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1、控控 制制 系系 统统 工工 程程本本课课程程的的地地位位前前前前科科科科学学学学 实实践感受和哲学思践感受和哲学思践感受和哲学思践感受和哲学思维维应应用用用用技技技技术术学学学学学学学学学学学学自自自自动动化技化技化技化技术术学学学学学学学学学学学学学学学学学学学学学学学学文文文文艺艺创创作作作作技技技技术术科科科科学学学学科科科科科科科科科科科科控制控制控制控制论论信息信息信息信息论论运筹学运筹学运筹学运筹学科科科科科科科科科科科科科科科科科科科科科科科科基基基基础础理理理理论论自自自自然然然然社社社社会会会会数数数数学学学学系系系系统统学学学学思思思思维维人人人人体体体体地地地地理理理理
2、军军事事事事行行行行为为建建建建筑筑筑筑文文文文艺艺理理理理论论桥桥梁梁梁梁 自自自自然然然然辩辩证证法法法法唯唯唯唯物物物物史史史史观观数数数数学学学学哲哲哲哲学学学学系系系系统统论论认认识识论论人人人人天天天天观观地地地地理理理理哲哲哲哲学学学学军军事事事事哲哲哲哲学学学学人人人人学学学学建建建建筑筑筑筑哲哲哲哲学学学学美美美美学学学学 量智量智量智量智性智性智性智性智哲哲哲哲学学学学马马克思主克思主克思主克思主义义哲学哲学哲学哲学人人人人类认识类认识客客客客观观和主和主和主和主观观世界的科学世界的科学世界的科学世界的科学人类科学知识体系人类科学知识体系系统、信息（信号）、反馈系统、信息（
3、信号）、反馈系统：系统：由若干个相互联系相互作用的要素所由若干个相互联系相互作用的要素所组成的具有一定结构和功能的整体。组成的具有一定结构和功能的整体。 组成组成自动控制系统自动控制系统的各个部分通过的各个部分通过信号信号联系联系在一起，联系的最常用方式是在一起，联系的最常用方式是反馈反馈，通过反，通过反馈连接实现控制目的。馈连接实现控制目的。自动控制原理也叫自动控制原理也叫反馈控制原理反馈控制原理。基础知识基础知识 大学物理、高等数学、复变函数、电工电子技术大学物理、高等数学、复变函数、电工电子技术大学物理、高等数学、复变函数、电工电子技术大学物理、高等数学、复变函数、电工电子技术 理论力学
4、、流体力学、机械原理等理论力学、流体力学、机械原理等理论力学、流体力学、机械原理等理论力学、流体力学、机械原理等 后续：后续：现代控制理论现代控制理论现代控制理论现代控制理论学习方法学习方法 1 1 学习过程中要巩固以上各门课程的知识学习过程中要巩固以上各门课程的知识学习过程中要巩固以上各门课程的知识学习过程中要巩固以上各门课程的知识 2 2 注意基本原理的理解，理论联系实际，勤于思考注意基本原理的理解，理论联系实际，勤于思考注意基本原理的理解，理论联系实际，勤于思考注意基本原理的理解，理论联系实际，勤于思考 3 3 课堂提问课堂提问课堂提问课堂提问，习题课，作业，实验，习题课，作业，实验，习
5、题课，作业，实验，习题课，作业，实验参考书目参考书目 胡寿松主编胡寿松主编胡寿松主编胡寿松主编自动控制原理（第五版）自动控制原理（第五版）自动控制原理（第五版）自动控制原理（第五版） 自动控制原理习题解析自动控制原理习题解析自动控制原理习题解析自动控制原理习题解析 ( ( ( (Modern Control SystemsModern Control Systems) ) ) )现代控制系统现代控制系统现代控制系统现代控制系统( ( ( (第十版第十版第十版第十版) ) ) )第一章第一章 控制系统导论控制系统导论1-1 引言引言1-2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1-3 自动
6、控制系统的分类自动控制系统的分类1-4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1-1 引言引言一一 自动控制技术及应用自动控制技术及应用 1.自动控制自动控制 控制：控制：是使某些物理量按指定的规律变化是使某些物理量按指定的规律变化（包括保持恒定），以保证生产的安全性、（包括保持恒定），以保证生产的安全性、经济性及产品质量等要求的技术手段。经济性及产品质量等要求的技术手段。 自动控制：自动控制：在没有人直接参与的情况下，利在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数按照预定的规律过程的某个工作状态或参
7、数按照预定的规律运行。运行。 2. 自动控制技术的应用自动控制技术的应用 锅炉锅炉设备的压力和温度自动保持恒定设备的压力和温度自动保持恒定 数控机床数控机床按照预定的程序自动地切削工件按照预定的程序自动地切削工件 导弹发射与制导系统导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方，自动地使导弹攻击敌方目标目标 无人驾驶飞机无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收准确地进入预定轨道运行并回收 自动控制技术的应用范围已扩展到自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中。环境、经济管理和其它
8、许多社会生活领域中。汽车自动化生产线汽车自动化生产线汽车自动化生产线汽车自动化生产线足球机器人足球机器人足球机器人足球机器人捕食者无人机捕食者无人机捕食者无人机捕食者无人机X-37BX-37B空天战斗机空天战斗机空天战斗机空天战斗机空空导弹空空导弹空空导弹空空导弹机遇号火星探测器机遇号火星探测器机遇号火星探测器机遇号火星探测器空客和波音的空客和波音的空客和波音的空客和波音的先进大型客机先进大型客机先进大型客机先进大型客机1868 J.C.Maxwell 1868 J.C.Maxwell 论调节器论调节器论调节器论调节器 第一篇从理论上研究控制第一篇从理论上研究控制第一篇从理论上研究控制第一篇从
9、理论上研究控制的论文，提出了的论文，提出了的论文，提出了的论文，提出了“ “反馈控制反馈控制反馈控制反馈控制” ”的概念的概念的概念的概念1877 Routh1877 Routh，1895 A.Hurwitz 1895 A.Hurwitz 稳定判据稳定判据稳定判据稳定判据 时间域时间域时间域时间域1932 H.Nyquist 1932 H.Nyquist 奈氏判据奈氏判据奈氏判据奈氏判据1945 H.W.Bode 1945 H.W.Bode 半对数坐标图半对数坐标图半对数坐标图半对数坐标图 频率法频率法频率法频率法19481948、1950 W.R.Evans1950 W.R.Evans两篇文
10、章两篇文章两篇文章两篇文章 根轨迹法根轨迹法根轨迹法根轨迹法194419445050年代末年代末年代末年代末 ZadeZade、KalmanKalman等等等等 离散系统离散系统离散系统离散系统以传递函数为数学工具，主要研究单输入单输出（以传递函数为数学工具，主要研究单输入单输出（以传递函数为数学工具，主要研究单输入单输出（以传递函数为数学工具，主要研究单输入单输出（SISOSISO） 、线性定常系统的分析和设计、线性定常系统的分析和设计、线性定常系统的分析和设计、线性定常系统的分析和设计二二 自动控制理论的发展历程自动控制理论的发展历程1.经典控制理论（本课程）经典控制理论（本课程）2020
11、世纪世纪世纪世纪60706070年代形成年代形成年代形成年代形成 以以以以状态空间法状态空间法状态空间法状态空间法为基础，主为基础，主为基础，主为基础，主要研究高性能、要研究高性能、要研究高性能、要研究高性能、高精度、多变量、变参数的最优控高精度、多变量、变参数的最优控高精度、多变量、变参数的最优控高精度、多变量、变参数的最优控制问题制问题制问题制问题包括：多变量线性系统理论、最优控制理论、最优包括：多变量线性系统理论、最优控制理论、最优包括：多变量线性系统理论、最优控制理论、最优包括：多变量线性系统理论、最优控制理论、最优估计与系统辨识理论、自适应控制、鲁棒控制等估计与系统辨识理论、自适应控
12、制、鲁棒控制等估计与系统辨识理论、自适应控制、鲁棒控制等估计与系统辨识理论、自适应控制、鲁棒控制等2.现代控制理论现代控制理论当今：当今：模糊控制、神经网络控制等模糊控制、神经网络控制等模糊控制、神经网络控制等模糊控制、神经网络控制等智能控制智能控制智能控制智能控制方法方法方法方法 控制科学与其它学科的控制科学与其它学科的控制科学与其它学科的控制科学与其它学科的交叉交叉交叉交叉 经典控制理论应用广泛，现代控制、智能控制理论经典控制理论应用广泛，现代控制、智能控制理论经典控制理论应用广泛，现代控制、智能控制理论经典控制理论应用广泛，现代控制、智能控制理论 蓬勃发展；经典控制、现代控制、智能控制相
13、互结合蓬勃发展；经典控制、现代控制、智能控制相互结合蓬勃发展；经典控制、现代控制、智能控制相互结合蓬勃发展；经典控制、现代控制、智能控制相互结合 应用应用应用应用研究研究对象对象数学数学工具工具常用分常用分析方法析方法局限性局限性经典经典控制控制理论理论单输入单输入单输入单输入- -单输出线单输出线单输出线单输出线性定常系性定常系性定常系性定常系统统统统微分方微分方微分方微分方程，传程，传程，传程，传递函数递函数递函数递函数时域分析时域分析时域分析时域分析法法法法, ,根轨迹根轨迹根轨迹根轨迹法，频域法，频域法，频域法，频域分析法分析法分析法分析法对复杂多变量对复杂多变量对复杂多变量对复杂多变
14、量系统、时变系系统、时变系系统、时变系系统、时变系统无能为力统无能为力统无能为力统无能为力现代现代控制控制理论理论多输入多输入多输入多输入- -多输出时多输出时多输出时多输出时变系统，变系统，变系统，变系统，非线性系非线性系非线性系非线性系统等统等统等统等线性代线性代线性代线性代数，矩数，矩数，矩数，矩阵理论阵理论阵理论阵理论状态空间状态空间状态空间状态空间法法法法比较繁琐（由比较繁琐（由比较繁琐（由比较繁琐（由于计算机技术于计算机技术于计算机技术于计算机技术的迅速发展，的迅速发展，的迅速发展，的迅速发展，这一局限性已这一局限性已这一局限性已这一局限性已基本克服）基本克服）基本克服）基本克服）
15、经典控制理论与现代控制理论的比较经典控制理论与现代控制理论的比较1-2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念一一 自动控制系统自动控制系统 自动控制系统是指由自动控制系统是指由自动控制系统是指由自动控制系统是指由控制装置控制装置控制装置控制装置与与与与被控对象被控对象被控对象被控对象结合起结合起结合起结合起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。制的一个有机整体。制的一个有机整体。制的一个有机整体。1.被控对象：被控对象：要求实现自动控制的机
16、器、设备或要求实现自动控制的机器、设备或要求实现自动控制的机器、设备或要求实现自动控制的机器、设备或生产过程生产过程生产过程生产过程2.控制装置：控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备能够对被控对象起控制作用的设备能够对被控对象起控制作用的设备能够对被控对象起控制作用的设备总称总称总称总称自动控制系统可按开环、闭环和复合等控制方式自动控制系统可按开环、闭环和复合等控制方式自动控制系统可按开环、闭环和复合等控制方式自动控制系统可按开环、闭环和复合等控制方式实现，本课程以研究实现，本课程以研究实现，本课程以研究实现，本课程以研究闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统为主。为主。为主。为
17、主。二二 开环控制系统开环控制系统开环控制系统：开环控制系统：输出量与输入量之间没有反向联输出量与输入量之间没有反向联输出量与输入量之间没有反向联输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量单向控制的系统。系，只靠输入量对输出量单向控制的系统。系，只靠输入量对输出量单向控制的系统。系，只靠输入量对输出量单向控制的系统。如自动如自动如自动如自动售货机、自动洗衣机、生产流水线等。售货机、自动洗衣机、生产流水线等。售货机、自动洗衣机、生产流水线等。售货机、自动洗衣机、生产流水线等。 例例1. 电机转速控制系统电机转速控制系统电机转速控制系统电机转速控制系统控制量控制量控制量控制量被控量被控量被
18、控量被控量扰动扰动扰动扰动电位器电位器电位器电位器P Pn 被控量（输出信号）：被控量（输出信号）：被控对象中要求按预定被控对象中要求按预定规律变化的物理量。规律变化的物理量。P 控制量（输入信号）：控制量（输入信号）：施加于控制系统中的施加于控制系统中的命令，控制输出量按预定规律变化。命令，控制输出量按预定规律变化。 系统在特定输入下的输出称为系统对该输入的系统在特定输入下的输出称为系统对该输入的响应响应。扰动：扰动：破坏控制量与被控量正常函数关系的因破坏控制量与被控量正常函数关系的因素。素。 扰动也是系统的一种输入扰动也是系统的一种输入方块图方块图 指向和离开方块的指向和离开方块的指向和离
19、开方块的指向和离开方块的箭头箭头箭头箭头分分分分别表示元部件的输入和输别表示元部件的输入和输别表示元部件的输入和输别表示元部件的输入和输出，箭头上注明信号的名出，箭头上注明信号的名出，箭头上注明信号的名出，箭头上注明信号的名称称称称扰动集中起来作用在被控对象上扰动集中起来作用在被控对象上扰动集中起来作用在被控对象上扰动集中起来作用在被控对象上方框方框方框方框表示它所代表部分的表示它所代表部分的表示它所代表部分的表示它所代表部分的名称和功能，而不画出具名称和功能，而不画出具名称和功能，而不画出具名称和功能，而不画出具体结构，用方框之间带箭体结构，用方框之间带箭体结构，用方框之间带箭体结构，用方框
20、之间带箭头的直线说明各部分之间头的直线说明各部分之间头的直线说明各部分之间头的直线说明各部分之间的信号传递的信号传递的信号传递的信号传递控制量控制量控制量控制量扰动扰动扰动扰动被控量被控量被控量被控量控制装置控制装置被控对象被控对象电位器电位器电位器电位器P P电位器电位器电位器电位器电压电压电压电压放大器放大器放大器放大器功率功率功率功率放大器放大器放大器放大器电动机电动机电动机电动机Purukn扰动扰动扰动扰动ua 怎么办怎么办怎么办怎么办三三 闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统：闭环控制系统：输出量与输入量之间有反向联输出量与输入量之间有反向联系，靠输入
21、量与主系，靠输入量与主反馈反馈信号之间的偏差对输出信号之间的偏差对输出量进行控制的系统。量进行控制的系统。反馈：反馈：是把系统输出量经过一定的变换回送到是把系统输出量经过一定的变换回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应；使输输入端，以增强或减弱输入信号的效应；使输入信号增强的叫入信号增强的叫正反馈正反馈；使输入信号减弱的叫；使输入信号减弱的叫负反馈负反馈。由输出端引到输入端的叫。由输出端引到输入端的叫主反馈主反馈；中；中间变量的反馈连接叫间变量的反馈连接叫局部反馈局部反馈。例例2 引入闭环控制后的电机转速控制系统引入闭环控制后的电机转速控制系统电位器电位器电位器电位器分压电位器分压电位器分压
22、电位器分压电位器测速测速测速测速发电机发电机发电机发电机方块图（续）方块图（续） 比较元件或比较点比较元件或比较点比较元件或比较点比较元件或比较点，它的输，它的输，它的输，它的输出量等于各输入量的代数和，出量等于各输入量的代数和，出量等于各输入量的代数和，出量等于各输入量的代数和，各输入量若为各输入量若为各输入量若为各输入量若为“ “” ”号可以号可以号可以号可以不标，若为不标，若为不标，若为不标，若为“ “” ”号必须在号必须在号必须在号必须在箭头旁标注负号。箭头旁标注负号。箭头旁标注负号。箭头旁标注负号。引出点引出点引出点引出点，表示信号在，表示信号在，表示信号在，表示信号在此分两路，两路
23、信号此分两路，两路信号此分两路，两路信号此分两路，两路信号相同，不存在分流问相同，不存在分流问相同，不存在分流问相同，不存在分流问题。题。题。题。控制器控制器控制器控制器执行机构执行机构执行机构执行机构被控对象被控对象被控对象被控对象测量、变换测量、变换测量、变换测量、变换 -r(t)给定值给定值给定值给定值扰动扰动扰动扰动被控量被控量被控量被控量n(t)c(t)反馈信号反馈信号反馈信号反馈信号 (t)(t) b(tb(t) )扰动扰动扰动扰动电位器电位器电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器电动机电动机测速机测速机P Pu ur ru ub bu uk k -n nu ua a电位器电位器
24、电位器电位器分压电位器分压电位器分压电位器分压电位器测速测速测速测速发电机发电机发电机发电机 负反馈控制负反馈控制按偏差控制按偏差控制。偏差信号是对被。偏差信号是对被 控量不断测量转换，并把被控量的全部或一部控量不断测量转换，并把被控量的全部或一部 分反馈到系统的输入端与控制量相减得到的。分反馈到系统的输入端与控制量相减得到的。反馈控制原理：反馈控制原理：利用负反馈得到的偏差信号利用负反馈得到的偏差信号 产生控制作用，使被控量趋于要求值，从而产生控制作用，使被控量趋于要求值，从而 使偏差消除或减小的控制原理。使偏差消除或减小的控制原理。 闭环控制系统所以能实现自动控制，根本原闭环控制系统所以能
25、实现自动控制，根本原 因就是应用了反馈控制原理。因就是应用了反馈控制原理。 一般来说正反馈系统不能实现自动控制。一般来说正反馈系统不能实现自动控制。几个术语几个术语前向通路：前向通路：前向通路：前向通路：从系统输入量到输出量之间的通路称为从系统输入量到输出量之间的通路称为从系统输入量到输出量之间的通路称为从系统输入量到输出量之间的通路称为前向通路。前向通路。前向通路。前向通路。主反馈通路：主反馈通路：主反馈通路：主反馈通路：从输出量到主反馈信号之间的通路称从输出量到主反馈信号之间的通路称从输出量到主反馈信号之间的通路称从输出量到主反馈信号之间的通路称为主反馈通路。主反馈信号等于输出量的系统叫为
26、主反馈通路。主反馈信号等于输出量的系统叫为主反馈通路。主反馈信号等于输出量的系统叫为主反馈通路。主反馈信号等于输出量的系统叫单位反馈系统单位反馈系统单位反馈系统单位反馈系统；主反馈信号不等于输出量的系统；主反馈信号不等于输出量的系统；主反馈信号不等于输出量的系统；主反馈信号不等于输出量的系统叫叫叫叫非单位反馈系统非单位反馈系统非单位反馈系统非单位反馈系统主回路：主回路：主回路：主回路：主反馈闭合了除系统输入信号和干扰信号主反馈闭合了除系统输入信号和干扰信号主反馈闭合了除系统输入信号和干扰信号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以外的其它所有信号，所形成
27、的闭合回路称为主以外的其它所有信号，所形成的闭合回路称为主以外的其它所有信号，所形成的闭合回路称为主回路。回路。回路。回路。内回路：内回路：内回路：内回路：只闭合了系统中一部分信号的回路只闭合了系统中一部分信号的回路只闭合了系统中一部分信号的回路只闭合了系统中一部分信号的回路四四 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成 给定元件：给定元件：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给出与系统输出量希望值相对应的系统给出与系统输出量希望值相对应的系统给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。输入量。输入量。输入量。 测量元件：测量元件：测量元件：测量元件：测量系统输出量的实际值，并把输
28、出量测量系统输出量的实际值，并把输出量测量系统输出量的实际值，并把输出量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。的量纲转化成与输入量相同。的量纲转化成与输入量相同。的量纲转化成与输入量相同。 比较元件：比较元件：比较元件：比较元件：比较系统的输入量和主反馈信号，并给比较系统的输入量和主反馈信号，并给比较系统的输入量和主反馈信号，并给比较系统的输入量和主反馈信号，并给出两者之间的偏差。多由综合电路来实现出两者之间的偏差。多由综合电路来实现出两者之间的偏差。多由综合电路来实现出两者之间的偏差。多由综合电路来实现 放大元件：放大元件：放大元件：放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和
29、变换，使对微弱的偏差信号进行放大和变换，使对微弱的偏差信号进行放大和变换，使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之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。要求。要求。要求。 执行元件：执行元件：执行元件：执行元件：直接推动被控对象，使其输出发生变化。直接推动被控对象，使其输出发生变化。直接推动被控对象，使其输出发生变化。直接推动被控对象，使其输出发生变化。控制控制控制控制装置装置装置装置被控被控被控被控对象对象对象对象反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成反馈
30、控制系统的组成反馈控制系统的组成 开环控制系统：开环控制系统：开环控制系统：开环控制系统： 1.1.结构简单经济；结构简单经济；结构简单经济；结构简单经济； 2.2.调试方便；调试方便；调试方便；调试方便； 3.3.抗干扰能力差，控制精度不高。抗干扰能力差，控制精度不高。抗干扰能力差，控制精度不高。抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统: :( (本课程主要内容本课程主要内容本课程主要内容本课程主要内容) ) 1. 1.系统具有纠正偏差的能力；系统具有纠正偏差的能力；系统具有纠正偏差的能力；系统具有纠正偏差的能力； 2.2.抗扰性好，控制精度高；抗扰性好，
31、控制精度高；抗扰性好，控制精度高；抗扰性好，控制精度高； 3.3.包含元件多，结构复杂，价格高；包含元件多，结构复杂，价格高；包含元件多，结构复杂，价格高；包含元件多，结构复杂，价格高； 4.4.参数应选择适当。参数应选择适当。参数应选择适当。参数应选择适当。开环闭环复合控制系统开环闭环复合控制系统开环闭环复合控制系统开环闭环复合控制系统（精度很高）（精度很高）（精度很高）（精度很高） 五五 开环与闭环系统的比较开环与闭环系统的比较电机转速电机转速复合控制系统复合控制系统电位器电位器电位器电位器电压电压电压电压放大器放大器放大器放大器功率功率功率功率放大器放大器放大器放大器直流直流直流直流电动
32、机电动机电动机电动机Purn可测可测可测可测扰动扰动扰动扰动电流电流电流电流ua 电压电压电压电压放大器放大器放大器放大器电阻电阻电阻电阻测速机测速机 -电位器电位器电位器电位器电压电压电压电压放大器放大器放大器放大器功率功率功率功率放大器放大器放大器放大器直流直流直流直流电动机电动机电动机电动机Purn可测可测可测可测扰动扰动扰动扰动电流电流电流电流ua 电压电压电压电压放大器放大器放大器放大器电阻电阻电阻电阻按扰动控制按扰动控制的开环电机转速控制系统的开环电机转速控制系统1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1.按控制方式分类按控制方式分类 a. a.开环控制系统开环控制系统开环控
33、制系统开环控制系统 b.b.反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统 c. c.复合控制系统复合控制系统复合控制系统复合控制系统2.按系统的特性分类按系统的特性分类 a. a.线性系统线性系统线性系统线性系统( (具有可加性和齐次性，可以用线性微具有可加性和齐次性，可以用线性微具有可加性和齐次性，可以用线性微具有可加性和齐次性，可以用线性微 分方程来描述分方程来描述分方程来描述分方程来描述) ) b.b.非线性系统（不适用叠加原理，用非线性微分方程非线性系统（不适用叠加原理，用非线性微分方程非线性系统（不适用叠加原理，用非线性微分方程非线性系统（不适用叠加原理，用非线性微分方程 来描述
34、）来描述）来描述）来描述） a. a.定常系统定常系统定常系统定常系统 b.b.时变系统时变系统时变系统时变系统 a. a.连续控制系统连续控制系统连续控制系统连续控制系统 b.b.离散控制系统离散控制系统离散控制系统离散控制系统3.按给定值的变化规律分类按给定值的变化规律分类 a.a.恒值控制系统恒值控制系统恒值控制系统恒值控制系统 输入量是恒定的常值。输入量是恒定的常值。输入量是恒定的常值。输入量是恒定的常值。 任务：任务：任务：任务：在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定的希
35、望值附近。的希望值附近。的希望值附近。的希望值附近。 如：恒温、水位、恒压控制系统。如：恒温、水位、恒压控制系统。如：恒温、水位、恒压控制系统。如：恒温、水位、恒压控制系统。 b.b.随动系统（也叫跟踪系统）随动系统（也叫跟踪系统）随动系统（也叫跟踪系统）随动系统（也叫跟踪系统） 输入量是事先不知输入量是事先不知输入量是事先不知输入量是事先不知道的任意时间函数。道的任意时间函数。道的任意时间函数。道的任意时间函数。 任务：任务：任务：任务：使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化
36、。变化。变化。变化。 如：雷达自动跟踪系统。如：雷达自动跟踪系统。如：雷达自动跟踪系统。如：雷达自动跟踪系统。 c.c.程序控制系统程序控制系统程序控制系统程序控制系统 输入量按照给定的程序变化。输入量按照给定的程序变化。输入量按照给定的程序变化。输入量按照给定的程序变化。 任务：任务：任务：任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作。使输出量按预先给定的程序指令而动作。使输出量按预先给定的程序指令而动作。使输出量按预先给定的程序指令而动作。 如：数控车床和机器人控制系统。如：数控车床和机器人控制系统。如：数控车床和机器人控制系统。如：数控车床和机器人控制系统。恒值控制系统实例：恒值控制系统实例
37、：炉温控制系统炉温控制系统u u u ub bu ur ru ua an nu u炉温控制系统方块图炉温控制系统方块图电位器电位器电位器电位器电压及功电压及功电压及功电压及功率放大器率放大器率放大器率放大器执行执行执行执行电动机电动机电动机电动机减速器减速器减速器减速器调压器调压器调压器调压器电炉电炉电炉电炉热电偶热电偶热电偶热电偶T Tr ru ur ru u u ua an n n(t)n(t)T Tc cu ub bu u1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 一个系统的输入包括有用的输入信号和扰动，一个系统的输入包括有用的输入信号和扰动，但我们希望系统只受输入信号的控制，而丝
38、毫但我们希望系统只受输入信号的控制，而丝毫不受扰动的影响，所以我们只研究在输入信号不受扰动的影响，所以我们只研究在输入信号作用下，对系统性能的要求。作用下，对系统性能的要求。控制器控制器执行机构执行机构被控对象被控对象输入信号输入信号偏差偏差-测量转换机构测量转换机构输出量输出量 当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制有的平衡状
39、态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。t t0 01输入输入r(t)t t0 01输入输入c(t)实际实际实际实际系统的输入输出曲线系统的输入输出曲线理想的调节过程理想的调节过程理想的调节过程理想的调节过程是：出现偏差后，执行机构突然动是：出现偏差后，执行机构突然动是：出现偏差后，执行机构突然动是：出现偏差后，执行机构突然动作，使输出量立即达到新的平衡状态，调节过程瞬作，使输出量立即达到新的平衡状态，调节过程瞬作，使输出量立即达到新的平衡状
40、态，调节过程瞬作，使输出量立即达到新的平衡状态，调节过程瞬时完成。由于系统元件的惯性，当输出量发生跳变时完成。由于系统元件的惯性，当输出量发生跳变时完成。由于系统元件的惯性，当输出量发生跳变时完成。由于系统元件的惯性，当输出量发生跳变时，任何实际系统从原平衡状态到达新的平衡状态时，任何实际系统从原平衡状态到达新的平衡状态时，任何实际系统从原平衡状态到达新的平衡状态时，任何实际系统从原平衡状态到达新的平衡状态都要经历一个过渡过程。都要经历一个过渡过程。都要经历一个过渡过程。都要经历一个过渡过程。实际的调节过程实际的调节过程实际的调节过程实际的调节过程分为两个阶段分为两个阶段分为两个阶段分为两个阶
41、段: : : :1.1.1.1.过渡过程过渡过程过渡过程过渡过程 输出量处于激烈变化之中。反映系统的输出量处于激烈变化之中。反映系统的输出量处于激烈变化之中。反映系统的输出量处于激烈变化之中。反映系统的动态特性。动态特性。动态特性。动态特性。2.2.2.2.稳态过程稳态过程稳态过程稳态过程 输出量稳定在新的平衡状态，并保持不输出量稳定在新的平衡状态，并保持不输出量稳定在新的平衡状态，并保持不输出量稳定在新的平衡状态，并保持不变。反映系统的稳态特性。变。反映系统的稳态特性。变。反映系统的稳态特性。变。反映系统的稳态特性。阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程的阴影部分表示的是实际调节过程与理
42、想调节过程的阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程的阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程的差异，差异越小，系统的调节质量越高。差异，差异越小，系统的调节质量越高。差异，差异越小，系统的调节质量越高。差异，差异越小，系统的调节质量越高。为了衡量为了衡量为了衡量为了衡量系统调节过程的好坏，提出了对系统性能的要求。系统调节过程的好坏，提出了对系统性能的要求。系统调节过程的好坏，提出了对系统性能的要求。系统调节过程的好坏，提出了对系统性能的要求。一、对系统性能的基本要求一、对系统性能的基本要求 总的来说，希望实际的调节过程尽可能接近于理想的总的来说，希望实际的调节过程尽可能接近于理想的总的来
43、说，希望实际的调节过程尽可能接近于理想的总的来说，希望实际的调节过程尽可能接近于理想的调节过程。工程上把它归结为调节过程。工程上把它归结为调节过程。工程上把它归结为调节过程。工程上把它归结为稳、快、准稳、快、准稳、快、准稳、快、准三个方面三个方面三个方面三个方面1.1.稳定性：稳定性：稳定性：稳定性：指系统重新恢复平衡状态的能力，即过渡过指系统重新恢复平衡状态的能力，即过渡过指系统重新恢复平衡状态的能力，即过渡过指系统重新恢复平衡状态的能力，即过渡过程的收敛情况。程的收敛情况。程的收敛情况。程的收敛情况。 1、2、5最终趋于平衡状态，这类系统最终趋于平衡状态，这类系统是稳定的。是稳定的。3振荡
44、发散，振荡发散，4 单调发散。单调发散。这类系统的过渡过程随时间的推移而发散，这类系统的过渡过程随时间的推移而发散，无法正常工作，不稳定。无法正常工作，不稳定。稳定性是对控制稳定性是对控制系统的最基本要求系统的最基本要求。2.快速性：快速性：指过渡过程进行时间的长短。指过渡过程进行时间的长短。 曲线曲线1要反复振荡才能达到稳态值，过要反复振荡才能达到稳态值，过渡过程持续时间很长。曲线渡过程持续时间很长。曲线2要经长时间的要经长时间的缓慢爬升才能到稳定值，系统响应迟钝，缓慢爬升才能到稳定值，系统响应迟钝，过渡过程时间也很长，快速性都不好，而过渡过程时间也很长，快速性都不好，而 曲线曲线5快速趋于
45、稳定，即稳且快，与理想的快速趋于稳定，即稳且快，与理想的调节过程偏差最小。调节过程偏差最小。3.准确性：准确性：指过渡过程结束后的稳态误差，越指过渡过程结束后的稳态误差，越小越好。稳态误差：指过渡过程结束后，希小越好。稳态误差：指过渡过程结束后，希望的输出量与实际输出量之间的误差，是恒望的输出量与实际输出量之间的误差，是恒量系统量系统稳态精度稳态精度的重要指标。的重要指标。二、典型外作用二、典型外作用 为了能对不同的控制系统的性能用统一为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择几种典型的外的标准来恒量，通常需要选择几种典型的外作用。作用。选用原则选用原则P131.阶跃函数阶跃
46、函数（2）图形图形表示在表示在表示在表示在t=0t=0时刻出现了幅值为时刻出现了幅值为时刻出现了幅值为时刻出现了幅值为R R的跳变，是最不利的外的跳变，是最不利的外的跳变，是最不利的外的跳变，是最不利的外作用。作用。作用。作用。R=1R=1时的阶跃函数叫时的阶跃函数叫时的阶跃函数叫时的阶跃函数叫单位阶跃函数单位阶跃函数单位阶跃函数单位阶跃函数，常用，常用，常用，常用1(t)1(t)表示。常用阶跃函数作为评价系统表示。常用阶跃函数作为评价系统表示。常用阶跃函数作为评价系统表示。常用阶跃函数作为评价系统动态性能动态性能动态性能动态性能的典型外的典型外的典型外的典型外作用。所以阶跃函数在自动控制系统
47、的分析中起着特作用。所以阶跃函数在自动控制系统的分析中起着特作用。所以阶跃函数在自动控制系统的分析中起着特作用。所以阶跃函数在自动控制系统的分析中起着特别重要的作用。别重要的作用。别重要的作用。别重要的作用。（第三章）（第三章）（第三章）（第三章）（1）数学表达式）数学表达式 0 t0 tr(t)r(t)R R（1 1） 数学表达式数学表达式数学表达式数学表达式 （2 2）图形）图形）图形）图形 表示从表示从表示从表示从t=0t=0时刻，以恒速时刻，以恒速时刻，以恒速时刻，以恒速R R变化的函数。变化的函数。变化的函数。变化的函数。（第三章）（第三章）（第三章）（第三章）R=1,R=1,叫叫叫
48、叫单位速度函数单位速度函数单位速度函数单位速度函数2.斜坡函数（速度函数）斜坡函数（速度函数）0 t0 tr(t)r(t)R R3.加速度函数加速度函数 （1 1）数学表达式）数学表达式）数学表达式）数学表达式 (2)(2)图形图形图形图形 表示从表示从表示从表示从t=0t=0时刻开始，以恒加速度时刻开始，以恒加速度时刻开始，以恒加速度时刻开始，以恒加速度R R变化。变化。变化。变化。 （第三章）（第三章）（第三章）（第三章） R=1R=1叫叫叫叫单位加速度函数单位加速度函数单位加速度函数单位加速度函数。速度和加速度函数一般用来衡量系统的速度和加速度函数一般用来衡量系统的速度和加速度函数一般用
49、来衡量系统的速度和加速度函数一般用来衡量系统的稳态特性稳态特性稳态特性稳态特性0 t0 tr(t)r(t)4.脉冲函数脉冲函数 （1）矩形脉冲函数数学表达式矩形脉冲函数数学表达式 ( 2 ) 图形图形 r(t)r(t)0 0t t 脉冲函数脉冲函数脉冲函数脉冲函数是对是对是对是对 趋趋于于于于0 0，求极限得到的，求极限得到的，求极限得到的，求极限得到的。数学表达数学表达数学表达数学表达式式式式为为 但脉冲函数在现实中是不存在的，只是数学上的定但脉冲函数在现实中是不存在的，只是数学上的定但脉冲函数在现实中是不存在的，只是数学上的定但脉冲函数在现实中是不存在的，只是数学上的定义，在现实系统中常把
50、作用时间很短，幅值很大义，在现实系统中常把作用时间很短，幅值很大义，在现实系统中常把作用时间很短，幅值很大义，在现实系统中常把作用时间很短，幅值很大而强度有限的一些外作用近似看作脉冲函数。当而强度有限的一些外作用近似看作脉冲函数。当而强度有限的一些外作用近似看作脉冲函数。当而强度有限的一些外作用近似看作脉冲函数。当A=1A=1时，称为时，称为时，称为时，称为单位脉冲函数单位脉冲函数单位脉冲函数单位脉冲函数，记作，记作，记作，记作 (t)(t) 强度为强度为强度为强度为A A的脉冲函数的脉冲函数的脉冲函数的脉冲函数r(t)r(t)表示成表示成表示成表示成 r(t)=Ar(t)=A (t)(t) （第三章、第七章）（第三章、第七章）（第三章、第七章）（第三章、第七章）5.正弦函数正弦函数 （1 1） 数学表达式数学表达式数学表达式数学表达式 (2) (2) 图形图形图形图形A为振幅，为振幅，w=2f 为正弦函数的角频率，这里，为正弦函数的角频率，这里，初始相角初始相角=0，如果初始相角，如果初始相角不等于不等于0，那，那么正弦函数么正弦函数r(t)的表达式为：的表达式为：r(t)=Asin(wt+) （第五章）（第五章）0 t0 tr(t)r(t) A A
