信号与系统自动控制原理1绪论

一、按给定信号的特征分类

恒值控制系统：给定值维持不变。希望系统的输出维持在给定值上不变或变化很小，也称为自镇定系统，如压力、流量、温度、速度、电压、电流等恒定控制系统。

随动系统（自动跟踪系统、伺服系统）：给定信号的变化规律是事先不确定的随机信号。控制系统的主要任务是使系统的输出能快速、准确地跟随输入的变化而变化，又称为跟踪控制系统。如火炮、雷达、导弹制导等控制系统。程序控制系统：与随机控制系统的不同在于系统的给定输入不是随机的，而是确定的、按预先的规律变化。它要求系统的输出能严格按输入变化而变化，并具有足够的精度，如数控加工、自动流水生产线系统等。

1.4自动控制系统的分类及基本组成二、按系统的数学模型分类

依据其输入输出之间的关系来进行分类，常可以分为线性系统和非线性系统两大类。1．线性系统

系统输入（激励）和输出（响应）同时满足叠加性和齐次性时称其为线性系统。系统的叠加性和齐次性可综合表示为：所谓线性特性，从几何上来看，是指元件的静态特性为一条通过坐标原点的直线。若，则有，其中a,b为任意常数。线性系统常可以用微分方程来表示，若微分方程的系数均为常数，则称为线性定常（时不变）系统；若微分方程的系数是时间的函数，则称为线性时变系统。系统的全响应=零输入响应+零状态响应，因此系统的线性又可以分为零输入线性和零状态线性。[例1]判断下列输出响应对应的系统是否为线性系统。[解]：系统1：零输入响应和零状态响应均具有线性，故为线性系统。系统2：仅零输入响应具有线性；系统3：仅零状态响应具有线性；系统4：零输入响应和零状态响应均不具有线性。

2．非线性系统

凡是不满足线性系统特性的系统，统称为非线性系统。具体地讲，只要系统中存在一个或一个以上的非线性元件，那么，这个系统就是非线性系统。非线性特性可以分为两大类，即非本质非线性和本质非线性。（1）非本质非线性：在某一区域内可以近似为线性关系，而在大范围工作区域时，这种近似的线性关系就不存在了。

（2）本质非线性：对于任意大小的输入信号，均呈现非线性特性的这类非线性特性。

三、按信号传递的连续性划分

1．连续系统系统中的所有元件的输入输出信号均为时间的连续函数，所以又常称为模拟系统。2．离散系统系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数字信号时，该系统就是离散系统。这类系统常用差分方程来表示。离散系统实现上是将连续信号经过采样后离散化为脉冲或数字信号后送入计算机进行分析、处理、决策后，形成脉冲或数字式控制信号，并还原为相应的模拟量控制信号对被控对象实现控制。

四、按系统的输入/输出信号的数量分类

1．单变量系统（SISO）单变量系统是指系统只有一个输入和一个输出。它只注重系统的外部输入和输出，而不关心系统内部的状态变化，所以单输入单输出系统可以把系统看成为一个黑匣子。经典控制理论研究的对象主要是单输入单输出的线性定常系统。

2．多变量系统（MIMO）所谓多变量系统是指系统有多个输入或单个输出或多个输出。它不仅仅注重系统的输入和输出变量，还更多地关心系统结构内部个状态变量的变化和个状态变量之间的耦合关系。

多变量系统是现代控制理论研究的主要对象，在数学上以状态空间变量法和矩阵理论为主要研究工具。

五、自动控制系统的基本组成

给定元件：给出与期望的输出相对应的系统输入量。测量元件：检测被控量（系统输出），并进行信号的变换和传输，用于反馈被控量到比较元件与输入进行比较（形成偏差信号）。比较元件：把测量元件检测到的实际输出量与给定元件给出的输入量进行比较，得到偏差信号。放大元件：将微弱的偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。执行元件：直接控制被控对象，使其被控量发生变化，例如阀门、伺服机构等。校正元件：为了改善或提高控制系统的性能（如稳定性、稳态精度、响应速度等），在控制系统的基本结构上附加一定的装置（元件），这种附加的校正装置（元件）可以有多种形式，如串联校正、并联校正、反馈校正等。

理想的控制系统，必须具备两方面的性能：(1)使系统输出快速、准确地按输入信号要求的期望输出值变化；(2)使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。1.5对控制系统的要求和分析设计

一、对系统的要求对控制系统性能的基本要求为：(1)稳定性：要求系统稳定并具有一定的稳定裕度。(2)瞬态质量：要求系统的瞬态响应快速且变化平稳。(3)稳态精度：要求系统的稳态误差满足设计的要求。二、控制系统的分析和设计

研究内容有二：系统分析和系统的设计（包括系统综合）。1．系统分析分析是从已知的系统出发，分析计算出系统的各项性能指标。一般步骤：（1）建立数学模型；（2）分析系统的性能，计算起具体的性能指标；（3）分析系统参数变化对系统性能的影响，并决定选择合理的分析方法。系统的分