《自动控制原理》第一章 自动控制原理

1. 4自动控制系统的基本要求 自动控制系统的基本要求
对于线性定常系统，性能指标主要包括三个方面内 容：稳定性、动态性能指标和稳态误差。
1.稳定性 稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正 常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到 原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、 发散振荡或单调增长运动。
自动控制原理
课程的性质和特点
自动控制是一门技术学科，它是从方法论的角 度来研究系统的建立、分析与设计。 《自动控制原理》是本学科的专业基础课，是 自动控制理论的基础课程，该课程与其他课程 的关系如下:
信号与系统 电路理论 电机与拖动 复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术
自动控制理论
线性代数
大学物理（力学、热力学）
2.动态性能指标 动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。 当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为 阶跃响应。
图1-8 阶跃输入信号和输出响应曲线
3.稳态误差 稳态误差
稳态误差（或称为静态误差）是指系统到达平衡 状态（过渡过程结束后）后被控量与给定量之间 的偏差，记为 ess。 一般要求稳态误差在给定量的2％～5％之内。
本章内容包括： 本章内容包括： 自动控制理论的发展 自动控制系统的基本原理 自动控制系统的分类 自动控制系统的基本要求
1.1 自动控制理论的发展 控制理论的发展过程一般可分为三个阶段： ● “经典控制理论”时期 ● “现代控制理论”时期 ● “大系统理论”和“智能控制”时期
1.经典控制理论 经典控制理论
3.大系统理论和智能控制 大系统理论和智能控制
关系：前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理 论在深度上的挖掘。 ● 研究内容： “大系统理论” 通过采用控制和信息的观点，研究各种大 系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题。 “智能控制”通过模拟人类智能活动及其控制与信息传递 过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息 处理系统。
教学难点
自动控制系统的基本工作原理，自动控制 系统的结构及特点、组成和基本环节，自 动控制系统的性能指标，自动控制系统的 类型。
概述：在人类社会走向信息化的今天，计算机、 通信、信息处理技术的发展对社会经济以及人类 生活产生了巨大影响。其中，自动控制作为一种 技术手段已经广泛地应用于工业、农业、国防以 及日常生活和社会科学的各个领域。 自控理论：自动控制理论就是研究自动控制共同 规律的科学技术，自动控制原理仅是工程控制论 中的一个分支，是研究控制系统分析和设计的一 般理论。 本章内容：本章是自动控制技术及应用的基础， 主要介绍自动控制的基本原理和概念，自动控制 系统的组成和分类，以及自动控制系统的性能指 标等。
（2）非线性系统
● ● 特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、 间隙特性等。
图1-5 典型的非线性特性
4. 按系统参数特性分类
（1）定常系统 系统参数在系统运行过程中相对于时间是不变的。 举例：许多物理系统在所观察的时间范围内，可以认为参数 是定常的，它的微小变化可以忽略不计。 （2）时变系统 系统中的参数是时间的函数。 举例：在工程上的大部分系统属于这类系统。
实际 系统 物理 模型 数学 模型 方法（ 方法（系统组成 分析、设计） 分析、设计）
第1章 自动控制系统的基础知识
教学重点
了解自动控制系统的基本结构和特点及其 工作原理； 了解闭环控制系统的组成和基本环节； 掌握反馈控制系统的基本要求－稳定性、 动态和稳态性能指标； 学会自动控制系统的类型及本质特征。
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反馈： 是系统的输出量从被控量端（输出）经变换、处 理到达系统的给定量端（输入）。若是从系统输出端到系 统输入端，这种反馈称为主反馈；而其他反馈称为局部反 馈。 前向通道： 是从系统的给定量端（输入）到被控量端 （输出）所经过的通路。 偏差： 是给定量与反馈量之差。 误差： 是系统输出量的实际值与期望值之差。系统期望 值是理想化系统的输出，实际中很难达到。在单位反馈情 况下，期望值就是系统的给定量，则误差就等于偏差。 系统： 是一些部件的组合，能完成一定的任务。系统的 概念可以应用于抽象的动态现象。
微积分（含微分方程）
课程的性质和特点
自动控制理论已经发展为理论严 密、系统完整、逻辑性很强的一门学 科。从基本反馈控制原理发展到自适 应控制、优化控制、鲁棒控制、大系 统控制、智能控制。
课程的性质和特点
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讨论的对象： 因果系统、工程系统 系统的广义性： 经济、社会、工程、生物、环境、医学 课程特点： 研究系统的共性问题
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被控对象： 是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控 制量并输出被控量。可以是一套装置或设备，也可以是 一个动态过程（被控制的运行状态）。如化工行业中从 原料到产品的生产工艺流程。 测量环节： 其作用是检测被控对象的控制量（温度、压 力、流量、位移等），并且一般需要转换为标准的电信 号（如0~5V直流电压或0~10mA直流电流），以便于处 理。为了保证控制精度，测量环节应当测量准确，并且 牢固、可靠，受环境条件影响小。 比较环节： 其作用是将测量环节的实际输出值与给定量 进行比较，求出它们之间的偏差。通常采用的比较元件 有差动放大器、电桥、机械的差动装置等。
1.3 自动控制系统的分类
●按系统结构分类 ●按系统输入信号分类 ●按系统数学模型分类 ●按系统参数特性分类 ●按系统时间变量特性分类 ●其他分类方法
1.按系统结构ห้องสมุดไป่ตู้类
（1）开环控制系统 工作原理：在控制器和被控对象之间只有正向控制而没 有反馈控制，即系统的输出量对控制量没有影响。
图1-2 开环控制系统原理框图
(2)闭环控制系统 工作原理：根据被控量的反馈信息，即实际输出量，来修正控制装置 对被控对象的控制作用，实现控制任务。
图1-3 闭环控制系统原理框图
(3)复合控制系统 工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系 统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信 号进行补偿，以达到精确的控制效果。
5.按系统时间变量特性分类 按系统时间变量特性分类
（1）连续时间系统 控制系统各环节的输入量和输出量均为时间的连续函数。 举例：工业生产中普遍采用的常规仪表控制系统。 （2）离散时间系统 控制系统中有一处或一处以上的信号是脉冲序列或数字编码 ， 又称为采样控制系统。
图1-6 采样控制系统方框图
随着数字计算机技术的飞速发展，计算机作为控制器已经 广泛引入控制系统中。计算机控制系统就是通过A/D转换 器，将采样信号转换为数字信号进行运算、处理，得到的 结果再经过D/A转换器转换为模拟信号，用以驱动执行机 构。
常用的名词术语
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给定量： 又称为参考输入，是指人为给定的并且要求系 统输出量参照变化的外部指令信号。给定量与期望的输 出量之间一般存在着物理量纲转换关系。给定量可以是 常值，也可以是随时间变化的已知函数或未知函数。 被控量： 又称为输出量，是指被控对象中某个需要被控 制的物理量。它与给定量之间存在一定函数关系。 干 扰： 又称为扰动信号，是指由某些因素（外部和内 部）引起的、对系统被控量产生不利影响的信号。
图1-7 计算机控制系统方框图
６.其他分类方法 其他分类方法
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按控制系统的输入、输出数量分类，有单输入－ 单输出系统和多输入－多输出系统； 按控制系统的功能分类，有温度控制系统、位置 控制系统、速度控制系统等； 按组成系统的部件分类，有机械系统、电力系统、 液压系统等； 按控制理论分类，有PID控制系统、最优控制系 统、预测控制系统、模糊控制系统等。
研究对象：单输入－单输出系统（线性定常系统） ● 研究方法：以传递函数、频率特性、根轨迹为基 础的频域分析方法。 ● 代表人物：维纳（《控制论》）、伯德（伯德图 法）和伊文思（根轨迹法） 。
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2.现代控制理论 现代控制理论
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研究对象：多输入－多输出系统（线性定常或非 线性时变） 研究方法：状态空间方法 代表人物：庞特里亚金（极大值原理）、贝尔曼 （动态规划原理）、卡尔曼（卡尔曼滤波）等
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2.自动控制系统的组成 自动控制系统的组成 基本工作原理： 通过测量装置随时监测被控量，并与给定 值进行比较，产生偏差信号；根据控制要 求对偏差进行计算和信号放大，并且产生 控制量，驱动被控制量维持在期望值附近。
自动控制系统组成：由被控对象以及为完成控制任 务而配置的控制装置两大部分构成。
图1-1 自动控制系统框图
a0 y ( n ) + a1 y ( n −1) + ⋯ + an −1 y (1) + an y = b0 r ( m ) + b1r ( m −1) + ⋯ + bm −1r (1) + bm r r y 式中，为输入量； 为输出量。
线性系统的两个重要特性 叠加性：当同时存在几个输入量时，线性系统 的输出量等于各输入量单独作用时所产生的输 t) 出量之和。即若当系统的输入分别为 r1 (t )和 r2 (时， y2 (t ) y r 同时 对应的输出分别为 和1 (t ) ，则当 和1 (t ) r2 (t ) y1 (t ) 。2 (t ) +y 作用时，输出量为 齐次性：当输入量增大或缩小 Ｋ ( Ｋ为实数)倍 时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。 即若系统的输入为 r (t ) 时，对应的输出为 y (t )，则 当输入量为 Kr (t ) 时，输出量为 Ky (t ) 。
（3）随动控制系统（或称伺服控制系统） 系统的输入信号是一个未知的随时间任意变化的函数，要 求输出量能够精确地跟随输入信号变化，称为随动控制系 统。 随动控制系统中的被控量是机械位置或其导数时，称为伺 服控制系统。 举例：导弹自动跟踪系统等。