第1章緒論1.1自動控制系統的基本概念與發展1.1.1自動控制的定義與基本組成所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置操縱機器、設備或生產過程，使其自動按預定規律運行的技術。定義：圖1-1人腦控制過程示意圖圖1-2仿人控制系統方框圖遙測、遙感1.1.2自動控制技術的發展歷史與現狀

外加設備或裝置，通常包括測量儀器、控制裝置和執行機構。沒有檢測與執行設備，單獨的控制器是無法發揮作用的。發展歷史測控與軍事自動控制與民用工業現代測控系統的發展現狀測控與科學

以傳遞函數為基礎的經典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出、線性定常控制系統的分析和設計問題。

以狀態為基礎的狀態空間法（現代控制理論基礎），主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數系統的最優控制問題，

自動控制理論是研究自動控制技術共同規律的基礎科學，以反饋理論為基礎的自動調節原理。有線或無線最好所有信號傳輸線都應符合現場總線制返回開環控制系統是最基本的不帶反饋（檢測裝置）的自動控制系統，其在生產過程及生活設施中隨處可見。輸入量輸出量圖1-4開環控制系統示意圖控制器執行器1.2.2閉環控制系統

缺陷：由于系統周圍環境的變化會給系統造成干擾，開環控制系統的輸出量不可能精確地對應于輸入量，因此開環系統不具備克服輸出量與輸入量之間的偏差的能力，它的準確性和穩態精度都不高。如果系統輸入量再隨時間變化，而系統的被控對象一般都存在慣性，所以不可能瞬時完成對輸入量的響應。——抗干擾能力差

前向通路

給控制系統引入反饋，即把輸出量饋送到系統輸入端，以便與輸入信號進行比較，取其偏差作為控制器的輸入，如圖所示。這樣的系統稱為帶負反饋的閉環控制系統。

——抗干擾性能優于開環外擾——由系統的動力源或負載變化以及外部因素引起。

擾動量內擾——由組成系統的元部件參數的變化引起。注意：加在控制器上的信號是輸入量和反饋量之間的差(偏差)。控制器所產生的控制作用力圖減小或者消除這種偏差。

帶有負反饋的閉環控制又稱為偏差控制

回放例：一個簡單的閉環控制系統控制器——溫控開關輸入量——期望溫度輸出量——測溫元件檢測到的實際水溫偏差——由溫控開關確定外擾——注入的冷水和流出的熱水執行機構——電加熱器冷水電加熱器溫控開關水箱給定溫度熱水測溫元件圖1-6電加熱器系統優勢：有效地抑制前向通道中各種擾動對系統輸出量的影響，提高系統的抗擾動性能，增強魯棒性，改善系統的穩態精度，提高響應速度。問題：慣性使控制作用不能及時校正系統誤差。如果控制系統的強激作用與被控對象的慣性匹配不當，還可能產生振蕩，甚至不穩定。1.2.3復合控制系統使用條件：當單獨采用開環控制或閉環控制不能得到理想的控制效果時，可以采用開環和閉環控制相結合的復合控制系統。

圖1-7復合控制示意圖作用：帶有負反饋的閉環控制起主調節作用，而帶有前饋的開環控制則起輔助作用。實例：圖1-8電動機復合控制系統電動機速度復合控制系統是按擾動作用補償的復合控制系統。負載大小的改變引起轉速變化，反映在圖1-8（b）中即為負載轉矩Mc的改變。1.3自動控制系統的基本類型下面舉兩例：1.3.1調節系統和隨動系統調節系統或恒值系統——系統的輸入量恒定不變的。輸入量并非被控對象的實際輸入而是希望輸出能夠達到的期望值，所以又稱其為參考輸入。隨動系統——系統的輸出能夠緊緊跟隨其輸入變化，并要求具有一定的跟隨精度。在這種系統中，輸入量的變化往往是任意的，非預知的。

基本控制方式：開、閉環，復合＋給定轉速給＋實際轉速定電位直流測速器－－電動機發電機生產機構圖1-9電動機轉速恒值調節系統

電壓和功率放大器工作原理：測速發電機將檢測到的實際轉速轉換成電壓反饋到輸入端，通過運算放大器與參考輸入（給定轉速的電壓當量）進行比較，取其偏差進行控制。

電加熱系統（圖1-6所示）也是一個溫度恒值調節系統。日常生活中還有許多如壓力、水位、流量以及電壓、電流等參量的恒值調節系統。＋＋

輸出角度－

同位儀電壓和功率放大器直流電動機炮身輸入角度圖1-10火炮跟蹤系統示意圖

工作原理：同位儀是誤差檢測裝置，輸入信號是火炮跟蹤目標的監測角度，反饋裝置把炮架轉動的角度送入同位儀，放大裝置輸出相應的偏差信號，使直流電動機帶動火炮的炮架轉動，如此直至反饋的角度信號與輸入的角度信號相等時，放大裝置的輸出功率為零，電動機停止轉動。由于火炮的目標是飛行物體，因此系統的輸入角度必須根據實際目標方位隨時調整，所以火炮跟蹤系統是一個隨動系統。1.3.2連續系統和離散系統連續系統——系統各個組成環節的輸入、輸出信號都是時間連續信號。

上面所舉的恒值調節系統和隨動系統的例子都屬于連續控制系統。一般采用微分方程作為分析連續系統的數學工具。

離散系統——系統各個環節的輸入、輸出信號都是離散信號。如果控制系統中既有連續信號又有離散信號，則稱之為采樣（離散）控制系統。

離散信號脈沖信號數字信號離散系統的動態性能一般要用差分方程來描述和分析。圖1-11電阻爐溫度微機控制系統熱電偶

電阻電爐絲A/D轉換器單片機放大濾波D/A轉換器觸發電路微機控制的集成度越來越高→DSP、嵌入式系統、SOC晶閘管控制電路全數字化電阻爐溫度微機控制系統屬于采樣控制系統。

A/D、D/A轉換器和單片機之間傳遞的是數字信號。有些控制系統轉換采用V/F、F/V變換器，那么它們與單片機之間傳遞的是脈沖信號。圖1-12微機控制系統示意圖1.3.3單輸入單輸出系統和多輸入多輸出系統單輸入單輸出系統（SISO-SingleInputandSingleOutput）——只有一個輸入量和一個輸出量的控制系統。分析方法——以傳遞函數為基礎的時域法、頻域法和根軌跡法。

主要研究系統的輸入輸出特性。

可用低階微分方程（或差分方程）來描述簡單的SISO系統，可靠手算分析，這就是最初的時域法。數字控制器

必須用高階微分（動態）方程來描述復雜的SISO系統，計算機輔助分析，狀態空間法。

多輸入多輸出系統（MIMO-Multi-inputandmulti-output）——多信號、多回路、多變量且相互之間還有關聯（耦合）的復雜控制系統。

不局限于研究輸入輸出特性，而關注內部狀態的運動規律以及相互之間的關系，使系統在一定的控制約束和某種性能指標下實現最優控制。分析方法——以狀態空間為基礎的“現代控制理論”。……………控制器被控對象測量陣列反饋陣列……

控制擾動量狀態輸入量作用變量輸出量r(t)u(t)x(t)y(t)1.3.4線性系統和非線性系統線性系統——系統各環節的輸入輸出特性是線性的，可以用線性微分（或差分）方程來描述。線性定常（時不變）：線性常微分方程。線性時變系統：線性微分方程的系數是時間函數。主要特點：

可以應用疊加和齊次性原理來處理輸入輸出之間的關系，以傳遞函數為基礎的經典控制理論是其主要研究依據。輸出輸出輸出輸出

輸入輸入輸入輸入（a）（b）（c）（d）圖1-14常見的非線性系統特性

非線性系統——在動態系統中，只要有一個元器件的輸入輸出特性是非線性的，就稱為非線性系統，用非線性微分（或差分方程）來描述。

不適用疊加和齊次性原理。

非本質非線性：可在工作點附近的小鄰域內線性化。本質非線性：工作點的定義域內存在間斷點，不是連續可微。需要專門的處理方法，例如描述函數法和相平面法等，目前較實用并有效地模糊控制。

1.3.5其它類型

確定性系統和隨機系統

（數理統計、現代控制理論中的模型辨識和現代控制工程中的自適應控制方法）集中參數系統和分布參數系統4對控制系統的要求和本書內容簡介

對控制系統的要求：穩態性能（精度）：輸出響應的穩態誤差。穩定性：系統能夠正常工作的基本前提動態性能：系統輸出響應的快速性和超調量

控制系統設計：必須滿足動、靜態性能指標的要求，但是兩者之間常有矛盾：穩態精度很高的系統容易導致動態品質惡化，甚至不穩定。動態性能好的系統有可能達不到高穩態精度的要求。為了解決這個矛盾就必須合理地設計控制器，對系統性能進行綜合校正，這正是控制系統設計的核心內容。

自動控制理論