控制工程基礎江南大學物聯網工程學院課程性質：專業選修課任課教師：于力革聯系方式作部門：物聯網工程學院自動化系第一章控制系統的一般概念1.1引言1.2控制科學與控制論、系統論、信息論1.3自動控制的發展1.4自動控制系統分類和組成1.5閉環控制系統的基本組成1.6現代控制系統實例1.7對控制系統的基本要求1.8典型輸入信號或者激勵信號在現代科學技術發展中，自動控制理論與自動控制系統起著越來越重要的作用。除了在宇宙飛船系統、導彈制導系統和機器人系統等領域，自動控制具有特別重要的作用外，它已經成為現代制造業和工業過程中的不可缺少的組成部分。1.1引言

通信中的自動控制智能建筑的中樞神經系統——通信自動化系統它對建筑內外的信息進行收集、存儲、處理、傳輸，并提供決策支持。無線傳感網的信息傳遞——自動功率控制傳感節點采集的信息通過一跳或多跳的方式發送給匯聚節點，依據通信距離自動控制其發送的功率。在實際信道傳輸數字信號的過程中，由于存在噪聲以及信道傳輸特性不理想所造成的碼間串擾，會引起傳輸差錯。為了提高數字傳輸系統的可靠性，降低信息傳輸的差錯率，可以采用差錯控制編碼，對差錯進行控制。常用的差錯控制方式主要有三種：前向糾錯、檢錯重發和混合糾錯。以檢錯重發方式為例，發送端經信道編碼后發出具有檢錯能力的碼組，接收端收到后經檢測如果發現傳輸中有錯誤，則通過反饋信道把這一判斷結果反饋給發送端，然后，發送端把前面發出的信息重新傳送一次，直到接收端認為已經正確為止。從原理上講：檢錯重發采用的是自動控制的原理。當外界擾動使得電動機的轉速升高時，測速發電機的輸出電壓增大，從而導致電壓放大器的輸入電壓降低，降低，因此電動機兩端的電壓降低，最終使得電動機的輸出轉速降低，維持在希望的轉速值1000轉/秒。下圖是一個速度反饋控制系統，目的是使直流電動機速度n維持在1000轉/秒。

自動控制技術的核心就是反饋控制或閉環控制。從以上敘述可以理解到，反饋的含義是將系統的輸出經過處理后再送到系統的輸入端，以調整系統的再輸出。除了工程系統以外，生物系統中的變量，如人體的血糖和血壓受某些過程的影響，而這些過程都可以通過自動控制方法進行研究。同樣，在經濟系統中，大到宏觀控制，小到商業管理經濟系統中的變量，如受政府財政政策影響的失業和通貨膨脹，亦可利用控制方法來研究。自動控制的這些應用對現代社會的生產力產生了巨大的影響。目前，自動控制理論還在繼續發展，正向以控制論（Cybernetics）、信息論(Informationtheory)、系統論(Systematology)和仿生學(Bionics)為基礎的智能控制理論深入。End1.2控制科學與控制論、系統論、信息論自動控制系統是由各環節、部件組成，按反饋原理進行控制的。反饋控制是一種最基本的控制方式，它要求根據誤差信息通過一定的控制算法形成控制作用。在自動控制系統中包括多個環節：信息的量測（提取）、處理（加工和變換）和信息的傳輸（圖中的箭頭代表信息的傳輸方向或稱信息流向）、存儲及利用，并最終形成控制作用（也是一種信息）。因此可以看出，系統、信息和控制的緊密關系。系統是信息和控制的載體，而信息反映系統的性能，控制是實現預期性能的手段。“三論”——系統論、信息論和控制論為現代科學技術提供了全新的思維方式和科學方法論原則，它們對整個人類社會起著巨大作用。信息論的創始人是美國學者C.香農(Shannon)。人們通過分析系統中信息的流向、變換和處理來認識系統中每個元件的作用、功能和構成。系統論是研究系統結構和功能一般規律的科學，其研究對象為各類系統，包括工程系統、社會系統、經濟系統、生物系統等。控制論是研究動物、機器、自然和社會等系統中控制、反饋和通信的共同規律的科學。End1.3自動控制的發展最早應用于工業過程的自動反饋控制器，是JamesWatt于1876年發明的離心飛球調速器，它被用來調節蒸汽機的速度。

航天飛機升空及在太空飛行,由于各種外部的因素,使得飛機偏離既定軌道,必須控制其回到設計的軌道上。（反饋控制）阿波羅宇宙飛船要成功登上月球，必需要求飛船為軟著陸，即飛船到達月球表面的向下速度為零，飛船運行過程中燃料消耗最小，飛行時間最短等等（最優控制）自動控制應用于航空航天，工業過程等等。

戰機追擊中，敵機飛行軌跡，我機是無法預知的，我機的飛行控制系統能準確迅速地跟蹤敵機將敵機擊毀（自適應跟蹤控制）。美國F-22隱形戰斗機在執行任務時要避開敵方雷達搜索，同時根據地形變化進行控制，具有自學習的功能（智能控制）。中藥生產過程控制系統（分離、純化、精制、制備、干燥等）

石油化工生產過程控制系統機器人控制End1.4自動控制系統的分類和組成控制通過對系統輸入的操作使得輸出達到指定的目標。1.自動控制的有關概念自控控制

就是在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對象（過程）自動地按預定規律變化的控制過程。

自動控制理論研究自動控制系統組成，進行系統分析設計的一般性理論。研究自動控制共同規律的技術科學。自動控制系統

由控制裝置和被控對象所組成，它們以某種相依賴的方式組合成為一個有機整體，并對被控對象輸出的物理量(如玻璃窯爐控制系統中的溫度、壓力、液位)進行自動控制。2.自動控制系統的分類根據控制方式分為：開環控制系統、反饋控制（閉環控制）系統等。根據系統性能分為：線性系統和非線性系統、連續系統和離散系統、定常系統和時變系統、確定性系統和不確定性系統等。根據被控制量變化規律分為：恒值控制系統、隨動系統和程序控制系統等。根據元件類型分為：機械系統、電氣系統、機電系統、液壓系統、氣動系統和生物系統等。根據系統功用分為：溫度控制系統、壓力控制系統和位置控制系統等等。開環控制系統

開環控制系統又稱為前饋控制系統。控制作用是由輸入信號直接向前輸送，而不是由輸出信號回輸到輸入信號來進行控制的系統，稱為開環控制系統。輸出不影響輸入，對輸出不需測量，易于實現；組成系統的元部件精度高，系統的精度才能高；系統的穩定性不是主要問題。控制裝置被控對象u給定值擾動

被控量nc特點3.開環控制系統與閉環控制系統常見開環控制系統：自動洗衣機，自動流水線等。開環直流電機轉速控制系統電位器電壓放大器可控硅功放直流電動機Purukn擾動ua框圖擾動電壓放大器可控硅功放閉環控制系統輸入量眼睛(書位置)大腦手臂、手輸出量(手位置)眼睛人取書的反饋控制系統示意圖輸出量與輸入量之間有反向聯系，靠輸入量與主反饋信號之間的偏差對輸出量進行控制的系統叫閉環控制系統（反饋控制系統）。電位器電壓放大器可控硅硅放大器直流電動機測速機Purubuk-n擾動ua框圖閉環直流電機轉速控制系統電位器電位器電壓放大器可控硅放大器直流電動機測速機Purubuk－n擾動ua負反饋調整過程電位器電壓放大器可控硅放大器直流電動機測速機Purubuk＋n擾動ua正反饋（有效控制）（失控）控制器執行機構被控對象測量（變換）-r給定值e偏差擾動被控量nc測量信號

典型的閉環控制系統框圖反饋控制，按反饋極性分為：正反饋，負反饋反饋系統如果無特殊說明，一般都指負反饋

輸出影響輸入，故能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統；因為可能發生超調、振蕩，故穩定性很重要。閉環特點：4.恒值控制系統和伺服系統恒值控制系統輸入量為恒定常值的反饋系統為恒值控制系統。系統的任務是保證在任何擾動作用下，輸出量以一定的精度接近給定值。如化工生產過程中的溫度、壓力、流量和液位等物理量的控制均為恒值控制。圖為一物料加熱用的爐溫自動控制系統。電爐是被控對象，而爐溫是被控制量。由電位器組成的溫度給定環節給出電壓,對應所期望的爐內溫度,它與表示實際爐溫的熱電偶的電壓相比較，形成誤差電壓uruf原理與框圖：隨動系統（伺服系統或跟蹤系統）輸入量是事先不確定的反饋系統稱為隨動系統或伺服系統或跟蹤系統，例如雷達跟蹤系統就是這樣的系統。在圖中所示的典型雷達系統中，拋物面形狀的天線不斷地發射電脈沖，系統接收從目標飛行器發射回來的回波，并計算雷達天線的坐標和指向目標的向量之間的偏差。系統的任務是保證在任何擾動作用下，讓天線指向各個角落以保持這些指向目標的向量的平行。火炮自動瞄準系統，飛機俯仰角的儀表指示系統，X-Y記錄儀均為類似的隨動系統。

End

閉環控制系統是由各種不同的元部件組成的。將組成系統的元部件按職能分類主要有以下幾種：a.測量元件：檢測系統輸出并參與控制的信號；b.給定元件：系統輸入，給出系統的控制目標；c.比較元件：比較和系統輸出系統輸入；d.放大元件：對控制信號進行放大；e.執行元件：執行控制信號，實現控制目標；f.校正元件：對控制信號進行修正；1.5閉環控制系統的基本組成電位器電壓放大器可控硅硅放大器直流電動機測速機Purubuk-n擾動ua測量元件——測速發電機給定元件——電位器比較元件——電壓放大器放大元件——電壓放大器執行元件——可控硅功放電位器輸入量串聯補償元件放大元件執行元件被控對象輸出量反饋補償元件局部反饋反饋補償元件主反饋反饋控制系統基本組成框圖主反饋，局部反饋，單位反饋，負反饋，正反饋，主回路，局部回路等等概念：End1.6現代控制系統實例

1.硬盤驅動器的位置控制系統整個系統的控制目標是將磁頭準確定位，以便正確讀取磁盤磁道上的信息，因此被控制變量是磁頭的位置。原理：將預期的行車路線與實際的行車路線相比較，便能得到行駛偏差。實際路線的測量通過眼睛（傳感器）來實現或者通過手（傳感器）感知與方向盤的變化來實現。

2.汽車駕駛控制系統對于無人駕駛汽車，是通過自動駕駛儀實現。3.磁懸浮列車控制系統磁懸浮列車是一種依靠電磁場特有的“同性相斥”的特性將車輛托起，使整個列車懸浮在鐵軌之上，利用電磁力進行導向，并利用直線電機將電能直接轉換為推進力，來推動列車前進。飛行器控制系統是指駕駛員（或自動控制裝置）通過對飛行器的副翼、升降舵、方向舵等裝置的操縱，控制飛行器的俯仰、橫滾和偏航等姿態的所需軟硬件的有機整體。方向舵副翼升降舵典型飛機俯仰角控制系統結構圖

4.飛行控制系統水溫調節系統方框圖5.水溫調節系統６．宏觀經濟系統從20世紀60年代開始，控制論逐步應用到經濟領域，形成經濟控制論。一些典型的經濟現象，如生產、消費、貨幣、利潤、成本、稅收、貿易、信貸、庫存、銷售等，可按其表現范圍和結構差異分為宏觀經濟和微觀經濟。一般地，國家或省市等的國民經濟稱為宏觀經濟，企業級的經濟稱為微觀經濟。國民經濟的反饋控制系統

7．天宮一號與神十對接天宮一號神十End1.7自動控制系統的基本要求

為了實現自動控制的基本任務，必須對系統在控制過程中表現出來的行為提出要求。對控制系統的基本要求，通常是通過系統對特定輸入信號的響應來滿足的。而這些特殊信號為：a、電動機調速系統，要求轉速是恒定的，即常值信號；b、溫度控制系統中，要求溫度是恒定的；c、液位控制系統中，要求液位是恒定的；d、雷達跟蹤系統中，要求及時準確地跟蹤目標……

階躍輸入信號是變化最劇烈，對系統最不利的外作用，如果系統在階躍函數作用下能滿足自動控制任務。那么，系統在其它緩慢變化的外作用下更能滿足要求。所以，常選用階躍函數作為典型輸入來研究系統的性能。1+△1-△

ts

tp

tr

△>01.對系統性能的基本要求階躍響應的某些特征值，就是性能指標，可以統一評價系統的性能。總的來說，希望實際的調節過程盡可能接近于理想的調節過程。對系統性能的基本要求是穩、準、快三個方面。穩定性指系統重新恢復平穩狀態的能力，即過渡過程收斂情況。曲線1、2、5最終趨于平衡狀態，這類系統是穩定的。曲線3振蕩發散，曲線4單調發散,這類系統的過渡過程隨時間的推移而發散，無法正常工作，不穩定。穩定性是對控制系統的最基本要求！！!曲線1要反復振蕩才能達到穩態值，過渡過程持續時間很長。曲線2要經長時間的緩慢爬升才能到穩定值，系統響應遲鈍，過渡過程時間也很長，快速性都不好。曲線5快速趨于穩定，即穩且快，與理想的調節過程偏差最小。準確性

指過渡過程結束后穩態誤差越小越好。穩態誤差：指過渡過程結束后，也就是進入穩態過程后，希望的輸出量與實際輸出量之間的誤差，是恒量系統穩態精度的重要指標。快速性

指過渡過程進行的時間長短。對性能指標的要求，不同類型的系統有不同的側重點。1.8系統典型輸入信號為了能對不同的控制系統的性能用統一的標準來恒量，通常需要選擇幾種典型的外輸入信號，這些信號往往有一定的工程背景。如，某窯爐檢修后，爐內溫度從環境溫控上升到工作溫度1100°C時的升溫曲線為折線所示，若直接按虛線升溫，則會造成耐火材料的損壞。a.階躍函數數學表達式圖形

R0

tr(t)表示在t=0時刻出現了幅值為R的跳變，是非常不利的外作用。R=1時的階躍函數叫單位階躍函數，常用1(t)表示。常用階躍函數作為評價系統動態性能的典型外作用。所以階躍函數在自動控制系統的分析中起著特別重要的作用。b.斜坡函數（速度函數）數學表達式圖形

0

tr(t)表示從t=0時刻開始，以恒速R變化。R=1叫單位速度函數。c.加速度函數數學表達式圖形

表示從t=0時刻開始，以恒加速度R變化。R=1叫單位加速度函數。0

tr(t)e.脈沖函數數學表達式圖形

理想脈沖函數是對ε趨于0求極限得到的。脈沖函數在現實是不存在的，只是數學上的定義，在現實系統中常把作用時間很短，幅值很大而強度有限的外作用近似看作脈沖函數。當A=1時，稱為單位脈沖函數，記作δ(t)強度為A的脈沖函數r(t)表示成r(t)=Aδ(t)0

tr(t)δ(t)tf.正弦函數數學表達式圖形

A為振幅，w=2πf為正弦函數的角頻率。這里，初始相角φ=0，如果初始相角φ不等于0，那么正弦函數r(t)的表達式為：

r(t)=Asin(wt-φ)正弦函數也是控制系統常見的一種典型外作用，很多實際的隨動系統就是經常在這種正弦函數作用下工作的。系統在正弦函數作用下的響應，即頻率特性，是自動控制理論研究系統性能的重要依據。r(t)tA從上表中可以看出，四種函數的關系具有導數關系。加速度函數速度函數階躍函數脈沖函數單位加速度函數單位速度函數單位階躍函數單位脈沖函數完參考書許賢良等.控制工程基礎教程.北京：國防工業