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1、自动控制原理第 1 页 共 29 页目录目录 .1第一章 自动控制的一般概念 .11-1 自动控制的基本原理与方式 .11-2 自动控制系统示例 .51-3 自动控制系统的分类 .71-4 对自动化控制系统的基本要求 .91-5 自动控制系统的分析与设计工具 .11第三章 线性系统的时域分析方法 .143-1 系统时间相应的性能指标 .143-2 一阶系统的时域分析 .16第四章 线性系统的根轨迹法 .214-1 根轨迹法的基本概念 .214-2 开环零极点与闭环零极点之间的关系 .22第七章 线性离散系统的基本概念 .237-1 离散系统的基本概念 .247-2 数字控制系统 .25附表 .
2、27方块图 .27表格 .28自动控制原理第 2 页 共 29 页第一章 自动控制的一般概念1-1 自动控制的基本原理与方式1.自动控制技术与其应用在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，是指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（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。例如，数控车床按照预定的程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；雷达和计算机组成的导弹发射和控制系统，自动的将导弹引导到敌方目标；无人驾驶飞机按照预定的轨道自动升降和飞行；人造卫星准确的
3、进入预定轨道运行并回收等，这一切都是以应用高水平的自动控制技术为前提的。近几十年来，随着电子计算机技术的发展和应用，在宇宙航行、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具有特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他特别重要社会生活领域中，自动控制已经成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。2.自动控制科学自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。它的诞生与发展源与自动控制技术的应用。最早的自动控制技术的应用，可以追溯到公元前我国古代的自动计时器和漏斗指南车，而自动控制技术的广泛应用则开始于欧洲的工业革命时期。英国人瓦特
4、在发明蒸汽机的同时，应用反馈原理，于 1788 年发明了离心式调速器。当负载或蒸汽供给量发生变化时，离心式调速器能够自动地调节进汽阀门的开度，从而控制蒸汽机的转速。1868 年，以离心式调速器为背景的，物理学家麦可斯韦尔研究了进汽阀门反馈系统的稳定性问题，发表了“论调速器”论文。随后，源于物理学和数学的自动控制原理开始逐步形成。1892 年，俄国学者李雅谱诺夫发表了“论运动稳定性的一般问题”的博士论文，提出了李雅谱诺夫稳定性理论。20 世纪 10 年代。PID 控制器出现，并获得广泛的应用。1927 年，为了使广泛应用的电子管在其性能发生较大变化的情况下仍能正常工作，反馈放大器正式诞生。从而，
5、确立了“反馈”在自动控制技术中的核心地位，并且有关系统稳定性和性能品质分析的大量研究成果也应运诞生。20 世纪 40 年代，是系统和控制思想空前活跃的年代，1945 年贝塔郎菲提出了系统论 ，1948 年维纳提出了著名的控制论 ，至此形成了完整的开展理论体系以传递函数为基础的经典控制理论，主要研究单输入单输出、线性定常理论体系的分析和设计问题。20 世纪 5060 年代，人类开始征服太空，1957 年苏联成功发射了第一颗人造地球卫星，1968 年美国阿波罗飞船成功等上月球。在这些举世瞩目的成功中，自动控制技术起着不可磨灭的作用，也因此催生了 25 世纪 60 年代的第二代控制理论现代现代控制理
6、论的问世，包括以状态为基础的状态空间法，贝尔曼的动态规划法和庞特里亚金的极小值原理，分析卡尔曼滤波器。现代控制理论主要研究具有高性能、高精度和多耦合回路的多变量系统的分析和应用设计问题。从 20 世纪 70 年代开始，随着计算机技术的不断发展，自动化技术发生了根本性的变自动控制原理第 3 页 共 29 页化，其相应的自动控制论概念、原理和方法还出现了许多分支,如自适应控制，混杂控制，模糊控制，以及神经网络控制等。此外，控制论的概念、原理和方法还被用来处理社会、经济、人口和坏竟等复杂的系统的分析与控制，形成了经济控制论和人口控制论等学科分科。目前，控制理论还在发展，正朝向以控制论、信息论和仿生学
7、为基础的智能控制理论深入。然而，纵观百余年自动控制科学与技术的发展，反馈控制理论与技术占据了极其重要的地位。3.反馈控制原理为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被制对象的输出量即被制量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，如温度、压力、液位等，也可以要求按照某个给定的规律运行，如飞行航迹、记录曲线等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理对被控制对象景象控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控制对
8、象被控制对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断地修正被控量与输入量之间的误差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。其实，人的一切活动都是体现出反馈控制的原理，人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统。例如，人用手拿取桌上的书，汽车司机操纵方向盘驾驶汽车沿着公路平稳的行驶等，这些日常生活中习以为常的平凡劳动都渗透着反馈控制的深刻原理。下面，通过解剖手从桌上取书的动作过程，透视一下它所包含的反馈控制的深奥原理。在这里，书位置是手运动的指令信息，一般称为输入信号。取书时，首先人要利用眼睛连续目测手相对与书的位置，并将这个信息送入大脑（称为位置反馈信息） ；然
9、后由大脑判断手与书的距离，产生偏差信号，并根据其大小控制手臂移动的命令（称为控制作用或者操纵量） ，逐渐使手与书的距离减小为零，手便可取书。可以看出，大脑控制手取书的过程，是一个利用偏差（手与书之间距离）产生控制作用，并不断使偏差减小直到零消除的运动过程；同时，为了取得偏差信号，必须要有手位置的反馈信息，两者结合起来，就构成了反馈控制。显然，反馈控制实质上是一个按偏差进行控制的过程，因此，它也称为按偏差的控制，反馈控制原理就是按偏差控制的原理。人取物视为一个反馈控制系统时，手是被控制对象，手位置是被控制量（即系统的输出量） ，产生控制作用的机构是眼睛大脑和手臂，统称为控制装置。我们可以用图中的系统方块图来展示这个反馈控制系统的基本组成及工作原理。通常，我们把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称 为负反馈；反之，则称为正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控制量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称为闭合控制。在工程实践中，为了实现对被控制对象的反馈控制，系统中必须配置具有人的眼睛、大脑和手臂功能的设备，以便用来对控制量进行连续的测量、反馈和比较，并按照偏差进行控制。这些设备以其功能分别称为测量元件、比较
