自動控制原理電子與信息工程學院第一章自動控制系統的根本概念掌握開環控制，閉環控制，控制裝置，被控對象的根本概念；掌握控制系統的根本原理和組成，控制系統的類型；掌握對控制對象的根本要求。本章要點1.1自動控制系統的一般概念1.2自動控制的根本方式1.3自動控制系統的根本組成和分類1.4自動控制系統的性能指標1.5自動控制課程的主要任務小結主要內容一、什么是自動控制?自動控制就是在沒有人直接參與的情況下,利用控制裝置使被控對象中某一物理量或數個物理量準確地按照預定的要求規律變化。自動控制和人工控制的根本原理是相同的,它們都是建立在“測量偏差,修正偏差〞的根底上,并且為了測量偏差,必須把系統的實際輸出反響到輸入端。自動控制和人工控制的區別在于自動控制用控制器代替人完成控制。1.1自動控制系統的一般概念(1)被控對象:被控制的生產設備或生產過程。(2)控制器:接收變換和放大后的偏差信號,轉換為對被控對象進行操作的控制信號。(3)給定量(輸入量):作用于輸入端并作為控制依據的物理量(4)被控量(輸出量):被控對象中要求保持給定值,需按給定規律變化的物理量。(5)擾動量:阻礙給定量對被控量進行正常控制的量.根本概念:二、自動控制系統完成某一特定的自動控制任務的所有元器件(軟硬件)的總和,通常包括控制裝置和被控對象兩局部.例：小:家用水箱的水位控制系統,全自動洗衣機的程序控制系統;大:生產線的全自動控制;再大:社會系統,生產系統,經濟系統。三、自動控制理論的開展經典控制理論:從瓦特蒸汽機開始建立的反響控制系統理論19世紀20年代-50年代主要特點:單輸入-單輸出確定性系統間接的方法(根軌跡頻率法)目標:好用大系統理論和智能控制理論:綜合了人工智能,自動控制,運籌學,信息論(20世紀70年代開展起來).主要特點:多輸入-多輸出,確定性和不確定性系統直接的方法(狀態空間法)目標:最優現代控制理論:從龐里亞金的極值理論和貝爾曼的動態規劃開始的最優控制,到卡爾曼的濾波理論再到自適應自學習系統,20世紀50-60年代.

一、開環控制

控制裝置與被控對象之間只有順向作用而無反向聯系.被控量不對控制作用產生任何影響。1.2自動控制的根本方式優點：控制系統結構簡單，相對來說本錢低。缺點：對可能出現的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。例：爐溫控制系統定時開關爐子電阻絲給定爐溫T0實際爐溫T二、閉環控制(反響控制)閉環控制的定義是有被控制量反響的控制,其原理框如下圖。從系統中信號流向看,系統的輸出信號沿反響通道又回到系統的輸入端,構成閉合通道,故稱閉環控制系統,或反響控制系統。優點:這種控制方式控制精度較高，因為無論是干擾的作用還是系統結構參數的變化，只要被控量偏離給定值，系統就會自行糾偏。缺點:閉環系統的結構比較復雜,構造比較困難閉環控制系統的參數如果匹配得不好，會造成被控量的較大擺動，甚至系統無法正常工作。例：爐溫控制系統復合控制就是開環控制和閉環控制相結合的一種控制。實質上，它是在閉環控制回路的根底上，附加了一個輸入信號或擾動作用的順饋通路，來提高系統的控制精度。三、復合控制控制裝置被控對象

CR—補償裝置n控制裝置被控對象CR—補償裝置b.按擾動作用補償a.按輸入作用補償典型反響控制系統的原理如下圖：一、自動控制系統的組成1.3自動控制系統的根本組成和分類(1)被控對象:它是控制系統所控制和操縱的對象,它接受控制量并輸出被控制量。(2)控制器:接收變換和放大后的偏差信號,轉換為對被控對象進行操作的控制信號。(3)放大變換環節:將偏差信號變換為適合控制器執行的信號。它根據控制的形式、幅值及功率來放大變換。(4)校正裝置:為改善系統動態和靜態特性而附加的裝置。如果校正裝置串聯在系統的前向通道中,稱為串聯校正裝置;如果校正裝置接成反響形式,稱為并聯校正裝置,又稱局部反響校正。(5)反響環節:它用來測量被控量的實際值,并經過信號處理,轉換為與被控制量有一定函數關系,且與輸入信號同一物理量的信號。反響環節一般也稱為測量變送環節。(6)給定環節:產生輸入控制信號的裝置。(7)偏差信號:控制輸入信號與主反響信號之差。(8)誤差信號:它指系統輸出量的實際值與希望值之差。系統希望值是理想化系統的輸出，實際上并不存在,它只能用與控制輸入信號具有一定比例關系的信號來表示。(9)擾動信號:除控制信號以外,對系統的輸出有影響的信號。1.按信號流向劃分(1)開環控制系統

二、自動控制系統的類型(2)閉環控制系統2.按系統輸入信號劃分(1)恒值調節系統(自動調節系統)(2)隨動系統(跟蹤系統)(3)程序控制系統3.線性系統和非線性系統線性系統的主要特征是具有齊次性和疊加性。(1)線性系統(2)非線性系統在系統中只要有一個元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關系,那么稱為非線性系統。4.定常系統和時變系統1.定常系統如果描述系統特性的微分方程中各項系數都是與時間無關的常數,那么稱為定常系統。該類系統只要輸入信號的形式不變,在不同時間輸入下的輸出響應形式是相同的。2.時變系統如果描述系統特性的微分方程中只要有一項系數是時間的函數,此系統稱為時變系統。5.連續系統和離散系統(1)連續系統系統中所有元件的信號都是隨時間連續變化的,信號的大小均是可任意取值的模擬量,稱為連續系統。(2)離散系統離散系統是指系統中有一處或數處的信號是脈沖序列或數碼。采樣控制系統或脈沖控制系統和數字控制系統。6.單輸入-單輸出系統與多輸入-多輸出系統(1)單輸入單輸出系統(單變量系統)系統的輸入量和輸出量各為一個,稱為單輸入單輸出系統。(2)多輸入多輸出系統(多變量系統)假設系統的輸入量和輸出量多于一個,稱為多輸入多輸出系統。對于線性多輸入多輸出系統,系統的任何一個輸出等于數個輸入單獨作用下輸出的疊加。工程上常從穩、快、準三個方面來評價控制系統。

穩：指動態過程的平穩性。

快：指動態過程的快速性。

準：指動態過程的最終精度。1.4自動控制系統的性能指標穩：指動態過程的平穩性系統在外力作用下，輸出逐漸與期望值一致，那么系統是穩定的，如曲線①所示；反之，輸出如曲線②所示，那么系統是不穩定的。快：指動態過程的快速性快速性即動態過程進行的時間的長短。過程時間越短，說明系統快速性越好，反之說明系統響應遲鈍，如曲線①所示。以上分析的穩、快、準三方面的性能指標往往由于被控對象的具體情況不同，各系統要求也有所側重，而且同一個系統的穩、快、準的要求是相互制約的。準：系統控制的準確程度穩和快反映了系統動態過程性能的好壞。既快又穩，說明系統的動態精度高。1.5自動控制課程的主要任務闡述構成、分析和設計自動控制系統的根本理論。對實際系統,建立研究問題的數學模型,進而利用所建立的數學模型來討論構成、分析、綜合自動控制系統的根本理論和方法。作為研究自動控制系統的分析與綜合的方法來說,對單輸入單輸出系統常采用的是時域法,頻域法,根軌跡法以及目前廣泛應用的計算機輔助設計。1.

自動控制是在沒有人直接參與的情況下