自动控制原理概述
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第一章 自动控制原理概述
本章重点
自动控制及自动控制系统的含义 反馈与反馈控制的概念 控制系统的组成、分类、特点
本章难点
自动控制的实质 深刻理解反馈的概念和思想 确定控制系统的被控对象、被控量、给 定量等等，绘制方框图，分析实际控制 系统的基本原理。
§1.0 概述
自动控制技术在工农业生产、国防、航 空航天等各个领域中起着重要的作用！ 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生 物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生 活领域 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。 《自动控制原理》是自动控制技术的基础 理论，是一门理论性较强的工程科学。
信号的分支点，表示信号的取出。
以温度自控系统用原理方块图描述如下
放大装置 执行装置
（散热量Q）
控制对象
Ua
ue
电压、功率放大
可逆电机 调压器
电热炉
uf
热电偶
测量元件
控制装置
控制对象
即：控制系统=控制装置+控制对象
专业wk.baidu.com语：
1. 系统输入：凡是能使被控制量发生变化作 用的量，称为系统的输入
执行机构部分：按信号的大小和方向，对控制 对象施于控制作用 温度自动控制系统
通过可逆电机
电位器触头
改变加热电压
控制对象：被控设备（炉温）
校正装置：用于改善系统性能
在控制系统中，为了明确系统各部分的 联系，习惯用原理方框图描述系统，图中每 一方块代表系统相应组成部分。
信号用箭头表示，进入方块的箭头表示该装 置的输入量，离开方块的箭头表示该方块的 输出量。 代表比较元件，表示信号在这里进行代数 叠加
系统中被控制量按照控制量的变化规律来变化
例如：前面我们介绍温控系统
被控量(炉内温度)---随控制量（给定电压ua)的
变化而变化
火炮控制系统
被控量（火炮方位角和俯仰角）--随控制量（雷达信 息）变化而变化
通过以上分析，可见自动控制的实质为：
检测偏差，由偏差产生控制作用， 消除（或减少）偏差
自动控制的 基本原理
4）根据系统的物理性质分为： 机电控制系统、液压控制系统和生物控制系统等 5）根据被控量所遵循的规律分为： 恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等 6）根据信号传递的路线是否闭合分为 开环控制系统和闭环控制系统 下面我们重点介绍几种比较重要的分类
由以上定义，在温控系统中Ua、Q它们的变化都 会使被控量T发生变化，所以应该称为系统的输入。 但二则之间又有区别
炉温值的大小是用Ua变化来达到的---Ua称为系 统的给定输入 Q的变化为干扰量，它使炉温偏离要值----Q 称为干扰输入
2. 系统输出：需要加以控制的某些物理量 这样，整个自动控制系统（温控）可进 一步概括成一个大的方块图表示。
温控系统的方块图描述
输入量（干扰输入）
输入量 （给定输入）
输出量
温度自动 控制系统
（被控量）
§1.2 自动控制系统的分类
将控制系统分类的目的：了解各类系统的特点
系统分类的方法很多 1）根据系统元件特性是否线性可分为： 线性系统和非线性系统 2）根据系统参数是否随时间变化可分为： 时变系统和定常系统 3）根据系统内信号形式的不同分为： 连续系统和离散系统
自动控制的类型很多 国防业中使用的火炮，火炮根据雷达指挥仪传来的 信息自动的调整方位角、俯仰角，随时跟踪目标，瞄 准着弹点。 机加工中，数控机床能够按预先安排的工艺程序进 行自动切削，最终加工出我们所需要的工件。
自动控制系统在生产实际和我们日常生活中，我 们见到的很多，尽管它们的结构和功能各不相同，但 是它们有共同的规律：即
（2）自动控制
我们能否将一个人工控制系统，改造为 一个自动控制系统呢？
我们说是完全可以的，只要我们能 选择一个合适的控制器，来替代人的工 作，就可将此人工控制系统改造为自动 控制系统。
例1 简单的水位控制系统
此系统利用了一个连杆机构替代了 人的工作，实现了自动控制。
例2
较为完善的水位控制系统
根据只得大小和方向来调节水阀的开口大小 人工的整个过程在做什么？
在检测偏差，纠正偏差
这也是控制的实质
所谓人工控制就是其检测偏差和纠 正偏差，都是人工完成的所以称为人工 控制。
人工控制存在的问题：
1）由于用肉眼检测偏差，所以误差大，控制精 度低。 2）若系统变化快，则人的劳动强度大。 所以我们说：人工控制系统，劳动强度大， 控制精度低，不能适应高速运动系统。
例采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统
例3. 温度自动控制系统
给定电压信号
热电偶
uf +
ua ue
+
-
电压 放大器
功率 放大器
可逆 电机
加热器 ~220V
Ue=ua-uf，请大家看看此系统与人工控制系统作了那些改造
比较人工控制和自动控制可见 所谓自动控制是： 在没有人直接参与的情况下，利用控制装 置（或控制器）使某种设备、工作机械或生 产过程自动按预定的运动规律运行
二、自动控制系统的组成
从上述几个控制系统可见，系统虽然简单， 但从系统组成的角度来看，还是很典型的。
根据各部分性质和功能，一般情况下，控制系统可 划分为五个组成部分
检测部分：把被控制量的大小检测出来 比较部分：检测值与给定值相比较，产生偏差信号
偏差----为系统的控制信号
信号放大与转换部分
现代控制理论：现代控制理论是上世纪60 年代以后发展起来的新理论称为现代控制理 论，它是以状态空间为数学基础. 主要研究具有高性能的多输入、多输出变 参数系统的控制和综合问题。 现代控制理论能解决一些经典控制理论难 以解决的问题，而且随着计算机技术和现代 应用数学研究的发展，目前现代控制理论正 向着大系统和人工智能化方向发展。
根据自动控制技术发展的不同阶段，自 动控制理论分为两大部分：
经典控制理论：19世纪末----上世纪60年 代，这一百多年所形成的理论，称为经典 控制理论，它是以传递函数为数学基础，
主要研究单输入、单输出线性定常系统的 控制和综合问题。 在工程实践中，经典控制理论已得到许许 多多成功地运用，而且今后还将发挥其理论 指导作用
现代的工程技术人员和科学工作者，必须 具备一定的自动控制理论基础知识
§1.1 自动控制理论和自动控制系统的基本概念
一、人工控制与自动控制
（1）人工控制
人工温控系统
水位人工控制系统
人工控制水位系统
整个控制过程人在做的工作
首先人用肉眼观察水面（温度）的实际高度h（T）;
将实际水面高度h与期望的水面高度H，进行比较， 得出偏差值 dH=H-h
本章重点
自动控制及自动控制系统的含义 反馈与反馈控制的概念 控制系统的组成、分类、特点
本章难点
自动控制的实质 深刻理解反馈的概念和思想 确定控制系统的被控对象、被控量、给 定量等等，绘制方框图，分析实际控制 系统的基本原理。
§1.0 概述
自动控制技术在工农业生产、国防、航 空航天等各个领域中起着重要的作用！ 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生 物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生 活领域 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。 《自动控制原理》是自动控制技术的基础 理论，是一门理论性较强的工程科学。
信号的分支点，表示信号的取出。
以温度自控系统用原理方块图描述如下
放大装置 执行装置
（散热量Q）
控制对象
Ua
ue
电压、功率放大
可逆电机 调压器
电热炉
uf
热电偶
测量元件
控制装置
控制对象
即：控制系统=控制装置+控制对象
专业wk.baidu.com语：
1. 系统输入：凡是能使被控制量发生变化作 用的量，称为系统的输入
执行机构部分：按信号的大小和方向，对控制 对象施于控制作用 温度自动控制系统
通过可逆电机
电位器触头
改变加热电压
控制对象：被控设备（炉温）
校正装置：用于改善系统性能
在控制系统中，为了明确系统各部分的 联系，习惯用原理方框图描述系统，图中每 一方块代表系统相应组成部分。
信号用箭头表示，进入方块的箭头表示该装 置的输入量，离开方块的箭头表示该方块的 输出量。 代表比较元件，表示信号在这里进行代数 叠加
系统中被控制量按照控制量的变化规律来变化
例如：前面我们介绍温控系统
被控量(炉内温度)---随控制量（给定电压ua)的
变化而变化
火炮控制系统
被控量（火炮方位角和俯仰角）--随控制量（雷达信 息）变化而变化
通过以上分析，可见自动控制的实质为：
检测偏差，由偏差产生控制作用， 消除（或减少）偏差
自动控制的 基本原理
4）根据系统的物理性质分为： 机电控制系统、液压控制系统和生物控制系统等 5）根据被控量所遵循的规律分为： 恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等 6）根据信号传递的路线是否闭合分为 开环控制系统和闭环控制系统 下面我们重点介绍几种比较重要的分类
由以上定义，在温控系统中Ua、Q它们的变化都 会使被控量T发生变化，所以应该称为系统的输入。 但二则之间又有区别
炉温值的大小是用Ua变化来达到的---Ua称为系 统的给定输入 Q的变化为干扰量，它使炉温偏离要值----Q 称为干扰输入
2. 系统输出：需要加以控制的某些物理量 这样，整个自动控制系统（温控）可进 一步概括成一个大的方块图表示。
温控系统的方块图描述
输入量（干扰输入）
输入量 （给定输入）
输出量
温度自动 控制系统
（被控量）
§1.2 自动控制系统的分类
将控制系统分类的目的：了解各类系统的特点
系统分类的方法很多 1）根据系统元件特性是否线性可分为： 线性系统和非线性系统 2）根据系统参数是否随时间变化可分为： 时变系统和定常系统 3）根据系统内信号形式的不同分为： 连续系统和离散系统
自动控制的类型很多 国防业中使用的火炮，火炮根据雷达指挥仪传来的 信息自动的调整方位角、俯仰角，随时跟踪目标，瞄 准着弹点。 机加工中，数控机床能够按预先安排的工艺程序进 行自动切削，最终加工出我们所需要的工件。
自动控制系统在生产实际和我们日常生活中，我 们见到的很多，尽管它们的结构和功能各不相同，但 是它们有共同的规律：即
（2）自动控制
我们能否将一个人工控制系统，改造为 一个自动控制系统呢？
我们说是完全可以的，只要我们能 选择一个合适的控制器，来替代人的工 作，就可将此人工控制系统改造为自动 控制系统。
例1 简单的水位控制系统
此系统利用了一个连杆机构替代了 人的工作，实现了自动控制。
例2
较为完善的水位控制系统
根据只得大小和方向来调节水阀的开口大小 人工的整个过程在做什么？
在检测偏差，纠正偏差
这也是控制的实质
所谓人工控制就是其检测偏差和纠 正偏差，都是人工完成的所以称为人工 控制。
人工控制存在的问题：
1）由于用肉眼检测偏差，所以误差大，控制精 度低。 2）若系统变化快，则人的劳动强度大。 所以我们说：人工控制系统，劳动强度大， 控制精度低，不能适应高速运动系统。
例采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统
例3. 温度自动控制系统
给定电压信号
热电偶
uf +
ua ue
+
-
电压 放大器
功率 放大器
可逆 电机
加热器 ~220V
Ue=ua-uf，请大家看看此系统与人工控制系统作了那些改造
比较人工控制和自动控制可见 所谓自动控制是： 在没有人直接参与的情况下，利用控制装 置（或控制器）使某种设备、工作机械或生 产过程自动按预定的运动规律运行
二、自动控制系统的组成
从上述几个控制系统可见，系统虽然简单， 但从系统组成的角度来看，还是很典型的。
根据各部分性质和功能，一般情况下，控制系统可 划分为五个组成部分
检测部分：把被控制量的大小检测出来 比较部分：检测值与给定值相比较，产生偏差信号
偏差----为系统的控制信号
信号放大与转换部分
现代控制理论：现代控制理论是上世纪60 年代以后发展起来的新理论称为现代控制理 论，它是以状态空间为数学基础. 主要研究具有高性能的多输入、多输出变 参数系统的控制和综合问题。 现代控制理论能解决一些经典控制理论难 以解决的问题，而且随着计算机技术和现代 应用数学研究的发展，目前现代控制理论正 向着大系统和人工智能化方向发展。
根据自动控制技术发展的不同阶段，自 动控制理论分为两大部分：
经典控制理论：19世纪末----上世纪60年 代，这一百多年所形成的理论，称为经典 控制理论，它是以传递函数为数学基础，
主要研究单输入、单输出线性定常系统的 控制和综合问题。 在工程实践中，经典控制理论已得到许许 多多成功地运用，而且今后还将发挥其理论 指导作用
现代的工程技术人员和科学工作者，必须 具备一定的自动控制理论基础知识
§1.1 自动控制理论和自动控制系统的基本概念
一、人工控制与自动控制
（1）人工控制
人工温控系统
水位人工控制系统
人工控制水位系统
整个控制过程人在做的工作
首先人用肉眼观察水面（温度）的实际高度h（T）;
将实际水面高度h与期望的水面高度H，进行比较， 得出偏差值 dH=H-h