自动控制原理-第一章1

2010-9-13
自动控制原理教案
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。
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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。
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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。
给定温度
实际温度 开关 压缩机
温控器
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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。（其他例子，如人取物）
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，又产 生最优控制、自适应控制、智能控制。
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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。 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）。
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》。 2010-9-13 自动控制原理教案
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差。 （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。） 2010-9-13 自动控制原理教案
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参考书： 《自动控制原理》 谢克明等， 电子工业出版社 《自动控制原理》 胡寿松主编， 科学出版社 《现代控制工程》（日）绪方胜彦， 科学出版社
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自动控制理论:
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 建立在状态空间法基础上的现代控制理论
框图：
R输入信号 B 反馈装置 E 输出信号 y 控制装置 被控对象 （被控制量）
：表示比较装置
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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： 特别说明
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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。
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§1-2 控制系统基本概念
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：
输入量
控制装置
被控对象
输出量
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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。
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扰 动 n e
u
r参考输入
控制装置 b 反馈装置
被控对象
输出信号 y 被控制量c）
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自动控制原理
2005级自动化专业 授课教师：刘洪锦 天津理工大学自动化系 电 话：23679326 E-mail ：lhj@tjut.edu.cn
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《自动控制理论》简介
自动控制原理是自动化类专业专业基础课，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 其应用范围扩展到非工程领域，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64学时，实验单独授课。
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第一章
控制理论的一般概念
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内容介绍： 内容介绍
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。 §1-1 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。
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。
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1.按输入作用补偿
补偿装置 输出信号 y 控制装置 R输入信号 反馈装置 被控对象
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前题：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： 自动控制的发展
二十世纪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。
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二十世纪60年代以来，随着计算机技
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
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自动控制原理包括下列内容：
基础
第一章：控制理论的基本概念基础 开、闭环，分类 第二章：数学模型 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
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第三章
动态性能、静态性能、一 二阶系统分析
三种基本 分析方法
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
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设计方法： 第六章 系统综合与校正
第七章 第八章 非线性系统与分析 采样控制系统
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。
扰动 输出信号 y 控制装置 被控对象
补偿装置
R输入信 号
反馈装置
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五．自动控制系统
系统：为完成一定任务的一些部件按一定规律 组合成一个有机的整体。 自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进 行自动检测控制的系统称为自动控制系统。 自动控制的基本控制方式就是开、闭环控制。
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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。
设定时间 洗衣筒 （电机） 洗涤程度 转数
定时器 （开关）
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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。