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1、自动控制理论中国计量学院机电学院 周秀英 86914549 仰仪南楼310室1自动控制理论教材自动控制理论 械工业出版社 邹伯敏等(推荐教材)2课程 性质 自动控制理论是自动化专业的一门专业基础 课，主要研究自动控制系统普遍规律的学科。 其任务是使学生获得自动控制系统的思想和基本 理论，掌握自动控制系统的基本分析方法，并为 设计控制系统打下基础。后续课程有：智能控制，过程控制 ，控制系统工 程设计等。 3本课程为理论课，共68学时，其中经典控 制理论部分48学时，现代控制理论为20学时。 主要内容包括： 第一章 绪论 第二章 控制系统的数学模型 第三章 控制系统的时域分析 第四章 根轨迹法
2、第五章 频率响应法 第九章 状态空间分析法 主要内容4学习目标n掌握常见系统的数学模型建立的方法n掌握用时域、频域、根轨迹方法典型系 统的性能n理解系统稳定和稳态误差概念，掌握劳 斯稳定判据，李雅普诺夫稳定性分析方法 ，及系统相对稳定性分析方法n掌握系统能控，能观的概念和判断以及 系统观测器的设计方法5第一章 绪论11 概述自动化（Automation 或 Automatization ） 1. 自动控制就是指在没有人直接参与的条件下，利用控制装置（ 简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量 （如温度、压力、PH值等）能自动地按照预定的规律变化 （或运行）。 2. 自动控制系统是指实
3、现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定 规律组成的具有特定功能的整体。612 自动控制理论的发展2. 现代控制理论3. 大系统理论4. 智能控制理论712 自动控制理论的发展1、经典控制理论 研究的主要对象是单输入、单输出单变量系统。如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。 2、现代控制理论 研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统。如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展8经典控制理论与现代控制理论比较 项目经典控制理论现代控制理论研究对象线性定常系统 （单输入、单输出）线性、非线
4、性、定常、 时变系统 （多输入、多输出） 描述方法传递函数 （输入、输出描述）向量空间 （状态空间描述）研究办法根轨迹法和频率法状态空间法研究目标系统分析及给定输入 、输出情况下的系统 综合揭示系统的内在规律，实 现在一定意义下的最优控 制与设计912 自动控制理论的发展3、大系统控制理论大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相 结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大 、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点 。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统 。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中 有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的 控制等等。大系统控制理论目前仍
5、处于发展阶段。1012 自动控制理论的发展4、智能控制 这是近年来新发展起来的一种控制技术，是 人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据 人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前 需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有 争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验 与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题 （如建模等），因此得到了人们极大的重视，。 11n控制理论的发展1213 自动控制系统的分类一、按信号的传递路径来分类 1、开环控制系统特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出 量对系统的控制作用不发生影响的系统。1313 自动控制系统的分类2
6、、闭环控制系统（反馈控制系统）特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。 “闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件反 馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。1413 自动控制系统的分类二、按系统的控制作用来分类1、恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统）特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒 温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。2、过程控制系统（或称程序控制系统统）特点：输输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程 按 预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化 工中的压力、温度、流量控制。恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。1513
7、自动控制系统的分类3、随动系统（或称伺服系统）特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。如：火炮自动跟踪系统。该系统要求有较好的跟踪能力。 1613 自动控制系统的分类三、按系统传输信号的性质来分类1、连续系统特点：系统各部分信号都是时间t 的连续函数，即模拟的 连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的 系统。2、离散系统特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传 递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转 变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲 控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统 。1713 自
8、动控制系统的分类1813 自动控制系统的分类四、按描述系统的数学模型不同来分类1、线性系统特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线 性微分方程。运动方程一般形式：式中：r(t)系统输入量； c(t)系统输出量主要特点是具有叠加性和齐次性。1913 自动控制系统的分类2、非线性系统特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非 线性 环节。非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前 尚无 通用的方法可以解决各类非线性系统。其他的分类方法：按功能来分： 温度控制系统、速度控制系统、位置控系统等。按元件组组成分：机电系统、液压系统、生物系统等 。2013 自动控制系统的分类n分类小结21
9、14 反馈控制系统的基本组成控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系 统响应变化情况； 从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。2214 反馈控制系统的基本组成1. 温控系统人工控制2314 反馈控制系统的基本组成控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。控制过程：2414 反馈控制系统的基本组成2.温控系统自动控制2514 反馈控制系统的基本组成控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。控制过程：2614 反馈控制系统的基本组成一般的形式 输入信号系统控制目标的反映，是人的意愿的具体体现 。 控制系统主要完成对有关信号
10、的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能。 输出信号系统的控制结果，反映了被控对象的运行状。 2714 反馈控制系统的基本组成火炮自动跟踪系统“火炮打飞机” 2814 反馈控制系统的基本组成3. 典型的反馈控制系统的结构图291.5 对控制系统的要求n基本要求：稳定性 稳态特性 动态特性 （稳、准、快 ）稳定性：稳定性是对控制系统最基本的要求。 所谓系统稳定，一般指当系统受到扰动作用后 ，系统的被控制量偏离了原来的平衡状态，但 当扰动撤离后，经过若干时间，系统若仍能返 回到原来的平衡状态，则称系统是稳定的。 30n稳态精度（准确性）：给定稳态误差和扰动 稳态误差越小，表示稳态精度也越
11、高。n响应速度(快速性)：控制系统不仅要稳定和 并有较高的精度，而且还要求系统的响应具 有一定的快速性，对于某些系统来说，这是 一个十分重要的性能指标。有关系统响应速 度定量的性能指标，一般可以用上升时间 调整时间和峰值时间来表示。（动态特性）31本章小结1.自动控制概念； 2.控制系统的组成和术语；3.控制系统的基本分类； 4.对控制系统的基本要求。32学习自动控制理论需要哪些预备知识？微积分 复变函数、拉普拉斯变换普通物理电路原理33参考书：n自动控制原理蒋大明等编，清华大学出版社n自动控制原理胡寿松等编 科学出版社 控制原理例题习题集周春晖等编，化学工业出 版社n自动控制原理在线教学34
