自动控制原理 绪论综述

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1、第第 1 1 页页 第 一 章 1.1 引言 1.2 自动控制的基本控制方式 1.3 自动控制系统基础知识 绪 论 第第 2 2 页页 1.1 引言 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等各个领域中 起着重要的作用！ 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医学、环境、 经济管理和其它许多社会生活领域。 独立的学科，并与其它学科相互渗透、相互促进。 自动控制理论基础是自动控制技术的基础理论，是一门理 论性较强的工程科学。 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备一定 的自动控制理论基础知识！ 第第 3 3 页页 自动控制： 是指在没有人直接参与的条件下，利用外加的设 备或装置（称控制装置

2、），使机器、设备或生产过程（统称 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。 1.1 引言 1. 自动控制系统的概念 自动控制三要素 (1) 人不直接参与 (2) 利用控制装置 (3) 被控对象 前提 手段 目标 第第 4 4 页页 1.1 引言 1. 自动控制系统的概念 系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为达 到一定目的、具有一定功能的整体。 自动控制系统：在无人直接参与的情况下，利用控制装置 使被控对象按照一定规律运行的有机整体，这就是自动控 制系统。 自动控制理论：是研究自动控制共同规律的科学。 反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入

3、信 号比较的过程。反馈分为负反馈和正反馈。 第第 5 5 页页 1.1 引言 2. 自动控制理论简述 自动控制理论研究的是针对受控对象和环境特征，通 过能动地采集和运用信息，施加控制作用使系统在不确定 的条件下正常运行并具有预定功能。 主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手 段以及它们之间的相互作用。 按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典 控制理论和现代控制理论两大部分。 第第 6 6 页页 1.1 引言 2. 自动控制理论简述 从20世纪20年代到50年代形成了以时域法，频率法和 根轨迹法为支柱的古典控制理论（即经典控制理论）。 60年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高

4、科技的推 动，又产生了基于状态空间模型的所谓现代控制理论。 至今，现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学 科分支，如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、 自适应控制、大系统理论、鲁棒控制、智能控制等。 第第 7 7 页页 1.1 引言 2. 自动控制理论简述 最优控制：使系统在一定的约束条件下，某项指标达到最 优的控制。 自适应控制：当对象或环境特性变化时，系统能自行调节 ，跟踪这种变化并保持良好的品质的控制。 鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制。 鲁棒性是指系统存在模型误差或受到扰动时仍能保持良好性能的能力。 智能控制：控制系统具有拟人智能（学习、记忆、推理等） 第第 8 8 页

5、页 1.1 引言 2. 自动控制理论简述 本书所介绍的内容主要集中在经典控制 理论部分。它在工程实践中用得最多， 也是进一步学习自动控制理论的基础。 大系统控制、复杂系统控制等 被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、不确定 性、分散性、非线性、大时滞、难建模等特征，如电力系 统、城市交通系统、网络系统、制造系统、经济系统等。 第第 9 9 页页 1.1 引言 3. 自动控制系统案例 数控机床导弹跟踪雷达系统 第第 1010 页页 1.1 引言 3. 自动控制系统案例 电风扇 空调 洗衣机 电饭煲 电冰箱 第第 1111 页页 1.1 引言 3. 自动控制系统案例 人造卫星的发射及正常运行

6、 第第 1212 页页 1.1 引言 3. 自动控制系统案例洗衣机 定时3分钟 设定时间 3分钟 洗涤程度 转 速 洗衣桶电机 定时器开关 将定时器设定为3分钟，洗衣机达到设定值之前一直工作， 时间到了，洗衣机停止工作。设定时间不会根据洗涤程度， 洗衣桶的转速自动调整长短。 控制装置与被控对象只有顺向的作用。 第第 1313 页页 1.1 引言 3. 自动控制系统案例电冰箱 冰箱接通电源,设定温度，将启动压缩机（制冷），冰箱中 温控器将检测实际温度并与设定温度比较，决定停止、启动压 缩机工作。 实际温度将维持在设定温度附近，控制装置与被控对象之 间除了具有顺向作用外，还存在反向联系。 温度传感

7、器 设定温度 制冷压缩机 温控器 实际温度 第第 1414 页页 开环控制：控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反 向作用的控制过程。 1.2 自动控制的基本控制方式 1. 开环控制 输入量 r（t） 输出量 c（t） 被控对象 控制装置 开环控制框图 输出量对系统的控制作用不产生影响，需要控 制的是c(t)，而测量的只是r(t)。 第第 1515 页页 开环控制系统的特点： 1.2 自动控制的基本控制方式 1. 开环控制 （1）结构简单、造价低。 （2）系统的控制精度取决于给定信号的标定精度以及控 制器和被控对象参数的稳定性。 （3）开环系统没有抗干扰的能力，精度较低。 应用场合： （1

8、）控制量的变化规律可以预知。 （2）可能出现的干扰可以抑制。 （3）被控量很难测量。 家电、加热炉、 车床等等。 第第 1616 页页 闭环控制：被控量与给定值比较后用其偏差对系统进行控制 。亦称反馈控制。 1.2 自动控制的基本控制方式 2. 闭环控制 被控量偏离期望值而出现偏差时，会产生一个相应的控制 作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一 致。需要控制的是c(t),测量的是c(t)对r(t)的偏差。只要 c(t)出现偏差，系统就自行纠正。 反馈装置 输入量 r（t） 被控对象 控制装置 输出量 c（t） 第第 1717 页页 闭环控制系统的特点： 1.2 自动控制的基本控制方式

9、 2. 闭环控制 （1）系统对外部或内部干扰的影响不甚敏感。 （2）采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。 （3）闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那 些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得 很差,甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。 注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使 偏差越来越大。 第第 1818 页页 复合控制是开环控制和闭环控制相结合一种控制方式。在闭 环控制的基础上，附加一个输入或扰动作用的顺馈通路，来 提高系统控制精度。 1.2 自动控制的基本控制方式 3. 复合控制 （a) 按输入作用补偿。 (b) 按扰动作用补偿：能在扰动（可测量）对系

10、统产生不 利影响前，提供一个控制作用以抵消扰动对输出影响。 第第 1919 页页 复合控制：给定干扰补偿与反馈控制结合起来的控制方式。 1.2 自动控制的基本控制方式 3. 复合控制（a） 反馈装置 输入量 r（t） 被控对象 控制装置 输出量 c（t） 扰动 n（t） 前馈控制 第第 2020 页页 复合控制：给定输入补偿与反馈控制结合起来的控制方式。 1.2 自动控制的基本控制方式 3. 复合控制（b） 反馈装置 输入量 r（t） 被控对象 控制装置 输出量 c（t） 前馈控制 第第 2121 页页 1.3 自动控制系统基础知识 1. 典型自动控制系统框图 测量元件 输入 r(t) 被控对

11、象 串联校 正元件 输出 c(t) 放大元件执行元件 并联校正元件 主反馈信号b（t） 主反馈 局部反馈 + + - 偏差信号 扰动 n(t) 第第 2222 页页 1.3 自动控制系统基础知识 名词术语： 输入信号：也叫参考输入或输入量，它是控制输出量变化规律的指令信号。 输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它 与输入量之间保持一定的函数关系。 反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件)输入端的信 号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。 偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。 误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。 扰动

12、信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系 统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者 称内部扰动，后者称外部扰动。 第第 2323 页页 1.3 自动控制系统基础知识 2. 自动控制系统分类 （1）根据系统的作用和输入信号的特点 恒值控制系统（或称自动调节系统） 输入信号为恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响，以 及如何克服这些干扰，把输入、输出量尽量保持在希望数值上。 被控量为工业生产过程参量（温度、压力、流量等）的系统称为过程控制系统， 大多数属于恒值控制系统 程序控制系统 输入信号为确定的时间函数，系统的控制过程按预定的程

13、序进行，要求被控对象 能迅速准确地复现。恒值控制系统也认为是程序控制系统的特例。 第第 2424 页页 随动控制系统（或称伺服系统） 输入信号为未知时间函数（输入随时间可以任意变化），要求输出量跟随输入量变 化。 任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪输入量，跟踪的速度和精度是随动系统 的两项主要性能指标。 案例案例 工业自动化仪表中的显示记录仪 跟踪卫星的雷达天线控制系统 1.3 自动控制系统基础知识 2. 自动控制系统分类 （1）根据系统的作用和输入信号的特点 第第 2525 页页 线性控制系统 当系统的运动规律可以用线性微分方程或者线性差分方程描述时，则这类 系统称为线性系统。线性系统有

14、两个重要特性：叠加性和齐次性。 1.3 自动控制系统基础知识 2. 自动控制系统分类 （2）根据系统的数学描述 非线性控制系统 在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，则称此系统为非 线性系统。典型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特 性、磁滞特性等 第第 2626 页页 定常（时不变）系统和时变系统 1.3 自动控制系统基础知识 2. 自动控制系统分类 （3）根据系统参数是否随时间变化 连续系统和离散系统 （4）根据系统信号传递的形式 第第 2727 页页 1.3 自动控制系统基础知识 3. 典型输入信号 （1）位置控制信号（阶跃信号） （2）速度控制信号（斜坡信号）

15、 第第 2828 页页 1.3 自动控制系统基础知识 3. 典型输入信号 （3）加速度控制信号（抛物线信号） （4）脉冲信号（冲激信号） （5）正弦信号和门信号 第第 2929 页页 1.3 自动控制系统基础知识 4. 自动控制系统的性能要求 系统各种各样，对每个系统也都有不同的特殊要求，但 对于各类系统来说，在已知系统的结构和参数时，研究的和 感兴趣的却是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的 全过程。也就是说，研究的内容和方法都是相同或相似的。 随动系统研究被控量如何克服扰动影响并跟随给定量 的变化过程。 恒值系统研究扰动作用引起被控量变化的全过程； 所以对于各种控制系统的要求可归纳为：

16、 系统的c(t)必须迅速、准确的按输入量的变化而变化， 克服扰动影响。 第第 3030 页页 1.3 自动控制系统基础知识 4. 自动控制系统的性能要求 实际中，由于控制系统机械部分质量、惯量的存在以及 电路中L、C 的存在，输出不会是理想状态。会有一个过渡过 程，最后趋于新的稳态值。因此，从稳、快、准三方面来评 价系统。 第第 3131 页页 1.3 自动控制系统基础知识 4. 自动控制系统的性能要求 （1）稳稳定性 （2）快快速性 （3）准准确性 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件，一 个稳定的系统，其输出量偏离期望值的初始偏差 应随时间的延长逐渐减小或趋于零。 是指动态过程的振荡倾向和系 统重新恢复平衡状态的能力 是指动态过程进行时间的长短 既稳