第一章控系统制的一般概念邹伯敏

第一章控制系统的一般概念2023/2/4自动控制的一般概念2本章内容1.1引言1.2开环控制和闭环控制1.3控制系统分类1.4控制系统的组成与对控制系统的基本要求第一节引言自动控制的一般概念2023/2/4自动控制的一般概念4自动控制理论的发展概况自动控制成为一门科学是从1945年发展起来的。开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论四个阶段:2023/2/45十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题

1765年，俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器

1784年，英国人瓦特发明了蒸汽机离心式调速器，是自动控制领域的第一项重大成果。

第一阶段.胚胎萌芽期（1945年以前）十九世纪前半叶，发电机和电动机的使用，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展1868年，{英）J.C.麦克斯韦（“轮调速器”论文）提出了用微分方程描述运动系统的方法。1856年，（英）E。J。Routh提出了劳斯稳定判据1892年，（俄）李雅普诺夫发表了《论运动稳定性的一般问题》论文1895年，（德）霍尔维茨提出判别稳定性准则自动控制的一般概念2023/2/46瓦特的蒸汽机离心式调速器自动控制的一般概念2023/2/47十九世纪末，二十世纪初，内燃机的使用和第二次世界大战，促进了汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，生产了飞机、雷达、火炮上的伺服控制机构和过程控制系统。1922年，Minorsky（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1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法1934年，Hezen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。自动控制的一般概念2023/2/48

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。

第二阶段.经典控制理论时期（1940-1960）1945年，（美）Bode发表了“网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础。1948年，（美）Evans提出并完善了根轨迹法。1948年，（美）N.Wiener发表了《控制论》（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产。自动控制的一般概念2023/2/49第三阶段.现代控制理论时期（1950～）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，自动控制理论跨入了一个新阶段——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。现代控制理论主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。

1957年，美国数学家R.Bellman提出《动态规划》，两者为解决最优控制问题提供了理论工具。

1956年，前苏联数学家庞特里亚金，“最优过程数学理论”，也即最大值原理。

1960年，R.E.Kallman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。自动控制的一般概念2023/2/410第四阶段.大系统和智能控制时期（1970～）现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：(1)系统辩识、建模与仿真(2)自适应控制和自校正控制器(3)遥测、遥控和遥感(4)综合自动化(5)大系统理论的诞生(6)模式识别和人工智能(7)智能控制的诞生自动控制的一般概念经典控制理论现代控制理论经典控制理论主要研究对象:对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。现代控制理论主要研究对象:多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的分析和设计问题。自动控制的一般概念2023/2/411自动控制研究的内容：研究对象数学工具分析方法局限性经典控制理论单I/O线性定常系统微分方程，传递函数时域法根轨迹法频域法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数，非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的迅速发展，已克服)自动控制的一般概念2023/2/4122023/2/413经典控制理论以传递函数为基础研究单输入-单输出一类线性定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已成熟。

现代控制理论以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。自动控制的一般概念总结：第二节

开环控制与闭环控制自动控制的一般概念2023/2/415本节主要内容1.开环控制系统2.闭环控制系统3.反馈控制系统4.自动控制系统基本控制方式自动控制的一般概念2023/2/4161.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2023/2/417本例中的被控对象即为电动机M，GT和V分别为触发器和晶闸管整流装置。而预定的规律即为“电动机的转速n维持预期值不变”。转速n的预期值与电位器RP1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量或给定量，电动机的转速n称为输出量或被控量。输入量对应期望的输出量(比如10V对应1000r/min)，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相等。自动控制的一般概念2023/2/418开环控制系统的定义若系统的输出信号对系统的控制作用没有影响，则称为开环控制系统。在开环系统中，信息和控制作用的传送是单方向的，所以称为开环。自动控制的一般概念2023/2/4192.闭环控制系统自动控制的一般概念本例中的被控对象仍为电动机M。测速发电机将M的速度转变为与设定值相匹配的值，并与设定值进行比较得到误差信号e，当给出被调参数不全要求时，控制器GT有输出而工作，直到输出达到预定，误差信号为0（理想状态），系统达到稳定。2023/2/421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。在闭环系统中，信息的传送途径是一个自身闭合的环，所以称为闭环。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数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。闭环控制系统的定义自动控制的一般概念2023/2/422闭环与开环控制系统的比较

闭环控制系统的特点偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。开环控制系统的特点顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。自动控制的一般概念序号比较项目开环控制闭环控制1通道只有前向通道前向通道反馈通道2结构简单、成本低复杂、成本高3精度低高4抗干扰能力弱强5对元件的要求精度取决于元件的质量，对元件要求高有反馈通道，使系统对前向通道中元件参数变化不灵敏，对一些非线性影响也不敏感6稳定性一般易稳定，但受干扰后，没有消除误差的能力需精细设计系统，否则容易不稳定7适用范围适用于输入量已知，精度要求不高，扰动不大的情况，如：洗衣机、普通电烤箱等适用于输入量已知或未知（随动）、精度要求高、干扰较强的情况，如：航天设备、精密加工设备、机器人等8控制器的输入信号参考给定值误差信号（即给定值与反馈值的差）2023/2/4243.反馈控制原理1）反馈

把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。其信息的传递途径是一个自身闭合的环。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。反馈控制是一种基于偏差的控制，其基本思想是按照被控制量偏离给定值的方向而向相反方向改变控制量。2）反馈控制原理自动控制的一般概念2023/2/4253)反馈控制系统能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。自动控制的一般概念2023/2/4264）反馈控制系统的基本组成自动控制的一般概念2023/2/4274.自动控制系统基本控制方式（1）开环控制系统（2）反馈（闭环）控制系统（3）复合控制方式自动控制的一般概念2023/2/428复合控制方式定义

把按偏差控制和按扰动控制结合的一起的控制系统称为复合控制系统。C(S)Kf/KDG1(S)KGc(S)G2(S)G(S)Gf(S)F(S)=-ML(S)R(S)自动控制的一般概念第三节

控制系统的分类自动控制的一般概念2023/2/430

自动控制系统的分类开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制按控制方式分自动控制的一般概念2023/2/431机械系统——恒张力系统机电系统——全自动照相机，光机电结合液压系统——伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台气动系统生物系统按元件类型分自动控制的一般概念2023/2/432按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统自动控制的一般概念2023/2/433线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统按系统性能分离散系统自动控制的一般概念2023/2/434恒值控制系统随动系统数字控制系统按参据量变化规律分自动控制的一般概念第四节

控制系统的组成与对控制系统的基本要求自动控制的一般概念2023/2/436图（Ⅰ）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。图（Ⅱ）是该控制系统的方框图。控制系统的组成自动控制的一般概念2023/2/437自动控制的一般概念2023/2/438自动控制的一般概念参考输入：希望液位控制器：比较、放大的作用执行机构：气动阀门被控对象：水箱反馈元件：浮子，液面测量干扰量：Q2误差信号：希望与实际之差输出量：实际液位反馈量：测量转变后的量比较点：引出点：环节：将组成系统的元部件按职能分类：2023/2/440（1）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，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。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。对自动控制系统性能的基本要求

对控制系统的基本要求可以概括为两点：首先，系统必须是稳定的；其次，系统应该具有良好的动态品质和稳态精度。稳定是控制系统能够正常工作的基本前提，而动态品质和稳态精度则是控制系统动、静态性能优劣的评价。自动控制的一般概念2023/2/441稳定的控制系统和不稳定控制系统稳定的控制系统不稳定的控制系统自动控制的一般概念2023