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1、第一章 绪论主要内容：u 自动控制定义：自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（或过程）的某些物理量自动地按预先给定的规律去运行。 u 自动控制系统的基本职能元件及基本框图等 u 自动控制系统的工作原理u 开环控制与闭环控制 u 自动控制系统的分类及组成 u 对控制系统的性能要求 学习重点：u 自动控制系统的工作原理u 对控制系统的性能要求 计划学时：u 2学时第 课 授课学时 1.1 自动控制系统的基本原理和控制方式一、 自动控制系统基本概念自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个方面，是当代发展最迅速，应用最广泛，最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新
2、的产业革命技术的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代的同义词。1、 自动控制：在无人直接干预情况下，利用物理装置对生产设备或工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定或者按一定的规律变化。说明：自动控制理论研究的对象是系统。系统是一个非常广泛的概念：如一部机器，一个生物体，一条生产线，一个电力网，一个企业，一个社会组织，一个国家乃至整个世界都是系统。有小系统，大系统，巨系统。系统千差万别，但都各自具有一定的功能。系统：由若干个相互制约，相互依赖的事物组合而成的具有一定功能的整体称为系统。2、 自动控制系统：为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合（主要由控制器和控制对象构成）。
3、说明：手动控制系统：由人工控制的系统。下面通过举例，分析手动控制的过程，从而了解自动控制的基本原理：举例：加热炉炉温控制系统电加热炉系统控制目标：通过调整自耦变压器滑动端的位置，改变电阻炉的温度，并使其在允许的误差范围内恒定不变。工业加热炉的炉门经常启闭，冷工件时时被送进炉中，热工件时时取出，要在这些扰动下自动增减燃料供给，以维持炉温近似不变，就很困难。图1.1电加热炉系统（温度控制系统）人在控制中起三个作用：（1） 观测：用眼睛去观察温度计；（2） 比较与决策：人脑把观测得到的数据与期望数据比较，并进行判断，并根据给定的控制规律给出控制量；（3） 执行：根据控制量用手具体调节。（改变触点的位
4、置）思考：如何将上述的电加热炉系统改造成自动温度控制系统？（用控制装置代替人）3、 控制器（控制装置）：实现控制的设备称为控制器。4、 被控对象：在自动控制系统中被控制的设备或对象。5、 被控量：被控制的物理量。 系统的被控量常作为输出量。说明：自动控制系统的作用就是使被控量按照期望的规律变化。6、 控制量：决定被控量的物理量。7、 输入信号：从系统外部施加到系统上而与该系统的其它信号无关的信号，包括参考输入和扰动输入。参考输入简称为输入（量）或给定量。扰动输入（扰动量）：妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素，分为外部扰动和内部扰动。二、 自动控制系统控制的基本原理反馈控制1、 反馈控制：
5、从被控对象获取信息，反过来又把调节被控量的作用反馈送给被控对象，这种控制称为反馈控制。2、 原理：消除或减小被控量与给定量之间的偏差（偏差控制）。三、 基本控制方式（自动控制系统的类型）1、 开环控制系统例如上例中的电加热炉温度控制系统，如果没有人的参与，就是开环控制系统。图1.2 开环控制系统）只有输入量产生控制作用，而没有输出量参与对系统的控制。）特点：结构简单、控制稳地；控制精度低，不具备抗干扰能力。2、 闭环系统控制（研究重点） 闭环控制系统：输出量直接或间接地参与控制。举例：要把图1.1系统改造成自动控制系统，需要作如下工作：首先要把人手调节自耦变压器的操作改为机器完成；其次观测热电
6、偶并把实际温度值与给定值比较这些工作也由机器完成。图1.3 闭环控制系统反馈控制系统分为正反馈和负反馈两种。正反馈助长了系统扰动的影响；而负反馈是抑制扰动的影响。负反馈系统是本课程研究重点。） 特点：控制精度高，具有自动修正偏差能力，具有抗干扰能力；结构复杂，容易造成系统不稳定，调整不容易。说明：闭环系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的，因此也称为反馈控制系统或偏差控制系统。其控制过程是检测偏差、利用偏差信号对被控对象进行控制，以减小或纠正输出量的偏差。3、 复合控制（）、按偏差原则和按扰动原则结合起来构成的系统，称为复合控制系统。即在闭环控制的基础上附加一个前馈控制通路，提高精度。（）、分类
7、：按扰动补偿的复合控制和按输入补偿的复合控制1.2 自动控制系统的基本组成和环节一、 基本组成、 给定环节：设定被控量的给定值的装置；、 比较环节：将被控量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差；、 校正环节：提供控制律。控制作用的体现。（设计控制系统的核心环节）、 放大环节：将偏差信号变换成适于执行机构工作的信号。、 执行机构：直接作用于被控对象，使被控量达到要求数值；、 被控对象：指进行控制的设备或过程。、 检测环节：用来检测被控量。、 控制器：把比较环节、校正环节、放大环节和执行机构合在一起为控制器。二、常见术语（如图1-3所示）、主回路：从输入到检测组成的一个回路。、前向通路（道）：输入
8、到输出的通道。、主反馈通路：系统输出量的反馈。（局部反馈）1.3 自动控制系统的类型一、线性系统和非线性系统1、线性系统：由线性方程（线性代数方程、线性微分方程、线性差分方程）描述的系统。（线性系统有线性元件组成）。线性系统的特点：同时具有叠加性和均匀性。叠加性：是指当几个信号同时作用于系统时，系统总的输出等于每个输入信号单独作用于系统所产生的输出之和。例如：若和为输入信号，所对应的输出为和。当输入信号为，则输出为：。均匀性：是指当输入信号乘以一个常数时，输出信号也乘以同一常数。例如：，则说明：1）线性系统满足叠加原理，反之，满足以叠加原理的系统是线性系统。2）所有物理系统在某种程度上都具有非
9、线性，所以线性系统只是一种理想模型。2、非线性系统：由非线性微分方程描述的系统。（系统具有非线性环节：继电器特性、饱和特性、死区特性）。二、连续系统和离散系统（按信号特点分）1、连续系统：连续系统中的信号是模拟的连续信号，描述连续系统的数学模型是微分方程。2、离散系统：系统中的信号至少有一处不是连续的，描述离散系统的数学模型是差分方程。（计算机系统、采样系统）三、定常系统和时变系统（按系统参数是否随时间变化分）1、定常系统（时不变系统）：系统的结构、参数不随时间变化。2、时变系统：系统参数随着时间变化而变化。四、SISO系统和MIMO系统（按照输入输出信号数目分）SISO：单输入单输出系统（单
10、变量系统）。MIMO：多输入多输出系统（多变量系统）。 五、恒值系统、随动系统和程序控制系统（按输入信号变化规律分）1、恒值系统：输入信号是恒定不变的，输出也是恒定不变的。 2、随动系统：输入量按照事先未知的时间函数变化，要求输出量跟随输入量的变化（伺服系统，同步随动系统）。3、程序控制系统：输入量按照预先规定的程序变化，要求输出量与给定量变化规律相同。1.4 自动控制系统的性能指标（重点）一、稳定性1、稳定性：稳定性是系统的一种属性。是指当系统受到扰动作用时工作状态发生变化后，能否恢复到原来的平衡状态或者趋于一个新的平衡状态。（能则稳定，反之不稳定。）2、稳定性是系统的最基本要求。二、暂态性
11、能指标（表征过渡过程性能的指标叫暂态性能指标）1、暂态过程（动态过程、过渡过程）：系统从原来的平衡状态过渡到新的平衡状态的过程。2、暂态过程的主要性能指标：最大超调量、上升时间、调节时间、峰值时间(具体内容在后续章节介绍，这里只简单介绍)最大超调量（）：反应系统相对稳定的（反应系统的平稳性）。上升时间：系统的输出第一次到达输出稳态值所对应的时刻。调节时间（过渡过程时间）： 是指系统输出进入并一直保持在稳态输出至附近的允许误差代所需要的时间。 峰值时间：反应系统的快速性。振荡次数：三、 稳态性能指标2、静态（稳态）：被控量处于相对稳定的状态称。3、稳态误差：表示控制信号的稳态值与其期望值之差。（
12、此误差越小越好）3、反应控制精度、准确性课后作业：1-1，1-2，1-3，1-5，1-6，1-8第二章 自动控制系统的数学模型主要内容：u 微分方程的编写u 非线性系统线性化u 传递函数u 系统动态结构图u 系统传递函数和结构图的等效变换u 信号流图u 本章小结学习重点：u 简单物理系统的微分方程和传递函数的列写及计算；u 非线性数学模型的线性化；u 动态结构图和信号流图的等效变换及化简；u 利用梅逊公式求传递函数；u 开环传递函数和闭环传递函数的推导和计算。本章计划总学时：u 10学时第 课 授课学时 2.1 控制系统时域模型的建立一、 系统的数学模型（系统的动态模型）、定义：描述系统动态过
13、程中内部物理量（变量）之间关系的微分方程式称为动态模型，或称系统的数学模型微分方程。（本课程研究重点）说明：）在静态条件下，描述系统各变量之间关系的数学模型称为静态模型代数方程（不作为研究重点）。）本课程重点研究连续线性定常系统数学模型（动态模型）的建立方法。、建模方法解析法：从元件或系统所依据的物理或化学规律列方程。实验法：对实际系统或元件加入一定形式的输入信号，分析其输出得到模型。说明：）模型一般都是近似的模型）对于一个系统来讲模型形式不是唯一的。二、 控制系统时域模型的建立（解析法）、解析法列写系统数学模型步骤：根据实际工作情况，确定系统的输入、输出以及其他变量（也称为中间变量）；从输入
14、端开始，按照信号的传递顺序，根据各变量所遵循的物理或化学规律，列相应的方程（微分方程）；消去中间变量；标准化，方程的左端是输出项，右边是输入项。、举例（力学系统、电学系统、运动学、电磁学、热学等）例题：已知为输入量，为输出量，试列写无源网络的数学模型。解：（）由题已确定输入量和输出量分别为 ，回路电流i为中间变量。（）根据基尔霍夫定律，列方程：（）消去中间变量，得：（）整理上式，得到如下标准化的数学模型：例题：如下图所示为一个具有质量、弹簧、阻尼器的机械位移系统，当外力f(t)作用于系统时，系统产生位移x(t)，求该系统以f(t)为输入量，x(t)为输出量的运动方程。(B、K分别为阻尼器和弹簧
15、的阻尼系数和劲度系数) 解：由题意：在外力f(t)作用下，质量将有加速度，进而速度和位移发生改变，根据牛顿第二定律，列方程：消去中间变量，得标准化，得：线性定常系统微分方程的一般表达式为：线性时变系统微分方程的一般表达式为：2.2 非线性数学模型的线性化一、 非线性微分方程的线性化（非线性系统线性化）、定义：将非线性微分方程在一定条件下近似转化为线性微分方程的过程。、方法：小偏差线性化和泰勒级数展开法小偏差线性化已知非线性函数，已知工作点位，若时间变化，则y不成比例变化。若时间变化量很小，可以在作切线来代替时间内非线性曲线。（如下图所示）。则在时间内直线方程为：（，一般增量符号略），。说明：1）应用小偏差线性化时，必须注明工作点，工作点不
