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第1章绪论第1章绪论1.1引言习题第1章绪论1.1引言1.1.1自动控制理论概述自动控制理论是研究各种自动控制过程共同规律的技术学科。它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节理论。随着科学技术的进步，自动控制原理已发展成为一门独立的学科，它包括工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论。第1章绪论经典控制理论是指20世纪50年代末期所发展形成的理论体系。经典控制理论主要是研究单输入—单输出线性定常系统的分析和设计问题，其理论基础是描述系统输入—输出关系的传递函数，主要采用时域分析方法和频域分析方法。现代控制理论是在20世纪60年代初期，为适应更复杂系统的设计，研究具有高性能、高精度的多输入-多输出系统而出现的新的控制理论。第1章绪论自动控制原理是一门自动控制专业的基础理论课程，它属于技术基础课程，该课程讲述的是自动控制系统分析设计的一些基本方法，譬如根轨迹法、频域响应法、状态空间法等。第1章绪论1.1.2自动控制的发展历史及现状自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用。自动控制技术水平的高低也是衡量科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和国防建设的发展，自动控制技术的应用日益广泛，其重要作用也越来越显著。自动控制的发展已有很长的历史，自动机和自动钟很早就发明了。第1章绪论1.1.3自动控制的基本方法自动控制系统有两种最基本的形式，即开环控制和闭环控制。复合控制是将开环控制和闭环控制适当结合的控制方式，可用来实现复杂且控制精度较高的控制任务。第1章绪论1.开环控制开环控制是指控制装置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。即被控量（系统输出）不影响系统控制的控制方式称为开环控制。所以，在开环控制中，不对被控量进行任何检测，在输出端和输入端之间不存在反馈联系。开环控制又有两种方式，即用给定值操纵的控制方式和干扰补偿的控制方式。第1章绪论1）用给定值操纵的控制方式用给定值操纵的开环控制系统的方框图如图1-1所示。图1-1用给定值操纵的开环控制放大元件执行元件控制对象被控量给定值第1章绪论这种控制方式的特点是：在给定输入端到输出端之间的信号传递是单向进行的。这种控制方式的缺点是：当受控对象或控制装置受到干扰，或者在工作过程中元件特性发生变化而影响被控量时，系统不能进行自动补偿，所以控制精度难以保证。但是由于它的结构比较简单，因此在控制精度要求不高或元器件工作特征比较稳定而干扰又很小的场合中应用比较广泛。第1章绪论2）用干扰补偿的控制方式用干扰补偿的开环控制方式的方框图如图1-2所示。图1-2用干扰补偿的开环控制比较元件放大元件执行元件受控对象被控量给定值检测元件干扰第1章绪论这种控制方式的特点是：干扰信号经测量、计算、放大、执行等元件到输出端的传递也是单向进行的。用干扰补偿的控制方式只能用在干扰可以测量的场合。另外这种控制方式在工作过程中不能补偿由于元件及受控对象工作特性变化而对被控量所产生的影响。第1章绪论2.闭环控制被控量对系统参与系统控制的控制方式称为闭环控制。闭环控制的方框图如图1-3所示。第1章绪论图1-3闭环控制比较元件放大元件执行元件受控对象被控量给定值检测反馈元件干扰第1章绪论闭环控制的特点是在控制器和被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且还存在着反馈作用，即系统的输出信号对被控制量有直接影响。在闭环控制中，被控量时时刻刻被检测，或者再经过信号变换，并通过反馈通道送回到比较元件和给定值进行比较。闭环控制从原理上提供了实现高精度控制的可能性，它对控制元件的要求比开环控制低。第1章绪论3.开环控制与闭环控制的比较一般来说，开环控制结构简单、成本低、工作稳定，因此，当系统的输入信号及扰动作用能预先知道并且系统要求精度不高时，可以采用开环控制。由于开环控制不能自动修正被控制量的偏离，因此系统的元件参数变化以及外来未知扰动对控制精度的影响较大。第1章绪论闭环控制具有自动修正被控制量出现偏离的能力，因此可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，其控制精度较高。但是正由于存在反馈，闭环控制也有其不足之处，就是被控制量可能出现振荡，严重时会使系统无法工作。第1章绪论4.复合控制复合控制就是将开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加一个对输入信号或对扰动作用的前馈通路，来提高系统的控制精度。前馈通路通常由对输入信号的补偿装置或对扰动作用的补偿装置组成，分别称为按输入信号补偿和按扰动作用补偿的复合控制系统，如图1-4所示。第1章绪论图1-4复合控制系统方框图(a)按输入作用补偿；(b)按扰动作用补偿控制装置被控对象补偿装置输入信号测量装置输出量＋－控制装置被控对象补偿装置输入信号测量装置输出量＋－(a)扰动(b)＋第1章绪论1.1.4控制系统的分类由于控制技术的广泛应用以及控制理论自身的发展，使得控制系统具有各种各样的形式，从不同的角度出发，分类的方式也不相同。本节仅介绍两种常见的分类方法。第1章绪论1.按输入信号特征分类1）定值控制系统给定信号（给定值）为一常值的控制系统称为定值控制系统。这类控制系统的任务是保证在扰动作用下使被控变量始终保持在给定值上。在生产过程中的温度、压力、流量、液位高度等大量的控制系统都属于这一类系统。第1章绪论2）随动控制系统给定信号是一个未知变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。这类控制系统的任务是保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定精度跟随给定信号的变化而变化，所以这类控制系统又称为跟踪控制系统。如雷达无线跟踪系统，当被跟踪目标位置未知时属于这类系统。第1章绪论3）程序控制系统给定信号是一个按一定时间程序变化的时间函数的闭环控制系统就称为程序控制系统。如热处理炉温度控制系统的升温、保温、降温过程都是按照预先设定的规律进行控制的，所以该系统属于程序控制系统。第1章绪论2.按所使用的数学方法分类1）线性控制系统和非线性控制系统（1）线性控制系统。当系统中各组成环节的特性可以用线性微分方程（或差分方程）来描述时，这类系统称为线性控制系统。线性控制系统的特点是可以运用叠加原理。第1章绪论（2）非线性控制系统。当系统中存在非线性的组成环节时，系统的特征就由非线性微分方程来描述，这样的控制系统称为非线性控制系统。对于非线性系统叠加原理是不适用的。第1章绪论2）连续控制系统与离散控制系统（1）连续控制系统。当控制系统中各组成环节的输入和输出信号都是时间的连续函数时，称此类系统为连续控制系统。连续控制系统的特征一般是用微分方程来描述的。信号的时间函数允许有间断点（不连续点）。若系统是线性的而且又是连续的，则称为线性连续系统。第1章绪论图1-5离散信号X(t)tt1t2t3第1章绪论（2）离散控制系统。控制系统中只要有一个组成环节的输入信号或输出信号在时间上是离散的，就称为离散控制系统。离散系统与连续系统的区别仅在于信号只在特定离散的瞬时（如图1-5所示）是时间的函数，而在两离散的瞬时点之间信号是不确定的。离散控制系统的特性可用差分方程来描述。若差分方程是线性的，则系统为线性离散控制系统。图1-6所示为几种不同类离散系统的特性。第1章绪论图1-6常见的非线性特性(a)饱和；(b)死区；(c)间隙；(d)干摩擦和粘性摩擦输出输入输出输入输出输入力速度(a)(b)(c)(d)第1章绪论3）单变量控制系统与多变量控制系统（1）单变量控制系统。在一个控制系统中，如果只有一个被控变量和一个控制作用来控制被控对象，则称该系统为单变量控制系统，又称为单输入—单输出系统。如图1-7所示。目前大量的过程控制系统都属于这类系统。第1章绪论图1-7单变量控制系统控制器被控对象输入反馈元件输出＋－第1章绪论（2）多变量控制系统。如果一个控制系统中的被控变量多于一个，控制作用也多于一个，而且各控制回路相互之间有耦合关系，则称这类控制系统为多变量控制系统，也称为多输入—多输出控制系统，如图1-8所示。第1章绪论图1-8多变量控制系统控制器…被控对象………输出输入…干扰第1章绪论1.1.5控制系统的研究内容和方法1.控制系统的研究内容控制系统的类型很多，但研究的内容和方法是类似的。在研究控制系统时不是从具体控制系统的物理性质入手，而是从表征这些控制系统的数学模型出发，用数学（包括实验）的方法去构造一个人们所需要的数学模型，或是去研究这种系统的数学模型。第1章绪论2.控制系统的研究方法对于单变量线性控制系统，常采用经典的时域法、频率法和根轨迹法来进行研究。1）时域法时域法是一种以微分方程为基础而构成的数学模型，通常采用求解微分方程的途径，直接在时间域中对控制系统进行研究的一种方法。第1章绪论2）频域法对于一些不容易从理论推导得出系统微分方程的场合，可以通过频率响应求得系统的特性。由于这种方法简便，物理概念明了，因而在实践中得到了广泛的应用。3）根轨迹法根轨迹法是一种以作图法为基础研究控制系统的方法。由于它是从系统的开环特性出发去研究系统的闭环特性的，因此方法简单，特别是在系统设计时较为方便。第1章绪论1.1.6对控制系统的基本要求对工作在不同场合下的控制系统有不同的性能要求。本节主要从控制的角度来讨论控制系统应满足的基本要求。控制系统的任务是使被控量按参考输入保持常值或跟随参考输入变化。但是要在任何时间做到这一点并不容易。如图1-9所示的随动系统的指令电位器，在瞬间转动一个单位角度时，由于系统中惯性的存在以及能源功率的限制，因此工作机械不可能立即跟随转动相等的角度。第1章绪论图1-9随动系统gugu①②ueua第1章绪论当偏差产生的控制作用使工作机械转过与给定值相等的角度时，由于惯性的关系，工作机械将仍以一定速度继续旋转，因而出现反向偏差。控制系统又产生反向控制作用，使工作机械反向转动。如此周而复始，出现了振荡的跟踪过程。控制系统的这一运动过程称为系统的动态过程。当系统结构及其参数匹配合理时，经过一定时间后，被控量将趋于希望值。图1-10表示了在阶跃输入信号作用下几种系统被控量的变化过程，图中x（t）表示输入，y（t）表示输出。第1章绪论图1-10控制系统的阶跃输入和输出x(t)10t(a)y(t)10t(b)112t0t01g(t)(c)(d)g(t)第1章绪论(1)稳定性。稳定性是指系统被控量偏离给定值而振荡时，系统抑制振荡的能力。对于稳定的系统，随着时间的增长，被控量将趋近于希望值。可见稳定性是保证系统正常工作的先决条件。图1-10（b）和图1-10（c）所示的系统是不稳定的，这种系统不能正常工作。图1-10（d）所示的系统是稳定的。第1章绪论(2)快速性。快速性是指被控量趋近希望值的快慢程度。快速性好的系统，它的过渡过程时间就短，就能复现快速变化的控制信号，因而具有较高的动态精度。图1-10（d）所示的系统1，其快速性要比系统2好。稳定性和快速性是反映系统动态过程好坏的尺度。第1章绪论(3)精确性。精确性是指过渡过程结束后被控量与希望值接近的程度。也就是当系统过渡到新的平衡工作状态后，被控量与希望值偏差的大小。系统的这一性能指标称为系统的稳态精度。考虑到控制系统的动态过程在不同阶段中的特点，工程上常常从稳、快、准三个方面来评价系统的总体精度。第1章绪论习题1.1什么是系统？什么是被控对象？什么是控制？1.2什么是自动控制？它对人类活动有什么意义？1.3试列举几个日常生活中的开环控制系统和闭环控制系统，并说明它们的工作原理。第1章绪论1.4自动控制系统主要由哪几部分组成？各组成部分有什么功能？1.5试用反馈控制原理来说明司机驾驶汽车是如何进行线路方向控制的，并画出系统方框图。1.6洗衣机控制系统的方框图如习题1.6图所示，试设计一个闭环控制的洗衣机系统方框图。第1章绪论习题1.6图洗衣机控制系统希望的清洁度计时器经验开关电源电动机实际的清洁度