框图。反馈的概念：将输出量取出一部分或全部送到输入端，称为反馈。当反馈量与输入信号极性相反时为负反馈，极性相同时为正反馈。控制系统通常是负反馈。控制系统的工作原理如下：控制系统的工作原理如下：1）检测输出量的实际值；）检测输出量的实际值；2 2）将实际值反馈到输入端与给定值（输入量）进行比较得）将实际值反馈到输入端与给定值（输入量）进行比较得出偏差值；出偏差值；3 3）用偏差值产生控制调节作用去消除偏差）用偏差值产生控制

3、调节作用去消除偏差三、自动控制系统的基本组成三、自动控制系统的基本组成 四、自动控制系统基本控制方式四、自动控制系统基本控制方式 反馈控制方式是自动控制系统最基本的控制反馈控制方式是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种方式。除此之外，方式，也是应用最广泛的一种方式。除此之外，还有开环控制方式和复合控制方式。近几十年来还有开环控制方式和复合控制方式。近几十年来控制方式有了很大的发展，例如，最优控制、自控制方式有了很大的发展，例如，最优控制、自适应控制、模糊控制、智能控制等。适应控制、模糊控制、智能控制等。 1 1）开环控制方式）开环控制方式 系统的输入不受输出影响的控制系统称为开环

4、控制系统。系统的输入不受输出影响的控制系统称为开环控制系统。在开环控制系统中，输入端与输出端之间，只有信号的在开环控制系统中，输入端与输出端之间，只有信号的前向通道而不从再由输出端到输入端的反馈通路。开环前向通道而不从再由输出端到输入端的反馈通路。开环控制系统可以按定给量控制方式组成，也可按扰动方式控制系统可以按定给量控制方式组成，也可按扰动方式组成。组成。 定义定义 如果系统的被控量直接或间接地参与控制，这种如果系统的被控量直接或间接地参与控制，这种系统称为闭环控制系统或更直接地称为反馈控制系统。系统称为闭环控制系统或更直接地称为反馈控制系统。 反馈控制系统的控制原理如图反馈控制系统的控制原

5、理如图1.7所示。所示。 图1.7 反馈控制系统控制器被控对象反馈环节扰动被控量控制量参考输入 人们在系统中同时引进开环控制和闭环控制，这种系统称为复合控制系统。复合控制系统的原理如图1.8所示。 图1.8 复合控制系统控制器被控对象反馈环节扰动被控量控制量参考输入控制器1-2 1-2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类开环控制开环控制闭环控制闭环控制 (反馈控制反馈控制)复合控制复合控制 机械系统机械系统电气系统电气系统机电系统机电系统全自动照相机，光机电结合全自动照相机，光机电结合液压系统液压系统伺服液压缸，汽车发动机伺服液压缸，汽车发动机气动系统气动系统 生物系统生物系统按系统功用分按

6、系统功用分一、线性连续控制系统一、线性连续控制系统这类系统可用线性微分方程描述，其一般形式为这类系统可用线性微分方程描述，其一般形式为: :)()(b )(b )()(a )(a )()( 1 -m1110n1 -n1110trbtrdtdtrdtdtrdtdbtctcdtdtcdtdatcdtdammmmmnnnn1 1恒值控制系统恒值控制系统 这类控制系统的参据量（系统输入量）是一个常值，要求被控制量等于一个常值，故又称为调节器。在工业控制中，如被控量时温度、流量、压力、液位等生产过程时，这种控制系统则称为过程控制系统，他们大多数属于恒值控制系统。2 2、随动系统、随动系统 随动系统在工业

7、部门又称伺服系统。这类控制系统的输入量是预先未知的随时间变化的函数。当输入量法深变化时，则要求输出量迅速而平稳地跟随变化，且能排除各种干扰因素的影响，准确的复现控制信号的变化规律（次即伺服的含义）。控制指令可以由操作者根据需要随时发出，也可由目标物或相应的测量装置发出。3 3程序控制系统程序控制系统 这类控制系统的参据量（输入量）是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。例如数控机床。二、线性定常离散控制系统二、线性定常离散控制系统 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在实践上是离散的。连续信号经过

8、采码形式，因而信号在实践上是离散的。连续信号经过采样开关的采样就可转变成离散信号。一般离散系统中既样开关的采样就可转变成离散信号。一般离散系统中既有连续的模拟信号，也有离散的数字信号，因此离散系有连续的模拟信号，也有离散的数字信号，因此离散系统要用差分方程描述，线性差分方程的一般形式为统要用差分方程描述，线性差分方程的一般形式为)() 1() 1()()(a) 1(a ) 1(a )( 110n1 -n10krbkcbmkrbmkrbkckcnkcnkcamm三、非线性控制系统三、非线性控制系统 只要有一个元件的的输入输出特性是非线性的，只要有一个元件的的输入输出特性是非线性的，这类系统就称为

9、非线性系统，这时要用非线性微这类系统就称为非线性系统，这时要用非线性微分方程描述其特性。非线性方程的特点是系数与分方程描述其特性。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导数的高次变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。例如幂或乘积项。例如 )()()()()(2trtytytyty 1-3 1-3 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求 不同的控制对象、不同的工种方式和控制任务，不同的控制对象、不同的工种方式和控制任务，对系统的品质指标要求也往往不同，但是，对对系统的品质指标要求也往往不同，但是，对每一类系统被控量变化全过程提出的共同基本每一类系统被控量变

10、化全过程提出的共同基本要求是一样的。且可归结为稳定性、快速性和要求是一样的。且可归结为稳定性、快速性和准确性。即稳、快、准。准确性。即稳、快、准。1稳定性稳定性 稳定性是保证控制系统工作的先决条件。稳定性稳定性是保证控制系统工作的先决条件。稳定性是系统重新恢复平衡状态的能力。是系统重新恢复平衡状态的能力。2 2快速性快速性 为了很好完成控制任务，控制系统仅仅满足稳定为了很好完成控制任务，控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。快慢提出要求，一般称为动态性能。3 3准确性准确性 实际中被控量的稳态值与

11、期望值之间会有误差存实际中被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在，称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统精在，称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统精度的重要指标。度的重要指标。 1-4 1-4 自控理论的发展概述自控理论的发展概述 经典控制理论经典控制理论 1. 古代古代 中国：中国： 北宋时代（公元北宋时代（公元1086108610891089）苏颂和）苏颂和韩公廉利用天衡装置制造的水运仪象台，就是韩公廉利用天衡装置制造的水运仪象台，就是按负反馈原理构成的闭环非线性自动控制系统；按负反馈原理构成的闭环非线性自动控制系统； 英国：英国：dennis Papin dennis Papin 发明了用

12、作安全调节装发明了用作安全调节装置的锅炉压力调节器；置的锅炉压力调节器； 俄国：俄国：I. PolzunovI. Polzunov（普尔佐诺夫）发明了蒸（普尔佐诺夫）发明了蒸汽锅炉水位调节器汽锅炉水位调节器 4 419321932年，美国物理学家奈奎斯特（年，美国物理学家奈奎斯特（H.NyquistH.Nyquist）研究了长距离电话线信号传输中出现的失真问题，研究了长距离电话线信号传输中出现的失真问题，运用复变函数理论建立了以频率特性为基础的稳运用复变函数理论建立了以频率特性为基础的稳定性判据，奠定了频率响应法的基础。随后，伯定性判据，奠定了频率响应法的基础。随后，伯德（德（H.W.Bode

13、H.W.Bode）和尼柯尔斯（）和尼柯尔斯（N.B.NicholsN.B.Nichols）在）在2020世纪世纪3030年代末和年代末和4040年代初进一步将频率响应法加年代初进一步将频率响应法加以发展，形成了经典控制理论的频域分析法，为以发展，形成了经典控制理论的频域分析法，为工程技术人员提供了一个设计反馈控制系统的有工程技术人员提供了一个设计反馈控制系统的有效工具。效工具。5 5二战期间，反馈控制方法广泛应用于设计研制二战期间，反馈控制方法广泛应用于设计研制飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统及其他军用系统。这些系统的复杂性和对快系统及其

14、他军用系统。这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追求，迫切要求拓宽速跟踪、精确控制的高性能追求，迫切要求拓宽已有的控制技术，促使了许多新的见解和方法的已有的控制技术，促使了许多新的见解和方法的产生，同时，还促使了对非线性系统、采样系统产生，同时，还促使了对非线性系统、采样系统和随机控制系统的研究。和随机控制系统的研究。6 619481948年，美国科学家伊万思（年，美国科学家伊万思（W.R.EvansW.R.Evans）创）创立了根轨迹分析方法，为分析系统随系统参数变立了根轨迹分析方法，为分析系统随系统参数变化的规律性提供了有力工具，被广泛应用于反馈化的规律性提供了有力工具，被广泛应

15、用于反馈控制系统的分析、设计中。以传递函数作为描述控制系统的分析、设计中。以传递函数作为描述系统的数学模型，以时域分析法、根轨迹法和频系统的数学模型，以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为主要分析设计工具，构成了经典控制域分析法为主要分析设计工具，构成了经典控制理论的基本框架。理论的基本框架。经典控制理论研究的对象基本上是以线性定常系经典控制理论研究的对象基本上是以线性定常系统为主的单输入单输出系统，还不能解决如时变统为主的单输入单输出系统，还不能解决如时变参数问题，多变量强耦合等复杂的控制问题。参数问题，多变量强耦合等复杂的控制问题。 现代控制理论现代控制理论 7 7 二十世纪二十世纪5050

16、年代中期，空间技术的发展迫切年代中期，空间技术的发展迫切要求解决更复杂的多变量系统、非线性系统的最要求解决更复杂的多变量系统、非线性系统的最优控制问题（例如，火箭和宇航器的导航、跟踪优控制问题（例如，火箭和宇航器的导航、跟踪和着陆过程中的高精度、低消耗控制）。实践的和着陆过程中的高精度、低消耗控制）。实践的需求推动了控制理论的进步，同时，计算机技术需求推动了控制理论的进步，同时，计算机技术的发展也从计算手段上为控制理论的发展提供了的发展也从计算手段上为控制理论的发展提供了条件。条件。 俄国数学家李雅普诺夫（俄国数学家李雅普诺夫（A.M.LyapunovA.M.Lyapunov）18921892

17、年创立的稳定性理论被引用到控制中。年创立的稳定性理论被引用到控制中。8 819561956年，前苏联科学家庞特里亚金年，前苏联科学家庞特里亚金（PontryyaginPontryyagin）提出了极大值原理；同年，美国）提出了极大值原理；同年，美国科学家贝尔曼（科学家贝尔曼（R.bellmanR.bellman）创立的动态规划。极）创立的动态规划。极大值原理和动态规划为解决最优控制问题提供了大值原理和动态规划为解决最优控制问题提供了理论工具理论工具 。9 919591959年美国数学家卡尔曼（年美国数学家卡尔曼（R.KalmanR.Kalman）提出了著名的卡）提出了著名的卡尔曼滤波器，尔曼滤

18、波器，19601960年卡尔曼又提出了系统的可控性和可观年卡尔曼又提出了系统的可控性和可观测性问题。测性问题。到二十世纪到二十世纪6060年代，一套以状态方程作为描述系统的数学年代，一套以状态方程作为描述系统的数学模型，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制分析、设计模型，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制分析、设计的新原理和方法基本确定，现代控制理论运用而生。的新原理和方法基本确定，现代控制理论运用而生。控制理论主要利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控控制理论主要利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段，适用于多变量、非线性、时变系统。制的手段，适用于多变量、非线性、时变系统。 1010近十几年来科学家提出了新的控制方法和理近十几年来科学家提出了新的控制方法和理论，例如，自适应控制，模糊控制、预测控制，论，例如，自适应控制，模糊控制、预测控制，容错控制，鲁棒控制和智能控制。容错控制，鲁棒控制和智能控制。 图图1 11 a)1 a)是人工控制保持水位恒定的供水系统。水池中是人工控制保持水位恒定的供水系统。水池中的水位时是被控制的物理量，简称被控制量。水池这个设的水位时是被控制的物理量，简称被控制量。水池这个设备是控制的对象，简称被控制对象。备是控制的对象，简称被控制对象。 图图1-1 b) 1-1 b) 所实施水池水位自动控制系统的一种简单形式。所实施水池水位