自动控制原理绪论.pptx

2024/4/24 周三13.自动控制系统的分析和设计两者之间的关系自动控制系统的分析和设计两者之间的关系 系统分析和系统设计是相互联系、交替进行系统分析和系统设计是相互联系、交替进行的。不是单纯为了分析而分析，而是为了设计新的。不是单纯为了分析而分析，而是为了设计新系统或改造已有的系统。对于从事自动控制的工系统或改造已有的系统。对于从事自动控制的工程技术人员而言，更重要的是设计系统以及改造程技术人员而言，更重要的是设计系统以及改造那些性能未达到要求的系统。那些性能未达到要求的系统。2024/4/24 周三2自动控制原理第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型第三章第三章 线性系统的时域分析线性系统的时域分析第四章第四章 线性系统的根轨迹法线性系统的根轨迹法第五章第五章 线性系统的频域分析法线性系统的频域分析法第六章第六章 线性系统的校正方法线性系统的校正方法2024/4/24 周三3第一章第一章 绪论绪论1.1 引言引言1.2 控制系统的一般概念控制系统的一般概念1.3 控制系统示例控制系统示例1.4 控制系统分类控制系统分类1.5 控制系统的性能指标控制系统的性能指标1.6 控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计2024/4/24 周三41.1 引言1.自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用 在在现现代代科科学学技技术术的的众众多多领领域域中中，自自动动控控制制技技术术起起着着越越来来越越重重要要的的作作用用。所所谓谓自自动动控控制制，就就是是在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用外外加加的的设设备备或或装装置置（控控制制装装置置），使使机机器器、设设备备或或生生产产过过程程（控控制制对对象象）的的某某个个工工作作状状态态或或参参数数（被被控控量量）自自动动地地按按照照预预定定的的规规律律运运行行。如如数数控控车车床床按按预预定定程程序序自自动动切切削削，人人造造卫卫星星准准确确进进入入预预定定轨轨道道并并回回收等。收等。2024/4/24 周三5 自自动动控控制制技技术术除除了了在在工工业业上上广广泛泛应应用用外外，近近几几十十年年来来，随随着着计计算算机机技技术术的的发发展展和和应应用用，在在航航空空、航航天天、机机器器人人控控制制、导导弹弹制制导导及及核核动动力力等等高高新新技技术术领领域域中中，自自动动控控制制技技术术具具有有越越来来越越重重要要的的作作用用。不不仅仅如如此此，自自动动控控制制技技术术的的应应用用范范围围现现在在已已扩扩展展到到生生物物、医医学学、环环境境、经经济济管管理理和和其其它它许许多多社社会会生生活活领领域域中中，自自动动控控制制已已成为现代社会生活中不可或缺的一部分。成为现代社会生活中不可或缺的一部分。2024/4/24 周三6v自自动动控控制制：是是指指在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用控控制制装装置置使使被被控控对对象象（如如机机器器、设设备备或或生生产产过过程程）的的一一个个或或数数个个物物理理量量（如如电电压压、电电流流、速速度度、位位置置、温温度度、流流量量、化化学学成成分分等等）自自动动的的按按照照预预定定的的规规律律运行（或变化）。运行（或变化）。v自自动动控控制制系系统统：是是指指能能够够对对被被控控对对象象的的工工作作状状态态进进行行自自动动控控制制的的系系统统。它它一一般般由由控控制制装装置置和和被被控控对对象象组组成成。被被控控对对象象是是指指那那些些要要求求实实现现自自动动控控制制的的机机器器、设设备备或或生生产产过过程程。控控制制装装置置是是指指对对被被控控对对象象起起控控制制作作用的设备总体。用的设备总体。2024/4/24 周三7 自自动动控控制制系系统统的的功功能能和和组组成成是是多多种种多多样样的的，其其结结构构有有简简单单和和复复杂杂之之分分。它它可可以以只只控控制制一一个个物物理理量量，也也可可以以控控制制多多个个物物理理量量甚甚至至一一个个企企业业机机构构的的全全部部生生产产和和管管理理过过程程；它它可可以以是是一一个个具具体体的的工工程程系系统统，也也可可以以是是比比较较抽抽象象的的社社会会系系统统、生态系统或经济系统。生态系统或经济系统。2024/4/24 周三82.自动控制理论的发展自动控制理论的发展 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是。既是一门古老的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新一门古老的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从兴学科。从1868年年 Maxwell提出低阶系统稳定性判据至今一百多提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；成熟；第二阶段第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段第四阶段：智能控制发展阶段。：智能控制发展阶段。2024/4/24 周三9经典控制理论经典控制理论 控控制制理理论论的的发发展展初初期期，是是以以反反馈馈理理论论为为基基础础的的自自动动调调节节原原理理，主主要要用用于于工工业业控控制制。第第二二次次世世界界大大战战期期间间，为为了了设设计计和和制制造造飞飞机机及及船船用用自自动动驾驾驶驶仪仪、火火炮炮定定位位系系统统、雷雷达达跟跟踪踪系系统统等等基基于于反反馈馈原原理理的的军军用用装装备备，进进一一步步促促进进和和完完善善了了自自动动控控制制理理论论的的发展。发展。1868年，年，J.C.Maxwell提出了低阶系统的稳定性代数判据提出了低阶系统的稳定性代数判据。1895年，数学家年，数学家Routh和和Hurwitz分别独立地提出了高阶系统的分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即稳定性判据，即Routh和和Hurwitz判据。判据。二二战战期期间间（1938-1945年年）H.Nyquist提提出出了了频频率率响响应应理理论论；1948年年，W.R.Evans提提出出了了根根轨轨迹迹法法。至至此此，控控制制理理论论发发展展的的第第一一阶阶段段基基本本完完成成，形形成成了了以以频频率率法法和和根根轨轨迹迹法法为为主主要要方方法法的的经典控制理论经典控制理论。2024/4/24 周三10经典控制理论的基本特征经典控制理论的基本特征（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分 方程描述的系统的分析与综合；方程描述的系统的分析与综合；（2）多用于单输入，单输出的反馈控制系统；）多用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽略系统的内部）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽略系统的内部 状态，是一种对系统的外部描述方法。状态，是一种对系统的外部描述方法。应应当当指指出出，反反馈馈控控制制是是一一种种最最基基本本最最重重要要的的控控制制方方式式，引引入入反反馈馈信信号号后后，系系统统对对来来自自内内部部和和外外部部干干扰扰的的响响应应变变得得十十分分“迟迟钝钝”，从从而而提提高高了了系系统统的的抗抗干干扰扰能能力力和和控控制制精精度度。与与此此同同时时，反反馈馈作作用用又又带带来来了了系系统统稳稳定定性性问问题题，正正是是这这个个曾曾一一度度困困扰扰人人们们的的系系统统稳稳定定性性问问题题激激发发了了人人们们对对反反馈馈控控制制系系统统进进行行深深入入研研究究的的热热情情，推推动动了了自自动动控控制制理理论论的的发发展展与与完完善善。因因此此从从某某种种意意义义上上讲讲，古古典典控控制制理理论论是是伴伴随随着着反反馈馈控控制制技技术术的的产产生生和和发发展展而而逐逐渐渐完完善善和和成成熟熟起起来的。来的。2024/4/24 周三11现代控制理论现代控制理论 由由于于经经典典控控制制理理论论只只适适用用于于单单输输入入、单单输输出出的的线线性性定定常常系系统统，只只注注重重系系统统的的外外部部描描述述而而忽忽视视系系统统的的内内部部状状态态。因因而而在实际应用中有一定的局限性。在实际应用中有一定的局限性。随随着着航航天天事事业业和和计计算算机机的的发发展展，20世世纪纪60年年代代初初，在在经经典典控控制制理理论论的的基基础础上上，以以线线性性代代数数理理论论和和状状态态空空间间分分析析法法为为基础的现代控制理论迅速发展起来。基础的现代控制理论迅速发展起来。1954年贝尔曼（年贝尔曼（R.Bellman)提出动态规划理论提出动态规划理论1956年庞特里雅金（年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理）提出极大值原理1960年卡尔曼（年卡尔曼（K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论提出多变量最优控制和最优滤波理论 现现代代控控制制理理论论在在数数学学工工具具、理理论论基基础础和和研研究究方方法法上上不不仅仅能能提提供供系系统统的的外外部部信信息息（输输出出量量和和输输入入量量），而而且且还还能能提提供供系系统统内内部部状状态态变变量量的的信信息息。它它无无论论对对线线性性系系统统或或非非线线性性系系统统，定定常常系系统统或或时时变变系系统统，单单变变量量系系统统或或多多变变量量系系统统，都都是是一一种种有效的分析方法有效的分析方法。2024/4/24 周三12l古典（经典）控制理论与现代控制理论的区别古典（经典）控制理论与现代控制理论的区别参数估计及系统辨识参数估计及系统辨识机理建模机理建模矩阵理论矩阵理论积分变换（积分变换（L.T）不确定性系统不确定性系统确定性系统确定性系统控制对象控制对象MIMO控制对象控制对象SISO现代控制理论现代控制理论古典控制理论古典控制理论大系统理论大系统理论 20世世纪纪70年年代代开开始始，现现代代控控制制理理论论继继续续向向深深度度和和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如：广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如：（1）现现代代频频域域方方法法 以以传传递递函函数数矩矩阵阵为为数数学学模模型型，研研究线性定常多变量系统；究线性定常多变量系统；（2）自自适适应应控控制制理理论论和和方方法法 以以系系统统辨辨识识和和参参数数估估计计为为基基础础，在在实实时时辨辨识识基基础础上上在在线线确确定定最最优优控控制制规规律律；（3）鲁鲁棒棒控控制制方方法法 在在保保证证系系统统稳稳定定性性和和其其它它性性能能基基础础上上，设设计计不不变变的的鲁鲁棒棒控控制制器器，以以处处理理数数学学模模型型的的不不确定性。确定性。大系统理论（续）大系统理论（续）随随着着控控制制理理论论应应用用范范围围的的扩扩大大，从从个个别别小小系系统统的的控控制制，发发展展到到若若干干个个相相互互关关联联的的子子系系统统组组成成的的大大系系统统进进行行整整体体控控制制，从从传传统统的的工工程程控控制制领领域域推推广广到到包包括括经经济济管管理理、生生物物工工程程、能能源源、运运输输、环环境境等等大大型型系系统统以以及及社社会会科科学学领域。领域。大大系系统统理理论论是是过过程程控控制制与与信信息息处处理理相相结结合合的的系系统统工工程程理理论论，具具有有规规模模庞庞大大、结结构构复复杂杂、功功能能综综合合、目目标标多多样样、因因素素众众多多等等特特点点。它它是是一一个个多多输输入入、多多输输出出、多多干干扰扰、多多变变量量的的系系统统。大大系系统统理理论论目目前前仍仍处处于于发发展展和和开开创创性阶段。性阶段。智能控制智能控制 是是近近年年来来新新发发展展起起来来的的一一种种控控制制技技术术，是是人人工工智智能能在在控控制制上上的的应应用用。智智能能控控制制的的概概念念和和原原理理主主要要是是针针对对被被控控对对象象、环环境境、控控制制目目标标或或任任务务的的复复杂杂性性提提出出来来的的，它它的的指指导导思思想想是是依依据据人人的的思思维维方方式式和和处处理理问问题题的的技技巧巧，解解决决那那些些目目前前需需要要人人的的智智能能才才能能解解决决的的复复杂杂的的控控制制问问题题。被被控控对对象象的的复复杂杂性性体体现现为为:模模型型的的不不确确定定性性，高高度度非非线线性性，分分布布式式的的传传感感器器和和执执行行器器，动动态态突突变变，多多时时间间标标度度，复复杂杂的的信信息息模模式式，庞庞大大的的数数据据量量，以以及及严严格格的的特特性性指指标标等等。智智能能控控制制是是驱驱动动智智能能机机器器自自主主地地实实现现其其目目标标的的过过程程，对对自自主主机机器器人人的的控控制制就就是是典典型型的的例例子子而而环环境境的的复复杂杂性性则则表表现现为为变化的不确定性和难以辨识。变化的不确定性和难以辨识。智能控制是从智能控制是从“仿人仿人”的概念出发的。一般认为，其方法的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。法。2024/4/24 周三16开环控制系统开环控制系统Open-loop Control SystemOpen-loop Control System定义：系统的控制量不受输出量影响的控制系统。定义：系统的控制量不受输出量影响的控制系统。特点：系统的输出量与输入量之间不存在反馈的通道，特点：系统的输出量与输入量之间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制。这种控制方式称为开环控制。在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。开环控制系统又称无反馈控制系统。控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量图图 开环控制系统方块图开环控制系统方块图控制量控制量1.2 控制系统的一般概念2024/4/24 周三17闭环（反馈）控制系统闭环（反馈）控制系统Closed-loop Control SystemClosed-loop Control Systeml闭环控制系统又称反馈控制系统，最广泛控制方式。闭环控制系统又称反馈控制系统，最广泛控制方式。l反馈反馈把取出的输出量送回输入端，并与输入信把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。l反馈控制反馈控制采用采用负反馈负反馈(正反馈较少正反馈较少)并利用偏差并利用偏差进行控制的过程进行控制的过程（利用偏差修正偏差）。（利用偏差修正偏差）。l由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。2024/4/24 周三18闭环控制系统框图闭环控制系统框图图图 闭环控制系统方块图闭环控制系统方块图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量控制量控制量2024/4/24 周三19闭环与开环控制系统的再比较闭环与开环控制系统的再比较 l开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差的能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、偏差的能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。泵，风扇）。l闭环控制：为偏差控制，可以抑制内扰动（系统参闭环控制：为偏差控制，可以抑制内扰动（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加，车床、洗衣机、汽车）；系统设（价格成倍增加，车床、洗衣机、汽车）；系统设计、分析麻烦。计、分析麻烦。2024/4/24 周三20方框图的有关概念方框图的有关概念 v方框方框 控制装置和被控对象分别用方框表示控制装置和被控对象分别用方框表示v信号线信号线 方框的输入和输出以及它们之间的联接用方框的输入和输出以及它们之间的联接用 带箭头带箭头的信号线表示的信号线表示v输入信号输入信号 进入方框的信号进入方框的信号v输出信号输出信号 离开方框的信号离开方框的信号 控制系统的输出量就是被控量控制系统的输出量就是被控量,它的期望值一般是它的期望值一般是 系统输入信号的函数。系统输入信号的函数。信号线信号线方框方框信号线信号线输入信号输入信号输入信号输入信号输出信号输出信号输出信号输出信号2024/4/24 周三21反馈的概念反馈的概念v反反馈馈：把把输输出出量量送送回回到到系系统统的的输输入入端端并并与与输输入入信信号号比比较较的的过过程程。若若反反馈馈信信号号是是与与输输入入信信号号相相减减而而使使偏偏差差值值越越来来越越小小，则则称称为为负负反反馈馈；反反之之，则则称称为为正正反反馈馈。显显然然，负负反反馈馈控控制制是是一一个个利利用用偏偏差差进进行行控控制制并并最最后后消消除除偏偏差差的的过过程程，又又称称偏偏差差控控制制。同同时时，由由于于有有反反馈馈的的存存在在，整整个个控控制制过过程程是是闭闭合合的，故也称为的，故也称为闭环控制闭环控制。2024/4/24 周三22示例示例1：水位控制系统：水位控制系统人工控制的恒值水位系统人工控制的恒值水位系统 水位自动控制系统水位自动控制系统1.3控制系统示例控制系统示例2024/4/24 周三23示例示例2 2：电机转速控制系统：电机转速控制系统电枢控制直流电动机电枢控制直流电动机设设一一台台直直流流电电动动机机带带动动负负载载以以转转速速n在在转转动动，要要求求保持转速不变，即控制转速：保持转速不变，即控制转速：n=n0=常数常数2024/4/24 周三24电机转速人工控制系统电机转速人工控制系统1.通过转速表观察电机转速通过转速表观察电机转速n2.与要求的转速与要求的转速n0进行比较得到偏差；进行比较得到偏差；3.根据偏差的大小和正负进行控制：根据偏差的大小和正负进行控制：2024/4/24 周三25电机转速自动控制系统电机转速自动控制系统电位计电位计w1是给定元是给定元件，产生基准电压件，产生基准电压u1，u1的设定值与的设定值与转速的期望值转速的期望值n0相相对应。称电压对应。称电压u1为为参考输入，电压参考输入，电压u2为反馈信号为反馈信号2024/4/24 周三26 由以上分析可知：产生控制作用的关键是偏差由以上分析可知：产生控制作用的关键是偏差信号，而偏差信号是对被控量不断测量转换并反馈信号，而偏差信号是对被控量不断测量转换并反馈到输入端与参考输入量相减（即负反馈）得到的，到输入端与参考输入量相减（即负反馈）得到的，这种利用负反馈得到偏差信号，进而产生控制作用，这种利用负反馈得到偏差信号，进而产生控制作用，又去消除偏差的控制原理就叫反馈控制原理又去消除偏差的控制原理就叫反馈控制原理2024/4/24 周三27开环和闭环控制系统开环和闭环控制系统的特点的特点v开开环环系系统统：具具有有结结构构简简单单，稳稳定定性性好好，容容易易设设计计和和调调整整以以及及成成本本较较低低的的优优点点，对对那那些些负负载载恒恒定定，扰扰动动小小，控控制制精精度度要要求求不不高高的的实实际际系系统统，是有效的控制方式。是有效的控制方式。v闭闭环环系系统统：由由于于增增加加了了检检测测装装置置和和反反馈馈环环节节，结结构构较较复复杂杂，成成本本有有所所增增加加；但但它它提提高高了了系系统统的的控控制制精精度度和和抗抗干干扰扰能能力力；同同时时负负反反馈馈对对系系统统稳定性产生不利影响稳定性产生不利影响。2024/4/24 周三28图图1.2 闭环控制系统方块图闭环控制系统方块图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量控制量控制量2.反馈控制系统的组成、名词术语和定义反馈控制系统的组成、名词术语和定义（1 1）2024/4/24 周三29反馈控制系统的组成、名词术语和定义反馈控制系统的组成、名词术语和定义（2 2）v参考输入参考输入r:输入到控制系统中的指令信号；输入到控制系统中的指令信号；v主主反反馈馈b:与与输输出出成成正正比比或或某某种种函函数数关关系系且且与与参参考考输输入量纲相同的反馈信号；入量纲相同的反馈信号；v偏差偏差e:参考输入与主反馈之差，即参考输入与主反馈之差，即e=r-b;v控制量控制量u:从控制器输出并作用于被控制对象的信号；从控制器输出并作用于被控制对象的信号；v扰扰动动n：来来自自系系统统内内部部或或外外部部，对对系系统统输输出出产产生生不不利利影响的信号；影响的信号；2024/4/24 周三30反馈控制系统的组成、名词术语、定义（3 3）输出：输出：反馈控制系统的被控制量，即被控制对象的反馈控制系统的被控制量，即被控制对象的输出量；输出量；比比较较环环节节：将将参参考考输输入入与与主主反反馈馈信信号号进进行行比比较较的的环环节节，它它的的输输出出等等于于参参考考输输入入与与主主反反馈馈信信号号的的差差值值，即偏差即偏差e,比较环节又称为偏差检测器比较环节又称为偏差检测器。控制对象：控制对象：被控制的机器，设备，过程或系统；被控制的机器，设备，过程或系统；控制器：控制器：用来对被控制对象施加控制作用的装置；用来对被控制对象施加控制作用的装置；反反馈馈环环节节：将将输输出出量量转转化化为为主主反反馈馈信信号号的的装装置置；反反馈环节中通常含有信号检测装置。馈环节中通常含有信号检测装置。2024/4/24 周三311.4自控系统的分类自控系统的分类一、从描述系统的数学模型来分类一、从描述系统的数学模型来分类l线性系统线性系统：构成系统的所有元件均是线性的，系统：构成系统的所有元件均是线性的，系统的数模为线性微分方程，满足叠加性与均匀性（或的数模为线性微分方程，满足叠加性与均匀性（或齐次性）。其中又视微分方程中的系数为常数或时齐次性）。其中又视微分方程中的系数为常数或时变，称系统为变，称系统为定常线性系统定常线性系统或或时变线性系统时变线性系统。叠加性叠加性：当几个输入信号同时作用于系统时，：当几个输入信号同时作用于系统时，系统的响应等于每个输入信号单独作用于系统时所系统的响应等于每个输入信号单独作用于系统时所产生的响应之和。产生的响应之和。均匀性均匀性：当输入信号按倍数变化时，系统响应：当输入信号按倍数变化时，系统响应也按同一个倍数变化。也按同一个倍数变化。2024/4/24 周三32 线性系统的上述特性将使系统分析大大简化。例线性系统的上述特性将使系统分析大大简化。例如实际系统往往是如实际系统往往是MISO，应用叠加原理可分别考虑，应用叠加原理可分别考虑每个输入单独作用时系统引起的响应，然后将它们叠每个输入单独作用时系统引起的响应，然后将它们叠加，从而将加，从而将MISO系统转化为系统转化为SISO系统来讨论。系统来讨论。又如实际系统输入信号的幅值各种各样，运算不又如实际系统输入信号的幅值各种各样，运算不方便。应用均匀性可将其输入信号幅值取为方便。应用均匀性可将其输入信号幅值取为1，这样，这样得到的响应和实际输入信号所产生的响应，其变化特得到的响应和实际输入信号所产生的响应，其变化特性完全相同，所不同的只是在幅值上按比例放大和缩性完全相同，所不同的只是在幅值上按比例放大和缩小。因此，我们在研究系统性能时，系统的各类输入小。因此，我们在研究系统性能时，系统的各类输入信号幅值一般均取为信号幅值一般均取为1。2024/4/24 周三33非线性系统非线性系统：系统中只要有一个元部件的输入输出特：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。非线性方性是非线性的，这类系统就称为非线性系统。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。如导数的高次幂或乘积项。如 线性系统的重要特征是可以应用线性叠加原理。由线性系统的重要特征是可以应用线性叠加原理。由于描述非线性系统运动的数学模型为非线性微分方程，于描述非线性系统运动的数学模型为非线性微分方程，因此不满足叠加性。因此不满足叠加性。故能否应用叠加原理是两类系统的故能否应用叠加原理是两类系统的本质区别。本质区别。2024/4/24 周三34注意：严格来说，实际的物理系统中不存在线性系注意：严格来说，实际的物理系统中不存在线性系统，总是或多或少存在不同程度的非线性特性。为统，总是或多或少存在不同程度的非线性特性。为了研究方便，当非线性不显著或系统在非线性特性了研究方便，当非线性不显著或系统在非线性特性区域的工作范围不大，可将其视为线性，或将其线区域的工作范围不大，可将其视为线性，或将其线性化，然后按线性系统处理。性化，然后按线性系统处理。饱和非线性饱和非线性 死区非线性死区非线性 间隙非线性间隙非线性 继电非线性继电非线性2024/4/24 周三35l恒值控制系统（自动调节系统）恒值控制系统（自动调节系统）输入信号是某个恒定不变的常数，要求系统的输入信号是某个恒定不变的常数，要求系统的被控量尽可能的保持在期望值附近，系统面临的被控量尽可能的保持在期望值附近，系统面临的主要问题是存在使被控量偏离期望值的扰动；控主要问题是存在使被控量偏离期望值的扰动；控制的任务就是要增强系统的抗扰动能力，使扰动制的任务就是要增强系统的抗扰动能力，使扰动作用于系统时，被控量能尽快的恢复到期望值上。作用于系统时，被控量能尽快的恢复到期望值上。例如：工业生产中的温度、压力、流量等参数的控例如：工业生产中的温度、压力、流量等参数的控制系统制系统二、按输入信号特征分类（二、按输入信号特征分类（1）2024/4/24 周三36l随动控制系统（伺服系统）随动控制系统（伺服系统）输入信号是随时间任意变化的函数，要求系统输入信号是随时间任意变化的函数，要求系统的输出信号紧紧跟随输入信号的变化。系统面的输出信号紧紧跟随输入信号的变化。系统面临的主要矛盾是，被控对象和执行机构因惯性临的主要矛盾是，被控对象和执行机构因惯性等因素的影响，使得系统的输出信号不能紧紧等因素的影响，使得系统的输出信号不能紧紧跟随输入信号的变化，控制系统的主要任务就跟随输入信号的变化，控制系统的主要任务就是提高系统的跟踪能力，使系统能够跟随难以是提高系统的跟踪能力，使系统能够跟随难以预知的输入信号的变化。预知的输入信号的变化。例如：火炮自动跟踪系统、跟踪卫星的雷达天线例如：火炮自动跟踪系统、跟踪卫星的雷达天线 控制系统等。控制系统等。二、按输入信号特征分类（二、按输入信号特征分类（2）2024/4/24 周三37l连续系统连续系统：系统中所有物理量均为时间的连续函：系统中所有物理量均为时间的连续函数，其数模为数，其数模为微分方程微分方程l离散系统离散系统：系统中所有物理量均为时间的离散函：系统中所有物理量均为时间的离散函数，其数模为数，其数模为差分方程差分方程 离散系统是一个总称，如果系统中使用采样开关，离散系统是一个总称，如果系统中使用采样开关，将连续函数形式的信号转变为离散脉冲序列形式将连续函数形式的信号转变为离散脉冲序列形式的信号进行，这样的系统称为的信号进行，这样的系统称为采样控制系统，采样控制系统，如如果使用计算机或数字控制器，离散信号以数码形果使用计算机或数字控制器，离散信号以数码形式传递，这样的系统称为式传递，这样的系统称为数字控制系统数字控制系统三、从信号的连续离散来分类三、从信号的连续离散来分类2024/4/24 周三38 定常系统定常系统：如果描述系统的微分方程或差分方如果描述系统的微分方程或差分方程的系数均为常数，这类系统为定常系统，又称程的系数均为常数，这类系统为定常系统，又称时不变系统时不变系统。特点：系统的响应特性只取决于输。特点：系统的响应特性只取决于输入信号的形状和系统的特性，而与输入信号施加入信号的形状和系统的特性，而与输入信号施加的时刻无关。的时刻无关。四、按系统参数是否随时间变化分类四、按系统参数是否随时间变化分类2024/4/24 周三39l时变系统时变系统：如果系统的参数或结构随时间而变如果系统的参数或结构随时间而变化，则称这类系统为时变系统。特点：系统的响化，则称这类系统为时变系统。特点：系统的响应特性不仅取决于输入信号的形状和系统的特性，应特性不仅取决于输入信号的形状和系统的特性，而且还与输入信号施加的时间有关。对于同一系而且还与输入信号施加的时间有关。对于同一系统来说，当输入信号在不同时刻作用于系统时，统来说，当输入信号在不同时刻作用于系统时，系统的响应是不同的。时变系统的这一特性给系系统的响应是不同的。时变系统的这一特性给系统的分析研究带来了困难。统的分析研究带来了困难。2024/4/24 周三401.5 控制系统的性能指标控制系统的性能指标1.稳定性稳定性 系统在受到扰动作用后自动返回原来的平系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。定系统。2024/4/24 周三41稳定性示意图稳定性示意图2024/4/24 周三422.稳态误差稳态误差 指指稳稳定定系系统统在在完完成成过过渡渡过过程程后后的的稳稳态态输输出出偏偏离离希希望望值值的的程程度度。开开环环控控制制系系统统的的稳稳态态误误差差通通常常与与系系统统的的增增益益或或放放大大倍倍数数有有关关，而而反反馈馈控控制制系系统统（闭闭环环系系统统）的的控控制制精精度度主主要要取取决决于于它它的的反反馈馈深深度度。稳稳态态误误差差越越小小，系系统统的的精精度度越越高高，它由系统的稳态响应反映出来。它由系统的稳态响应反映出来。2024/4/24 周三433.瞬态响应指标瞬态响应指标 在在时时域域中中，常常用用单单位位阶阶跃跃信信号号作作用用下下，系系统统输输出出的的超超调调量量 p,上上升升时时间间Tr,峰峰值值时时间间Tp,过过渡渡过过程程时时间（或调整时间）间（或调整时间）Ts和振荡次数和振荡次数N等特征量表示。等特征量表示。单单位位阶阶跃跃信信号号作作用用下下，稳稳定定系系统统的的典典型型输输出出响响应曲线应曲线 见下见下图图2024/4/24 周三44h(t)t时间时间tr上上 升升峰值时间峰值时间tpAB超调量超调量%=AB100%h(t)t调节时间调节时间tsh(t)t时间时间tr上上 升升峰值时间峰值时间tpAB超调量超调量%=AB100%调节时间调节时间ts稳定系统的典型单位阶跃响应曲线2024/4/24 周三45自动控制系统的典型外作用自动控制系统的典型外作用l在工程实践中，自动控制系统承受的外作用形式多种多在工程实践中，自动控制系统承受的外作用形式多种多样，既有确定性外作用，又有随机性外作用。对不同形样，既有确定性外作用，又有随机性外作用。对不同形式的外作用，系统被控量的变化情况（即响应）各不相式的外作用，系统被控量的变化情况（即响应）各不相同，为了便于用统一的方法研究和比较系统的性能，通同，为了便于用统一的方法研究和比较系统的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作用。可选作典型外常选用几种确定性函数作为典型外作用。可选作典型外作用的函数应具备以下条件：作用的函数应具备以下条件：（1）这种函数在现场或实验室中容易获得；）这种函数在现场或实验室中容易获得；（2）控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作）控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作 条件下的性能；条件下的性能；（3）这种函数的数学表达式简单，便于理论计算。）这种函数的数学表达式简单，便于理论计算。目前，在工程设计中常用的典型外作用函数有阶跃目前，在工程设计中常用的典型外作用函数有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数及正弦函数等确定性函数。函数、斜坡函数、脉冲函数及正弦函数等确定性函数。2024/4/24 周三46几种典型外作用几种典型外作用（1）阶跃函数）阶跃函数 （2）斜坡函数）斜坡函数 2024/4/24 周三47几种典型外作用几种典型外作用（3）脉冲函数）脉冲函数（4）正弦函数）正弦函数 2024/4/24 周三481-6 控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计l控制系统的计算机辅助设计发展概况控制系统的计算机辅助设计发展概况 第一阶段：第一阶段：6070年代，采用一个或者几个控制系统计算程年代，采用一个或者几个控制系统计算程序组成的控制系统计算机辅助设计软件包。序组成的控制系统计算机辅助设计软件包。第二阶段：第二阶段：7080年代，功能齐全的用于多变量系统设计的年代，功能齐全的用于多变量系统设计的计算机辅助设计软件包。计算机辅助设计软件包。第三阶段：第三阶段：80中期开始，产生中期开始，产生仿真软件仿真软件MATLAB控制控制系统计算机辅助设计仿真系统。系统计算机辅助设计仿真系统。v控制系统计算机辅助设计的主要内容控制系统计算机辅助设计的主要内容 计算机辅助建立系统模型计算机辅助建立系统模型 数学模型表示方式之间的相互转换数学模型表示方式之间的相互转换 计算机辅助分析和设计控制系统计算机辅助分析和设计控制系统2024/4/24 周三49 数数字字仿仿真真实实验验采采用用目目前前世世界界上上最最为为流流行行的的计计算算机机仿仿真真软软件件MATLAB。它它是是一一个个功功能能十十分分强强大大的的系系统统，是是集集数数值值计计算算、图图形形管管理理、程程序序开开发发为为一一体体的的环环境境，已经成为一种实用的全新计算机高级编程语言。已经成为一种实用的全新计算机高级编程语言。在在欧欧美美大大学学里里，诸诸如如应应用用代代数数、数数理理统统计计、自自动动控控制制、数数字字信信号号处处理理、模模拟拟与与数数字字通通信信、时时间间序序列列分分析析、动动态态系系统统仿仿真真等等课课程程的的教教科科书书都都把把MATLAB作作为为学学习习内内容容。MATLAB更更是是研研究究和和解解决决工工程程计计算算问问题题的的一一种种标标准准软软件件，被被用用来来解解决决一一些些实实际际课课题题和和数数学学模模型型问题。问题。MATLAB仿真软件仿真软件