自动控制理论 第四章 控制系统的频域分析 4.4 开环频率特性

1.3 控制系统的分类

1.3控制系统的分类

自动控制系统可以按多种方法进行分类。以下是几种常见的分类方法。

1.3.1 线性系统与非线性系统

这是按照控制系统特性进行分类的方法。 线性控制系统是由线性元件构成的系统。线性元件是指输入和输出静特性的关系为线性的元件。也可以说，线性系统是可以用线性微分方程描述的系统。当线性微分方程的系数为常数时，称为线性定常系统，当线性微分方程的系数是时间的函数时，称为线性时变系统。线性系统的主要特点是满足叠加原理和齐次原理。叠加原理是指当系统有多个输入时，系统的输出等于每个输入单独作用下系统的输出之和。齐次原理是指当输入增大或缩小若干倍时，系统的输出也相应增大或缩小若干倍。所以，还可以这样说：凡是既满足叠加原理又满足齐次原理的系统就是线性系统。 若控制系统中至少含有一个非线性元件，系统就是非线性系统。或者说用非线性微分方程描述的系统就是非线性系统。非线性微分方程的特点是系数与方程变量有关。例如，非线性方程

　　(1.1)

可以改写成

　　(1.2)

式中项的系数就与方程的变量有关。 实际上理想的线性系统是不存在的，但在一定条件下，如变量在工作点附近做小范围的变化，或忽略系统中的一些次要的因素等，许多非线性系统可以近似为线性系统。线性系统在数学上处理较为容易，线性系统理论也相当成熟，而非线性系统目前还缺少统一的数学处理方法。本书所讨论的系统都是线性定常系统。

1.3.2  开环控制系统与闭环控制系统

这是按照控制系统结构进行分类的方法。 开环控制系统的原理如图1.5所示。图中，由于不存在从输出端到输入端的反馈回路，所以称为开环控制系统。

图1.5 开环控制系统的原理图

在开环控制系统中，控制变量u(t)只根据输入变量产生，输出变量y(t)在控制过程中对控制变量不产生影响。 开环控制系统比较简单，反应速度快。当控制系统受到各种扰动作用时，输出变量会产生一定的误差。开环控制在原理上没有修正误差的能力，这就影响了开环控制的精度。若要达到较高的控制精度，必须选用精度高、抗干扰能力强的元器件，这就增加了控制系统的投资。 开环控制系统的应用相当广泛，轻工、食品、机械加工、纺织等许多行业的自动生产线都是按开环控制设计的。家用洗衣机以及某些家用电器也是按开环系统设计的。 闭环控制是按偏差控制的，以检测偏差、消除偏差为特征。各种搅动对被控量产生的影响，都可以通过偏差检测出来，控制系统都能自动纠正。所以，闭环控制系统具有较强的抗干扰能力，因而组成系统的元件不必要求太高仍可得到较高的控制精度。但闭环控制由于反馈的存在，可能引起控制过程的振荡，使控制系统不能稳定地工作。闭环控制的应用非常广泛。我们所说的自动控制系统，一般都是指闭环控制系统。