第一章 控制系统导论课件

AutomaticControlTheory河南理工电气学院自动控制原理第一章控制系统导论

罗宇锋联系电话：邮箱：zhangly助教：电气本：李敏捷，，D216电气：贾珍，，D219第一章控制系统导论

最初的闭环自动控制装置是1788年瓦特（J.Watt）发明的飞锤调速器的研究。四个阶段：经典控制理论阶段现代控制理论阶段大系统控制理论阶段智能控制阶段

序：自动控制的发展简史第一章控制系统导论

1868年麦克斯韦尔（J.C.Maxwell）基于微分方程描述从理论上给出了它的稳定性条件。1877年劳斯（E.J.Routh）,1895年古尔维茨（A.Hurwitz）分别独立给出了高阶线性系统的稳定性判据。经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）

劳斯古尔维茨第一章控制系统导论1892年，李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）给出了非线性系统的稳定性判据。在同一时期，维什哥热斯基（I.A.Vyshnegreskii）也用一种正规的数学理论描述了这种理论。

1922年米罗斯基(N.Minorsky)给出了位置控制系统的分析，并对PID三作用控制给出了控制规律公式。

1942年，齐格勒（J.G.Zigler）和尼科尔斯(N.B.Nichols)又给出了PID控制器的最优参数整定法。【上述方法基本上是时域方法

】经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）

第一章控制系统导论

1932年柰奎斯特(Nyquist)提出了负反馈系统的频率域稳定性判据。

1940年，波德(H.Bode)进一步研究通信系统频域方法，提出了频域响应的对数坐标图描述方法。

频域分析法主要用于描述反馈放大器的带宽和其他频域指标。经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）

柰奎斯特第一章控制系统导论作为贝尔电话实验室的工程师，在热噪声(Johnson-Nyquistnoise)和反馈放大器稳定性方面做出了很大的贡献。他早期的理论性工作关于确定传输信息需满足的带宽要求，在《贝尔系统技术》期刊上发表了《影响电报速度传输速度的因素》文章，为后来香农的信息论奠定了基础。

1927年，奈奎斯特确定了如果对某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且在抽样率达到一定数值时，根据这些抽样值可以在接收端准确地恢复原信号。为不使原波形产生“半波损失”，采样率至少应为信号最高频率的两倍，这就是著名的奈奎斯特采样定理。奈奎斯特1928年发表了《电报传输理论的一定论题》。1954年，他从贝尔实验室退休。

美国物理学家，1889年出生在瑞典。1976年在德克萨斯逝世。奈奎斯特对信息论做出了重大的贡献。奈奎斯特1907年移民到美国并于1912年进入北达克塔大学学习。1917年在耶鲁大学获得物理学博士学位。1917年～1934年在AT&T公司工作，后转入贝尔电话实验室工作

小知识：奈奎斯特第一章控制系统导论

1943年，霍尔(A.C.Hall)利用传递函数（复数域模型）和方框图，把通信工程的频域响应方法和机械工程的时域方法统一起来，人们称此方法为复域方法。1948年伊文斯（W.Evans）又进一步提出了属于经典方法的根轨迹设计法，它给出了系统参数变换与时域性能变化之间的关系。经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）第一章控制系统导论总结：经典控制理论的分析方法为复数域方法,以传递函数作为系统数学模型，优点:可通过试验方法建立数学模型，物理概念清晰。缺点:只适应单变量线性定常系统，对系统内部状态缺少了解。经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）第一章控制系统导论1954年贝尔曼(R.Bellman)的动态规划理论。

1956年庞特里雅金(L.S.Pontryagin)的极大值原理。

1960年卡尔曼（R.E.Kalman）的多变量最优控制和最优滤波理论。

现代频域方法，自适应控制理论和方法、鲁棒控制方法等。现代控制理论阶段（以状态空间表达式为模型）第一章控制系统导论

1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。在现代控制理论中的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的论文《ANewApproachtoLinearFilteringandPredictionProblems》（线性滤波与预测问题的新方法）。小知识：卡尔曼

RudolfEmilKalman，匈牙利数学家，1930年出生于匈牙利首都布达佩斯。1953、1954年于麻省理工学院分别获得电机工程学士及硕士学位。

第一章控制系统导论总结：状态空间方法属于时域方法，其核心是最优化技术。它以状态空间描述（实质上是一阶微分或差分方程组）作为数学模型。适应于多变量、非线性、时变系统。现代控制理论阶段（以状态空间表达式为模型）第一章控制系统导论

20世纪70年代，随着控制理论应用范围的扩大，人们开始了对大系统理论的研究。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的综合自动化理论基础，是动态的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。大系统控制理论阶段第一章控制系统导论智能控制：

依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。

智能控制阶段第一章控制系统导论

环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。试图用传统的控制理论和方法去解决复杂的对象，复杂的环境和复杂的任务是不可能的。智能控制的方法包括模糊控制，神经元网络控制，专家控制等方法。智能控制阶段第一章控制系统导论

40~50年代

经典控制理论

（频域法或复频域法）

核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等

特点：图形方法，直观简便，设置参数少，

（以简单控制结构获取相对满意的性能）适用范围：单输入单输出（SISO）系统。

数学基础：复变函数，积分变换。

SISO:SingleInputandSingleOutput第一章控制系统导论

60～70年代

现代控制理论（状态空间法）

核心：状态变量的能控、能观性，

系统性能的最优化。

特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统，

有完整的理论体系。数学基础：线性代数，矩阵理论。缺点：对系统的数学模型精度要求高，

实际性能达不到设计的最优，

所需状态反馈难以直接实现。MIMO:Multi-InputandMulti-Output第一章控制系统导论70年代～现在

多种新型控制理论多变量频域控制理论

①经典SISO→MIMO；

②基于互质分解的全新的频域优化理论。鲁棒控制（robustcontrol）

鲁棒性（robustness）：系统存在模型误差或受到扰动时仍能保持良好性能的能力。

鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制。第一章控制系统导论70年代～现在

多种新型控制理论智能控制（intelligentcontrol）

控制系统具有拟人智能（学习、记忆、判断、推理等）大系统控制、复杂系统控制等

被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、不确定性、分散性、非线性、大时滞、难建模等特征，如电力系统、城市交通系统、网络系统、制造系统、经济系统等。第一章控制系统导论系统社会系统地球系统宇宙系统工程系统生物系统医学系统环境系统经济系统工程控制论人工控制自动控制半自动控制自动控制理论经典控制理论现代控制理论先进控制理论（智能）开环控制理论闭环控制理论复合控制理论非线性控制理论离散时间控制理论自动控制原理学习的重点小结：第一章控制系统导论先进控制理论小结：★第一章控制系统导论课程的主要内容及承上启下的关系第一章控制系统导论自动控制原理微积分积分变换复变函数电子技术电路理论现代控制理论过程控制系统各类专业课程大学物理电机拖动后续课程先行课程本课程涉及到的基础理论知识第一章控制系统导论

《自动控制原理》主要内容

第一章控制系统导论第二章控制系统的数学模型第三章线性系统的时域分析法第四章线性系统的根轨迹法第五章线性系统的频域分析法第六章线性系统的校正方法

第七章线性离散系统的分析[不讲]第八章非线性控制系统分析[不讲]

附加：MATLAB工具和拉普拉斯变换第一章控制系统导论《自动控制原理》参考教材1.《自动控制原理》（第五版），胡寿松，科学出版社2.《自动控制原理习题集》，胡寿松，科学出版社3.《自动控制原理》（第一版），张莲，中国铁道出版社4.《自动控制原理的MATLAB实现》，黄忠霖，国防工业出版社5.《控制工程与信号处理》，程桂芬，化学工业出版社6.《自动控制原理与设计》（英文版，第五版）GENEF.FRANKLIN著，人民邮电出版社第一章控制系统导论

第一章

控制系统导论第一章控制系统导论1-1自动控制的基本原理1-2自动控制系统示例1-3自动控制系统的分类1-4对自动控制系统的基本要求本章主要内容第一章控制系统导论1.明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、被控量、控制装置和自动控制系统等概念；2.正确理解三种控制方式，特别是闭环控制；3.掌握由系统原理图画方框图的方法，并能正确判断系统的控制方式；4.明确系统常用分类方法；5.明确对自动控制系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。本章基本要求第一章控制系统导论1-1自动控制的基本原理

第一章控制系统导论一、基本概念

[自动控制]自动

不需要人的介入控制

达到人想要达到的某种目的1.定义第一章控制系统导论

由被控对象和自动控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的整体，称为自动控制系统。[自动控制理论]研究自动控制共同规律的技术科学。[自动控制系统]

由一些元部件按一定要求连接并具有某一特定功能的整体。[系统]第一章控制系统导论2.研究对象：单输入、单输出、集中参数、线性、时不变自动控制系统（的数学模型）。3.研究内容（1）系统的分析：已知系统的结构和参数，分析和评价系统的稳态和动态性能以及抗干扰能力的优劣。（2）系统的设计：按照给定的任务（控制任务）设计一个满足稳态和动态性能要求及抗干扰性能要求的控制系统，并确定其结构和参数。4.研究的具体目的：

c(t)≡r(t)分析是基础、设计是重点、满足要求才是目标。第一章控制系统导论5.自动控制系统的常用术语被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过程被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数值扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫做外扰，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数的变化，称为内扰。给定值和扰动通称为输入量。控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称第一章控制系统导论二、反馈控制基本原理

在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。当负载波动时，必然会引起速度变化，由于龙门刨床不允许速度变化过大，因此必须对速度进行控制。第一章控制系统导论反馈：取出输出量送回到输入端，并与输入

信号相比较产生偏差信号的过程。第一章控制系统导论在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，即反馈控制原理。反馈控制本质是按偏差进行控制的过程。[反馈控制原理]第一章控制系统导论三、反馈控制系统的基本组成输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能。输出信号——系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态。第一章控制系统导论前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件反馈控制系统组成图第一章控制系统导论前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件

主反馈：

直接取自系统输出端，经过测量和变换，又引入到系统输入端的信号叫主反馈信号，相应的反馈叫主反馈。★第一章控制系统导论前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件★

前向通道：

从系统输入端到输出量之间的通道称为前向通道。第一章控制系统导论前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件★

主反馈通道：

从输出量到主反馈信号之间的通道称为主反馈通道。第一章控制系统导论前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件★

主回路：

主反馈闭合了除系统输入信号和干扰信号以外的其它所有信号，所形成的闭合回路称为主回路。第一章控制系统导论前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件★

给定元件：

给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。一般为电位器。第一章控制系统导论前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件★

测量元件：

测量系统输出量的实际值，并把输出量的量纲转化成与输入量相同。如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转变压器、浮子等。第一章控制系统导论前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件★

比较元件：

比较系统的输入量和主反馈信号，并给出两者之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动装置、电桥电路、计算机等。第一章控制系统导论前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件★

放大元件：

对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。如：晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压、功率放大器。第一章控制系统导论前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件★

执行元件：

根据放大后的偏差信号产生控制、动作，操作系统的输出量，使之按照输入量的变化规律而变化。如：阀门、电机、液压马达等。

第一章控制系统导论电气阀门定位器执行机构阀体第一章控制系统导论前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件★

校正元件（补偿元件）：它是结构或参数便于调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容组成的无源或有源网络，还有计算机。★第一章控制系统导论前向通道主反馈通道比较元件偏差量主反馈量控制变量操作变量被控量给定元件★除此之外还有：单位反馈系统：主反馈信号等于输出量的系统叫单位反馈系统。非单位反馈系统：主反馈信号不等于输出量的系统叫非单位反馈系统。局部反馈：对应内回路。第一章控制系统导论练习：通过测量输出量，产生一个与输出信号存在确定函数比例关系值的元件称为（

）

A.比较元件B.给定元件C.反馈元件D.放大元件答案：C第一章控制系统导论例1：A.温度控制——人工控制第一章控制系统导论炉温手动控制演示第一章控制系统导论控制目标：炉子的温度恒定在期望的数值上。第一章控制系统导论B.温度控制——自动控制第一章控制系统导论炉温自动控制演示第一章控制系统导论闭环控制系统:

第一章控制系统导论+__受信仪放大器减速器校正装置检测装置电机+··例2：火炮自动跟踪系统——“火炮打飞机”第一章控制系统导论Parkinson高炮自动射击系统原理图飞机位置控制器比较器电机方位角

测量值雷达电位计数学解算控制器比较器电机高低角测量值电位计预期方位角预期高低角高炮实际方位角高炮实际高低角第一章控制系统导论

已知铀235原子核在一个中子的撞击下，可发生核裂变反应，放出大量的能量，同时释放大约2.5个中子，放出的中子有可能再与铀235原子核发生核反应，这就是所谓核裂变的链式反应。U235初始中子数中子数2.5n++中子数n能量有效中子率例3：正反馈例子第一章控制系统导论铀-235链式反应示意图第一章控制系统导论

注意：

加到反馈控制系统上的外作用有两种类型，一种是有用输入，一种是扰动。有用输入决定系统被控量的变化规律；而扰动是系统不希望有的外作用，它破坏有用输入对系统的控制。在实际系统中，扰动总是不可避免的。如电源电压的波动，环境温度、压力以及负载的变化等。第一章控制系统导论输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现；组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；系统的稳定性不是主要问题；开环控制：开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。主要特点：四、控制系统的基本控制方式第一章控制系统导论电风扇的控制电机（执行机构）风扇叶片

（控制对象）开关或程序控制器例1：开环控制系统控制电压第一章控制系统导论控制目的：提高炉温受控对象（物理实体）：炉子受控量（输出物理量）：炉温控制装置：开关K和电热丝，对受控量起控制作用。加热炉的开环控制例2：开环控制系统

第一章控制系统导论原理图：方块图：功率放大器加热炉控制输入（给定电压）（电功率）输出量（炉温）控制装置被控对象扰动量扰动量给定电位器

～给定电压加热炉+-交流电源电热丝功率放大器加热体第一章控制系统导论控制方式：按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合,如自动售货机，自动报警器，自动流水线等。

控制器被控制对象给定值输出量按给定值控制的原理方框图第一章控制系统导论按扰动补偿

。这种控制方式的原理是：利用对扰动信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控制方式。对于不可测扰动以及被控对象及各功能部件内部参数变化给输出量造成的影响，系统自身无法控制。因此，控制精度有限，常用于工作机械的恒速控制（如稳定刀具转速）以及电源系统的稳压，稳频控制。控制器被控制对象扰动输出量按扰动补偿的原理方框图测量装置第一章控制系统导论输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。闭环控制：是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。主要特点：控制方式：反馈控制，反馈按反馈极性的不同分成两种形式：正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，一般都指负反馈。第一章控制系统导论控制器被控制对象输入量输出量闭环控制典型方框图扰动检测偏差，纠正偏差…………按偏差控制第一章控制系统导论方块图：

原理图：控制器加热炉炉温检测ur扰动y－eufu相加点(综合点)检测噪声给定电位器

～控制量加热炉控制器误差e

温度变送器

变换电压uf电热丝温度

传感器功率放大器温度信号+-交流电源

给定电压uru输出量y（炉温）+-加热体第一章控制系统导论复合控制：

把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差，即复合控制。补偿的实质：提供一个控制作用来尽可能地抵消扰

动对系统输出的影响说明：补偿控制属于开环控制，仅对特定可测扰动

有效，一般扰动要靠反馈控制来抑制第一章控制系统导论复合控制的特点：

补偿控制可更快地及时抑制可测扰动对输出的影响。反馈控制可抑制一般扰动对输出的影响。两者的结合可改善抗扰性，提高控制精度。缺点是结构较复杂。第一章控制系统导论1-2自动控制系统示例

第一章控制系统导论

在分析自动控制系统时，首先应明确下面的一些问题:

1.被控对象是什么？被控量是什么？作用在被控对象上的主要干扰信号有哪些？

2.通过操纵哪个机构来改变被控量？即确定执行元件。

第一章控制系统导论3.有哪些测量元件，测量的是被控量还是干扰信号？测量元件的确定对分析系统起关键作用。

4.指令信号或给定值是由哪个装置提供的？

5.如何实现各信号的综合比较、计算和判断偏差？

第一章控制系统导论例1-1水箱水位控制系统

第一章控制系统导论被控对象：被控量：控制装置：检测元件：水箱水位控制系统：水箱水箱水位杠杆浮球第一章控制系统导论第一章控制系统导论例1-2带钢连扎机架轧辊转速控制系统第一章控制系统导论连轧机在轧钢过程中，通过各机架的带钢必须保持秒流量相等，否则将出现拉钢或叠钢，影响产品质量或造成故障。这就要求各机架轧辊的转速保持一定比例，而对某机架轧辊来说，即要求其转速恒定。说明：第一章控制系统导论①受控对象：②被控量：③检测元件：④变换和放大部件：⑤执行机构：控制系统：轧辊的转速n轧辊测速发电机整流装置电动机第一章控制系统导论例1-3涡轮喷气发动机转速控制系统

第一章控制系统导论例1-3涡轮喷气发动机转速控制系统

被控对象：涡轮喷气发动机被控量：涡轮转速nc第一章控制系统导论例1-3涡轮喷气发动机转速控制系统

执行元件：即是改变供油量的机构，系统中与柱塞泵的斜盘以及和斜盘相联接的油缸活塞。斜盘倾角不同，泵在同样转速下供油量就不同。第一章控制系统导论例1-3涡轮喷气发动机转速控制系统

转速测量：靠离心块（转速传感器）来完成，转速不同，离心块产生的离心力不同，作用在滑阀上（分油活门）的力的大小就代表了转速的大小。第一章控制系统导论例1-3涡轮喷气发动机转速控制系统

转速给定：由油门的位置给定，油门位置不同，作用在滑阀上的起始弹簧力也不同，起始弹簧力的大小就代表了给定转速的大小。第一章控制系统导论例1-3涡轮喷气发动机转速控制系统

比较元件：就是滑阀，离心力和弹簧力在阀芯上进行比较，若两个作用力不相等，则推动阀芯打开油路，输出高压燃油到燃烧室。第一章控制系统导论发动机转速控制系统职能框图

第一章控制系统导论内燃机转速控制系统

应用瓦特式转速调节器的内燃机转速控制系统自己分析：第一章控制系统导论例1-4锅炉液位控制系统第一章控制系统导论说明：当蒸汽的耗汽量与锅炉进水量相等时，液位保持在正常标准值。当锅炉给水量不变，而蒸汽负荷发生变化时，液位也相应发生变化；或者当蒸汽负荷不变，而给水管道水压发生变化时，引起锅炉液位发生变化。但只要实际液位高度与正常给定液位之间出现偏差时，调节器均应立即进行控制，去开大或者关小给水阀门，使液位恢复到给定值。

第一章控制系统导论例1-5炉温控制系统（计算机控制）

第一章控制系统导论说明：电阻丝通过晶闸管主电路加热，炉温期望值预先设定，炉温实际值由热电偶检测，并转换成电压，经放大、滤波后，由A/D转换后送入计算机，并与所设置的期望温度进行比较，产生偏差信号，计算机根据控制算法计算相应控制量，再经D/A转换成电流，通过触发器控制晶闸管导通角，从而改变电阻丝中电流大小，达到控制炉温的目的。

优点:

计算机温度控制系统，具有精度高、功能强、经济性好、无噪声、显示醒目、读数直观、打印存档方便、操作简单、灵活性和适应性好等一系列优点。第一章控制系统导论例1-6函数记录仪系统

第一章控制系统导论函数记录仪方框图第一章控制系统导论例1-7家用电冰箱温控系统

第一章控制系统导论说明：控制器设定温度与冰箱实际温度比较，产生偏差值，当偏差电压达到使继电器接通时，压缩机工作，将蒸发器中高温低压气态制冷液送制冷却器散热，降温后的低温低压制冷液压缩成高压液态进入蒸发器，急速降压扩散成气体，吸收箱体内热量，使冰箱温度下降，如此循环操作，使箱体温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。

第一章控制系统导论例1-8

飞机-自动驾驶仪系统第一章控制系统导论俯仰角控制系统方块图给定装置放大器舵机飞机

反馈电位器

垂直陀螺仪

θ扰动

θo第一章控制系统导论反馈控制实例1：计算机硬盘硬盘转速的控制

（检测转速）

磁头读写的定位控制（检测位置）第一章控制系统导论反馈控制实例2

：汽车中的自动控制系统发动机点火、空燃比、自动巡航、动力辅助转向、防抱死制动等第一章控制系统导论反馈控制实例3：现代农业1灌溉：漫灌

自动喷灌或滴灌（检测土壤湿度）第一章控制系统导论反馈控制实例4：现代农业2自动化的温室立体栽培（自动调节温度、湿度、养分等）第一章控制系统导论其他反馈控制的例子：人走路、骑车、驾车等电冰箱、空调等数控机床自动加工零件雷达火炮系统自动跟踪飞机教学过程、人才培养过程人口控制、经济控制…还有哪些你知道的反馈控制系统例子？第一章控制系统导论1-3自动控制系统的分类

第一章控制系统导论1.给定信号的形式恒值系统/随动系统2.按系统是否满足叠加原理线性系统/非线性系统3.按系统参数是否随时间变化定常系统/时变系统4.按信号传递的形式连续系统/离散系统5.按输入输出变量的多少单变量系统/多变量系统一、控制系统的分类第一章控制系统导论除此之外还有：按系统控制理论分单输入单输出（经典控制理论）多输入多输出（现代控制理论）按系统功能分温度控制、速度控制、位置控制按组成元件的特点分机械系统、电气系统、液压系统、生物系统、经济系统按控制规律分古典控制、现代控制系统、模糊系统、神经网络系统1.4控制系统的分类第一章控制系统导论结构特点：输入量与输出量之间仅有前向通路，信号的传递是单方向的，输出对输入没有影响。结构图：

（1）开环和闭环系统

1.开环系统

第一章控制系统导论

开环系统的特点：优点：结构简单，稳定性好，容易设计和调整以及成本较低，对那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式。

缺点：自身没有能力根据系统的输出量来修正控制量的数值，控制精度取决于器件精度，系统抗干扰能力差。第一章控制系统导论开环控制系统的应用场合：最适用于传递关系已知，对输出精度无要求,且不含扰动的场合；如系统起动、制动过程。自动售货机,洗衣机,数控机床，红绿灯转换系统中。

逻辑控制顺序控制扰动少的场合第一章控制系统导论2.闭环系统结构图：

特点：不仅有从输入至输出之间前向通路，同时具有从输出返回至输入端的信号传递通道。信号的传递构成闭合回路。

第一章控制系统导论

闭环系统的特点：

优点：控制精度高，系统抗干扰能力强。缺点：由于增加了检测装置和反馈环节，结构较复杂，成本有所增加。第一章控制系统导论[线性系统]：如果系统满足叠加原理，则称其为线性系统。叠加原理说明，两个不同的作用函数同时作用于系统的响应，等于两个作用函数单独作用的响应之和。

线性系统对几个输入量同时作用的响应可以一个一个地处理，然后对每一个输入量响应的结果进行叠加。（2）线性连续控制系统线性系统的优点:

数学处理简便，理论体系完整第一章控制系统导论线性系统u(t)y(t)均匀性（齐次性）叠加性叠加原理本书主要研究线性定常系统。第一章控制系统导论线性系统的均匀性yu=1时的响应u=2时的响应第一章控制系统导论线性系统的叠加性y输入为u2时的响应输入为u1时的响应输入为u1+u2时的响应第一章控制系统导论例1：是线性还是非线性？解：第一章控制系统导论例2：是线性还是非线性？解：第一章控制系统导论例3：是线性还是非线性？解：第一章控制系统导论练习：判断系统类型（r输入、c输出）非线性时变系统线性定常系统线性时变系统非线性时变系统线性定常系统非线性定常系统第一章控制系统导论

定常系统：

系统的参数不随时间变化的系统。描述其动态特性的微分方程或差分方程的系数为常数。时变系统：

系统的参数随时间而变化。描述其动态特性的微分方程或差分方程的系数不为常数。实际系统的定常是相对的，时变是绝对的，但很多情况下可近似看作定常。（3）定常系统与时变系统第一章控制系统导论这类系统可以用线性微分方程式描述,其一般形式式中,c(t)是输出量,r(t)是输入量。系数a0,a1,…,an；b0,b1,…,bm是常数时,称为定常系统；系数a0,a1,…,an；b0,b1,…,bm随时间变化时,称为时变系统。线性定常连续系统按其输入量的变化规律不同又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。第一章控制系统导论1.恒值控制系统

指参考输入量保持常值的系统。其任务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被控量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数值上。对系统的要求是稳定性和稳态误差。如调速系统（当ug不变时），水池水位控制系统，空调、冰箱、恒温箱及炉温控制系统等。第一章控制系统导论2.随动系统指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。例如：跟踪目标的雷达系统、火炮群控制系统、导弹制导系统、参数的自动检验系统、X-Y记录仪、船舶驾驶舵位跟踪系统、飞机自动驾驶仪等。第一章控制系统导论

船舶驾驶舵角位置跟踪系统

其任务是使船舵角位置按给定指令变化，即要求θ0跟随θi:θ0(t)=θi(t)。第一章控制系统导论随动系统控制演示第一章控制系统导论3.程序控制系统

自动控制系统的被控制量如果是根据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系统。例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统、顺序控制器、数控机床、仿形机床等。第一章控制系统导论一般都将加工轨迹编好程序。并转换成脉冲输入，再将工作台移动轨迹也换算成脉冲测出来与输入脉冲比较后再换算成模拟信号用以控制SM。第一章控制系统导论

离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的.连续信号经采样转换成离散信号。一般,在离散系统中既有连续的模拟信号,也有离散的数字信号。因此，离散系统要用差分方程来描述。线性差分方程的一般形式为（4）线性定常离散系统

式中,m≤n,n为差分方程的次数,a0,a1,…,an；b0,b1,…,bm为常系数,r(k),c(k)分别为输入和输出采样序列。第一章控制系统导论连续时间系统离散时间系统第一章控制系统导论（5）非线性控制系统

系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的,这类系统就称为非线性系统。这时,要用非线性微分(或差分)方程来描述其特性。

非线性方程的特点是系数与变量有关,或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项,例如实际系统的非线性是绝对的，线性是相对的，但大多数可近似看作线性。非线性控制系统：不满足叠加原理！第一章控制系统导论

下面是非线性系统的一些例子：第一章控制系统导论

古典控制理论中（我们所正在学习的），采用的是单输入单输出描述方法。主要是针对线性定常系统，对于非线性系统和时变系统，解决问题的能力是极其有限的。第一章控制系统导论分类小结第一章控制系统导论1-4自动控制系统的基本要求

第一章控制系统导论一、基本要求的提法

尽管自控系统有不同的类型,对每个系统也都有不同的特殊要求,但在已知系统的结构和参数时,对全过程提出的共同基本要求都是一样的，即稳定性、快速性和准确性。第一章控制系统导论

系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性(stability)

稳定性：如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程(a)给定信号作用c(t)(b)扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不稳定的系统是无法正常工作的。第一章控制系统导论图1.13稳定性示意图

稳定性示意图第一章控制系统导论通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性(rapidness)

r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度第一章控制系统导论由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。三、准确性(accuracy)

r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。第一章控制系统导论有差系统（图a）：若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。无差系统（图b）：若稳态误差为零，则系统称为无差系统。第一章控制系统导论例：分析各条曲线的特性第一章控制系统导论1.稳定性：就是指系统重新恢复平稳状态的能力，即过渡过程的