第1章自动控制的一般概念4学时.docx

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1、第1章自动控制的一般概念（4学时）【主要讲授内容】1.1 自动控制的基本原理与方式1.2 自动控制系统示例1.3 自动控制系统的分类1.4 对自动控制系统的基本要求1.5 自动控制系统的分析与设计工具1.6 教学内容及要求【重点与难点】1、重点：根据控制系统工作原理图绘制方块图，对控制系统性能的要求。2、难点：对控制系统性能的要求。【教学要求】1、了解自动控制理论的发展史；2、掌握必要的基本概念：开环控制、闭环控制、控制器、被控对象、反馈、扰动、偏差，并根据控制系统工作原理图绘制方块图；3、掌握自动控制系统的基本构成；4、了解自动控制系统的分类；5、掌握自动控制系统的性能要求：稳定性、准确性、

2、快速性，以及各种指标：上升时间、延迟时间、峰值时间、调节时间、超调量、振荡次数；6、明确本课程的学习目的。【实施方法】课堂讲授，PpT配合1.1 自动控制的基本原理与方式自动控制是社会生产力发展到一定阶段的产物，是人类社会进步的一个象征。今天自动化已被广泛应用于诸多领域，已成为信息化社会的重要技术基础，世界各国对其普遍予以高度的重视。我国将自动化作为重点发展的一个新兴学科，在诸多方面都强调了自动化的地位与作用。自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加设备或控制装置使生产过程或被控对象中的某一物理量或多个物理量自动地按照期望的规律去运行或变化。这种外加的设备或装置就称为自动控制装置。自动

3、控制理论是研究自动控制技术的基础理论和自动控制共同规律的技术学科。控制理论和社会生产及科学技术的发展密切相关，在近代得到极迅速的发展。在这过程中，控制理论已发展成为一门内涵极为丰富的新兴学科。控制理论的发展一般划分为三个时期：经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。1.1.1 经典控制理论1、自动装置的发明与应用自古以来，人类就有创造自动装置以减轻或代替人劳动的想法，他们凭借生产实践中积累的丰富经验和对反馈概念的直观认识，发明了许多闪烁控制理论智慧火花的杰作。古代劳动人民发明的各种自动装置不胜枚举。正是这些构思奇异的自动装置的发明与应用，推动和促进了人们对这些自动装置的基本原理和设计技术作更

4、深入的探索和研究。2、稳定性理论的建立在这一时期，研究工作的重点是系统的稳定性和稳态偏差，采用的数学工具是微分方程解析法，它们是在时间域上进行讨论的，通常称这些方法为控制理论的时间域方法，简称时域法。3、频域法与根轨迹法的建立把原来由研究反馈放大器稳定性而建立起来的频率法，更加抽象化，更有普遍意义，把对具体物理系统，如力学、电学等的描述，统一用传递函数、频率响应等抽象的概念来研究。1945年,伯德在他的著作NetworkAna1.ysisandFeedbackAmPIifierDeSign中，提出了频率响应分析方法，即简便而实用的伯德图法。1948年和1950年，美国电信工程师埃文斯（W.R.

5、Evans）发表了两篇重要论文“Graphica1.ana1.ysisofcontro1.SyStem和Contro1.systemsynthesisbyroot1.ocusmethod，提出了直观而简便的图解分析法一一根轨迹法，为分析系统性能随系统参数变化的规律性提供了有力工具，从而奠定了单变量控制系统问题的理论基础。4、脉冲控制理论的建立经典控制理论主要是解决单输入单输出控制系统的分析与设计，研究对象主要是线性定常系统。它以拉氏变换为数学工具，以传递函数、频率特性、根轨迹等为主要分析设计工具，构成了经典控制理论的基本框架。简单地可概括为一个函数（传递函数）两种方法（频率响应法和根轨迹法）。

6、其主要特点：1）它是一套工程实用的方法，许多工作可用作图法来完成；2）物理概念清晰，在分析和设计时便于联系工程实际作出决定，减少盲目性；3）可用实验方法建立系统的数学模型。1.1.2 现代控制理论现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，以状态空间法为基础，利用计算机对系统进行分析、设计与控制。状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且它反映和揭示了系统的内部状态和性能。1.1.3 智能控制理论智能控制的基础是人工智能，人工智能的发展促进了传统控制向智能控制的发展，主要目标是使控制系统具有学习和适应能力。智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、系统

7、论和信息论等多种学科的高度综合与集成,代表控制理论与技术领域发展的最新方向。1.2 自动控制系统示例自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的控制装置使被控对象的工作状态或某些物理量自动地按照预定的规律运行（或变化）。自动控制系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。1.2.1 人工控制与自动控制的比较自动控制和人工控制极为相似，自动控制系统是把某些装置有机地组合在一起，以代替人的职能。1.2.2 开环控制系统开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统，即不存在由输出端到输入端的反馈通路。换句话说，就是指系统的控制输入不受输出影响的控制系统。在开环控制系统中，被控对象的输出量对控制

8、装置（控制器）的输出没有任何影响，即控制装置与被控对象之间只有顺向控制作用，而没有反向联系的控制。正是由于缺少从系统输出端到输入端的反馈回路，因此开环控制系统精度低且适应性差。1.2.3闭环控制系统闭环控制系统是指输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参与控制的系统。换句话说，就是将输出量反馈回来和输入量比较，使输出值稳定在期望的范围内。闭环控制系统的主要特点是被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环或回路。开环控制系统的优点是结构比较简单，成本较低。缺点是不能自动修正被控量的偏离，控制精度低，抗干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感。一般用于可以不考虑外界影

9、响或精度要求不高的场合，如洗衣机、步进电机控制及水位调节等。闭环控制系统的优点是具有自动修正被控量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。缺点是被控量可能出现振荡，甚至发散。1.2.4 复合控制系统对主要的扰动采用适当的补偿装置实现按扰动原则控制，同时，组成闭环反馈控制实现按偏差原则控制，以消除其它扰动带来的偏差。这样按偏差原则和按扰动原则结合起来构成的系统，称为复合控制系统，它兼有两者的优点，可以构成精度很高的控制系统。1.3 自动控制系统的基本构成一般来说，自动控制系统均应包括以下几个基本环节图反馈控制系统的基本构成1.4 自动控制系统的分类1.4.1 线性

10、系统与非线性系统线性系统是指组成系统的元器件的静态特性为直线，该系统的输入与输出关系可以用线性微分方程来描述。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，系统的时间响应特性与初始状态无关。非线性系统是指组成系统的元器件中有一个以上具有非直线的静态特性的系统，只能用非线性微分方程描述，不满足叠加原理。1.4.2 连续系统和离散系统。连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统。其输入-输出之间的关系可以用微分方程来描述。离散系统是指系统一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。1.4.3 恒值系统和随动系统恒值系统的特点：系统输入量（即给定值）是恒定不变的。如恒温恒速恒压等自动控制

11、系统。这种系统的输出量也应是恒定不变的，但由于各种扰动的影响使被控量（即系统的输出量）偏离期望值，所以系统的任务是尽量排除扰动的影响，使被控量恢复到期望值，并以一定的准确度保持在期望值附近。随动系统的特点：给定值是预先未知的或随时间任意变化。要求系统被控量（即系统的输出量）以一定的精度和速度跟随输入量变化，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。1.4.4 单输入输出系统与多输入输出系统单输入-单输出系统的输入量和输出量各只有一个，也称为单变量系统，系统结构较为简单。多输入-多输出系统的输入量和输出量个数多于一个，也称为多变量系统，系统结构较为复杂。一个输入量对多个输出量有控制作用，同时

12、，一个输出量往往受多个输入量的控制。显然，多变量系统在分析和设计上都远较单变量系统复杂。1.4.5 确定性系统与不确定性系统若系统的结构和参数是确定的，预先可知的，系统的输入信号（包括给定输入和扰动）也是确定的，则可用解析式或图表确切地表示，这种系统称为确定系统。若系统本身的结构和参数不确定或作用于系统的输入信号不确定时，则称这种系统为不确定系统。1.4.6 集中参数系统与分布参数系统能用常微分方程描述的系统称为集中参数系统。不能用常微分方程而必须用偏微分方程描述的系统称为分布参数系统。1.5 对自动控制系统的基本要求自动控制是使一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量即控制量的变化而变化或保

13、持恒定，一般地说如何使控制量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。根据系统的不同，其设计要求也不尽相同，但是从定性的角度讲，有三个基本要求：稳定性、准确性、快速性。1.5.1 稳定性稳定性是控制系统能够运行的首要条件。稳定性对于一个控制系统是非常重要的，它是一切自动控制系统必须满足的一个性能指标。换句话说，所有系统满足稳定性的要求才能够正常工作。1.5.2 动态特性表征系统从一个稳态过渡到另一个稳态的过渡过程的指标叫做动态特性也称暂态特性。其过程包括单调过程、衰减振荡过程、持续振荡过程、发散振荡过程。系统的动态特性指标通常有：延迟时间，上升时间，峰值时间，调节时间，超调量，振荡次数。1.5.3 静态特性稳态过程是在参考输入信号作用下，当时间趋于无穷时，系统输出量的表现方式。稳态过程中表现出的系统的有关稳态误差的信息用稳态特性来表示。稳态特性用稳态误差来表示。1.6 教学内容与要求1.6.1 教学内容自动控制原理是自动化学科专业的一门主干技术基础课，带有入门的性质。本课程在阐述自动控制与自动控制原理基本概念的基础上，主要从控制系统的数学模型入手，分别介绍时域分析法，根轨迹分析法和频率特性分析法。1.6.2 基本要求学习自动控制原理要求处理好全面与重点、理解与记忆、原理与方法的关系。具体要求掌握的基本内容是：控制系统的分析和控制系统的设计或综合。