上海交通大学机械与动力工程学院
控制理论基础 (I)
第一章 绪论
Part 1.2 控制系统的基本常识 1.2.1 控制系统的工作原理、正负反馈 1.2.2 控制系统的基本形式 1.2.3 闭环控制系统的详细组成
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第一章 绪论
Part 1.3 控制理论的中心问题 稳定性： 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能 力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能 随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。 稳定性是控制系统正常工作的先决条件(美国V22垂 直起降飞机不稳定的实例)。 控制系统的稳定性是由系统的结构所决定的，与 外界因素无关。
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第一章 绪论
Part 1.2.1 控制系统的工作原理
! Two Daily Examples
恒稳箱温度控制 人工控温 自动控温 水箱液位控制 人工、自动控制
! 控制系统的工作原理
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第一章 绪论
精确性： 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，系统输出的实际值与给定量之间的差值。
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。
闭环控制系统方块图
!：建立起输出量与控制量之间的联系→对外部扰动和系统参数 变化不敏感
?：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦
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第一章 绪论
开环控制
控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向 联系且控制单方向进行。
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1给定元件： 产生给定信号或输入信号。 2反馈元件： 测量被控制量（输出量），产生反馈信 号。为便于传输，反馈信号通常为电信 号。
第一章 绪论
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 物理量(如作用力与反作用力)相互作用而产生的直接反馈。 3比较元件： 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。 4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。 5执行元件： 直接对受控对象进行操纵的元件，如电动机、液压马达等。
实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰 动和外部扰动。但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与 被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控 制对象的干扰。
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第一章 绪论
正/负反馈液位控制系统
负反馈
l1 Q1 Q1 H H
正反馈
l1
l2
Q2
l2
Q2
关键：是否有利于消除偏差 !!
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第一章 绪论
[实质] 检测偏差，根据 偏差调整控制量， 从而纠正偏差。
系统方块图（Block Diagram）
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第一章 绪论
由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预 计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考 输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏 差，故称之为反馈控制。
显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式 是“检测偏差，根据偏差调整控制量，从而纠正 偏差”。
开环控制系统方块图 !：控制量只取决于给定量，而输出量对控制量没有任何影响 ?：精度这么保证(完全取决于元件制造精度、按装精度)
扰动(内、外饶)；制造误差、磨损老化→对输出的影响一旦形 成，就难于自动消除或减弱
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自动控制 :
在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置 （称 控制装置或控制器 ）, 使机器、设备或生产过程 （被控对象）的某个工作状态或参数（即 被控量）自动 地按照预定的规律运行。
例2.[程控机床]:自动进刀切削，加工出预期的几何形 状直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。
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例：液位控制
原 型 ： 古 代 水 钟 “ 铜 壶 滴 漏 ”
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Q1
H2
Q2
H1
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[实质] 检测偏差，根基偏 差调整控制量，从 而纠正偏差。 系统原理方块图
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开环控制
优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参 数值比较稳定，在外界干扰较小的情况下，开环 控制能够保持一定的精度。 缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。
闭环控制
优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感。 缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和 设计麻烦。
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2.恒温箱自动控制系统
[动态过程]
恒温箱实际温度由热电 偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电 压u1给定，并与实际 温度u2比较得到温度 偏差信号u=u1-u2 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。
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第一章 绪论
控制系统的工作原理、正负反馈的概念
从恒温箱控制系统的原理框图可见：
给定量位于系统的输入端，称为系统输入量，也称为参考信 号(reference)。 控制作用位于控制对象的输入端，称为系统控制量，也称为 控制信号(control)。
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第一章 绪论
6校正元件： 用以改善系统控制质 量的装置。 校正元件分为串联和并联两种。 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共 同起控制作用，统称为控制器。
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第一章 绪论
程序控制 按照预先确定的时空顺序，或按照一定逻辑顺 序，逐次对各个阶段进行控制。
顺序(时空)控制：某个 运行状态经过规定的 时间或空间后，执行 下一个运行状态
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第一章 绪论
例：1.恒温箱自动控制系统
[动态过程] 观测恒温箱内的温度（被控制量）
1 2
与要求的温度（给定值）进行比 较得到温度偏差的大小和方向
3
根据偏差大小和方向调节调压器， 控制加热电阻丝的电流（控制量） 以调节温度回复到要求值。
[实质] 检测偏差，根据偏差调整控 制量，从而纠正偏差。
光盘粗精定位
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Break
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Part 1.2.3 闭环控制系统的详细组成
闭环控制系统的详细组成
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第一章 绪论
汽车发动机控制系统 理想空气燃料比： 14.6 燃料控制： 前馈控制 气流传感器 喷嘴 燃料比控制： 反馈控制 O2传感器 喷嘴
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第一章 绪论
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2009.10.
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