自动控制理论(邹伯敏第三版)第01章

第一章 绪论
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自动控制理论
第二节
自动控制系统的一般概念
自动控制就是在人不直接参与的条件下，利用控制器使被控制的对象 （如生产设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按规定的 规律变化（或运行）。 如：
电网的电压与频率自动地保持不变 金属切割机床的速度在电压变化或负载变化时能自动保持不变
把实现自动控制所需的各个部件按一定的规律组合 起来，去控制被控对象，这个组合体叫做自动控制系统
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自动控制理论
第五节 对控制系统性能的要求和本课程的任务
一、稳定性（稳）
稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。当系统受到某一扰动作用后， 使被控制量偏离了原来的平衡状态，但当扰动一撤离，经过一定的时间，如果 系统仍能回到原有的平衡状态，则称系统是稳定的。 线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和 初始状态无关。 二、快速性（快） “快” 是说明系统动态（过渡过程）品质，要求系统的输出响应具有一 定的快速性。系统的过渡过程产生的原因：系统中储能元件的能量不可能突变。
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第四节
三种常用的分类方法：
自动控制系统的分类
（按数学模型的性质分）
线性控制系统和非线性控制系统

若组成控制的元件都具有线性特性则称这种系统为线性控制系统 特点：
系统用微分方程、传递函数或状态方程来描述 具有比例性并适用叠加原理 若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线性控制 系统
自动控制理论
闭环直流调速系统
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自动控制理论
该系统自动调节的程：
Tl n u fn u (u g u fn ) u k u d n u ~
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自动控制理论
控制器-----其输入是系统的误差信号,经其变换或相关的运算后,产生期望
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第一章 绪论
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自动控制理论

开环控制 如果系统的输出量没有与参考输入相比较,即系统的 输出与输入间不存在着反馈的通道,这种控制方式叫开环 控制。 结构特征：信号单向传递，没有形成闭合回路
开环控制的优缺点：
液面人工控制系统的方框图如图1-2所示。
图1-2 液面人工控制系统的方框图
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自动控制理论
自动控制 人工控制中有三种职能作用：测量、比较和执行，而在自动控制 系统中也必须有这三种，如图1-3所示。
图1-3 液面自动控制系统
液位控制系统由以下五部分组成：

结构简单，所用元器件少，成本低 系统抗扰动能力差
使用场合：多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的 场合。 如：全自动洗衣机、电风扇
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闭环控制 若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输 入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称为闭环 控制系统。
连续控制系统和离散控制系统
按系统内部传输信号的性质分为连续控制和离散控制系统。
控制系统中各部分传输信号都是时间Ｔ的连续函数，则称这类系统为
连续控制系统 若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间Ｔ的离散信号，则称 这类系统为离散控制系统。计算机控制系统是一种常见离散控制系统。
计算机控制系统的方框图
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被控对象-----水池 测量元件-----浮子 比较机构-----浮子的希望位置与实际位置之差 放大机构-----提高系统的控制精度 执行元件-----驱动被控对象，以改变被控制的量
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自动控制理论
为了控制系统的表示简单明了，控制工程中一般用方框图表示 系统的各个组件，组件的基本组成单元如图1-4所示，其中图a）为引出 点，图 b）为比较点，图 c）部件的框图。
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电动机，是自动控制系统中常用的部件 负载ML
电压U
电动机M
转速n,



定性的讲，当负载ML一定时，电压U增大
当电压U一定时，负载ML增大
转速n提高
转速n减小
想一想：当负载变化时，要想保持转速恒定，应该怎么办？
下面看一龙门刨床自动调整系统 该系统的控制目的是：当负载变化时，维持转速n不变。
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自动控制原理
理论课教材： 自动控制理论（第3版） 邹伯敏 主编
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第一章 绪论
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第一章 绪 论
第一节 第二节 自动控制理论发展史简述 自动控制系统的一般概念
第三节
第四节
开环控制与闭环控制
自动控制系统的分类
第五节
对控制系统性能的要求和本
课程的任务
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第一章 绪论
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自动控制理论
第一节
自动控制理论发展史简述
自动控制是一门年轻的学科,它在20世纪40年代末才形成。
18世纪中叶由瓦特研制的世界上最早的自动控制系统——蒸汽发动机速度的调节
器。 1932年奈奎斯特针对反馈放大器提出了几何稳定判据。 1945年博德提出来了反馈放大器的一般设计方法，并编著了《网络分析与反馈放 大器的设计》一书。 1947年美国出版了当时世界上第一本控制方面的教材《伺服机原理》。 1948年美国麻省理工学院的辐射研究所完成了雷达自动跟踪、火炮指挥仪和数控 车床等一系列的自动控制实践工程。 同年，埃文斯工程师提出了一种很实用的控制系统的分析与设计方法—根轨迹法 美国数学家维纳把那时发表的有关控制方面的理论称为“控制论”。
结构特征：信息循环往复传递，按偏差进行控制 闭环控制的优缺点：
按偏差控制（因此必须有输出量的测量装置） 抗干扰性好，能自动地消弱或清除来自系统内部或外 部扰动对被控制量的影响 系统较复杂，还要考虑稳定性问题
使用场合：多用于系统结构参数不稳定和扰动信号较强 的场合。
如：空调的室温控制、电冰箱温度控制、坐便器的水 箱水位控制 2015/12/11 第一章 绪论
控制理论发展历程：机械化——电气化——自动化——信息化和智能化。由此可
见，经典控制理论是基础，它有效地解决单输入—单输出线性定常系统的分析与 设计，是解决一般工程问题的基本方法。经典控制理论的一些基本概念有助于研究 现代控制理论相关的内容。因此本教材主要介绍经典控制理论的相关内容。
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图1-7 直流随动系统的方框图
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第一章 绪论
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自动控制理论
第三节
开环控制与闭环控制
自动控制框图的一般形式
自动控制系统的框图
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自动控制理论
图中：
r(t)-----系统的参考输入(简称输入量或给定量) c(t)-----系统的被控制量(又简称输出量) b(t)-----系统的主反馈量 e(t)-----系统的误差 e(t)＝ r(t)－ b(t) 如:电位器、旋转变压器等 d(t) -----系统的干扰,它是一种对系统输出产生不利的信号 给定环节-----产生参考输入信号的元件 的控制信号去控制被控对象 被控对象-----系统控制的对象,其输入量是控制器的输出,输出量就是被 控量 反馈环节-----将被控制量转换为主反馈信号的装置,这个装置一般为检测元 件
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本课程要研究两大课题

对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态 性能和稳定精度进行定性的分析和定量的计算。
根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置， 使系统的性能不仅具有优良瞬态响应特性而且还具有较 高的控制精度。

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第一章 绪论
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自动控制理论
20世纪60年代前的控制理论----经典控制理论。经典控制理论研究的是单输入— 单输出线性定常系统的分析与设计，所用的数学工具是常微分方程和复变函数。 20世纪60年代后所提出的控制理论---现代控制理论。用这种理论能分析与设计 多输入—多输出，高精度和参数时变系统的分析与设计，其内容有状态空间分析 法，最优控制原理最优估计、系统辨识、大系统理论、模糊控制与预测控制、智 能控制等，它们所研究的问题和所用的数学工具也各不相同。
特点：
不具有比例性，也不适用叠加原理 系统的输出响应稳定性与其初始状态有关
恒值控制系统和随动控制系统
按系统参考输入信号的变化规律分恒值控制和随动控制系统。
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自动控制理论 恒值控制系统的参与输入量为常量，要求它的被控制量在任何扰动的 作用下能尽快地恢复（或接近）原有的稳态值 随动控制系统的输入是一个变化量，要求系统的被控制量能快速准确地跟 随参考输入信号的变化而变化
三、稳态精度（准）
控制系统的稳态精度通常是用它的稳态误差来表示，稳态误差越小，系 统的控制精度就越高。 当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出的偏差， 或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为稳态 误差。
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由于被控对象具体情况的不同，各种系统对上述三方 面性能要求的侧重点也有所不同。例如 随动系统对响应 速度和稳态精度的要求较高，而恒值控制系统一般却侧重 于稳定性和抗扰动的能力。 在同一系统中，上述三方面的性能要求通常是相互制 约的。 例如 为了提高系统动态响应的快速性和稳态精度， 就需要增大系统的放大能力，而放大能力的增强，必然会 导致系统动态性能的变差，甚至会使系统变为不稳定。反 之，若强调系统动态过程稳定性的要求，系统的放大倍数 就应该小，从而造成系统稳态精度的降低和瞬态响应的缓 慢。 由此可见，系统瞬态响应的快速性、高精度与动态 稳定性之间是一对矛盾。