控制系统导论

第一章飞行控制系统概述1.1飞行器自动控制1.1.1飞行控制系统的功能随着飞行任务的不断复杂化，对飞机性能的要求越来越高，不仅要求飞行距离远（例如运输机），高度高（高空侦察机），而且还要求飞机有良好的机动性（例如战斗机）。

为了减轻驾驶员在长途飞行中的疲劳，或使驾驶员集中精力战斗，希望用自动控制系统代替驾驶员控制飞行，并能改善飞机的飞行性能。

这种系统就是现代飞机上安装的飞行自动控制系统。

飞行控制系统的功能归结起来有两点：1）实现飞机的自动飞行；2）改善飞机的飞行性能。

飞机的自动飞行控制系统在无人参与的情况下，自动操纵飞机按规定的姿态和航迹飞行，通常可实现对飞机的三轴姿态角和飞机三个方向的空间位置的自动控制与稳定。

例如，无人驾驶飞行器（如无人机或导弹等），实现完全的飞行自动控制；对于有人驾驶的飞机（如民用客机或军用飞机），虽然有人参与驾驶，但某些飞行阶段（如巡航段），驾驶员可以不直接参与操纵，而由飞行控制系统实现对飞机飞行的自动控制，但驾驶员应完成对自动飞行指令的设置和监督自动飞行的情况，并可以随时切断自动控制而实现人工驾驶。

采用自动飞行具有以下优点：1）长距离飞行时解除驾驶员的疲劳，减轻驾驶员的工作负担；2）在一些恶劣天气或复杂的环境下，驾驶员难于精确控制飞机的姿态和航迹，自动飞行控制系统可以精确对飞机姿态和航迹的精确控制；3）有一些飞行操纵任务，驾驶员难于精确完成，如进场着陆，采用自动飞行控制则可以较好地完成任务。

一般来说，飞机的性能和飞行品质是由飞机本身气动特性和发动机特性决定的，但随着飞机飞行高度及飞行速度的增加，飞机的自身特性将会变坏。

如飞机在高空飞行时，由于空气稀薄，飞机的阻尼特性变坏，致使飞机角运动产生严重的摆动，靠驾驶员人工操纵将会很困难。

此外，设计飞机时，为了减小质量和阻力，提高有用升力，将飞机设计成静不稳定的。

对于这种静不稳定的飞机，驾驶员是难于操纵的。

在飞机上采用增稳系统或阻尼系统可以很好地解决这些问题。

控制科学与工程专业介绍控制科学与工程是一门研究控制的理论、方法、技术及其工程应用的学科。

它是20世纪最重要的科学理论和成就之一，它的各阶段的理论发展及技术进步都与生产和社会实践需求密切相关。

11世纪我国北宋时代发明的水运仪象台就体现了闭环控制的思想。

到18世纪，近代工业采用了蒸汽机调速器。

但直到20世纪20年代逐步建立了以频域法为主的经典控制理论并在工业中获得成功应用，才开始形成一门新兴的学科——控制科学与工程。

此后，经典控制理论继续发展并在工业中获得了广泛的应用。

在空间技术发展的推动下，50年代又出现了以状态空间法为主的现代控制理论，并相继发展了若干相对独立的学科分支，使本学科的理论和研究方法更加丰富。

60年代以来，随着计算机技术的发展，许多新方法和技术进入工程化、产品化阶段，显著加快了工业技术更新的步伐。

在控制科学发展的过程中，模式识别和人工智能与控制相结合的研究变得更加活跃；由于对大系统的研究和控制学科向社会、经济系统的渗透，形成了系统工程学科。

特别是近20年来，非线性及具有不确定性的复杂系统向“控制科学与工程”提出了新的挑战，进一步促进了本学科的迅速发展。

目前，本学科的应用已经遍及工业、农业。

交通、环境、军事、生物、医学、经济、金融、人口和社会各个领域，从日常生活到社会经济无不体现本学科的作用。

控制科学以控制论、信息论、系统论为基础，研究各领域内独立于具体对象的共性问题，即为了实现某些目标，应该如何描述与分析对象与环境信息，采取何种控制与决策行为。

它对于各具体应用领域具有一般方法论的意义，而与各领域具体问题的结合，又形成了控制工程丰富多样的内容。

本学科的这一特点，使它对相关学科的发展起到了有力的推动作用，并在学科交叉与渗透中表现出突出的活力。

例如：它与信息科学和计算机科学的结合开拓了知识工程和智能机器人领域。

与社会学、经济学的结合使研究的对象进入到社会系统和经济系统的范畴中。

与生物学、医学的结合更有力地推动了生物控制论的发展。

自动化专业导论认知学校：专业年级：姓名：摘要：随着21世纪经济的快速发展，科学技术的革新也日新月异，自动化技术也日趋成熟，应用领域也更加广泛，应用前景大好。

人们也力求使生产发展变得更加快捷准确，处理过程更加自动一体化，减少人力劳动。

本文主要介绍进行了自动化专业导论学习后对本专业的认识和感悟和发展。

关键字：快捷准确、自动、认知、发展自动化介绍：自动化(Automation)，是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动的进行操作或运行。

广义地讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。

机器或装备在无人干预的情况下按照规定的程序或指令制动进行操作或控制的过程。

自动化技术广泛运用于工业、农业、军事、科学研究、商业、医疗、服务和家庭等方面。

采用自动化技术不仅可以让人从繁重的体力、部分脑力劳动和恶劣、危险的工作环境中解放出来，还可以提高工作的准确性与连贯性，更能提高工作效率，提高生产力。

自动化技术的覆盖程度也是衡量一个企业发展能力的一项重要指标。

自动化发展简介：自动化技术的发展历史，大致可以划分为自动化的形成、局部自动化和综合自动化三个时期。

自动化技术形成时期(18世纪末～20世纪30年代)1788年英国机械师J.瓦特发明离心式调速器(又称飞球调速器)﹐并把它与蒸汽机的阀门连接起来﹐构成蒸汽机转速的闭环自动控制系统。

瓦特的这项发明开创了近代自动调节装置应用的新纪元﹐对第一次工业革命及后来控制理论的发展有重要影响。

局部自动化时期(20世纪40～50年代)第二次世界大战时期形成的经典控制理论对战后发展局部自动化起了重要的促进作用。

在第二次世界大战期间，每一项新科技的产生都将最先服务于军事，在敌我双方的科技较量中，不断促进科技的发展。

即使是现如今，越来越多得国家都希望军队更加自动化，如无人机的发展，按照预设指令进行目标打击，本方还不存在伤亡问题。

综合自动化时期(20世纪50年代末起至今)20世纪50年代末空间技术迅速发展﹐迫切需要解决多变量系统的最优控制问题。

教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）负反馈原理——构成闭环控制系统的核心把系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。

负反馈控制系统的特点——按偏差控制的具有负反馈的闭环系统1）有反馈，信号流动构成闭回路。

2）按偏差进行控制。

对应的系统方框图为：由原理图画方块图的步骤：①看懂工作原理图，找出被控量、被控对象、给定量。

②从两头来，先画出给定量、被控对象和被控量。

③依原理图补上中间部分。

4.反馈控制系统的基本组成①测量元件：测量被控量②比较元件：产生偏差信号③放大元件：对偏差信号进行幅值、功率放大④执行机构：对被控对象施加作用⑤校正元件：改善系统性能⑥给定元件：给出输入信号5.自动控制系统的基本控制方式a.开环（信号单向流动）特点：简单、稳定、精度低。

b.闭环（信号有反向作用）特点：复杂、抗干扰能力强、精度高、有稳定性问题。

c.复合（前向联系、反向作用）特点：性能要求高时用之。

1-2 自动控制系统实例1.函数记录仪（P.7-8）2教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）2.电阻炉微型计算机温度控制系统（P.8-9）3.锅炉液位控制系统（P.9-10）1-3自控系统的分类1.线性连续控制系统微分方程：)()()()()()()()(1111txtadttdxtadttxdtadttxdtacncnncnncn++++---=)()()()()()()()(1111txtbdttdxtbdttxdtbdttxdtbrmrnmrmmrm++++---式中)(txr——系统的输入量；)(txc——系统的输出量。

系数a0(t)，a1(t)……a n(t)，b0(t)，b1(t)……b m(t)是常数时，称为定常系统，随时间变化时，称为时变系统。

定常系统分为：恒值系统、随动系统和程序控制系统1）恒值控制系统恒值系统的给定量是恒定不变的，如恒速、恒温、恒压等自动控制系统，这种系统的输出量也应是恒定不变的。

第一章1. 系统思想发展三阶段：即只见森林（朴素的系统思想）-只见树木-先见森林，后见树木（科学的系统思想）。

科学的系统思想核心和本质整体思想与联系思想2.老三论：一般系统论（贝塔朗菲）、控制论（维纳）、信息论（香农）新三论：耗散结构理论（I.普利高津）、协同学（H.哈肯）、突变论（R.托姆）3. 系统的定义：由两个以上相互关联的要素所构成的具备特定功能，结构，环境的整体。

一般属性：整体性：最基本、最核心，系统性最集中的体现。

关联性：构成系统的要素是相互联系，相互作用的；同时，所有要素均隶属于系统整体，并具有互动关系。

环境适应性：任何一个系统都存在于一定的环境中，并于系统产生物质，能量和信息交流，环境变化引起其变化目的性、层次性4.系统工程：是从总体出发，合理开发、运行和革新一个组织化大规模复杂系统所需思想、理论、方法论、方法与技术的总和（或总称）。

5.系统工程的基本思想(1) 整体性和系统化观点（工作的前提）(2) 总体最优或平衡协调观点（目的）(3) 多种方法综合运用的观点（解决问题的手段）(4) 问题导向及反馈控制观点（有效性的保障）6.系统工程的特点（与传区别）（1）系统工程采用先决定整体框架，后进入详细内部设计的程序；（2）系统工程试图通过将构成事物的要素的秩序加以适当的配置来提高整体的功能，其核心思想就是综合就是创造。

传统工程则坚持发明创造。

（3）系统工程是软科学。

7. 系统工程研究对象：组织化的大规模复杂系统。

研究方法：研究系统工程问题时，必须根据实际问题的需要灵活选择科学方法。

（1）描述系统工程问题的方法一般是定性描述与定量描述相结合，整体描述与局部描述相结合，确定性描述与不确定性描述相结合。

（2）分析研究系统工程问题的方法一般是模型分析与仿真实验型相结合，系统分析与系统集成相结合，系统评价与系统设计相结合。

对系统工程的认识：系统工程是一门交叉学科，是从整体出发，合理开发，运用和革新一个大规模复杂系统，所需思想，理论，方法的集合。

第一章 概论 习题及及解答1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统实例，并说明它们的工作原理。

略1-2. 图1-17是液面自动控制系统的两种原理示意图。

在运行中，希望液面高度0H 维持不变。

1．试说明各系统的工作原理。

2．画出各系统的方框图，并说明被控对象、给定值、被控量和干扰信号是什么?()a 工作原理：出水量2θ与进水量一致，系统处于平衡状态，液位高度保持在0H 。

当出水量大于进水量，液位降低，浮子下沉，通过连杆使阀门1L 开大，使得进水量增大，液位逐渐回升；当出水量小于进水量，液位升高，浮子上升，通过连杆使阀门1关小，液位逐渐降低。

其中被控对象是水槽，给定值是液面高度希望值0H 。

被控量是液面实际高度，干扰量是出水量2θ。

()b 工作原理：出水量与进水量一致系统处于平衡状态，电位器滑动头位于中间位置，液面为给定高度0H 。

当出水量大于（小于）进水量，浮子下沉（上浮）带动电位器滑动头向上（下）移动，电位器输出一正（负）电压，使电动机正（反）转，通过减速器开大（关小）阀门1L ，使进水量增大（减小），液面高度升高（降低），当液面高度为0H 时，电位器滑动头处于中间位置，输出电压为零，电动机不转，系统又处于平衡状态。

其中被控对象是水槽，给定值为液面高度希望值0H ，被控量是液面实际高度，干扰量是出水量2θ。

()a ，()b 系统结构图如下图1-3 什么是负反馈控制?在图1-17(b)系统中是怎样实现负反馈控制的?在什么情况下反馈极性会误接为正，此时对系统工作有何影响?解：负反馈控制就是将输出量反馈到输入端与输入量进行比较产生偏差信号，利用偏差信号对系统进行调节，达到减小或消除偏差的目的。

图1-17()b系统的输出量液面实际高度通过浮子测量反馈到输入端与输入信号（给定液面高度）进行比较，如果二者不一致就会在电位器输出一电压值——偏差信号，偏差信号带动电机转动，通过减速器使阀门1开大或关小，从而进入量改变，当输出量——液面实际高度与给定高度一致偏差信号为0，电机，减速器不动，系统又处于平衡状态。