第五章控制系统理论基础

一、自动控制系统的发展历史二、自动控制系统的工作原理三、对控制系统的要求四、自动控制系统的分类第五章一、自动控制系统的发展历史自动控制的基本概念现代科学技术中的自动控制技术得到了广泛的应用航天器工业控制机器人家用电器自动控制的特征：

通过对各类机器、各种物理参量、工业生产过程等的控制直接造福于社会。自动控制：

在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化规律去变化。自动控制示意图控制器给定值

检测元件

受控对象被控量自动控制系统控制装置:受控对象:机器、设备、生产过程等控制器、检测元件等

下面通过一些实例来说明自动控制和自动控制系统的基本概念一、自动控制系统的发展历史自动控制的基本概念例水温人工控制系统受控对象:水箱热传导器件系统的构成：被控制量:水温阀门显示仪表蒸汽排水冷水热水工作过程：

蒸汽通过热传导器件把热量传递给水,水的温度与蒸汽的流量成正比.

手动调节阀门的开度，从而调节蒸汽的流量,来控制水的温度.但人工难以实现稳定的高质量控制.一、自动控制系统的发展历史自动控制的基本概念例水温自动控制系统系统中增加了：控制器电机加入给定信号工作原理：检测实际温度产生控制信号

通过电机调节阀门的开度

从而调节蒸汽流入，控制水的温度.实现没有人直接参入的自动水温控制.控制器一、自动控制系统的发展历史自动控制的基本概念温度检测

为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，水温自动控制系统可用框图表示为：

要使自动控制系统满足工程实际的需要,必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。实际温度偏差反馈量预期温度_控制器执行机构阀门水箱控制器一、自动控制系统的发展历史自动控制的基本概念杆杠长度例液位自动控制系统h水箱杆杠浮球阀门进水系统组成：出水被控制量：水位高度工作原理：

调节杠杆长度L，通过杠杆机构调节阀门的开度，从而调节进水量以控制液位的高度。L一、自动控制系统的发展历史自动控制的基本概念系统结构框图浮球hr(s)h(t)阀门水箱

杠杆机构Lh一、自动控制系统的发展历史控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：经典控制理论阶段现代控制理论阶段鲁棒控制理论阶段一、自动控制系统的发展历史1.经典（自动）控制理论它的发展大致经历了萌芽、起步、发展、标志等几个过程。萌芽阶段早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。两千年前我国发明的指南车，就是一种开环自动调节系统。公元1086－1089年（北宋哲宗元祐初年），

我国发明的水运仪象台就是一种闭环自动调节系统。一、自动控制系统的发展历史1.经典控制理论起步阶段

随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。一、自动控制系统的发展历史1.经典控制理论发展阶段1868年马克斯韦尔解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。一、自动控制系统的发展历史1.经典控制理论发展阶段由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯特提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。

1948年伊万斯提出了复数域内研究系统的根轨迹法。建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。一、自动控制系统的发展历史1.经典控制理论标志阶段1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了《控制论—关于在动物和机器中控制与通讯的科学》，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了《工程控制论》。一、自动控制系统的发展历史1.经典控制理论从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。一、自动控制系统的发展历史2.现代控制理论

科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。一、灭自动救控制费系统妥的发辫展历盒史2.现代庙控制胡理论五十仓年代后期恢，贝尔懒曼等人提识出了腰状态胳分析吼法；在19就57年提出移了动嫌态规崭划。19墙59年卡尔曼和布西至创建饶了卡售尔曼页滤波门理论脸；19鸟60年在蓄控制择系统铃的研衫究中抛成功娃地应白用了怀状态极空间盐法，槐并提追出了可控刚性和园可观窗测性的新威概念佣。一、至自动叛控制挠系统剪的发歪展历梨史2.现代植控制益理论罗森吩布洛芳克、欧文爆斯和麦克己法轮研究了使骄用于毒计算嘱机辅结助控砌制系持统设那计的姓现代啦频域险法理振论，谈将经担典控善制理腹论传她递函俭数的皇概念沟推广获到多研变量胳系统浸，并霉探讨鞋了传软递函态数矩贞阵与荷状态锻方程挨之间话的等魄价转妹换关滋系，年为进只一步架建立除统一侦的线蓄性系昏统理惭论奠慰定了肾基础19锅61年庞就特里赌亚金富（俄昼国人却）提撇出了兼极小薪（大乌）值令原理单。一、撇自动洁控制碧系统萝的发单展历轨史2.现代昂控制逆理论20世纪70年代奥斯隆特隆葱姆（瑞交典）潮和朗道（法国撕）在自适成应控蜻制理映论和应盟用方厕面作达出了杆贡献警。与此酬同时，关炊于系统存辨识屠、最辈优控造制、身离散迟时间辞系统和自适易应控刘制的发垮展大照大丰散富了劈燕现代缠控制惑理论雀的内搞容。

朗道一、尚自动悔控制狭系统扰的发我展历另史2.现代惭控制孟理论现代虚控制滔理论摧与经姻典控爪制理阅论的批差异经典控制理论现代控制理论研究对象单输入单输出系统(SISO)高阶微分方程多输入多输出系统(MIMO):一阶微分方程研究方法传递函数法(外部描述)状态空间法(内部描述)研究工具拉普拉斯变换线性代数矩阵分析方法频域(复域),频率响应和根轨迹法复域、实域，可控和可观测设计方法PID控制和校正网络状态反馈和输出反馈

其他

频率法的物理意义直观、实用，难于实现最优控制易于实现实时控制和最优控制一、科自动疏控制析系统质的发显展历老史3.鲁棒丽控制讽理论由于现代承数学拴的发陕展，顿结合爬着H2和H等范苹数而出表现了H2和H控制洲，还雄有逆怜系统花控制宏等方闪法。20世纪70年代处末，扎控制鸟理论崇向着“大系爬统理纤论”、“智能腔控制亡理论”和“复杂夫系统棉理论”的方升向发递展：一、次自动渣控制摆系统命的发军展历单史3.鲁棒狼控制员理论大系灾统理起论：用控制猪和信供息的描观点菌，研旧究各石种大吐系的结构方案见、总臣体设庙计中剂的分污解方劣法和秒协调等问涌题的技广术基章础理厉论。一、淡自动建控制轮系统完的发工展历婶史3.鲁棒国控制赞理论智能顺控制威理论脊：研究脉与模透拟人照类智悦能活声动及到其控跨制与信裁息传递溉过程芹的规顶律，近研制幼具有滩某些拟人析智能的工流程控香制与睬信息改处理背系统迎的理骡论。洗衣话机智芳能模叼糊控饥制机器冒人神雁经网缺络控舰制一、岂自动子控制绝系统祝的发础展历怒史3.鲁棒源控制悟理论复杂攻系统门理论：把系统涛的研母究拓浊广到泄开放龟复杂挽巨系律统的即范筹，以绘解决缎复杂祥系统漂的控沾制为思目标骄。回顾沟控制床理论带的发顿展历匹程可滋以看单出，矩它的稀发展鸟过程隙反映已了人涂类由脑机械丛化时定代进坡入电沙气化累时代冰，并已走向祥自动糠化、慰信息乒化、摇智能锤化时炊代。复杂霸航天脑器控事制二、窑自动覆控制然系统炭的工类作原柄理1．开猜环控别制有顺麻向作飞用而毒无反令向联道系.不同贩的被遭控对取象和称不同平的控顾制装逆置构预成了怠不同袍的控室制系填统，锄所以舞自动株控制露系统欺的种亡类是秒很多涛的。乐自动脏控制制系统你一般叠有两蚁种基壶本控须制方室式.开环蒜控制控制臂装置挺与受突控对清象之董间只二、爹自动丹控制潜系统罚的工迷作原央理例嫁转伪台速厉度开浸环控疲制系耕统转台电机电源授和放大装悠置速度暖设置系统登组成牌：由图逃可见回：速度耳设置臣信号臣通过此功率摩放大担以后泻，提温供给瓜电动姐机驱千动电拐源，温电动抖机带蛇动转辅台旋僻转。由于假被控服制量隐速度利没有镇反馈插到输坟入端驶与给当定信通号比尽较,为开哑环控邀制系瞎统。系统讽结构竖图:给定汉速度实际棒转速放大器直流电动机转台这种乖转台逝在C历D机、挨计算袄机磁阿盘驱捕动器充等许流多现冲代装泥置中荷广泛舞应用.开环伞控制齐的特英点：结构选和控聚制简铸单，柄抗扰终能力督差，罚控制诱精度骡低，娇一般害用于崖对控挺制性方能要法求不床高的五场合垄。二、脑自动肿控制耳系统敬的工必作原吓理2．闭聪环控历制闭环突控制:闭环蹦控制满又称路为反馈昂控制或按偏窃差控俗制。控制休装置弟与受咏控对色象之掀间，竹不但炒有顺仪向作换用，稀还有尽反向赴联系翠。例搜转台牌速度刮闭环筛控制农系统系统垫中增起加了堡测速糊发电孟机作截为反瓣馈装梯置测出航电动臣机的歇速度陆反馈捐给控吼制器然。与给控定信连号比宅较产晨生偏枯差电世压，炒经过鸦功率告放大驼后对关电动喊机的椅速度扣进行享闭环骗控制.当速丝式度受业扰动忙发生搬变化批时，剑偏差名电压窑也随基之变扰化，匹通过灰闭环捷调节总能消育除干排扰。系统怪结构缸图测速槐机偏差预期鱼速度实际转速放大器_直流电动机转台二、警自动宽控制继系统叹的工栽作原评理放大引装置例肾位油置随搁动系安统环型告电位响器电机电源齿轮系统体组成边：负载输入θr输出θc工作悠过程寄：θr=θcUd=助0Udθr≠θcUd≠0电动集机带插动齿溜轮转膀动,调节θc,使θr=θc电动廊机静赌止系统监结构削图θr_电位器θm△θθcueud放大器电动机减速器二、涛自动差控制竹系统原的工域作原闻理例饰直藏流调说速系孙统直流汗电机测速执发电熔机电源胡和控饲制装迎置负载系统瞧组成马：UnUf输入反馈核电压e=Un-Uf转速老取决涛于：n输出电枢碍电压UdUd=K咐e当干饶扰引戒起转伯速变五化时啄，系卷统自东动调猾整：n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑系统春结构愈图测速机unufeudn_放大器直流电动机二、堪自动帽控制丽系统酸的工财作原霉理（3）能士减小喜或消虹除由舱扰动犁形成彼的偏段差，管具有斗较高个的控终制精乳度和六较强戚的抗兵扰能耍力。通过衬以上王的实倘例分犹析可锁得出天闭环活控制当系统蒸具有衡的特唤点：（1）系贴统的僚控制材信号息是给各定值胶与反链馈量盆的差劲值，植故称猴为按猾偏差端控制度或反疗馈控壮制。（2）闭框环系味统有从两种获传输再通道钢：前克向通怒道和板反馈狭通道搂。自动摄控制咐原理伴中主境要讨忍论闭历环控元制系痒统。二、脏自动幕控制外系统右的工涨作原融理3．复亦合控轧制测量计出外退部作葬用，报形成诊与外贷部作籍用相仁反的千控制泪量与择外部肌作用价共同险使被还控量持基本击不受谱影响保。前馈课补偿煤控制复合祥控制消具有枕两种伯基本回形式.前馈拘补偿店控制陈：复合闪控制哗：反馈拔控制+在外抢部作多用下违，由供系统渡被控夸制量塘的变蚕化产衣生调青节和幕控制代作用役。反馈吸控制糊：二、诞自动废控制软系统百的工盛作原付理(a铜)按输境入前很馈补编偿的彼复合方控制给定旅值被控设制量_检测元件控制器前馈通道受控对象前馈渐补偿劣控制反馈膨控制主通蜡道二、著自动竞控制艘系统眉的工善作原青理(b盘)按扰色动前沫馈补枯偿的至复合顾控制给定箩值被控吃制量_检测元件控制器受控对象前馈较补偿通控制反馈威控制主通肠道前馈通道扰动三、对控漠制系秩统的掩要求常见梳的评无价系豪统优胃劣的话性能柏指标雀是从仗动态喷过程赶中定捆义出捡来的抹。对垒系统彻性能衣的基饰本要推求有俭三个症方面挠。2、快速久性1、稳定略性3、准确影性三、对控壳制系柳统的挤要求系统少受外劳作用就力后,其动探态过复程的黑振荡书倾向钳和系粗统恢罩复平肚衡的认能力退。1、稳定偏性稳定好性：系统纽奉受外眉作用竹力经掏过一常段时条间，辟其被惹控量撒达到币某一脚稳定玻状态绍，则戚系统弄是稳顺定的尺。否则汽为不灾稳定什的。r(t)t0c(t)r(怖t)c(牙t)不稳兽定的猜系统哗是无芝法正斑常工找作的测。扰动凯信号翠作用璃下的不稳定睛系统:d(t)t0c(t)c(逗t)d(瓶t)一个庄能在尘生产辛实际医中应烛用的班系统,不仅贱应具丹有稳视定性,而且鹊在动房诚态过纯程中台的震饿荡也乔不能案过于赴强烈.三、对控驶制系门统的凝要求通过若动态网过程舟时间宾长短河表征退快速页性。2、快速窜性r(t)t0c(t)r(铅t)c1(t涉)c2(t序)快速找性表贝明了斩系统限输出咏对输茅入响见应的悠快慢喘程度过渡翁过程污时间等越短相，表提明快蛾速性朵越好植。反之洗亦然罪。t1t2三、对控题制系盯统的誓要求由输槽入给猜定值钉与输小出响本应的晴终值史之间纽奉的差芦值ess大小在表征诱。3、准确板性r(t)t0c(t)ess它反球映了体系统云的稳彼态精成度。灶若系劳统最肤终的夫误差缘瑞为零耐，则商称为顷无差肤系统拐，否绢则为漂有差停系统压。c(什t)r(辈t)三、对控雾制系冈统的乔要求稳定卸性、吩快速鸡性和尽准确敬性往聚往是板互相胃制约哑的。配在设罢计与减调试计的过陡程中,若过货分强驶调某臭方面描的性敞能,则可答能会您使其雅他方兵面的于性能谁受到鹿影响.怎样壤根据丹工作熔任务孩的不沟同,分析没和设笔计自盗动控爬制系芽统，绩使其售对三母方面耐的性阶能有辩所侧捆重宪，并捧兼顾其它博是自控原理必要解决歉的问边题。四、自动盏控制揪系统嘉的分迷类1、线性抚系统渡和非绳线性睡系统自动塔控制传系统叹的分结类方夏法较销多，球常见架的有酸以下几种预：由线倒性微巨分方只程或拔线性填差分搬方程资所描赖述的惜系统雪。由非蛾线性馆方程歇描述池的系艺统。线性水系统聪：非线少性系锣统：四、自动悉控制营系统羞的分聋类2、定常去系统狭