1、06-7-20控制工程基礎(chǔ)1控控 制制 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)董景新董景新 趙長(zhǎng)德趙長(zhǎng)德 等編著等編著清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社06-7-20控制工程基礎(chǔ)2第第 一一 講講自動(dòng)控制的一般概念自動(dòng)控制的一般概念06-7-20控制工程基礎(chǔ)3v1.1 控制理論在工程中的應(yīng)用發(fā)展控制理論在工程中的應(yīng)用發(fā)展v1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念v1.3 開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制v1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類v1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求v1.6 本課程的任務(wù)本課程的任務(wù) 本章的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容06-7-20控制工程基礎(chǔ)4自動(dòng)

2、控制理論自動(dòng)控制理論經(jīng)典（古典）控制理論經(jīng)典（古典）控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論1.1 控制理論在工程中的應(yīng)用發(fā)展控制理論在工程中的應(yīng)用發(fā)展(Classic Control Theory)(Modern Control Theory)06-7-20控制工程基礎(chǔ)5l 該裝置易震蕩，該裝置易震蕩，18681868年，麥克斯韋年，麥克斯韋( (J,C.MaxwellJ,C.Maxwell) )發(fā)表了論發(fā)表了論調(diào)速器調(diào)速器，對(duì)，對(duì)蒸汽機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了蒸汽機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，指出控制系統(tǒng)的品質(zhì)可用微分方程來(lái)動(dòng)態(tài)分析，指出控制系統(tǒng)的品質(zhì)可用微分方程來(lái)描述及系統(tǒng)的穩(wěn)定性可用特征方程根的位置來(lái)判描述

3、及系統(tǒng)的穩(wěn)定性可用特征方程根的位置來(lái)判斷，從而解決了蒸汽機(jī)調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的劇烈震蕩斷，從而解決了蒸汽機(jī)調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的劇烈震蕩問(wèn)題，并總結(jié)出了簡(jiǎn)單的系統(tǒng)穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)問(wèn)題，并總結(jié)出了簡(jiǎn)單的系統(tǒng)穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1.1.1 1.1.1 經(jīng)典（古典）控制理論發(fā)展：經(jīng)典（古典）控制理論發(fā)展： l1788年，瓦特年，瓦特(James Watt )為控制蒸汽機(jī)速度為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果，由此拉開(kāi)經(jīng)典控制理論發(fā)展的序幕。大成果，由此拉開(kāi)經(jīng)典控制理論發(fā)展的序幕。06-7-20控制工程基礎(chǔ)6l19321932年，奈魁斯特（年，奈魁斯

4、特（H.NyquistH.Nyquist）提出了一種根）提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的頻率特性確定系統(tǒng)穩(wěn)定性的簡(jiǎn)便方法。據(jù)系統(tǒng)的頻率特性確定系統(tǒng)穩(wěn)定性的簡(jiǎn)便方法。l到了到了第二次世界大戰(zhàn)第二次世界大戰(zhàn)，由于設(shè)計(jì)和建造飛機(jī)自動(dòng)，由于設(shè)計(jì)和建造飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、火箭瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等軍事裝備駕駛儀、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、火箭瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等軍事裝備的需要，自動(dòng)控制理論更是取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。的需要，自動(dòng)控制理論更是取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。l 第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，軍事工業(yè)的需要促第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，軍事工業(yè)的需要促進(jìn)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。進(jìn)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。19221922年，馮諾斯基年，馮諾斯基( (N.Minors

5、kyN.Minorsky) )研制出船舶操縱自動(dòng)控制器，并證研制出船舶操縱自動(dòng)控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。06-7-20控制工程基礎(chǔ)7l19481948年，美國(guó)科學(xué)家維納（年，美國(guó)科學(xué)家維納（N.WienerN.Wiener) )發(fā)表了名發(fā)表了名著控制論（著控制論（Cybernetics),Cybernetics),標(biāo)志著經(jīng)典控制理論的標(biāo)志著經(jīng)典控制理論的形成。形成。 至此，大體上在上個(gè)世紀(jì)五十年代至此，大體上在上個(gè)世紀(jì)五十年代, ,以以頻率法和根軌跡法為核心的經(jīng)典（古典）頻率法和根軌跡法為核心的經(jīng)典（古典）控制理論的框架已構(gòu)

6、建完畢，并在各行控制理論的框架已構(gòu)建完畢，并在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。l1945年，伯德（年，伯德（H.B.Bode)提出了用圖解法分析提出了用圖解法分析和綜合線性反饋控制系統(tǒng)的方法，即頻率法。和綜合線性反饋控制系統(tǒng)的方法，即頻率法。l1948年，伊文斯年，伊文斯(W.R.Evans)提出并完善了根軌提出并完善了根軌跡法。跡法。06-7-20控制工程基礎(chǔ)81.1.2 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論(Modern Control Theory) (Modern Control Theory) 的發(fā)展的發(fā)展 上世紀(jì)上世紀(jì)6060年代，隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)新成果的年代，隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)

7、新成果的推出和電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，為適應(yīng)蓬勃興起的航推出和電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，為適應(yīng)蓬勃興起的航空航天技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制跨入了一個(gè)新階空航天技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制跨入了一個(gè)新階段段現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理論。同年，前蘇聯(lián)龐特里亞金（同年，前蘇聯(lián)龐特里亞金（Lev.PontryaginLev.Pontryagin) )發(fā)發(fā)表表最優(yōu)過(guò)程的數(shù)學(xué)理論最優(yōu)過(guò)程的數(shù)學(xué)理論，提出極大值原理。，提出極大值原理。19561956年，美國(guó)貝爾曼（年，美國(guó)貝爾曼（Rudolf Bellman)Rudolf Bellman)提出尋求提出尋求最優(yōu)控制的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。最優(yōu)控制的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法?，F(xiàn)代控制理論發(fā)展：現(xiàn)代控制理論發(fā)展：

8、06-7-20控制工程基礎(chǔ)919601960年，美國(guó)卡爾曼（年，美國(guó)卡爾曼（KalmanKalman) )系統(tǒng)地引入狀態(tài)系統(tǒng)地引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出了能控性、能觀性的概念空間法分析系統(tǒng)，提出了能控性、能觀性的概念和新的濾波理論。和新的濾波理論?！艾F(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”這一名稱正這一名稱正是是19601960年卡爾曼的文章發(fā)表后出現(xiàn)的。年卡爾曼的文章發(fā)表后出現(xiàn)的。這一時(shí)期，在現(xiàn)代控制理論的推動(dòng)下，世界上出這一時(shí)期，在現(xiàn)代控制理論的推動(dòng)下，世界上出現(xiàn)了許多驚人的科技成果現(xiàn)了許多驚人的科技成果。19571957年，前蘇聯(lián)相繼發(fā)射成功洲際彈道火箭和年，前蘇聯(lián)相繼發(fā)射成功洲際彈道火箭和世界上第

9、一顆人造地球衛(wèi)星。世界上第一顆人造地球衛(wèi)星。19621962年，美國(guó)研制出工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，同年，年，美國(guó)研制出工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，同年，前蘇聯(lián)連續(xù)發(fā)射兩顆前蘇聯(lián)連續(xù)發(fā)射兩顆“東方東方”號(hào)飛船實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛號(hào)飛船實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行。行。06-7-20控制工程基礎(chǔ)10 目前，自動(dòng)控制理論正向以控制論、信息論、目前，自動(dòng)控制理論正向以控制論、信息論、仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論深入。仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論深入。19661966年，前蘇聯(lián)發(fā)射年，前蘇聯(lián)發(fā)射“月球月球9 9號(hào)號(hào)”探測(cè)器，首次探測(cè)器，首次在月球表面成功軟著陸。在月球表面成功軟著陸。19691969年，美國(guó)年，美國(guó)“阿波羅阿波羅11 11號(hào)號(hào)”把宇航員

10、把宇航員N.A.N.A.阿姆阿姆斯特朗送上月球，中國(guó)成功發(fā)射中遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈。斯特朗送上月球，中國(guó)成功發(fā)射中遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈。06-7-20控制工程基礎(chǔ)11經(jīng)典（古典）控制理論經(jīng)典（古典）控制理論 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 基本數(shù)學(xué)基本數(shù)學(xué)描述方法描述方法 研究方法研究方法 研究目的研究目的 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 根軌跡法根軌跡法和頻率法和頻率法 狀態(tài)空間狀態(tài)空間狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法系統(tǒng)穩(wěn)定性，在給定系統(tǒng)穩(wěn)定性，在給定輸入和給定指標(biāo)下研輸入和給定指標(biāo)下研究系統(tǒng)的綜合。究系統(tǒng)的綜合。揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)一定意義下的最實(shí)現(xiàn)一定意義下的最優(yōu)化。優(yōu)化。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的比較經(jīng)典

11、控制理論和現(xiàn)代控制理論的比較: :06-7-20控制工程基礎(chǔ)12 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1.2.1 基本概念基本概念 在無(wú)人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被在無(wú)人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被控對(duì)象或過(guò)程的某些物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)期規(guī)控對(duì)象或過(guò)程的某些物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)期規(guī)律變化。律變化。 數(shù)控加工中心能夠按照預(yù)先排定的工藝程序數(shù)控加工中心能夠按照預(yù)先排定的工藝程序自動(dòng)地進(jìn)刀切削，加工出預(yù)期的幾何形狀。自動(dòng)地進(jìn)刀切削，加工出預(yù)期的幾何形狀。自動(dòng)控制自動(dòng)控制例：例：06-7-20控制工程基礎(chǔ)13 焊接機(jī)器人可按工藝要求焊接流水線上的各焊接機(jī)器人可按工藝要求焊接流水線

12、上的各個(gè)機(jī)械部件。個(gè)機(jī)械部件。 系統(tǒng)的共同點(diǎn)系統(tǒng)的共同點(diǎn)：一個(gè)或一些被控制的物理量：一個(gè)或一些被控制的物理量按照給定量的變化而變化。被控制的物理量按照給定量的變化而變化。被控制的物理量,如如溫度、壓力、液位等。給定量可以是具體的物溫度、壓力、液位等。給定量可以是具體的物理量，如電壓、位移、角度等。理量，如電壓、位移、角度等。 控制系統(tǒng)的任務(wù)控制系統(tǒng)的任務(wù)：使被控量按照給定量的：使被控量按照給定量的變化規(guī)律而變化。變化規(guī)律而變化。溫度控制系統(tǒng)能保持恒溫。溫度控制系統(tǒng)能保持恒溫。06-7-20控制工程基礎(chǔ)141.2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例例例1 1 恒溫箱控制系統(tǒng)恒溫箱控制系統(tǒng)加熱電

13、阻絲調(diào)壓器交流220V溫度計(jì)1 1 人工控制的恒溫箱人工控制的恒溫箱人工調(diào)節(jié)過(guò)程人工調(diào)節(jié)過(guò)程(1) (1) 觀測(cè)觀測(cè)(2) (2) 比較比較(3) (3) 控制控制人工控制的過(guò)程就是測(cè)量、人工控制的過(guò)程就是測(cè)量、求偏差，再控制以糾正偏差，即求偏差，再控制以糾正偏差，即“檢測(cè)偏差，并用以糾正偏差檢測(cè)偏差，并用以糾正偏差”的過(guò)程的過(guò)程。圖圖1-1 1-1 人工控制的恒溫箱人工控制的恒溫箱06-7-20控制工程基礎(chǔ)152 2 自動(dòng)控制的恒溫箱自動(dòng)控制的恒溫箱加 熱 電 阻 絲調(diào) 壓 器交 流 2 2 0 V熱 電 偶2u1u給 定 信 號(hào)u電 壓放 大 器功 率放 大 器執(zhí) 行 電 機(jī)減 速 器恒溫

14、箱的溫度給定信號(hào)恒溫箱的溫度給定信號(hào)2u熱電偶的溫度測(cè)量信號(hào)（反饋信號(hào)）熱電偶的溫度測(cè)量信號(hào)（反饋信號(hào)）1u21uuu偏差：偏差：0()lnABNkuTTeN：波爾茲曼常量：波爾茲曼常量k：電子電荷：電子電荷e：材料：材料A和和B的自由電子濃度的自由電子濃度ANBN和和圖圖1-2 1-2 自動(dòng)控制的恒溫箱自動(dòng)控制的恒溫箱06-7-20控制工程基礎(chǔ)16uuT2電壓功率放大電壓功率放大執(zhí)行電機(jī)執(zhí)行電機(jī)減速器減速器調(diào)壓器觸點(diǎn)向右移動(dòng)調(diào)壓器觸點(diǎn)向右移動(dòng)電流電流T可以看出，自動(dòng)控制系統(tǒng)和可以看出，自動(dòng)控制系統(tǒng)和人工控制系統(tǒng)相類似人工控制系統(tǒng)相類似執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)人手人手測(cè)量裝置測(cè)量裝置眼睛眼睛控制器控制

15、器人腦人腦uuT2電壓功率放大電壓功率放大執(zhí)行電機(jī)執(zhí)行電機(jī)減速器減速器調(diào)壓器觸點(diǎn)向左移動(dòng)調(diào)壓器觸點(diǎn)向左移動(dòng)電流電流 T給定量給定量輸入量輸入量被控制量被控制量輸出量輸出量恒溫箱的自動(dòng)控制原理恒溫箱的自動(dòng)控制原理06-7-20控制工程基礎(chǔ)17反饋反饋輸出量通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量裝置將信號(hào)全部或一輸出量通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量裝置將信號(hào)全部或一部分返回到輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，比較的部分返回到輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，比較的結(jié)果叫偏差。結(jié)果叫偏差。反饋控制原理反饋控制原理檢測(cè)偏差，并用以糾正偏差檢測(cè)偏差，并用以糾正偏差人工控制和自動(dòng)控制的共同特點(diǎn)：人工控制和自動(dòng)控制的共同特點(diǎn)： 檢測(cè)偏差并用以糾正偏差，沒(méi)

16、有偏差就沒(méi)有調(diào)檢測(cè)偏差并用以糾正偏差，沒(méi)有偏差就沒(méi)有調(diào)節(jié)過(guò)程。節(jié)過(guò)程。偏差的建立偏差的建立通過(guò)反饋。通過(guò)反饋。06-7-20控制工程基礎(chǔ)181.2.3 職能方塊圖（系統(tǒng)構(gòu)成框圖）職能方塊圖（系統(tǒng)構(gòu)成框圖）給 定 信 號(hào)電 壓 功 率放 大 器控 制 電 機(jī)減 速 器調(diào) 壓 器恒 溫 箱 （ 控制 對(duì) 象 ）熱 電 偶溫 度 （ t)（ 被 調(diào) 量 ）1u2uu0uuan職能方塊圖的基本單元職能方塊圖的基本單元比較單元比較單元作用方向作用方向職能環(huán)節(jié)職能環(huán)節(jié)圖圖1-3 1-3 恒溫箱溫度自動(dòng)控制職能方塊圖恒溫箱溫度自動(dòng)控制職能方塊圖06-7-20控制工程基礎(chǔ)19例例2 2 熱力系統(tǒng)的人工控制和自

17、動(dòng)控制熱力系統(tǒng)的人工控制和自動(dòng)控制蒸蒸 汽汽冷 水熱 水溫 度 計(jì)圖 1-4 熱 力 系 統(tǒng) 的 人 工 反 饋 控 制排排 水水熱力系統(tǒng)的人工控制熱力系統(tǒng)的人工控制06-7-20控制工程基礎(chǔ)20熱力系統(tǒng)的自動(dòng)控制熱力系統(tǒng)的自動(dòng)控制 自自 動(dòng)動(dòng) 控控 制制 器器熱熱 水水冷冷 水水蒸蒸 汽汽溫溫 度度 測(cè)測(cè)量量 裝裝 置置 排排 水水圖圖 1 1- -5 5 熱熱 力力 系系 統(tǒng)統(tǒng) 的的 自自 動(dòng)動(dòng) 反反 饋饋 控控 制制控控 制制 閥閥06-7-20控制工程基礎(chǔ)211.3 開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制1.3.3反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成1.3.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控

18、制系統(tǒng)1.3.2 閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)06-7-20控制工程基礎(chǔ)22 1.3.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)n定義定義控控制制器器對(duì)對(duì)象象或或過(guò)過(guò)程程 輸入量輸出量如果如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制無(wú)影響，這種控制方式道，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制無(wú)影響，這種控制方式稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。圖圖1-6 1-6 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)06-7-20控制工程基礎(chǔ)23開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，容易維修。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，容易維修。缺點(diǎn)：精度低，容易受環(huán)境變化的干

19、擾缺點(diǎn)：精度低，容易受環(huán)境變化的干擾只有順向作用，沒(méi)有反向的聯(lián)系，沒(méi)有修正偏只有順向作用，沒(méi)有反向的聯(lián)系，沒(méi)有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。成本低。10ViUoUfi 常數(shù)電動(dòng)機(jī)圖圖1-7 1-7 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)06-7-20控制工程基礎(chǔ)24控控制制器器對(duì)對(duì)象象或或過(guò)過(guò)程程參考輸入輸出量控控制制器器控制指令反饋信號(hào)1.3.2 閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)n定義定義 系統(tǒng)輸出量的全部或部分被反饋到輸入端，輸入系統(tǒng)輸出量的全部或部分被反饋到輸入端，輸入與反饋信號(hào)比較后的差值（即偏差信號(hào)）加給控制器，與

20、反饋信號(hào)比較后的差值（即偏差信號(hào)）加給控制器，然后再調(diào)節(jié)受控對(duì)象的輸出，從而形成閉環(huán)回路。閉然后再調(diào)節(jié)受控對(duì)象的輸出，從而形成閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)。環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)。圖圖1-8 1-8 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)06-7-20控制工程基礎(chǔ)25 凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)，凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號(hào)和反饋信號(hào)（反饋信號(hào)可都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號(hào)和反饋信號(hào)（反饋信號(hào)可以是輸出信號(hào)本身，也可以是輸出信號(hào)的函數(shù)或?qū)?shù)）以是輸出信號(hào)本身，也可以是輸出信號(hào)的函數(shù)或?qū)?shù)）之差，稱為誤差信號(hào)，誤差信號(hào)加到控制器上，以減之差，稱

21、為誤差信號(hào)，誤差信號(hào)加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說(shuō)，換句話說(shuō)，“閉環(huán)閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的涵義，就是應(yīng)用反饋這個(gè)術(shù)語(yǔ)的涵義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕?lái)減小系統(tǒng)的誤差。作用來(lái)減小系統(tǒng)的誤差。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控制量偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響，精度高。但是系統(tǒng)相對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生的影響，精度高。但是系統(tǒng)相對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析較麻煩。設(shè)計(jì)、分析較麻煩。06-7-20控制工程基礎(chǔ)26優(yōu)點(diǎn)：精度高、動(dòng)態(tài)性能好、抗干擾能力強(qiáng)。優(yōu)點(diǎn)：精度高、動(dòng)態(tài)性能好、抗

22、干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格比較貴，維修人員要求缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格比較貴，維修人員要求文化素質(zhì)高。閉環(huán)控制系統(tǒng)由于靠偏差進(jìn)行控制，文化素質(zhì)高。閉環(huán)控制系統(tǒng)由于靠偏差進(jìn)行控制，由于元件的慣性和負(fù)載的慣性，調(diào)節(jié)不好容易引起由于元件的慣性和負(fù)載的慣性，調(diào)節(jié)不好容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，精度和穩(wěn)定性是閉環(huán)系統(tǒng)的振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，精度和穩(wěn)定性是閉環(huán)系統(tǒng)的一對(duì)矛盾。一對(duì)矛盾。圖圖1-9 1-9 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖ruoufi 常數(shù)u給定電位計(jì)e電動(dòng)機(jī)測(cè)速機(jī)06-7-20控制工程基礎(chǔ)271.3.3 典型反饋控制系統(tǒng)的基本組成典型反饋控制系統(tǒng)的基本組成 v給定元件：給定元件：其

23、功能是給出與期望的被控量相對(duì)其功能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入應(yīng)的系統(tǒng)輸入 量（即參據(jù)量）。量（即參據(jù)量）。給定元件串聯(lián)校正元件放大變換元件執(zhí)行元件控制對(duì)象并聯(lián)校正元件反饋元件輸入信號(hào)主反饋信號(hào)主反饋局部反饋擾動(dòng)輸出ixbxox比較元件圖圖1-101-10典型的反饋控制系統(tǒng)方塊圖典型的反饋控制系統(tǒng)方塊圖06-7-20控制工程基礎(chǔ)28v比較元件：比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。偏差。v反饋元件反饋元件: :它測(cè)量被控量或輸出量它測(cè)量被控量或輸出量, ,產(chǎn)生主

24、反饋信號(hào)產(chǎn)生主反饋信號(hào), , 該信號(hào)與輸出量之間存在確定的函數(shù)關(guān)系該信號(hào)與輸出量之間存在確定的函數(shù)關(guān)系( (一般為一般為比例關(guān)系比例關(guān)系) )。v校正元件：校正元件：亦稱補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整亦稱補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。系統(tǒng)性能。06-7-20控制工程基礎(chǔ)29v控制對(duì)象：控制對(duì)象：控制系統(tǒng)所要操縱的對(duì)象。它的輸控制系統(tǒng)所要操縱的對(duì)象。它的輸出量即為系統(tǒng)的被調(diào)量（或?yàn)楸豢亓浚?。出量即為系統(tǒng)的被調(diào)量（或?yàn)楸豢亓浚?。v放大元件放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用：將比較元件給

25、出的偏差進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。v執(zhí)行元件：執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。生變化。06-7-20控制工程基礎(chǔ)301.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)按給定量變化規(guī)律分按給定量變化規(guī)律分線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)按系統(tǒng)特性分按系統(tǒng)特性分06-7-20控制工程基礎(chǔ)31定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)按系統(tǒng)是否含有參數(shù)按系統(tǒng)是否含有參數(shù)隨時(shí)間變化的元件分隨時(shí)間變化的元件分連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)按系統(tǒng)信號(hào)特點(diǎn)分按系統(tǒng)信號(hào)特點(diǎn)分06-7-20

26、控制工程基礎(chǔ)32溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)06-7-20控制工程基礎(chǔ)33 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。由于系統(tǒng)存在著慣性，當(dāng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)由于系統(tǒng)存在著慣性，當(dāng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時(shí)，將會(huì)引起系統(tǒng)的震蕩而失去工作能力。穩(wěn)定性時(shí)，將會(huì)引起系統(tǒng)的震蕩而失去工作能力。穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的震蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平就是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的震蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應(yīng)該隨著時(shí)衡狀態(tài)的能力。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應(yīng)該隨著時(shí)1.5 1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)自動(dòng)控

27、制系統(tǒng)的基本要求 可以歸結(jié)為可以歸結(jié)為穩(wěn)穩(wěn)定性定性（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）、（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)準(zhǔn)確性確性（精度）和（精度）和快快速性速性（相對(duì)穩(wěn)定性）。（相對(duì)穩(wěn)定性）。 穩(wěn)穩(wěn) 準(zhǔn)準(zhǔn)穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：06-7-20控制工程基礎(chǔ)34穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。與外界因素?zé)o關(guān)?？焖傩裕嚎焖傩裕?對(duì)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)對(duì)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。態(tài)性能。間收斂并且最后回到平衡狀態(tài)。間收斂并且最后回到平衡狀態(tài)。06-7-

28、20控制工程基礎(chǔ)35準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。 理想情況下，當(dāng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被控量達(dá)到理想情況下，當(dāng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值（即平衡狀態(tài)）應(yīng)與期望值一致。的穩(wěn)態(tài)值（即平衡狀態(tài)）應(yīng)與期望值一致。例如：例如： 對(duì)于穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身對(duì)于穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。準(zhǔn)確性：準(zhǔn)確性： 但實(shí)際上，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，外作用的形式以及摩但實(shí)際上，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，外作用的形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期擦、

29、間隙等非線性因素的影響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會(huì)有誤差存在，叫做穩(wěn)態(tài)誤差。望值之間會(huì)有誤差存在，叫做穩(wěn)態(tài)誤差?？焖傩钥焖傩砸话阌眠^(guò)渡過(guò)程時(shí)間和最大振蕩幅度（即一般用過(guò)渡過(guò)程時(shí)間和最大振蕩幅度（即超調(diào)量）來(lái)表示。超調(diào)量）來(lái)表示。06-7-20控制工程基礎(chǔ)36 2 2 根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的要求，如何合理地設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的要求，如何合理地設(shè)計(jì) 校校 正裝置，使系統(tǒng)的性能能全面地滿足技術(shù)上的正裝置，使系統(tǒng)的性能能全面地滿足技術(shù)上的要求。要求。 1.6 1.6 本課程的任務(wù)本課程的任務(wù)本課程所要研究的兩大課題：本課程所要研究的兩大課題：1 1 對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對(duì)它對(duì)于一個(gè)具體的控

30、制系統(tǒng)，如何從理論上對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行定性的分析和定量的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行定性的分析和定量的計(jì)算。的計(jì)算。 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標(biāo)是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標(biāo)志，在技術(shù)指標(biāo)中一般有具體要求。志，在技術(shù)指標(biāo)中一般有具體要求。06-7-20控制工程基礎(chǔ)37 如圖（如圖（a)a)是一個(gè)液位控制系統(tǒng)原理圖。是一個(gè)液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動(dòng)控制器通過(guò)比較實(shí)際液位與在這里，自動(dòng)控制器通過(guò)比較實(shí)際液位與希望液位，并通過(guò)調(diào)整氣動(dòng)閥門的開(kāi)度，希望液位，并通過(guò)調(diào)整氣動(dòng)閥門的開(kāi)度，對(duì)誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。圖對(duì)誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。圖（b b）是該控制系統(tǒng)的方框圖。試畫(huà)出相應(yīng)）是該控制系統(tǒng)的方框圖。試畫(huà)出相應(yīng)的人工操縱液位控制系統(tǒng)職能方塊圖。的人工操縱液位控制系統(tǒng)職能方塊圖。例題例題1-11-106-7-20控制工程基礎(chǔ)38H H注注 入入控控 制制 器器（ 比比 較較 、 放放 大