1自动控制理论的一般概念

研究系统的共性问题
实际 系统
物理 模型
数学 模型
方法（系统组成 分析、设计）
第一章 自动控制理论的一般概念
1.1 自动控制系统一般概念 1.2 自动控制的基本方式 1.3 典型控制系统举例 1.4 对控制系统的基本要求
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、
● 放大环节： 由于经过计算机处理的信号通常是标准化的 弱信号，不能驱动被控对象，因此需要加以放大。放大环 节的输出必须有足够的能量，一般需要幅值的放大和功率 的放大，才能实现驱动能力。
● 执行环节： 其作用是产生控制量，直接推动被控对象的 控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。
常用的名词术语
线性定常 传递函数 频域法
系统
根轨迹法
多输入-多 线性代数、 输出变系 矩阵理论 数，非线 性等系统
状态 空间法
对复杂多变量 系统、时变和 非线性系统无
能为力比较Leabharlann 琐（但由于计算机技术的
迅速发展，已 克服)
3.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。
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
复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术
电机与拖动
自动控制理论
线性代数
大学物理（力学、热力学）
● 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。
● 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。
● 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。
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。
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。
1.1 自动控制理论的发展
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
● 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。
● 计算环节： 它是控制装置的核心，决定着控制系统性能 的好坏。其作用是根据控制要求，对偏差信号进行各种计 算并形成适当的控制作用。校正装置就是可以实现某种 “控制规律”的计算环节，从而改善系统的动态、稳态性 能。对于复杂的运算可以利用计算机完成。
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
● 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
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
● 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。
1.2 自动控制系统的基本原理
1.自动控制系统的基本概念
● 自动控制：没有人的直接干预，利用控制装置使被控对 象（如生产设备）的工作状态或被控制量按照预定的规 律运行。
法）和伊文思（根轨迹法） 。
2.现代控制理论
● 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
研究对象 数学工具 分析方法
局限性
经典 控制 理论
现代 控制 理论
单I/O 微分方程， 时域法
● 自动控制系统：实现上述自动控制的目的，由相互联系 和制约的各部件组成的具有特定功能的整体称为自动控 制系统。
2.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。