第一章 自动控制的一般概念

第一章自动控制的一般概念

l、基本内容和要点

（l）自动控制的基本概念

开环控制与闭环（反馈）控制，反馈的特点与作用。

（2）反馈控制系统的类型

线性和非线性系统；随动系统和自动调节系统；连续数据系统和离散数据系统。

（3）反馈控制系统的组成，常用术语及定义。

（4）反馈控制理论的发展状况，本课程的任务。

2、重点

（l）反馈控制的作用与概念。

（2）反馈控制系统的特点和存在的问题。

3、难点

对“检测偏差用于纠正偏差”原理的理解。

1-1 自动控制的基本原理与方式

1自动控制技术及其应用

自动控制：通过控制器使被控对象或过程按照预定的规律运行。

自动控制的目的：提高产品质量；提高劳动生产率；

改善劳动条件，减轻劳动强度；

提高生活质量等

自动控制的应用：(P1,第二自然段) 在所有工矿企业、交通运输、金融贸易、农业生产、文化娱乐和日常生活等都有应用。

2 自动控制理论

自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，是理论性较强的工程学科。注重工程应用，在专

3 反馈控制原理

反馈控制原理：将被控量的值与期望值进行比较，通过控制器对被控对象施加作用，使被控对象尽可能达到期望值。

前向支路，反馈支路，反馈工作原理，(负)反馈控制，闭环控制。

简述讲义的两个例子。

反馈控制系统的典型方框图

)(t r ：(系统)输入信号，控制指令，参考输入；

)(t c ：(系统)输出信号，被控量； )(t ε：偏差信号，)()()(t y t r t -=ε；

)(t u ：控制信号，被控对象的输入； )(t y ：反馈信号；

)(t n ：扰动信号，干扰信号；

求和器，比较器，相加点；有多个输入信号，只有一个输出信号；输出信号是所有输入信号的代数和。

分支点，信号引出点；即一个信号引用到多处。

信号流向，只能是单向的。

方框，表示一个元件部件对象过程系统环节等等；只能有一个输入和一个输出。

4 反馈控制系统的基本组成(P4)

以反馈控制系统(典型方框图)的输入端开始叙述：

给定元件： 给出系统的控制指令或参考输入信号；

比较元件： 将测量到的输出信号对应值与参考输入值比较，得出偏差信号；作为控制器的输入

信号；

控制器： 包括放大元件(将弱信号放大)和校正元件(改善系统性能)，有时也包括执行元件

(功率驱动)；

被控对象： 是控制系统的主要部分，有时将执行元件作为被控对象的组成部分；

测量元件： 监测系统中的变量，主要检测被控的物理量；

测量元件是控制系统的眼睛，控制器是系统的大脑，执行元件是系统的手脚。

控制系统的组成部分还应考虑到作用在系统上的扰动因素(负载扰动、环境因素变化等)，自动控制系统的主要作用就是克服扰动对系统的影响。

5 自动控制系统基本控制方式

⑴ 反馈控制方式：是控制系统的主要控制方式。自动控制原理的主要研究对象是反馈控制系统。优点：能够抑制任何内外扰动对被控量的影响，控制精度高；缺点：结构复杂，可能出现系统不稳定问题，系统分析和设计较困难。

⑵ 开环控制方式：信号从系统输入端顺向流到系统输出端，输出量的变化不会对控制作用产生影响。该控制方式也称为顺馈控制方式。开环控制方式的控制器必须针对作用信号类别和类型设计。 对于系统的控制指令，开环控制器(输入补偿环节)应使系统输出快速无误差地跟随指令信号的变化。

对于系统的干扰信号，在干扰信号可以测量的前提下，开环控制器(扰动补偿环节)应使系统输出尽可能地不受干扰信号的影响。

例子采用习题1-4，图1-21。流量顺馈。

开环控制方式的优点：结构简单，系统分析和设计较简便。缺点：不能补偿其他因素对系统输出的

影响。

⑶ 复合控制方式：将前两种控制方式联合使用。具有两种控制方式的优点。讲解例为习题1-4。

1-2 自动控制系统示例

简述书中的一两个示例。 ⑴ 函数记录仪，XY 记录仪，地震监测记录仪；

⑵ 飞机自动驾驶仪系统，俯仰角控制系统；

⑶ 电炉温度控制系统； ⑷ 锅炉汽包液位控制系统；

1-3 自动控制系统的分类 依据信号的连续性分类：

连续系统，系统中的信号均是时间连续函数；

离散系统，系统中含有离散信号(在时间上不连续)。

依据系统的线性性质分类：

线性系统，系统的动态特性可用线性微分或差分方程描述；

非线性系统，不能用线性方程描述的系统。

依据系统参数特征分类：

定常系统，也称为时不变系统，系统的参数都是常数；

时变系统，系统中有的参数是时间函数。

以系统性质命名：

例如，线性连续定常系统，这类系统是本课程讨论的主要系统；

非线性定常系统；线性离散定常系统；线性时变系统等等。

依据控制目标分类：

恒值控制系统，系统的参考输入信号是恒值，控制目标是保持系统输出不变。

随动控制系统，系统的参考输入信号是已知或未知的时间函数，控制目标是保证系统输出及时准

确地跟随参考输入变化。

程序控制系统，系统的参考输入信号是事先已知的时间信号。

最优控制系统，使控制系统的指定目标函数最优(通常是取值最小)。

依据被控对象、被控量、主要组成部件、控制器设计方法和控制行为等命名：

例如，火炮随动系统；锅炉液位控制系统；粮食烘干塔微机监控系统；等等。

1-4 对自动控制系统的基本要求

基本要求： ⑴ 稳定性；⑵ 快速性；⑶ 准确性。

典型输入信号：

⑴ 单位阶跃函数(信号)：图1-15，

⎩⎨⎧≥<==0

100)(1)(t t t t r ，s s R 1)(=； ⑵ 单位斜坡函数(速度信号)：图1-16

⎩⎨⎧≥<==0

00)(1)(t t t t t t r ，21)(s s R =；