控制工程基礎主講人：蔡晨曉E-mail：ccx5281@南京理工大學自動化學院教材及參考文獻1.胡壽松，《自動控制原理》（第六版），科學出版社，2013年3月2.胡壽松，《自動控制原理基礎教程》（第三版），科學出版社，2013年3月課程主要內容自動控制基本概念（2學時）控制系統的數學模型（6學時）線性系統的時域分析法（8學時）線性系統的頻域分析法（10學時）線性系統的校正方法（6學時）第一章自動控制的一般概念1-1自動控制的基本原理與方式1-2自動控制系統示例1-3自動控制系統的分類1-4對自動控制系統的基本要求1-1自動控制的基本原理與方式1、自動控制技術自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備和裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（統稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制系統＝被控對象＋控制裝置被控量：即被控對象的輸出量，是要求嚴格加以控制的物理量；控制裝置：對被控對象施加控制作用的機構的總體。2、自動控制科學自動控制科學是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。自動控制理論是關于自動控制系統組成、分析和設計的理論，其任務是研究自動控制系統中變量的運動規(guī)律和改變這種運動規(guī)律的可能性與途徑，為建立高性能的自動控制系統提供必要的理論依據。發(fā)展初期是以反饋理論為基礎的自動調節(jié)原理；二戰(zhàn)之后形成以傳遞函數為基礎的經典控制理論，主要研究單輸入-單輸出、線性定常系統的分析和設計問題；20世紀60年代之后發(fā)展了現代控制理論，主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數系統的最優(yōu)控制問題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎的狀態(tài)空間法。3、反饋(feedback)控制原理在反饋控制系統中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實現對被控對象進行控制的任務。反饋控制的實質是一個按偏差進行的控制過程。關鍵：利用手和書之間的差距，來縮小兩者之間的差距。3、反饋控制原理電爐溫度人工控制系統方塊圖人工控制調節(jié)過程：觀測電爐內溫度；與要求的溫度進行比較，得到溫度偏差的大小和方向；根據偏差大小和方向調節(jié)調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節(jié)溫度回復到要求值。3、反饋控制原理電爐溫度自動控制系統方塊圖3、反饋控制原理用測量元件檢測被控制的物理量（輸出量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；用偏差值產生控制調節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持在期望輸出。反饋控制系統必須具備測量、比較和執(zhí)行三個基本功能?？刂葡到y方塊圖(blockdiagram)方塊：被控對象和控制裝置的各元部件（硬件）；信號線：系統中感興趣的物理量（信號），用箭頭表示其流向；用進入方塊的箭頭表示各元部件的輸入量，用離開方塊的箭頭表示其輸出量；被控對象的輸出量便是系統的輸出量，即被控量，一般置于方塊圖的最右端，系統的輸入量一般置于系統方塊圖的左端。：代表比較元件，“–”表示負反饋，“+”表示正反饋。4、反饋控制系統的基本組成控制裝置4、反饋控制系統的基本組成被控對象：要求實現自動控制的機器、設備或生產過程；測量元件：檢測被控制的物理量；給定元件：給出與期望的被控量相對應的系統輸入量；比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的輸入量進行比較，求出它們之間的偏差；放大元件：將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象；執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化；校正元件：也叫補償元件，它是結構或參數便于調整的元部件，用串聯或反饋連接在系統中，以改善系統的性能。5、自動控制系統基本控制方式開環(huán)控制方式控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯系的控制過程，其特點是系統的輸出量不會對系統的控制作用發(fā)生影響。反饋控制方式將輸出量的測量值與期望的輸出值相比較，產生偏差信號并將偏差信號作用于執(zhí)行機構的控制過程，其特點是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現偏差時，必定會產生一個相應的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致。開環(huán)控制方式1、按給定值控制的開環(huán)控制系統2、按干擾控制的開環(huán)控制系統干擾信號：不需要的輸入信號，它影響系統輸出。只適用于擾動是可測量的場合，且一個補償裝置只能補償一種擾動因素。開環(huán)控制方式開環(huán)控制方式特點：結構簡單,調整方便，成本低；精度不高（控制精度完全取決于所用元件及校準的精度）；抗干擾能力差。開環(huán)控制的應用：交通燈、洗衣機、自動售貨機等反饋控制方式反饋原理——按偏差進行的控制過程反饋控制方式特點：結構復雜；精度高，抗干擾能力強；有反饋通道，要有測量元件。復合控制方式1、按輸入補償的復合控制2、按擾動（可測）補償的復合控制

——按偏差的反饋控制和按擾動的補償控制相結合的控制方式1-2自動控制系統示例分析控制系統的基本步驟：應了解生產工藝過程的特點及其對控制提出的要求；根據控制的目的和任務，確定控制系統的被控對象和被控量；根據信號的傳遞、加工處理和控制的關系，逐步地確定出控制系統的其余部分，并繪制系統的方塊圖。函數記錄儀函數記錄儀方塊圖電阻爐微型計算機溫度控制系統方塊圖電阻爐微型計算機溫度控制系統鍋爐液位控制系統方塊圖鍋爐液位控制系統1-3自動控制系統的分類按數學模型分線性系統與非線性系統線性系統由線性微分方程、線性差分方程或線性代數方程描述（滿足疊加性和齊次性）；系統中只要有一個元部件的輸入-輸出特性是非線性的，就為非線性系統；實際物理系統中都含有程度不同的非線性元部件，可采用在一定范圍內線性化的方法，將非線性控制系統近似為線性化控制系統。1-3自動控制系統的分類

按信號的性質分連續(xù)系統與離散（數字）系統連續(xù)系統中各部分傳遞的信號都是隨時間連續(xù)變化的信號；連續(xù)系統通常采用微分方程描述。離散系統中某一處或多處的信號為脈沖序列或數碼形式，即信號在時間上是離散的；離散系統通常采用差分方程描述。連續(xù)信號經過采樣開關的采樣就可轉換為離散信號。一般離散系統中既有連續(xù)的模擬信號，也有離散的數字信號。線性定常連續(xù)系統

式中：c(t)是被控量，r(t)是輸入量。定常系統又稱為時不變系統，其特點是：描述系統運動的微分或差分方程的系數均為常數。線性系統的疊加原理表明：兩個外作用同時加于系統所產生的總輸出，等于各個外作用單獨作用時分別產生的輸出之和，且外作用的數值增大若干倍時，其輸出亦增大同樣的倍數。1-3自動控制系統的分類按輸入量的變化規(guī)律分

1、恒值控制系統系統輸入量為恒定值；控制的基本任務是保證在任何擾動作用下系統的輸出量保持為恒定的期望值；系統分析、設計的重點是研究各種擾動對被控對象的影響以及抗擾動的措施。如：電阻爐溫度控制系統、鍋爐液位控制系統等1-3自動控制系統的分類按輸入量的變化規(guī)律分

2、隨動系統系統輸入量隨時間任意變化，不能預先確知；控制的基本任務是使系統的輸出量以要求的精度迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量變化，并能排除各種干擾因素的影響。系統分析、設計的重點是研究被控量跟隨的快速性和準確性。如：函數記錄儀、雷達跟蹤系統等1-3自動控制系統的分類按輸入量的變化規(guī)律分

3、程序控制系統系統輸入量按預定規(guī)律隨時間變化；控制的基本任務是要求被控量迅速、準確地復現輸入量；如：數控加工系統等1-3自動控制系統的分類按時間概念分：定常系統、時變系統

按輸入輸出信號的數量分：單輸入單輸出系統、多輸入多輸出系統按控制方式分：開環(huán)控制系統、閉環(huán)控制系統、復合控制系統按系統功用分類：溫度控制系統、壓力控制系統、位置控制系統……

按元件類型分類：機械系統、電氣系統、機電系統、氣動系統、液壓系統、生物系統……1-4自動控制系統的基本要求基本要求：穩(wěn)定性、快速性、準確性

1）穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統的重新恢復平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是保證控制系統正常工作的先決條件。穩(wěn)定的控制系統，其被控量偏離期望值的初始偏差應隨時間的增長逐漸減小或趨于零。線性自動控制系統的穩(wěn)定性是由系統結構所決定的，與外界因素無關。1-4自動控制系統的基本要求2）快速性控制系統中一般含有儲能元件或慣性元件，由于儲能元件的能量不可能突變，而慣性元件使控制動作不能及時準確地產生，因此當系統受到擾動或有輸入時，控制過程不會立即完成，而是有一定的延緩和調節(jié)過程，這使得被控量恢復期望值或跟蹤輸入量有一個時間過程，稱為過渡過程。過渡過程性能（動態(tài)性能）包括快速性和平穩(wěn)性，即對控制系統過渡過程的時間（即快速性）和最大振蕩幅度（即超調量）一般都有具體要求。1-4自動控制系統的基本要求3）準確性穩(wěn)態(tài)誤差是在系統過渡過程結束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實際的穩(wěn)態(tài)輸出量（即平衡狀態(tài)）之差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統控制精度的重要標志。典型外作用可選為典型外作用的函數應具備以下條件：這種函數在現場或實驗室中容易得到；控制系統在這種函數作用下的性能代表在實際工作條件下的性能；這種函數的數學表達式簡單、便于理論計算。典型外作用1）階躍函數

幅值R=1的階躍函數稱為單