1、第1章 自动控制概论1.1 控制理论的发展1.2 自动控制的方式1.3 自动控制系统的组成1.4 自动控制系统的分类1.5 自动控制系统的基本要求1.1 1.1 控制理论的发展控制理论的发展控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。经典控制理论经典控制理论 现代控制理论（智能控制理论）现代控制理论（智能控制理论）以传递函数为基础，研究以传递函数为基础，研究单输入单输入-单输出定常控制单输出定常控制系统的分析与设计问题系统的分析与设计问题以状态空间法为基础，以状态空间法为基础，多输入多输入-多输出时变、非线性、多输出时变、非线性、高精度、高效能控制系统的分高精度、高效能控制系统的分析与设计问题析
2、与设计问题1.1 1.1 控制理论的发展控制理论的发展17881788年年 英国瓦特英国瓦特 飞球调节器飞球调节器 公认的第一个自动控制系统公认的第一个自动控制系统18681868年年 麦克斯韦尔麦克斯韦尔“论调速器论调速器”公认为自动控制理论的开端公认为自动控制理论的开端18751875年年 英国劳斯提出代数稳定判据英国劳斯提出代数稳定判据 劳斯稳定判据劳斯稳定判据18951895年年 德国赫尔维兹提出代数稳定判据德国赫尔维兹提出代数稳定判据18921892年年 俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据19321932年年 美国奈奎斯特提出美国奈奎
3、斯特提出奈氏稳定判据奈氏稳定判据二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接 推动了经典控制的发展推动了经典控制的发展19481948年，维纳出版年，维纳出版控制论控制论，形成完整的经典控制理论，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。标志控制学科的诞生。1.1 1.1 控制理论的发展控制理论的发展 二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。这个时期，众多的数学家、科学家投入自动控制理论的研究，如自动控制科学家从力学中引进了状态空间的概念。随着电子计算机的应用，自动控制理论开始进入“
4、现代控制理论”阶段。现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人的控制技术智能控制。1.1 1.1 控制理论的发展控制理论的发展1.2 1.2 自动控制方式自动控制方式 基本概念：基本概念：控制（控制（Control）：）：根据某种原理或方法，使特定对象根据某种原理或方法，使特定对象（被控对象被控对象）的某些物理量（）的某些物理量（被控量被控量）按照预期规律变化）按照预期规律变化的操纵过程。的操纵过程。人工控制（人工控制（Manual Control）：由人直接或间接操作执行：由人直接或间接操作执行装置的控制方式。装置的控制方式。
5、自动控制自动控制（Automatic ControlAutomatic Control）：是指在没有人直接参与的）：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加设备或装置（或称为情况下，利用外加设备或装置（或称为控制装置控制装置或或控制控制器器），使机器、设备或生产过程（统称为），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象被控对象）的某）的某个工作状态或参数（称为个工作状态或参数（称为被控量被控量）自动地按照预定的规律）自动地按照预定的规律运行。运行。自动控制系统自动控制系统 （Control SystemControl System）：是由）：是由被控对象被控对象和和自动控自动控制装置制装置按一定方式
6、联结起来的，以完成某种自动控制任务按一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体的有机整体。1.2 1.2 自动控制方式自动控制方式1.2 1.2 自动控制方式自动控制方式1.2 1.2 自动控制方式自动控制方式1.2.1 1.2.1 闭环控制方式闭环控制方式 闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制 系统中信号流向系统中信号流向 输出信号输出信号 沿反馈通道沿反馈通道 回到系统的输入回到系统的输入端，构成闭合通道故称闭环控制系统端，构成闭合通道故称闭环控制系统,或反馈控制系统。或反馈控制系统。前前/正向通道正向通道反反/负向通道负向通道1.2 1.2
7、自动控制方式自动控制方式例子1：人取书 例子2：直流电动机转速控制系统1.2 1.2 自动控制方式自动控制方式 例子2：直流电动机转速控制系统1.2 1.2 自动控制方式自动控制方式 闭环控制的机理机理：检测偏差，纠正偏差 闭环控制系统的优点：优点：控制精度高，抗干扰的能力较强。闭环控制系统的缺点：缺点：系统结构复杂，经济成本高，同时，由于系统中信号形成了闭合回路，易造成系统的不稳定。适用性适用性：系统控制精度要求高1.2 1.2 自动控制方式自动控制方式1.2.2 开环控制方式开环控制系统特征：无反馈量1.2 1.2 自动控制方式自动控制方式例子：经济型数控车床的进给系统1.2 1.2 自动
8、控制方式自动控制方式 开环控制优点开环控制优点结构简单，系统稳定性好，结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。调试方便，成本低。开环控制缺点开环控制缺点控制精度低，抗干扰性能控制精度低，抗干扰性能 差。差。适用性：输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外适用性：输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿偿1.2 1.2 自动控制方式自动控制方式1.2.3 复合控制方式特征：特征：开环控制开环控制和闭环控制和闭环控制的的有有机结合机结合适用性：适用性：各各项性能项性能要求要求都很高的
9、系都很高的系统统1.2 1.2 自动控制方式自动控制方式给定环节：产生输入量控制器：系统的核心放大环节：幅值放大 功率放大执行机构：直接操纵对被 控对象被控对象：控制系统所要 控制的设备反馈环节：检测输出量1.3 1.3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成控制系统中作用量控制系统中作用量输入量：系统的控制指令，对系统的输出量有直接的影响，又称参据量、给定值。输出量：被控对象的输出，是系统的控制目标；又称被控量反馈量：通过检测装置，将输出量转变成为与输入量物理性质相同、数量级相同的一个信号扰动量：客观存在于控制系统，来源于能够引起输出量发生变化的各种因素1.3 1.3 自动控制系统的组成自动控
10、制系统的组成1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 常用的自动控制系统分类方法常用的自动控制系统分类方法按输入量的变化规律分类按输入量的变化规律分类按系统的传输信号对时间的关系分类按系统的传输信号对时间的关系分类按系统的输出量和输入量的关系分类按系统的输出量和输入量的关系分类按系统参数是否随时间变化分类按系统参数是否随时间变化分类1.4.1 按输入量的变化规律分类（1）恒值控制系统：恒值控制系统：输入信号为一恒定值，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。如恒温、恒压、恒速等（2）随动系统（跟踪系统）：随动系统（跟踪系统）：输入量是变化的（有的是随机的，任意的）并且要求系统的输出量能
11、跟随输入量的变化而做出相应的变化。如机器人控制系统、雷达天线的自动跟踪系统、火炮控制系统等1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类（3）程序控制系统：程序控制系统：输入量是按预定规律随时间变化的函数，要求输出量也按照相应的规律变化，以复现输入函数。如数控机床、石油炼制生产过程等1.4.1 按输入量的变化规律分类1.4.2 按系统传输信号对时间的关系分类1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类（1）连续系统：连续系统：构成系统的各环节的输入量和输出量都是构成系统的各环节的输入量和输出量都是时间的连续函数，其运动规律可用微
12、分方程描述时间的连续函数，其运动规律可用微分方程描述，也称为也称为模拟控制系统模拟控制系统（2）离散系统：离散系统：构成系统的某一个环节或多个环节的输入构成系统的某一个环节或多个环节的输入量或输出量为时间上离散的脉冲序列，其运动规律可用差量或输出量为时间上离散的脉冲序列，其运动规律可用差分方程描述分方程描述，也，也称为称为数字控制系统数字控制系统1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.4.3 按系统的输出量和输入量的关系分类（1 1）线性系统：）线性系统：系统全部由线性元件组成，其输出量和输系统全部由线性元件组成，其输出量和输入量的关系用线性微分方程（或线性差分方程）来描述。入
13、量的关系用线性微分方程（或线性差分方程）来描述。（2 2）非线性系统：）非线性系统：系统的构成元件中不全部是线性的，其系统的构成元件中不全部是线性的，其输出量和输入量的关系不能用线性微分方程（或线性差分输出量和输入量的关系不能用线性微分方程（或线性差分方程）来描述方程）来描述1.4.4 按系统参数是否随时间变化分类（1 1）定常系统定常系统：系统全部参数不随时间变化，可用定常微分系统全部参数不随时间变化，可用定常微分方程（定常差分方程）来描述方程（定常差分方程）来描述，又称时不变系统又称时不变系统（2 2）时变系统时变系统：系统的一个或几个参数是时间系统的一个或几个参数是时间t t的函数，不能
14、的函数，不能用定常微分方程来描述用定常微分方程来描述1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.5.1 稳定性 自动控制系统在具备稳定性的前提下，在稳态性能、动态性自动控制系统在具备稳定性的前提下，在稳态性能、动态性能和抗扰性能等方面，有量化的指标要求。能和抗扰性能等方面，有量化的指标要求。归纳起来，用三个字描述：稳、快、准归纳起来，用三个字描述：稳、快、准1.5 1.5 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求稳定性是最基本要求，系统正常工作的前题，由系统结构和稳定性是最基本要求，系统正常工作的前题，由系统结构和参数等内部因素决定参数等内部因素决定1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.5.2 1.5.2 快速性快速性 快速性快速性：系统完成动态调整过程的快慢程度，通常用动态调系统完成动态调整过程的快慢程度，通常用动态调整过程所用的时间来表示，动态调整过程所用的时间越短，整过程所用的时间来表示，动态调整过程所用的时间越短，系统的快速性越好系统的快速性越好。1.5.3 1.5.3 准确性准确性 准确性准确性：系统完成动态调整过程之后进入了稳态，其输出量系统完成动态调整过程之后进入了稳态，其输出量与希望值之间的差值，称为稳态误差，当稳态误差为零时，与希望值之间的差值，称为稳态误差，当稳态误差为零时，控制系统的准确性较好控制系统的准确性较好。
