自动控制理论简介

自动控制理论简介主要内容：1.自动控制理论的形成与发展2.自动控制系统的基本概念3.自动控制系统的基本构成4.自动控制系统的分类5.对自动控制系统的基本要求

自动控制——是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对工艺过程或生产设备进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。

1.1自动控制理论的形成与发展开始多用于工农业生产：如压力、张力、温度、流量、位移、湿度、粘度等自动控制；后来进入军事领域：如飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船等自动控制；目前已涉及到更多领域：如社会经济（模拟经济管理过程、经济控制论、大系统、交通管理、图书管理等），生物工程（如生物控制论、波斯顿假肢、人造器官等）。自动控制的应用：1.1自动控制理论的形成与发展1.1自动控制理论的形成与发展

具有“自动”功能的装置的历史可追溯到公元前14~11世纪在中国、埃及和巴比伦出现的自动计时器——水钟，又称漏刻、漏滴或漏壶等。1.1自动控制理论的形成与发展

公元4世纪，希腊柏拉图(Platon)首先使用了“控制论”一词。1765年，俄国人普尔佐诺夫(I.Polzunov)发明了浮子阀门式水位调节器，用于蒸汽锅炉水位的自动控制。1788年，瓦特(JamesWatt,1736-1819)由蒸气冲动水壶盖得到启发发明了蒸气机，此后他给蒸气机添加了一个“节流”控制器即节流阀，它由一个离心“调节器”操纵，用于调节蒸气流，以便确保引擎工作时速度大致均匀，这是当时反馈调节器最成功的应用。经典控制理论现代控制理论智能控制理论1.1自动控制理论的形成与发展控制理论的发展阶段：1.1.1经典控制理论1.1自动控制理论的形成与发展

经典控制理论是20世纪50年代之前发展起来的，前后经历了较长时间，成熟于50年代中期。经典控制理论最初被称为自动调节原理，适用于较简单系统特定变量的调节。随着后期现代控制理论的出现，故改称为经典控制理论。1.1.1经典控制理论1.稳定性理论的建立1.1自动控制理论的形成与发展

对于早期的控制系统，其目的多用于恒值控制，主要的设计原则是静态准确度和防止不稳定，而暂态响应的性能是次要的。

这一时期，研究工作的重点是系统的稳定性和稳态偏差，采用的数学工具是微分方程解析法，它们是在时间域上进行讨论的，通常称这些方法为控制理论的时间域方法，简称时域法。1.1.1经典控制理论1.稳定性理论的建立1.1自动控制理论的形成与发展1868年，英-麦克斯韦(J.C.Maxwell)发表了“论调速器”一文，对它的稳定性进行了分析，指出控制系统的品质可用微分方程来描述，系统的稳定性可用特征方程根的位置和形式来研究。当属最早的理论工作。1877年英-劳斯(E.J.Routh)和德-胡尔维茨(A.Hurwitz)先后提出了根据代数方程系数判别系统稳定性的准则。1892年俄-李雅普诺夫出版了专著“论运动稳定性的一般问题”，提出了用李雅普诺夫函数的正定性及其导数的负定性判别系统稳定性的准则，从而建立了动力学系统的一般稳定性理论。做出杰出贡献的人物主要有：

英国物理学家牛顿（IsaacNewton，1642-1727）法国数学家拉格朗日（JosephLouisLagrange，1736-1813）法国数学家拉普拉斯（Pierre-SimonLaplace，1749-1827）英国物理学家麦克斯韦（JamesClerkMaxwell，1831-1879）1.1自动控制理论的形成与发展1.1.1经典控制理论1.稳定性理论的建立苏联自动调整理论的奠基人И.А.维什聂格拉斯基（1831-1895）英国数学家劳斯(E.J.Routh,1831-1907)德国数学家胡尔维茨（A.Hurwitz,1859-1919）俄国数学力学家李亚普诺夫（A.M.Lyapunov，1857-1918）

1.1自动控制理论的形成与发展1.1.1经典控制理论1.稳定性理论的建立1.1自动控制理论的形成与发展1.1.1经典控制理论2.频域法与根轨迹法的建立

直到第二次世界大战期间，这种情况才有了改变。例如：军舰上的大炮和高射炮组，其伺服机构迫切需要自动控制系统的全程控制。对于迅速变化的信号，控制系统的准确跟踪是最重要的。因此促进了经典控制理论的巨大发展。先后出现了奈奎斯特、伯德的频率法和依文思的根轨迹法。1.1自动控制理论的形成与发展1.1.1经典控制理论2.频域法与根轨迹法的建立

1932年美籍瑞典-奈奎斯特(H.Nyquist)提出了根据频率响应判别反馈系统暂态特性的准则。1948年美-伊文思(W.R.Evans)根据反馈系统开环和闭环传递函数之间的关系，提出了一种由开环传递函数求闭环特征根的简便方法，在工程中得到了广泛的应用。这种方法称为根轨迹法。1.1自动控制理论的形成与发展1.1.1经典控制理论2.频域法与根轨迹法的建立

1948年美国维纳(N.Wiener)出版了专著《控制论—关于在动物和机器中控制和通信的科学》，系统地论述了控制理论的一般原理和方法，推广了反馈的概念，为控制理论学科的发展奠定了基础。该书的出版标志控制学科的诞生。1954年我国-钱学森在美出版了《工程控制论》一书，书中所阐述的基本理论和观点，奠定了工程控制论的基础。做出杰出贡献的人物主要有：Bell实验室工程师布莱克（H.S.Black）美国物理学家奈奎斯特（HarryNyquist，1889-1976）前苏联学者米哈依洛夫Bell实验室的数学家伯德（HendrikBode,1905-1982）美国数学家维纳（NorbertWiener,1894-1964）中国科学家钱学森（1911-2009）

1.1自动控制理论的形成与发展1.1.1经典控制理论2.频域法与根轨迹法的建立主要著作和论文：伯德的著作《NetworkAnalysisandFeedbackAmplifierDesign》维纳的著作《CyberneticsorControlandCommunicationintheAnimalsandtheMachine》美国电信工程师伊文思（W.R.Evans）的论文“Graphicalanalysisofcontrolsystem”和“Controlsystemsynthesisbyrootlocusmethod”钱学森的专著《EngineeringCybernetics》

1.1自动控制理论的形成与发展1.1.1经典控制理论2.频域法与根轨迹法的建立主要著作和论文：奈奎斯特——论文“Certaintopicsintelegraphtransmissiontheory”香农（ClaudeElwoodShannon，1916-2001）——论文“Themathematicaltheoryofcommunication”1.1自动控制理论的形成与发展1.1自动控制理论的形成与发展1.1.1经典控制理论

经典控制理论主要是解决单输入单输出控制系统的分析与设计，研究对象主要是线性定常系统。它以拉氏变换为数学工具，以传递函数、频率特性、根轨迹等为主要分析设计工具，构成了经典控制理论的基本框架。简单地可概括为一个函数（传递函数）两种方法（频率响应法和根轨迹法）。

主要特点：1.1自动控制理论的形成与发展1.1.1经典控制理论它是一套工程实用的方法，许多工作可用作图法来完成；物理概念清晰，在分析和设计时便于联系工程实际作出决定，减少盲目性；可用实验方法建立系统的数学模型。数学的模型形式：状态空间表达式主要发展过程：1892年，俄国数学家李雅普诺夫(A.M.Lyapunov，1857-1918)创立的稳定性理论被引用到控制理论中。1953年，前苏联工程师费尔德鲍曼（A.A.Feldbaum）提出了Bang-Bang（开关）控制。1.1自动控制理论的形成与发展1.1.2现代控制理论1956年，前苏联数学家庞特里亚金（Pontryagin）受到费尔德鲍曼研究工作的启发，提出了著名的极大值原理（MaximumPrinciple）。美国数学家贝尔曼（RichardBellman,1920-1984）创立了动态规划（DynamicProgramming）。1959年美国数学家卡尔曼提出了著名的卡尔曼滤波器。1960年卡尔曼又提出系统可控性和可观性两个重要概念，揭示了系统的内在属性。

1.1自动控制理论的形成与发展1.1.2现代控制理论与经典控制理论相比较：（1）经典控制理论（本世纪30~50年代）对象：SISO线性定常系统数学工具：拉氏变换数模：传递函数方法：频域法根轨迹法（2）现代控制理论（本世纪50~70年代）对象：MIMO非线性系统时变系统数学工具：线性代数矩阵理论泛函理论数模：状态空间表达式方法：状态空间法1.1自动控制理论的形成与发展1.1.2现代控制理论主要学科分支：系统辨识自适应控制非线性系统最优控制鲁棒控制模糊控制预测控制容错控制

1.1自动控制理论的形成与发展1.1.2现代控制理论基础：人工智能主要目标：使控制系统具有学习和适应能力

1.1自动控制理论的形成与发展1.1.3智能控制理论

智能控制是一门交叉学科。智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综合与集成，代表控制理论与技术领域发展的最新方向。代表人物：人工智能之父和计算机之父：英国数学家图灵（AlanTuring,1912-1954）智能控制的先行者和奠基人：美籍华裔科学家傅京孙教授（King-SunFu,1930-1985）麻省理工学院（MIT）学者明斯基(MarvinLeeMinsky,1927-)和麦卡锡（J.McCarthy）1.1自动控制理论的形成与发展1.1.3智能控制理论模糊数学创始人：美国加州伯克利分校扎德（L.A.Zadeh,1921-）知识工程之父：美国斯坦福大学的费根鲍姆（E.A.Feigenbaum）自适应控制的创始人：瑞典科学家奥斯特洛姆（K.J.Åström,1934-）

1.1自动控制理论的形成与发展1.1.3智能控制理论主要分支：模糊控制(FuzzyControl)神经网络控制(NeuralNet-basedControl)基于进化机制的控制(EvolutionaryMechanismBasedControl)基于知识的控制(KnowledgeBasedControl)或专家控制(ExpertControl)学习控制(learningControl)复合智能控制(HybridIntelligentControl)1.1自动控制理论的形成与发展1.1.3智能控制理论1.2自动控制系统的基本概念1.2.1人工控制与自动控制1.自动控制问题的提出一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h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。

当水的流出量增大或流入量减小时，则平衡被破坏，液面的高度就不能自然地维持恒定。怎么办？1.2自动控制系统的基本概念1.2.1人工控制与自动控制2.人工控制过程下图所示是一种基于人工操纵的水位控制系统，控制要求是保持水箱水位始终处在期望水位(简称给定值)。图中水箱是被控制的设备，简称被控对象；水箱水位是被控制的物理量，简称被控量。

这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。1.2.1人工控制与自动控制2.人工控制过程1.2自动控制系统的基本概念

下图所示是人工控制水位的模拟过程，简称控制系统的方框图。图中用方框代表系统中具有相应的功能单元或部件，用箭头表示功能单元之间的信号及其传递方向。

1.2自动控制系统的基本概念1.2.1人工控制与自动控制2.自动控制过程

下图所示是一种简单的水箱水位自动控制系统。图中浮子相当于人的眼睛，用来测量水位高低；连杆机构相当于人的大脑和手，用来进行比较、计算误差并实施控制。连杆的一端由浮子带动，另一端连接着进水调节阀。1.2自动控制系统的基本概念1.2.1人工控制与自动控制2.自动控制过程下图所示是连杆自动调节水位系统的方框图。1.2自动控制系统的基本概念1.2.1人工控制与自动控制2.自动控制过程

下图所示是一种改进的水位自动控制系统。图中浮子相当于人的眼睛，对实际水位进行测量；连杆、电位器和放大器相当于人的大脑，连杆和电位器将实际水位与期望水位进行比较，给出偏差的大小和极性，放大器对偏差信号进行放大；电动机和减速器相当于人的手，调节阀门开度，对水位实施控制。1.2自动控制系统的基本概念1.2.1人工控制与自动控制2.自动控制过程

在正常情况下，实际水位等于期望值，电位器的滑臂居中，。当出水量增大时，浮子下降，带动电位器滑臂向上移动，输出电压，经放大器放大后成为，使直流电机正向旋转，以增大进水阀门开度，使水位回升。当实际水位等于期望值时，，水位系统达到新的平衡状态。由此可见，无论何种干扰引起水位出现偏差，该水位系统便能自动进行调节，最终总是使实际水位等于期望值，因而大大提高了控制精度和可靠性。

1.2自动控制系统的基本概念下图所示是水位自动控制系统的方框图。1.2.1人工控制与自动控制2.自动控制过程1.2自动控制系统的基本概念自动控制的实现，实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与自动控制的功能方框图进行对照。1.2.1人工控制与自动控制3.人工控制与自动控制的比较1.2自动控制系统的基本概念1.2.1人工控制与自动控制3.人工控制与自动控制的比较①测量元件与变送器所构成的检测装置(代替眼睛)；②比较装置和控制装置(代替大脑)；③执行装置(代替肌肉、手)。1.2自动控制系统的基本概念1.2.2常用术语及结构框图1.常用术语自动控制系统——是指为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。被控对象或者对象——被控制的设备或过程；被控量或输出量——被控制的物理量；

给定量——设定值；扰动量——妨碍对被控量进行正常控制的所有因素。给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。自动控制的任务——实际上就是克服扰动量的影响，使系统按照给定量所设定的规律运行。1.2自动控制系统的基本概念1.2.2常用术语及结构框图2.结构框图

将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。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，便于定性和定量分析。最基本的三种控制方式：开环控制闭环控制复合控制1.2自动控制系统的基本概念1.2.3自动控制系统的基本控制方式1.2自动控制系统的基本概念1.2.3自动控制系统的基本控制方式1.开环控制系统

开环控制系统——不带反馈装置的控制系统，即不存在由输出端到输入端的反馈通路。也就是指系统的控制输入不受输出影响的控制系统。在开环控制系统中，输入端与输出端之间，只有信号的前向通道（即信号从输入端到输出端的路径），而不存在反馈通道（即信号从输出端到输入端的路径）1.2自动控制系统的基本概念1.2.3自动控制系统的基本控制方式1.开环控制系统下图所示是一个直流电动机转速开环控制系统。图中，直流电动机是被控对象，电动机的转速称为系统的被控量或输出量；参考电压称为系统的给定量；电动机负载转矩称为系统的扰动量。由图可知，只有输入量对输出量的单向控制作用，而输出量对输入量却没有任何影响和联系，这样的系统就称为开环控制系统。1.2自动控制系统的基本概念1.2.3自动控制系统的基本控制方式1.开环控制系统系统的任务：控制他激式直流电机以恒定速度带动负载运行。系统的控制原理：调节电位器从而获得系统的输入量，经过放大环节成为电动机的电枢电压，使直流电动机带动负载运转。在负载恒定的条件下，电动机的转速与电压成正比，显然，只要改变输入量，便可获得相应的电动机转速。1.2自动控制系统的基本概念1.2.3自动控制系统的基本控制方式1.开环控制系统在开环控制系统中，被控对象的输出量对控制装置（控制器）的输出没有任何影响，即控制装置与被控对象之间只有顺向控制作用，而没有反向联系的控制。正是由于缺少从系统输出端到输入端的反馈回路，因此开环控制系统精度低且适应性差。下图是直流电动机转速开环控制系统的方框图1.2自动控制系统的基本概念1.2.3自动控制系统的基本控制方式2.闭环控制系统

闭环控制系统——输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参与控制的系统。也就是将输出量反馈回来和输入量比较，使输出值稳定在期望的范围内。

1.2自动控制系统的基本概念1.2.3自动控制系统的基本控制方式2.闭环控制系统

下图所示是一个直流电动机转速闭环控制系统。图中，测速发电机由电动机同轴带动，它将电动机的实际转速(系统输出量)测量出来，并转换成电压，再反馈到系统的输入端，与给定电压（系统输入量）进行比较，得出偏差电压。由于该电压能间接地反映出误差的大小和方向，通常称为偏差。偏差△u经放大器放大后成为，用以控制电动机转速。

1.2自动控制系统的基本概念1.2.3自动控制系统的基本控制方式2.闭环控制系统

下图是直流电动机转速闭环控制系统的方框图。图中，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道或正向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。

由图可知，由于采用了反馈回路，使信号的传输路径形成闭合回路，使系统输出量（转速）反过来直接影响控制作用。这种通过反馈回路使系统构成闭环，并按偏差产生控制作用，用以减小或消除偏差的控制系统，称为闭环控制系统或反馈控制系统。

闭环控制系统的主要特点：被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环或回路。1.2自动控制系统的基本概念1.2.3自动控制系统的基本控制方式2.闭环控制系统开环控制系统优点：结构比较简单，成本较低。缺点：不能自动修正被控量的偏离，控制精度低，抗干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感。闭环控制系统优点：具有自动修正被控量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。1.2自动控制系统的基本概念1.2.3自动控制系统的基本控制方式3.开环控制系统和闭环控制系统的比较1.2自动控制系统的基本概念1.2.3自动控制系统的基本控制方式4.复合控制系统

开环控制和闭环控制相结合的控制系统，对主要的扰动采用适当的补偿装置实现按扰动原则控制，同时，组成闭环反馈控制实现按偏差原则控制，以消除其它扰动带来的偏差。这样按偏差原则和按扰动原则结合起来构成的系统，称为复合控制系统。开环控制部分，可以按输入量进行控制或按扰动量进行控制（当扰动量可测量时）。1.2自动控制系统的基本概念1.2.3自动控制系统的基本控制方式4.复合控制系统b）按扰动作用补偿

a）按给定输入作用补偿M+n-电压放大器功放+-+-测速发电机1.3自动控制系统的基本构成放大环节：校正环节通常位于低功率的输入端，其提供的输出信号通常很微弱，因此须用放大环节将其输出信号进行放大，以便推动执行机构去控制被控对象。给定环节：其功能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考输入信号或给定值）。执行机构：直接作用于被控对象，使被控量按照预定的规律变化。校正环节：其功能是对偏差信号进行加工处理和运算，以形成合适的控制作用，或形成适当的控制规律，从而使系统的被控量按预定的规律变化。比较环节：其功能是将检测装置测量到的被控量实际值，与给定环节提供的给定值进行比较，求出它们之间的偏差。检测装置：其功能是测量被控制的物理量，并将其反馈到系统输入端。闭环控制系统组成1.3自动控制系统的基本构成给定环节：

其功能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考输入信号或给定值）。比较环节：

其功能是将检测装置测量到的被控量的实际值，与给定装置提供的给定值进行比较，求出它们之间的偏差。放大环节：

校正环节通常位于低功率的输入端，由于其提供的输出信号通常很微弱，因此须用放大环节将其输出信号进行放大，以便推动执行机构去控制被控对象。如果偏差是电信号，则可用集成电路和晶闸管等元器件所构成的电压放大器和功率放大器来进行放大。闭环控制系统组成1.3自动控制系统的基本构成执行机构：

其功能是执行控制作用并驱动被控对象，使被控量按照预定的规律变化。检测装置：

其功能是对系统输出（被控量）进行测量，将它转换成为与给定量相同的物理量（一般是电量）。校正环节：

由于被控对象和执行机构的性能难于满足要求，在构成控制系统时，通常需要引入校正环节对其性能进行校正。校正环节的功能是对偏差信号进行加工处理和运算，以形成合适的控制作用，或形成适当的控制规律，从而使系统的被控量按预定的规律变化。在控制系统中，通常把比较环节、校正环节和放大环节合在一起称为控制器。在有计算机参与的控制系统中，往往用计算机（或微处理器）作为控制器。闭环控制系统组成1.3自动控制系统的基本构成闭环控制系统方块图中，各信号定义如下：输入信号：系统的输入信号是指参考输入，又称给定量、给定值或输入量。

输出信号：系统的输出信号是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量或输出量，它与输入信号之间满足一定的函数关系。信号定义1.3自动控制系统的基本构成闭环控制系统方块图中，各信号定义如下：反馈信号：由系统输出端取出并反向送回系统输入端的信号称为反馈信号。偏差信号：它是指输入信号与反馈信号之差。偏差信号简称偏差。信号定义1.3自动控制系统的基本构成闭环控制系统方块图中，各信号定义如下：扰动信号：简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称为内部扰动，后者称为外部扰动。信号定义1.4自动控制系统的分类

线性系统——组成系统的元器件的静态特性为直线，该系统的输入与输出关系可以用线性微分方程来描述。

线性系统的主要特点：具有叠加性和齐次性，系统的时间响应特性与初始状态无关。

1.4自动控制系统的分类1.4.1按系统输入量与输出量之间的关系分类线性系统与非线性系统

非线性系统——组成系统的元器件中有一个或一个以上具有非直线静态特性的系统，只能用非线性微分方程描述，不满足叠加原理。典型的非线性环节有饱和特性环节、不灵敏区环节等（如下图所示）。

1.4自动控制系统的分类1.4.1按系统输入量与输出量之间的关系分类线性系统与非线性系统(a)饱和特性(b)不灵敏区特性典型的非线性环节1.4自动控制系统的分类1.4.1按系统输入量与输出量之间的关系分类线性系统与非线性系统1.4自动控制系统的分类1.4.2按系统参数对时间的变化情况分类定常系统与时变系统如果描述系统运动的微分或差分方程的系数均为常数，则称这类系统为定常系统，又称为时不变系统。

定常系统的特点是：系统的响应特性只取决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。1.4自动控制系统的分类1.4.2按系统参数对时间的变化情况分类定常系统与时变系统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。这类系统的特点是：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，而且还与输入信号施加的时刻有关。

连续系统——系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统。其输入－输出之间的关系可用微分方程来描述。1.4自动控制系统的分类1.4.3按系统传输信号的变化特征分类连续系统与离散系统r(t)

t

0c(t)

t

0

离散系统——系统一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。可用差分方程来描述输入－输出之间的关系。

1.4自动控制系统的分类1.4.3按系统传输信号的变化特征分类连续系统与离散系统c(t)

t

0c(t)c*(t)c*(t)

t

01.4自动控制系统的分类M+n-电压放大器功放+-+-测速发电机

恒值控制系统——这类系统的特点是输入信号为某个恒定不变的常数，要求系统的被控量尽可能保持在期望值附近；系统面临的主要问题是存在使被控量偏离期望值的扰动；控制的任务是要增强系统的抗扰动能力，使扰动作用于系统时，被控量尽快地恢复到期望值上。如上述的转速控制系统。

1.4.4按系统输入信号特征分类恒值控制系统、随动控制系统与程序控制系统1.4自动控制系统的分类

随动控制系统——这类系统的特点是：输入信号是随时间任意变化的，要求系统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；控制的任务是提高系统的跟踪能力，使系统的输出信号能跟随难于预知的输入信号的变化。如跟踪飞机的雷达天线系统。

1.4.4按系统输入信号特征分类恒值控制系统、随动控制系统与程序控制系统1.4自动控制系统的分类1.4.4按系统输入信号特征分类恒值控制系统、随动控制系统与程序控制系统

程序控制系统——这类系统的特点是：输入信号按照预先知道的函数变化。如热处理炉温度控制系统中的升温、保温、降温等过程，都是按照预先设定的规律进行的。又如机械加工的数控机床也是典型的程序控制系统。

单输入-单输出系统——输入量和输出量各只有一个，也称为单变量系统，系统结构较为简单。

多输入-多输出系统——输入量和输出量个数多于一个，也称为多变量系统，系统结构较为复杂。一个输入量对多个输出量有控制作用，同时，一个输出量往往受多个输入量的控制。

1.4自动控制系统的分类1.4.4按系统输入与输出信号的数量分类单输入输出系统与多输入输出系统

确定系统——系统的结构和参数是确定的，预先可知的，可用解析式或图表确切地表示。

不确定系统——系统本身的结构和参数不确定。

1.4自动控制系统的分类1.4.5按系统的结构和参数是否确定分类确定性系统与不确定性系统

三个性能指标：

稳定性——系统处于平衡状态下，受到扰动作用后，系统恢复原有平衡状态的能力。

稳态性能指标——当系统从稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，即稳态时系统期望输出量和实际输出量之差。稳态性能用稳态误差表示。

暂态性能指标——系统从一个稳态过渡到新的稳态都需要经历一段时间，亦即需要经历一个过渡过程，表征这个过渡过程的性能指标叫做暂态性能指标。

1.5对自动控制系统的基本要求一个实际系统处于一个平衡的状态时，当扰动作用（或给定值发生变化）时，输出量将偏离原来的稳定值：

通过系统内部的调节，经过一系列的振荡过程后系统输出回到（或接近）原来的稳态值或跟随给定值，这样的系统称为稳定系统。由于内部相互作用使系统输出出现发散振荡，此时系统处于不稳定状态，其控制量偏离期望值的偏差将随时间的增长而发散，这样的系统称为不稳定系统。1.5对自动控制系统的基本要求1.5.1稳定性(a)输入为阶跃信号时的稳定系统(b)输入为阶跃信号时的不稳定系统

1.5对自动控制系统的基本要求1.5.1稳定性(c)输入为干扰信号时的稳定系统(d)输入为干扰信号时的不稳定系统1.5对自动控制系统的基本要求1.5.1稳定性对不同的控制系统，稳定性有不同的要求：对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。对随动和程序控制系统，要求被控制量始终跟踪给定量的变化。1.5对自动控制系统的基本要求1.5.1稳定性

系统对于一个突加的给定或受到扰动，不可能立即响应，而是有一个过渡过程。对于一个稳定系统，经过一个动态过渡过程，从一个稳态过渡到另一个稳态，系统的输出可能存在一个偏差，这个偏差称为稳态误差（或称余差、静差）。对于恒值系统来说，稳态误差是指扰动作用下，被控量在稳态下的变化量；对于随动或程序控制系统来说，稳态误差是指在稳定跟随过程中，输出量偏离给定量的大小。1.5对自动控制系统的基本要求1.5.2稳态性能指标

（a）无差系统（b)有差系统

有差系统与无差系统1.5对自动控制系统的基本要求1.5.2稳态性能指标

暂态性能指标（动态性能特性）——表征系统过渡过程性能的指标。对于一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加到某一数值时，输出量的暂态过程主要有以下几种情况：单调过程衰减振荡过程持续振荡过程发散振荡过程

1.5对自动控制系统的基本要求1.5.3暂态性能指标(a)给定量突变时输出量的变化(b)负载突变时输出量的变化单调过程1.5对自动控制系统的基本要求1.5.3暂态性能指标(a)给定量突变时输出量的变化(b)负载突变时输出量的变化

衰减振荡过程1.5对自动控制系统的基本要求1.5.3暂态性能指标

(a)给定量突变时输出量的变化(b)负载突变时输出量的变化持续振荡过程1.5对自动控制系统的基本要求1.5.