第一章控系统制的一般概念邹伯敏

1、2022-6-16自动控制的一般概念2n1.1 引言引言n1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制n1.3 控制系统分类控制系统分类n1.4 控制系统的组成与对控制系统的控制系统的组成与对控制系统的 基本要求基本要求自动控制的一般概念2022-6-16自动控制的一般概念4自动控制成为一门科学是从自动控制成为一门科学是从1945年发展起来的。年发展起来的。n开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制粘度自动控制n后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制

2、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制n目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等理等n生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官n经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论四个阶段四个阶段:2022-6-165十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 17651765年，俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器年，俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 17841784年，英国人瓦特发明了蒸汽机离心式调速器，是自动控制领域的年，

3、英国人瓦特发明了蒸汽机离心式调速器，是自动控制领域的第一项重大成果。第一项重大成果。 第一阶段第一阶段. .胚胎萌芽期（胚胎萌芽期（19451945年以前）年以前）十九世纪前半叶，发电机和电动机的使用十九世纪前半叶，发电机和电动机的使用，促进了水利、促进了水利、水电站的遥控和程控以及电压、电流的自动调节技术的发水电站的遥控和程控以及电压、电流的自动调节技术的发展展18681868年，年， 英）英） J. C. J. C. 麦克斯韦（麦克斯韦（“轮调速器轮调速器”论文）提出了用微分方论文）提出了用微分方程描述运动系统的方法。程描述运动系统的方法。18561856年，（英）年，（英）E E。J J

4、。RouthRouth提出了劳斯稳定判据提出了劳斯稳定判据18921892年，（俄）李雅普诺夫发表了年，（俄）李雅普诺夫发表了论运动稳定性的一般问题论运动稳定性的一般问题论文论文18951895年，（德）霍尔维茨提出判别稳定性准则年，（德）霍尔维茨提出判别稳定性准则自动控制的一般概念2022-6-166瓦特的蒸汽机离心式调速器瓦特的蒸汽机离心式调速器自动控制的一般概念2022-6-16719221922年，年，MinorskyMinorsky（迈纳斯基）研制出船舶操纵自动控制器，（迈纳斯基）研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法并证明了从系统的微分方程确定系统

5、的稳定性的方法19321932年，年，NyquistNyquist提出了一种根据系统的开环频率响应提出了一种根据系统的开环频率响应( (对稳对稳态正弦输入态正弦输入) )，确定闭环系统稳定性的方法，确定闭环系统稳定性的方法19341934年，年，HezenHezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。自动控制的一般概念2022-6-168 至此，已形成完整的自动控制理论体系，至此，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的反馈控制理论，也这就是

6、以传递函数为基础的反馈控制理论，也即经典控制理论，它主要研究单输入单输、线即经典控制理论，它主要研究单输入单输、线性定常系统的分析和设计问题。性定常系统的分析和设计问题。 第二阶段第二阶段. .经典控制理论时期经典控制理论时期（1940-19601940-1960）19451945年，（美）年，（美）BodeBode发表了发表了 “网络分析与放大器的设计网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础。奠定了控制理论的基础。19481948年，（美）年，（美）EvansEvans提出并完善了根轨迹法。提出并完善了根轨迹法。19481948年，（美）年，（美）N.WienerN.Wiener发表了

7、发表了控制论控制论（关于在动物（关于在动物和机器中控制和通讯的科学），标志着自动控制科学的生和机器中控制和通讯的科学），标志着自动控制科学的生产。产。自动控制的一般概念2022-6-169随着现代应用数学新成果的推出和计算机技术的应随着现代应用数学新成果的推出和计算机技术的应用，为适应空间宇航技术和导弹等技术的发展，自动控用，为适应空间宇航技术和导弹等技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段制理论跨入了一个新阶段现代控制理论。现代控制理论。 以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。的诞生。现代控制理论主要研究具有高性能、高精现代控制理论主要研究具

8、有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，主要采用度的多变量变参数系统的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。的方法是以状态为基础的状态空间法。 19571957年，美国数学家年，美国数学家R. BellmanR. Bellman提出提出动态规划动态规划，两者为，两者为解决最优控制问题提供了理论工具。解决最优控制问题提供了理论工具。 19561956年，前苏联数学家庞特里亚金，年，前苏联数学家庞特里亚金，“最优过程数学理论最优过程数学理论”，也即最大值原理。，也即最大值原理。 19601960年，年， R. E. KallmanR. E. Kallman提出能控性和能

9、观性两个概念，揭提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性，并提出了状态空间分析法。示了系统的内在属性，并提出了状态空间分析法。自动控制的一般概念2022-6-1610现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：(1) (1) 系统辩识、建模与仿真系统辩识、建模与仿真(2) (2) 自适应控制和自校正控制器自适应控制和自校正控制器 (3) (3) 遥测、遥控和遥感遥测、遥控和遥感 (4) (4) 综合自动化综合自动化 (5) (5) 大系统理论的诞生大系统理论的诞生 (6) (6) 模式识别和人工智能模式识别和人工智能 (7) (7) 智能控制

10、的诞生智能控制的诞生 自动控制的一般概念自动控制的一般概念2022-6-1611自动控制研究的内容：自动控制研究的内容：研究对象研究对象 数学工具数学工具 分析方法分析方法局限性局限性经典经典控制控制理论理论单单I/OI/O线性定常线性定常系统系统微分方程，微分方程，传递函数传递函数时域法时域法根轨迹法根轨迹法频域法频域法对复杂多变量对复杂多变量系统、时变和系统、时变和非线性系统无非线性系统无能为力能为力现代现代控制控制理论理论多输入多输入- -多多输出变系输出变系数，非线数，非线性等系统性等系统线性代数、线性代数、矩阵理论矩阵理论状态状态空间法空间法比较繁琐比较繁琐（但由于计（但由于计算机技

11、术的算机技术的 迅速发展，迅速发展，已克服已克服) )自动控制的一般概念2022-6-16122022-6-1613n经典控制理论经典控制理论 以以传递函数传递函数为基为基础研究单输入础研究单输入- -单输单输出一类线性定常控制出一类线性定常控制系统的分析与设计问系统的分析与设计问题。这些理论由于其题。这些理论由于其发展较早，现已成熟。发展较早，现已成熟。 n现代控制理论现代控制理论 以以状态空间法状态空间法为为基础，研究多输入基础，研究多输入- -多输出、时变、非多输出、时变、非线性一类控制系统线性一类控制系统的分析与设计问题。的分析与设计问题。系统具有高精度和系统具有高精度和高效能的特点。

12、高效能的特点。自动控制的一般概念总结：总结：自动控制的一般概念2022-6-1615n1.1.开环控制系统开环控制系统n2.2.闭环控制系统闭环控制系统n3.3.反馈控制系统反馈控制系统n4.4.自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式自动控制的一般概念2022-6-1616直流电动机转速开环控制系统直流电动机转速开环控制系统 自动控制的一般概念2022-6-1617l 本例中的被控对象即为电动机本例中的被控对象即为电动机M，GT和和V分别为触发器分别为触发器和晶闸管整流装置。而预定的规律即为和晶闸管整流装置。而预定的规律即为“电动机的转速电动机的转速n维持预期值不变维持预期值不变”。

13、转速。转速n的预期值与电位器的预期值与电位器RP1上的上的给定值有着对应关系。把电位器上的电压信号称为输入给定值有着对应关系。把电位器上的电压信号称为输入量或给定量，电动机的转速量或给定量，电动机的转速n称为输出量或被控量。输称为输出量或被控量。输入量对应期望的输出量入量对应期望的输出量(比如比如10V对应对应1000 r/min)，自，自动控制的过程就是力图使实际的输出量与期望的输出量动控制的过程就是力图使实际的输出量与期望的输出量相等。相等。自动控制的一般概念2022-6-1618开环控制系统的定义开环控制系统的定义若系统的输出信号对系统的控制作若系统的输出信号对系统的控制作用没有影响，则

14、称为开环控制系统。用没有影响，则称为开环控制系统。 在开环系统中，信息和控制作用的在开环系统中，信息和控制作用的传送是单方向的，所以称为开环。传送是单方向的，所以称为开环。自动控制的一般概念2022-6-1619自动控制的一般概念l本例中的被控对象仍为电动机本例中的被控对象仍为电动机M。测速发电机将。测速发电机将M的速度转变为与设定值相匹配的值，并与设定的速度转变为与设定值相匹配的值，并与设定值进行比较得到误差信号值进行比较得到误差信号e，当给出被调参数不，当给出被调参数不全要求时，控制器全要求时，控制器GT有输出而工作，直到输出有输出而工作，直到输出达到预定，误差信号为达到预定，误差信号为0

15、（理想状态），系统达（理想状态），系统达到稳定。到稳定。2022-6-1621凡是系统输出信号对控制作用有直接影响凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。的系统，都称为闭环系统。在闭环系统中，信在闭环系统中，信息的传送途径是一个自身闭合的环，所以称为息的传送途径是一个自身闭合的环，所以称为闭环。闭环。输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为数）之差，称为误差信号误差信号，误差信号加到控制，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量器上，以减

16、小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，趋于所希望的值，换句话说，“闭环闭环”这个术这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。差。闭环控制系统的定义闭环控制系统的定义自动控制的一般概念2022-6-1622自动控制的一般概念序号序号比较项目比较项目开环控制开环控制闭环控制闭环控制1 1通道通道只有前向通道只有前向通道前向前向通道通道反馈反馈通道通道2 2结构结构简单、成本低简单、成本低复杂、成本高复杂、成本高3 3精度精度低低高高4 4抗干扰能力抗干扰能力弱弱强强5 5对元件的要对元件的要求求精度取决于元件的质量，精度取决于元件的

17、质量，对元件要求高对元件要求高有反馈通道，使系统对前向通有反馈通道，使系统对前向通道中元件参数变化不灵敏，对道中元件参数变化不灵敏，对一些非线性影响也不敏感一些非线性影响也不敏感6 6稳定性稳定性一般易稳定，但受干扰后，一般易稳定，但受干扰后，没有消除误差的能力没有消除误差的能力需精细设计系统，需精细设计系统，否则容易不稳定否则容易不稳定7 7适用范围适用范围适用于输入量已知，精度适用于输入量已知，精度要求不高，扰动不大的情要求不高，扰动不大的情况，如：洗衣机、普通电况，如：洗衣机、普通电烤箱等烤箱等适用于输入量已知或未知（随适用于输入量已知或未知（随动）、精度要求高、干扰较强动）、精度要求高

18、、干扰较强的情况，如：航天设备、精密的情况，如：航天设备、精密加工设备、机器人等加工设备、机器人等8 8控制器的输控制器的输入信号入信号参考给定值参考给定值误差信号（即给定值与反馈值误差信号（即给定值与反馈值的差）的差）2022-6-16241 1） 反馈反馈自动控制的一般概念2022-6-16253) 3) 反馈控制系统反馈控制系统自动控制的一般概念2022-6-16264 4）反馈控制系统的基本组成）反馈控制系统的基本组成自动控制的一般概念2022-6-16274.4.自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式n（1 1）开环控制系统）开环控制系统n（2 2）反馈（闭环）控制系统）反

19、馈（闭环）控制系统n（3 3）复合控制方式）复合控制方式自动控制的一般概念2022-6-1628复合控制方式复合控制方式n定义定义C(S)Kf/KDG1(S)KGc(S)G2(S)G(S)Gf(S)F(S)=-ML(S)R(S)1(STSKMD11 STB自动控制的一般概念自动控制的一般概念2022-6-1630l开环控制开环控制n闭环控制闭环控制(反馈控制反馈控制)l复合控制复合控制 自动控制的一般概念2022-6-1631l 机械系统机械系统恒张力系统恒张力系统l 机电系统机电系统全自动照相机，光机电全自动照相机，光机电结合结合l 液压系统液压系统伺服液压缸，汽车发动伺服液压缸，汽车发动机

20、，机， 大型的仿真模拟台大型的仿真模拟台l 气动系统气动系统 l 生物系统生物系统自动控制的一般概念2022-6-1632按系统功用分按系统功用分自动控制的一般概念2022-6-1633自动控制的一般概念2022-6-1634自动控制的一般概念自动控制的一般概念2022-6-1636图（图（）是一个液位控制系统原理图。）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。对误差进行修正，从而保持液位不变。图（图（）是该控制系统的方框图。）是该控

21、制系统的方框图。自动控制的一般概念2022-6-1637H H注注入入控控制制器器（比比较较、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理图图气气动动阀阀门门自动控制的一般概念2022-6-1638自动控制的一般概念参考输入参考输入 ：希望液位：希望液位控控 制制 器：比较、放大的作用器：比较、放大的作用执行机构：气动阀门执行机构：气动阀门被控对象：水箱被控对象：水箱反馈元件：浮子，液面测量反馈元件：浮子，液面测量干干 扰扰 量量 ：Q2Q2)(tr)(td误差信号误差信号 ：希望与实际之差：希望与实际之差输输 出出 量量 ：实际液位：实际液位反反 馈馈 量量 ：测量转变后的量：测量转变后的量)(te)(tc)(tb比比 较较 点：点：引引 出出 点：点：环节：环节：将组成系统的元部件按职能分类：将组成系统的元部件按职能分类：2022-6-1640（1）稳定性：）稳定性： 对于稳定的恒值控制系统，被控量因扰动而偏离期望值后，对于稳定的恒值控制系统，被控量因扰动而偏离期望值后，经过一定时间，被控量应恢复到原来的期望值状态。经过一定时间，被控量应恢复到原来的期望值状态。 对于稳定的随动系统，被控量应能始终跟踪参据量的变化。对于稳定的随动系统，被控量应能始终跟踪参据量的变化。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。稳定性，通常