《自动控制原理》第一章自动控制的一般概念

调节单元——接受被调量和给定值信号，比较后的偏差信号发出一定规律 的调节执行给执行器。由控制器或计算机装置组成。
执行器——根据调节单元送来的调节指令去推动调节机构，改变调节量。
14
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.2 自动控制及自动控制系统
控制——就是根据被调量偏离给定值的情况，适当地动作调 节机构，改变调节量，最后抵消扰动的影响，使被调量回复 到给定值。
2. 现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）
研究多变量的系统，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。空间技术的发展提出了 许多复杂的控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上，对自动控制 的精密性和经济性指标提出了极严格的要求。并推动了控制理论的发展。
8
研究办法 研究目标
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.1 控制理论的发展
3. 大系统控制时期（1970s-） 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。 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。 特点：系统复杂，多参数控制。
9
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.1 控制理论的发展
4. 智能控制时期 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。 学派：结构派和功能派 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。 特点：人工智能、神经网络等的普遍研究和应用到自动控制之中。
Kalman的能控性观测性和最优滤波理论; 代表性成果 庞特里亚金的极大值原理； 贝尔曼的动态规划。 特点：采用状态空间法（时域法），研究“对输入-多输出”、时变、非 线性系统等高精度和高复杂度的控制问题。
7
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.1 控制理论的发展
经典控制理论与现代控制理论比较
12
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.2 自动控制及自动控制系统
② 基本概念
5. 给定值（又称为参考输入）——希望被控量趋近的数值。又称为规 定值。 6. 扰动量（又分为内扰和外扰）——引起被控量发生不期望的变化的 各种内部或外部的变量。 7. 控制器（又称调节器）——组成控制系统的两大要素之一（另一大 要素即为被控对象），是起控制作用的设备或装置。 8. 调节机构——接受调节作用而去改变调节量的具体设备。 9. 负反馈控制原理——将系统的输出信号反馈至输入端，与给定的输 入信号相减，所产生的偏差信号通过控制器变成控制变量去调节被 控对象，达到减小偏差或消除偏差的目的。
13
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.2 自动控制及自动控制装置两部分组成。 控制装置包含的主要单元： 测量单元——用来测量被调量，并将被调量转换为与之成比例（或其它函 数关系）的某种便于传送和综合的信号。由检测元件和变送器组成。 给定单元——用来设定被调量的给定值，发生与测量信号同一类型的给定 值信号。
后的信号都等于分支点以前的信号。
20
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.4 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 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。
程序 图纸 指令
微型计算机
放大器
执行机构 （步进电机）
工作机床
切削刀具
21
课程目的
课程要求
教学内容
第一章 自动控制的一般概念 第二章 控制系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析法
第四章 线性系统的根轨迹法
第五章 线性系统的频域分析法 第六章 线性系统的校正方法 第七章 线性离散系统的分析与校正 第八章非线性控制系统分析
3
第一章 自动控制的一般概念
1.1 控制理论的发展
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）
传递函数 （输入、输出描述） 根轨迹法和频率法 系统分析及给定输入、输 出情况下的系统综合
描述方法
线性、非线性、定常、 时变系统 （多输入、多输出） 向量空间 （状态空间描述）
状态空间法 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
10
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.2 自动控制及自动控制系统
① 概述
控制：使对象达到预期的状态或性能的动作。
手动控制或称人工控制； 自动控制。
11
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.2 自动控制及自动控制系统
② 基本概念
自动化（Automation 或 Automatization） 1. 自动控制——就是指在脱离人的直接干预，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） 准确地按照预期的规律运行。 2. 自动控制系统——能自动对被控对象的被控量（或工作状态）进行控制 的系统。 3. 被控对象（又称受控对象）——指工作状态需要加以控制的机械、装置 或过程。 4. 被控量——表征被控对象工作状态且需要加以控制的物理量，也是自动 控制系统的输出量。
18
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.3 自动控制系统的方框图
二. 广义对象
方框图的应用可繁可简，其基本原则就是能清楚地表达所需研究的信号 的传递关系和所研究环节的性能。
在工程实际中，所测量的对象的特性，往往还包含检测元件、变送器和 执行机构的特性，这时，对象的特性则称为“广义对象特性”。
位移
反馈测量元件
24
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.4 自动控制系统的分类
2. 闭环控制系统（反馈控制系统）
给定值 r — 偏差e 控制器 执行机构 干扰 n 受控对象 被控量
测量信号
特点： 统的输出量（被控量）对控制作用有直接影响； 都是负反馈控制系统，按照偏差进行控制； 不管由于干扰或由于系统结构参数的变化所引起的被控量偏离给定值， 都会产生控制作用去消除该偏差。该系统从原理上提供了实现高质量 控制的可能性。 常见的控制系统绝大多数均属于闭环控制系统。
自动控制的萌芽 自动化技术学科萌芽于18世纪，由于工业革命的发展,如何进一步降低人 的劳动强度和提高设备的可靠性被提到了议程。
1765年俄国人波尔佐诺夫发明了蒸汽锅炉水位调节器; 代表性成果 1784年英国人瓦特发明蒸汽机离心飞锤式调速器。 特点：简单的单一对象控制。
4
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1942年哈里斯引入传递函数；
1948年伊万恩提出了根轨迹法； 1949年维纳关于经典控制的专著。
特点：以传递函数为数学工具，采用频率域法，研究“单输入—单输出” 线性定常控制系统的分析和设计，而对复杂多变量系统、时变和非线性 系统无能为力。
6
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.1 控制理论的发展
本课程与数学、物理、电工原理、电子技术基础、计 算机原理及应用等先修课程关系密切。要求同学们具 备微分方程、复变函数、积分变换(特别是拉氏变换， z变换)等数学方面的有关知识。本课程的后续课为现 代控制理论，计算机控制系统，过程控制等，本课程 为其提供所必须的系统分析、设计的基本理论和基本 方法。
2
1.1 控制理论的发展
线性控制理论
1. 经典控制理论
非线性控制理论
采样控制理论 2. 现代控制理论
3. 大系统理论 4. 智能控制理论
5
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.1 控制理论的发展
1. 经典控制理论时期（1940-1960） 研究单变量的系统，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。 1945年美国人Bode出版了《网络分析与放大器的设 计》，奠定了控制理论的基础; 代表性成果
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.4 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
给定值 r
干扰 n
执行机构 受控对象 被控量
控制器
特点： 系统的被控量对系统的控制作用没有影响； 系统结构简单，控制精度取决于系统各组成环节元部件的精度； 对于干扰无法自动补偿，控制精度难以保证； 仅适用于输入/输出关系已知，且系统几乎不存在干扰的场合。 例如：自动报警器、自动售货机、自动流水线等。
25
测量、变送器
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.4 自动控制系统的分类
3. 复合控制系统
由于反馈控制只是在偏差出现以后才产生控制作用，因此，系统在强干 扰作用下，被控量有可能产生较大波动的控制过程。对于这种工作环境 适宜采用按偏差调节和按干扰补偿相结合的复合控制系统。
22
第一章 第一章 绪论 自动控制的一般概念
1.4 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 前馈控制：对于开环控制，如果存在可测的干扰信号，则可利用干扰信号产生控 制作用，以补偿干扰对被控量的影响。
测量装置 给定值 r 补偿调节器 执行机构 干扰 n 受控对象 被控量
这种按照开环补偿原理建立起来的系统称为开环补偿系统，该控制称为前馈控制。 特点： 是一种主动控制方式； 单纯的前馈控制一般难以满足控制要求； 控制精度受到原理的限制。