《自动控制理论》讲稿(完整版)

《自动控制理论》讲稿

自动控制原理是自动化类专业基础课，是自动控制技术的基础，是研究自动控制共同规律的技术科学。

自动控制理论可分为自动控制原理（经典控制理论）和现代控制理论。开始主要用于研究工程技术领域的自动控制问题，现已将其应用范围扩展工程领域，如应用到经济学、生物医学、社会学、生产管理等领域。自动控制理论已成为普遍使用的基础理论。

我们本学期介绍的自动控制原理是自动控制技术基础的基础，计划授课85学时，其中10学时用于实验。

参考书：

《自动控制原理》，天大、技师、理工合编，天津大学出版社;

《自动控理论》，两航一校合编，国防工业出版社;

《现代控制工程》，（日），绪方胜彦，科出版社;

《自动控制系统》，（美），本杰明，水利电力出版社;

《线性系统理论》

《反馈控制理论》

自动控制理论：经典控制理论（自控原理）

现代控制理论

自动控制理论的划分是以控制理论发展的不同阶段人为归纳为：

建立在时域法、频率法和根轨迹法基础上的经典控制理论和建立在状态空间法基础上的现代控制理论。

经典控制理论：主要研究单输入、单输出（SISO）线性定常系统的分析和设计问题。其基本方法是采用描述输入-输出关系的传递函数为基础，包括：时域法、频域法、根轨迹法、相平面法等，工具：乃氏曲线，伯德图，尼氏图，根轨迹等曲线。现代控制理论：主要研究具有多输入-多输出系统（MIMO）、变参数系统的分析和设计问题。基本方法是：采用描述系统内部特征的状态空间的方法，更多的采用计算机作为其工具。

自动控制原理包括下列内容：

第一章：控制理论的基本概念，开、闭环，分类

第二章：数学模型即：描述系统运动状态的数学表达式——微分方程、传递函数、结构图信、号流程图第三章时域分析法：动态性能、静态性能、一二阶系统分析

第四章根轨迹分析法：常规根轨迹、特殊根轨迹

第五章频域分析法：频率特性、频域指标、频域分析

第六章系统综合与校正

第七章非线性系统与分析

第八章采样控制系

学习要求：

1.掌握自动控制系统的一般概念及其组成与分类；

2.掌握控制系统的基本性能要求。

教学内容：

§1-1 概述

§1-2 自动控制的基本方式

§1-3 自动控制系统的类型

§1-4 本章小结

§1-5 思考题与习题

第一章引论（控制理论的一般概念）

第一节概述

自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量自动地按照预定的规律运行的控制，称为自动控制。

前提：没有人直接参与

目标：被控对象（某一物理量）

手段：利用控制装置

自动控制的发展：

本世纪20-40年代，一些国防和通信自动化系统的研制，终于形成了以时域法、频率法和根轨迹法为支柱的"古典"控制理论。

60年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，在古典控制理论的基础上，又产生了基于状态空间模型的所谓"现代"控制理论。同时，随着自动化技术的发展，人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标，为了使系统在一定的约束条件下，其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。而当对象或环境特性变化时，为了使系统能自行调节，以跟踪这种变化并保持良好的品质，又出现了自适应控制。

尽管出现的各种理论都精辟而透彻，但在实践中常常发现仍是古典频域法最为适用。究其原因，在于复杂理论所基于的精确模型难以得到。真正优良的设计必须允许模型的结构和参数不精确并可能在一定范围内变化，即具有鲁棒性。另外，使理论实用化的一个重要途径就是数学模拟（仿真）和计算机辅助设计（CAD）。

目前谈到的主要是针对线性系统的线性理论。近年来，在非线性系统理论离散事件系统，大系统和复杂系统理论等方面均有不同程度的发展。智能控制在实用方面也得到了很快的发展，它主要包括专家系统、模糊控制和人工神经元网络等内容。

我们向大家介绍的古典控制理论是自动控制理论中最基本也是最重要的内容，它在工程实践中用的最多，也是进一步学习自动控制理论的基础。

自动控制例子：

1。化工反应塔恒温恒压控制

2。数控机床

3。火炮跟踪雷达的随动控制

4。人造卫星

都是：自动控制技术的结果。

最简单的例子：洗衣机；电冰箱、电暖气等

洗衣机：将定时器设定为3分钟，洗衣机达到设定值之前一直工作，时间到了，洗衣机停止工作。

可见：设定时间只确定了开关时间长短与衣物洗涤程度无关。

换言之：洗衣机不会根据衣物洗涤程度自动调整时间，控制装置与被控对象之间只有顺向作用。

电冰箱：设定温度T，冰箱接通电源后将启动压缩机（制冷），冰箱中温控器将检测实际温度并与设定温度比较，决定停止、启动压缩机工作。

可见：实际温度将维持在给定温度附近，

除了控制装置与被控对象之间具有顺向作用外，还存在反向联系。

第二节自动控制的基本方式

一、开环控制

开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向作用的控制过程。

框图

方框表示：控制装置、被控对象，信号用线段表示，箭头表示信号的传递方向，进入方框的箭头表示输入信号（输入量），引出方框的箭头表示输出信号（输出量）。

二、闭环控制（反馈控制）

闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。

框图：

：表示比较装置；反馈：通常将被控量经反馈装置引到输入端并与输入信号比较，称此过程为反馈。若反

馈信号与输入信号相减，而使误差信号值越来越小，则称反馈为负反馈，反之：称为正反馈。

特别说明：

以负反馈原理组成的闭环系统才能实现自动控制的任务。通常：因为讨论的问题均具有负反馈的特点，所以研究的《自动控制原理》也可称为《反馈控制理论》。

三、开环控制与闭环控制比较

开环控制：结构简单，成本低廉，工作稳定但开环控制不能自动修正被控制量偏高。（系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差。控制精度不高，一般只用于对控制性能要求较低的场合。）闭环控制：具有自动修正被控制量出现偏差能力，因此可修正元件、参数以及外界扰动引起的误差。（能减小或消除由于扰动所形成的被控量的偏差值，因而具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。）

四、复合控制

复合控制是开环控制和闭环控制相结合一种控制方式。

实际上：在闭环控制基础上，附加一个输入或扰动作用的顺馈通路，来提高系统控制精度。

1．按输入作用补偿

2．按扰动作用补偿

能在扰动（可测量）对系统产生不利影响前，提供一个控制作用以抵消扰动对输出影响。