控制工程基础第一章复习PPT
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控制工程基础课件第一章绪论
19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从1960年到1980，确定线性系统、随机系统的最佳控制及复杂系统的自适应和智能控制，都得到充分的研究。从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。
按给定量的特点来分：
（1）连续控制系统：系统的各环节输入量与输出量是信号连续的系统称为～
按系统反应特性来分
（2）离散控制系统：系统的各环节输入量、输出量信号是离散的系统称为～（如采样信号）
三 反馈控制系统的基本组成
1. 组成：给定元件、比较元件、反馈元件、放大元件、执行元件、控制对象及校正元件。
②闭环控制系统：反馈控制系统也称为闭环控制系统，是指系统的输入端与输出端之间存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响，其作用应用反馈来减少偏差，但不能消除偏差。
(1)开环控制系统特点 抗干扰能力差，控制精度低，但结构简单，调整方便，成本低，无自动纠偏能力。
(2)闭环控制系统特点 抗干扰能力强，控制精度高，结构复杂，能自动纠偏。 缺点：由于引入反馈，存在稳定、振荡和超调等问题，设计分析比较复杂。
人工控制恒温箱系统功能框图
总结： 人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差
（2）自动控制系统
恒温箱的自动控制系统原理图
恒温箱自动控制系统工作原理：（1）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压 U2（2）恒温箱期望温度由U1给定，并与实际温度U2 比较得到温度偏差信号△U＝U1 - U2（3）温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之，加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差△U＝0，电机停止转动。
控制工程基础ppt - 第一章
高压供油路
发动机
喷油泵
离心式飞锤调速器
ห้องสมุดไป่ตู้
自动控制理论的发展过程
§1-1 控制系统的 基本工作原理
一 反馈控制原理
－
＋
给定信号
执行电动机 减速器
ui 比较 ⊿u ub 电压 放大器 功率 放大器
例：恒温炉自动控制系统
－ ＋
∆u = ui − ub
T
热电偶 加热电阻丝 调压器
～220V
恒温炉自动控制系统
开环控制系统的应用： 开环控制系统常用于，预知期望输出且扰动很小，或扰动虽大，但预知其 变化规律，从而能够加以补偿的场合。
扰 动
输入
控制器
被控对象
输出
二 按期望输出的类型分类 1 自动调节系统 若期望输出是常量，系统在有干扰的情况下，能使实际输出相当精确 地保持等于期望输出，则称该系统为自动调节系统（或恒值控制系统）。 自动调节控制系统应该是闭环控制系统。 2 随动系统 若期望输出经常发生变化，且不能预知其变化规律，系统能使实际输 出以一定的精度，及时跟随期望输出，则该系统称为随动系统。 随动系统的输出一般是机械量：位移、速度、加速度，此时又称其为 伺服系统，如： 雷达跟踪系统 火炮瞄准系统 舰船操纵系统
固有反馈（内在反馈） 由于系统本身固有的、内在相互作用而形成的反馈；
§1-2. 自动控制系统的基本类型
一 按反馈的情况分类 1 闭环控制系统 闭环控制系统 具有为控制目的而特意设置的主反馈（负反馈）的 控制系统，又称反馈控制系统。
给定元件
接受指令 指令并将其转换为输入的元件； 指令 指令是表示期望输出的信息。 指令 反馈元件 检测输出并将其转化为反馈的元件； 比较元件 将输入与反馈进行比较，并得出偏差的元件； 从广义上讲，比较元件是对信息进行合成的元件。 放大及运算元件 将比较元件传递来的偏差 偏差，进行转换和放大的元件； 偏差 执行元件 接受放大及运算元件传递来的信息，直接操纵被控对象的 元件； 被控对象 控制系统中需要被控制的某种设备或过程，其输出就是被 控量；
控制工程基础总复习课件
通过分析非线性控制系统的平衡状态 和局部行为，利用李雅普诺夫第二方 法构造合适的李雅普诺夫函数来判断 系统的稳定性。
05 控制系统性能评 估与优化
控制系统性能评估方法
阶跃响应法
脉冲响应法
通过分析系统的阶跃响应曲线，评估系统 的稳定性和性能。阶跃响应曲线可以反映 系统的动态特性和稳态误差。
通过分析系统的脉冲响应曲线，评估系统 的动态特性和稳态误差。脉冲响应曲线可 以反映系统对单位脉冲输入的响应过程。
根据系统性能指标和控制器要求，对校正装置的参数进行设计，以 达到最优的控制效果。
校正装置稳定性分析
对校正装置进行稳定性分析，确保校正装置在各种工况下都能保持 稳定。
04 控制系统稳定性 分析
李雅普诺夫稳定性理论
定义
如果一个动态系统在初始条 件扰动下，其状态变量或输 出变量在无限时间范围内趋 于零或保持有限值，则称该
02 根据系统性能指标和被控对象特性，对控制器的参数
进行整定，以达到最优的控制效果。
控制器稳定性分析
03
对控制器进行稳定性分析，确保控制器在各种工况下
都能保持稳定。
校正装置设计
确定校正装置类型
根据系统性能指标和控制器要求，选择合适的校正装置类型，如 反馈控制器、超前校正器、滞后校正器等。
设计校正装置参数
系统是稳定的。
类型
根据初始条件扰动的大小， 李雅普诺夫将稳定性分为小
扰动稳定和大扰动稳定。
方法
李雅普诺夫第一方法和第二 方法，分别通过构造李雅普 诺夫函数来证明系统的稳定 性。
线性系统的稳定性分析
定义
线性控制系统是指系统的动态方程可表示为线性微分 方程或差分方程的形式。
类型
根据线性控制系统的特点，系统的稳定性可以分为平 凡稳定、指数稳定和非平凡稳定。
05 控制系统性能评 估与优化
控制系统性能评估方法
阶跃响应法
脉冲响应法
通过分析系统的阶跃响应曲线，评估系统 的稳定性和性能。阶跃响应曲线可以反映 系统的动态特性和稳态误差。
通过分析系统的脉冲响应曲线，评估系统 的动态特性和稳态误差。脉冲响应曲线可 以反映系统对单位脉冲输入的响应过程。
根据系统性能指标和控制器要求，对校正装置的参数进行设计，以 达到最优的控制效果。
校正装置稳定性分析
对校正装置进行稳定性分析，确保校正装置在各种工况下都能保持 稳定。
04 控制系统稳定性 分析
李雅普诺夫稳定性理论
定义
如果一个动态系统在初始条 件扰动下，其状态变量或输 出变量在无限时间范围内趋 于零或保持有限值，则称该
02 根据系统性能指标和被控对象特性，对控制器的参数
进行整定，以达到最优的控制效果。
控制器稳定性分析
03
对控制器进行稳定性分析，确保控制器在各种工况下
都能保持稳定。
校正装置设计
确定校正装置类型
根据系统性能指标和控制器要求，选择合适的校正装置类型，如 反馈控制器、超前校正器、滞后校正器等。
设计校正装置参数
系统是稳定的。
类型
根据初始条件扰动的大小， 李雅普诺夫将稳定性分为小
扰动稳定和大扰动稳定。
方法
李雅普诺夫第一方法和第二 方法，分别通过构造李雅普 诺夫函数来证明系统的稳定 性。
线性系统的稳定性分析
定义
线性控制系统是指系统的动态方程可表示为线性微分 方程或差分方程的形式。
类型
根据线性控制系统的特点，系统的稳定性可以分为平 凡稳定、指数稳定和非平凡稳定。
控制工程基础-第一章
15
自动控制技术的产生与发展
标志性的成果
1.1947年控制论的奠基人美国 数学家维纳（N.Weiner）把控制 论引起的自动化同第二次产业革 命联系起来，并与1948年出版了 《控制论—关于在动物和机器中 控制与通讯的科学》，书中论述 了控制理论的一般方法，推广了 反馈的概念，为控制理论这门学 科奠定了基础。
控制论之父——维纳
2020/4/15
北京科技大学信息工程学院自动化系
美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法 (1942)
N.B. Nichols
美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出 Wiener滤波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics) 一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。
1948年伊万斯（W.R.Evans）提出了复数域内 研究系统的根轨迹法。
建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨 迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论 （或自动控制原理）。
2020/4/15
北京科技大学信息工程学院自动化系
14
自动控制技术的产生与发展
美国贝尔实验室的H. Bode(1938)提出 频率响应法。
• 控制工程基础是一门技术学科，研究系统的建立、 分析与设计； 是本学科的技术基础课。
• 自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中 发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类 可以从笨重、重复性的劳动中解放出来，从事更 富创造性的工作。
• 自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人 瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的 产业革命的关键技术。
2020/4/15
控制工程基础PPT课件(王积伟)第一章控制系统的基本概念
2/4/2024
20
第一章 控制系统的基本概念
输入量 控制器
输出量 对象或过程
反馈量 测量元件
闭环控制系统框图
➢ 半闭环控制系统 特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。
2/4/2024
21
第一章 控制系统的基本概念 闭环控制系统的组成
比较
给定 元件
+ 元件
_
串联校正 元件
输入信号 偏差信号
2/4/2024
31
第一章 控制系统的基本概念
准确性 控制精度，以稳态误差来衡量。 稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋 于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量 之间的差值。
2/4/2024
32
第一章 控制系统的基本概念
快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏 差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。
注意：在机械、液压、气动、机电等系统中 存在着内在反馈，这种反馈无须专门 的反馈元件，是系统内部各参数相互 作用产生的，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。
2/4/2024
23
第一章 控制系统的基本概念
➢ 比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差 信号；
➢ 放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能。
系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分 地返回，并作用于系统，即输出量的返回过程称 为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
2/4/2024
9
第一章 控制系统的基本概念
综上所述，控制系统的工作原理： ➢检测输出量（被控制量）的实际值 ➢将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比
较得出偏差； ➢用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得
控制工程基础复习大纲及试题汇总精品PPT课件
输出量 被控对象
主反馈
局部反馈
反馈
补偿元件
测量元件
09.10.2020
图1－4反馈控制系统基本组成
控制工程基础讲义
第二章 控制系统的数学模型
09.10.2020
控制工程基础讲义
本章主要内容
1. 时域数学模型——微分方程 的建立与求解（掌握） 2. 频域数学模型——传递函数（掌握） 3. 控制系统的结构图-等效变换 （掌握） 4. 控制系统的信号流图与梅逊公式 （掌握） 5. 脉冲响应（了解）
控制工程基础讲义
反馈控制系统的方框图
系统方框图
为了清楚地表示控制系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系，画出
的控制系统元件作用图称为系统方框图。共有四种图例：
（1）装置用方框表示 （2）信号用带箭号的线段表示
（3）信号引出点
（4）信号相加点（比较点）
为改善系统性能
输入量
串联 补偿元件
放大元件
执行元件
09.10.2020
控制工程基础讲义
历年试题2
【题】在下列RLC电路图中，输入量是电压u(t)，输出量是 电容C上的电压uc(t)。
• 1、 试根据电路的基本原理，建立描述电路输入量与输出 量间运动关系的微分方程。
2、利用Laplace变换，求出该电路系统的传递函数模型。
L
i(t)
输入
u(t)
C R
结构图-等效变换
• 结构图的概念和绘制方法； （掌握） • 结构图的等效变换（环节的合并和分支点、相加
点的移动）； （掌握） • 闭环系统的传递函数（给定作用和扰动作用共同
下）； （掌握） • 特征表达式（特征方程） （掌握）
09.10.2020
控制工程基础课件第一章
§1.2 自动控制系统的基本概念
反馈(Feedback)就是指输出量通过适当的检测装置将信号全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。
反馈控制原理：基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理
负反馈(Negative Feedback)是指反馈信号与系统的输入信号的方向相反的反馈形式。
在开车过程中，司机用眼睛观察转速表上的实际车速并由大脑将实际车速与希望车速进行比较，大脑根据比较后的偏差对脚发出指令，控制油门踏板，从而使实际车速与希望车速一致。在这里人与车构成了一个系统。在该系统中，眼睛将实际车速这一信息送入大脑并与大脑中储存的车速信息进行比较，这一过程就是信息反馈过程。
输入量
输出量
在上述系统中，人直接参与了反馈控制过程，因此这是一个人工反馈控制系统。在自动控制系统中，反馈是用自动控制元件完成的。现以恒温箱温度自动控制为例，说明自动控制系统的控制过程。
输入量
输出量
例：恒温箱控制系统
T
t
二、开环控制与闭环控制
§1.2 自动控制系统的基本控制，如图 输入信号：电流 （时间的函数） 控制装置：开关 ，电阻丝 被控对象：炉子 输出信号：炉温 特点：控制装置只按照给定的输入信号对被控对象进行单向的控制，被控对象的输出不影响控制。
本课程主讲内容：
第一章：控制理论的基本概念 开、闭环，分类，基本要求 第二章：数学模型
微分方程 传递函数 结构图 信号流程图
根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。 “经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，主要研究单输入，单输出这类控制系统的分析和设计问题。
“现代控制理论”是在“经典控制理论”的基础上，于60年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础，研究多输入，多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课题，近代计算机技术和现代应用数学的结合，又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大发展。
反馈(Feedback)就是指输出量通过适当的检测装置将信号全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。
反馈控制原理：基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理
负反馈(Negative Feedback)是指反馈信号与系统的输入信号的方向相反的反馈形式。
在开车过程中，司机用眼睛观察转速表上的实际车速并由大脑将实际车速与希望车速进行比较，大脑根据比较后的偏差对脚发出指令，控制油门踏板，从而使实际车速与希望车速一致。在这里人与车构成了一个系统。在该系统中，眼睛将实际车速这一信息送入大脑并与大脑中储存的车速信息进行比较，这一过程就是信息反馈过程。
输入量
输出量
在上述系统中，人直接参与了反馈控制过程，因此这是一个人工反馈控制系统。在自动控制系统中，反馈是用自动控制元件完成的。现以恒温箱温度自动控制为例，说明自动控制系统的控制过程。
输入量
输出量
例：恒温箱控制系统
T
t
二、开环控制与闭环控制
§1.2 自动控制系统的基本控制，如图 输入信号：电流 （时间的函数） 控制装置：开关 ，电阻丝 被控对象：炉子 输出信号：炉温 特点：控制装置只按照给定的输入信号对被控对象进行单向的控制，被控对象的输出不影响控制。
本课程主讲内容：
第一章：控制理论的基本概念 开、闭环，分类，基本要求 第二章：数学模型
微分方程 传递函数 结构图 信号流程图
根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。 “经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，主要研究单输入，单输出这类控制系统的分析和设计问题。
“现代控制理论”是在“经典控制理论”的基础上，于60年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础，研究多输入，多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课题，近代计算机技术和现代应用数学的结合，又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大发展。
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6
作业
1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。 答：优点：开环控制系统无反馈回路，结构简单，成本较低。
缺点：控制精度低，容易受到外界干扰，输出一旦出现误 差无法补偿。 1-2 说明负反馈的工作原理及其在自动控制系统中的应用。 答：测量元件检测被控物理量，并将其反馈回来，通过给比较 元件与给定信号进行比较，产生偏差信号。再通过放大元件将 偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控 对象，从而调节和控制系统，使被控量以一定的精度符合或等 于类
（一）按给定信号的特征分类 1. 恒值控制系统；2. 随动控制系统；3. 程序控制系统
（二）按系统的数学描述分类 1. 线性系统；2. 非线性系统
（三）按系统传递信号的性质分类 1. 连续系统；2. 离散系统
（四）按系统的输入与输出信号的数量分类 1. 单输入单输出系统；2. 多输入多输出系统
控制工程基础
第一章 绪论 小结与习题解答
2011年2月
1
内容提要
一、基本概念
1.控制：由人或用控制装置使受控对象按照一定目的来动作所进 行的操作。 2.输入信号：人为给定的，又称给定量。 3.输出信号：就是被控制量。它表征对象或过程的状态和性能。
4.反馈信号：从输出端或中间环节引出来并直接或经过变换以后 传输到输入端比较元件中去的信号，或者是从输出端引出来并 直接或经过变换以后传输到中间环节比较元件中去的信号。 5.偏差信号：比较元件的输出（等于输入信号与主反馈信号之 差）。 6.误差信号：输出信号的期望值与实际值之差。
信号传输通道的差别：正向通道-反馈通道。 系统结构的差别：给定环节,比较环节、检测环节。 控制方式的差别: 人工控制 - 自动控制
3
内容提要
三、反馈控制系统的基本组成 （框图、各环节的作用） 1.给定元件：用于给出输入信号的环节，以确定被控对象的
目标值（或称给定值）。 2.测量元件：用于检测被控量，通常出现在反馈回路中。 3.比较元件：用于把测量元件检测到的实际输出值经过变换
7
1-3 控制系统有哪些基本组成元件？这些元件的功能是什么？
答：反馈控制系统是由各种结构不同的元件组成的。一个系统必然包 含被控对象和控制装置两大部分，而控制装置是由具有一定职能的各 种基本元件组成的。在不同系统中，结构完全不同的元件却可以具有 相同的职能，因此将组成系统的职能元件按职能分类主要有：
9
1-6 试说明如题图1-6(a)所示液面 自动控制系统的工作原理。若将系 统的结构改为如题图1-6(b)所示， 将对系统工作有何影响？
答：（a）图所示系统，当出水阀门
关闭时，浮子处于平衡状态，当出水 阀门开启，有水流出时，水槽中的水 位下降，浮子也会下降，通过杠杆作 用，进水阀门开启，水流进水槽，浮 子上升。
（b）图所示系统，假设当前出水阀门关闭时，浮子处于平衡状态， 当出水阀门开启，有水流出时，水槽中的水位下降，浮子也会下降， 通过杠杆作用，进水阀门会随着水的流出而逐渐关闭，直至水槽中 的水全部流出。
10
1-7 某仓库大门自动控 制系统的原理如题图 1-7 所示，试说明自 动控制大门开启和关 闭的工作原理，并画 出系统方框图。
执行元件：用于直接驱动被控对象，使被控量发生变化。
校正元件：亦称补偿元件，它是在系统基本结构基础上附加的元部件， 参数可灵活调整，以改善系统的性能。
8
1-4 对自动控制系统基本的性能要求是什么？最首要的要求是什么？
答：基本性能要求：稳、快、准。最首要的要求是稳定。
1-5 日常生活中有许多闭环和开环控制系统，试举几个具体例子，并说 明它们的工作原理。
（五）按微分方程的性质分类 1. 集中参数系统；2. 分布参数系统
5
内容提要
五、对控制系统的性能要求
1. 稳定性：指系统重新恢复稳态的能力。稳定 是控制系统正常工作的先决条件。 2. 快速性：指稳定系统响应的动态过程的时间 长短。 3. 准确性：指控制系统进入稳态后，跟踪给定 信号或纠正扰动信号影响的准确度。
与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。 4.放大元件：用于将比较元件给出的偏差信号进行放大，以
足够的功率来推动执行元件去控制被控对象。 5.执行元件：用于直接驱动被控对象，使被控量发生变化。 6.校正元件：亦称补偿元件，它是在系统基本结构基础上附
加的元部件，其参数可灵活调整，以改善系统的性能。
答：开环控制系统：例如传统的洗衣机，它按洗衣、清水、去水、干衣 的顺序进行工作，无须对输出信号即衣服的清洁程度进行测量；又如简 易数控机床的进给控制，输入指令，通过控制装置和驱动装置推动工作 台运动到指定位置，而位置信号不再反馈。这些都是典型的开环系统。
闭环控制系统：以数控机床工作台的驱动系统为例。一种简单的控 制方案是根据控制装置发出的一定频率和数量的指令脉冲驱动步进电机， 以控制工作台或刀架的移动量，而对工作台或刀架的实际移动量不作检 测。这种控制方式简单，但问题是从驱动电路到工作台这整个“传递链” 中的任一环的误差均会影响工作台的移动精度或定位精度。为了提高控 制精度，采用反馈控制，以检测装置随时测定工作台的实际位置（即其 输出信息）；然后反馈送回输人端，与控制指令比较，再根据工作台实 际位置与目的位置之间的误差，决定控制动作，达到消除误差的目的， 检测装置即为反馈环节。
7.扰动信号：来自系统内部或外部的、干扰和破坏系统具有预定 性能和预定输出的信号。
2
内容提要
二、控制的基本方式
1.开环控制：系统的输出量对系统无控制作用，或者说系
统中无反馈回路的系统，称为开环控制系统。
2.闭环控制：系统的输出量对系统有控制作用，或者说系
统中存在反馈回路的系统，称为闭环控制系统。
3. 开环控制系统与闭环控制系统的主要区别
给定元件：用于给出输入信号的环节以确定被控对象的目标值（或称 给定值）。
测量元件：用于检测被控量，通常出现在反馈回路中。
比较元件：用于把测量元件检测到的实际输出值经过变换与给定元件 给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。
放大元件：用于将比较元件给出的偏差信号进行放大，以足够的功率 来推动执行元件去控制被控对象。
作业
1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。 答：优点：开环控制系统无反馈回路，结构简单，成本较低。
缺点：控制精度低，容易受到外界干扰，输出一旦出现误 差无法补偿。 1-2 说明负反馈的工作原理及其在自动控制系统中的应用。 答：测量元件检测被控物理量，并将其反馈回来，通过给比较 元件与给定信号进行比较，产生偏差信号。再通过放大元件将 偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控 对象，从而调节和控制系统，使被控量以一定的精度符合或等 于类
（一）按给定信号的特征分类 1. 恒值控制系统；2. 随动控制系统；3. 程序控制系统
（二）按系统的数学描述分类 1. 线性系统；2. 非线性系统
（三）按系统传递信号的性质分类 1. 连续系统；2. 离散系统
（四）按系统的输入与输出信号的数量分类 1. 单输入单输出系统；2. 多输入多输出系统
控制工程基础
第一章 绪论 小结与习题解答
2011年2月
1
内容提要
一、基本概念
1.控制：由人或用控制装置使受控对象按照一定目的来动作所进 行的操作。 2.输入信号：人为给定的，又称给定量。 3.输出信号：就是被控制量。它表征对象或过程的状态和性能。
4.反馈信号：从输出端或中间环节引出来并直接或经过变换以后 传输到输入端比较元件中去的信号，或者是从输出端引出来并 直接或经过变换以后传输到中间环节比较元件中去的信号。 5.偏差信号：比较元件的输出（等于输入信号与主反馈信号之 差）。 6.误差信号：输出信号的期望值与实际值之差。
信号传输通道的差别：正向通道-反馈通道。 系统结构的差别：给定环节,比较环节、检测环节。 控制方式的差别: 人工控制 - 自动控制
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内容提要
三、反馈控制系统的基本组成 （框图、各环节的作用） 1.给定元件：用于给出输入信号的环节，以确定被控对象的
目标值（或称给定值）。 2.测量元件：用于检测被控量，通常出现在反馈回路中。 3.比较元件：用于把测量元件检测到的实际输出值经过变换
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1-3 控制系统有哪些基本组成元件？这些元件的功能是什么？
答：反馈控制系统是由各种结构不同的元件组成的。一个系统必然包 含被控对象和控制装置两大部分，而控制装置是由具有一定职能的各 种基本元件组成的。在不同系统中，结构完全不同的元件却可以具有 相同的职能，因此将组成系统的职能元件按职能分类主要有：
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1-6 试说明如题图1-6(a)所示液面 自动控制系统的工作原理。若将系 统的结构改为如题图1-6(b)所示， 将对系统工作有何影响？
答：（a）图所示系统，当出水阀门
关闭时，浮子处于平衡状态，当出水 阀门开启，有水流出时，水槽中的水 位下降，浮子也会下降，通过杠杆作 用，进水阀门开启，水流进水槽，浮 子上升。
（b）图所示系统，假设当前出水阀门关闭时，浮子处于平衡状态， 当出水阀门开启，有水流出时，水槽中的水位下降，浮子也会下降， 通过杠杆作用，进水阀门会随着水的流出而逐渐关闭，直至水槽中 的水全部流出。
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1-7 某仓库大门自动控 制系统的原理如题图 1-7 所示，试说明自 动控制大门开启和关 闭的工作原理，并画 出系统方框图。
执行元件：用于直接驱动被控对象，使被控量发生变化。
校正元件：亦称补偿元件，它是在系统基本结构基础上附加的元部件， 参数可灵活调整，以改善系统的性能。
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1-4 对自动控制系统基本的性能要求是什么？最首要的要求是什么？
答：基本性能要求：稳、快、准。最首要的要求是稳定。
1-5 日常生活中有许多闭环和开环控制系统，试举几个具体例子，并说 明它们的工作原理。
（五）按微分方程的性质分类 1. 集中参数系统；2. 分布参数系统
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内容提要
五、对控制系统的性能要求
1. 稳定性：指系统重新恢复稳态的能力。稳定 是控制系统正常工作的先决条件。 2. 快速性：指稳定系统响应的动态过程的时间 长短。 3. 准确性：指控制系统进入稳态后，跟踪给定 信号或纠正扰动信号影响的准确度。
与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。 4.放大元件：用于将比较元件给出的偏差信号进行放大，以
足够的功率来推动执行元件去控制被控对象。 5.执行元件：用于直接驱动被控对象，使被控量发生变化。 6.校正元件：亦称补偿元件，它是在系统基本结构基础上附
加的元部件，其参数可灵活调整，以改善系统的性能。
答：开环控制系统：例如传统的洗衣机，它按洗衣、清水、去水、干衣 的顺序进行工作，无须对输出信号即衣服的清洁程度进行测量；又如简 易数控机床的进给控制，输入指令，通过控制装置和驱动装置推动工作 台运动到指定位置，而位置信号不再反馈。这些都是典型的开环系统。
闭环控制系统：以数控机床工作台的驱动系统为例。一种简单的控 制方案是根据控制装置发出的一定频率和数量的指令脉冲驱动步进电机， 以控制工作台或刀架的移动量，而对工作台或刀架的实际移动量不作检 测。这种控制方式简单，但问题是从驱动电路到工作台这整个“传递链” 中的任一环的误差均会影响工作台的移动精度或定位精度。为了提高控 制精度，采用反馈控制，以检测装置随时测定工作台的实际位置（即其 输出信息）；然后反馈送回输人端，与控制指令比较，再根据工作台实 际位置与目的位置之间的误差，决定控制动作，达到消除误差的目的， 检测装置即为反馈环节。
7.扰动信号：来自系统内部或外部的、干扰和破坏系统具有预定 性能和预定输出的信号。
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二、控制的基本方式
1.开环控制：系统的输出量对系统无控制作用，或者说系
统中无反馈回路的系统，称为开环控制系统。
2.闭环控制：系统的输出量对系统有控制作用，或者说系
统中存在反馈回路的系统，称为闭环控制系统。
3. 开环控制系统与闭环控制系统的主要区别
给定元件：用于给出输入信号的环节以确定被控对象的目标值（或称 给定值）。
测量元件：用于检测被控量，通常出现在反馈回路中。
比较元件：用于把测量元件检测到的实际输出值经过变换与给定元件 给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。
放大元件：用于将比较元件给出的偏差信号进行放大，以足够的功率 来推动执行元件去控制被控对象。