第1章 自动控制系统的基本概念

1、NEFU 1.1 1. 控制系统基本概念控制系统基本概念 1.2 1.3 1.4 1.5 自动控制理论发展自动控制理论发展 自动控制系统的工作原理自动控制系统的工作原理 自动控制系统的种类及应用实例自动控制系统的种类及应用实例 自动控制系统的性能评价自动控制系统的性能评价 MATLAB语言简介语言简介 自动控制原理可分为古典控制理论古典控制理论、现代控制理论和智现代控制理论和智 能控制理论三能控制理论三大部分。 古典控制理论古典控制理论是以传递函数为基础，主要研究单输入 单输出线性定常系统的分析和设计问题； 现代控制理论现代控制理论是20世纪60年代在古典控制理论基础上随 着科学技术发展和工程

2、实践需要而迅速发展起来的，以 状态空间法为基础，主要研究多输入多输出、非线性、 时变系统的分析和设计问题。 1. 1自动控制理论发展自动控制理论发展 1948年，美国数学家维纳（Wiener）提出了著名的 控制论，第一次科学地提出了信息、反馈和控制的 概念。至此诞生了第一代控制理论古典控制理论。 20世纪60年代开始，第二代控制理论现代控制理论 迅速发展起来。 20世纪70年代开始，控制理论出现了众多新分支，如 自适应控制、模型预测控制、最优控制、非线性控制、 神经网络控制、模糊控制等。自动控制理论朝着以控制 论、信息论和仿生学为基础的智能控制理论深入。 1. 2自动控制系统的工作原理自动控制

3、系统的工作原理 自动控制系统自动控制系统是指按照自动控制方式工作的系统，即不 需要人的直接参与，通过控制装置代替人的控制作用， 使被控对象按照预先确定的期望规律运动以达到控制目 标要求的系统。 被控对象被控对象是指控制系统中受控制的目标元件（或装置）。 控制装置控制装置是指控制系统中除了被控对象以外的其他各部 分的组合。 1. 2自动控制系统的工作原理自动控制系统的工作原理 手动控制方式手动控制方式实现温度控制的恒温箱控制系统：实现温度控制的恒温箱控制系统： 1. 2自动控制系统的工作原理自动控制系统的工作原理 恒温箱温度手动控制系统原理框图恒温箱温度手动控制系统原理框图 ： 1. 2自动控制

4、系统的工作原理自动控制系统的工作原理 手动控制过程包括以下几个主要环节： （1）观察：眼睛和温度计完成了检测系统参量的功能。 （2）判断：大脑完成了比较温度实际值与期望值而产生偏差 的功能。 （3）调整：大脑、手和调压器完成了根据控制作用发出控制 指令，施加给被控对象恒温箱的功能。 手动控制过程是通过循环进行下述过程实现的： 检测被控参量确定偏差量调整控制参量消除偏差量 信息反馈和偏差形成构成了反馈控制反馈控制。 1. 2自动控制系统的工作原理自动控制系统的工作原理 自动控制方式自动控制方式实现温度控制的恒温箱控制系统：实现温度控制的恒温箱控制系统： 1. 2自动控制系统的工作原理自动控制系统

5、的工作原理 控制系统由如下几个部分组成： （1）恒温箱：由箱体和加热电阻丝组成，是控制系统的被控 对象。被控对象被控对象是系统中需要加以控制的设备或装置，而需 要加以控制的变量称为被控制量。被控制量。 （2）热电偶：温度测量元件测量元件。 （3）分压器：提供系统电压给定值，此装置称为给定元件。给定元件。 （4）放大器：由电压、功率放大器组成，称为放大元件。放大元件。 （5）执行机构：由直流伺服电动机、减速器和调压器构成， 根据被控制量的变化要求，实现对控制信号自动调整。 1. 2自动控制系统的工作原理自动控制系统的工作原理 工作过程为工作过程为： us u T uT u0 ua0 SM正转 u

6、 T 当T=T0时，uT=uT0，u=0，ua=0，SM停转， T=T0保持不变。 恒温箱温度自动控制系统原理方框图：恒温箱温度自动控制系统原理方框图： 1. 2自动控制系统的工作原理自动控制系统的工作原理 将输出信号测量出来并回送到输入端形成反馈信号反馈信号，与给定 值比较生成偏差偏差信号的过程称为反馈反馈，如果反馈信号与给定 信号极性相反，则称为负反馈负反馈，反之则称为正反馈正反馈。即偏差偏差 是指给定信号与反馈信号的代数和。 负反馈控制原理负反馈控制原理是将系统的输出信号引回到输入端，与输入 信号相比较，形成偏差信号，然后根据偏差信号产生相应的 控制作用，力图减小或消除偏差的过程。 1.

7、 2自动控制系统的工作原理自动控制系统的工作原理 反馈控制系统反馈控制系统均可看成由被控对象与以下几种基本类型的元 件组成：给定元件、测量元件、比较元件、放大元件、执行 元件、校正元件。 1. 3 自动控制系统的种类及应用实例自动控制系统的种类及应用实例 按控制方式分为： 开环控制系统开环控制系统、闭环控制系统闭环控制系统和复合控制系统复合控制系统。 按输入信号形式分为： 恒值调节系统恒值调节系统、随动系统随动系统和程序控制系统程序控制系统。 按组成系统的元件性质分为： 线性系统线性系统和非线性系统非线性系统。 按组成系统的元件参数时变性分为： 定常系统定常系统和时变系统时变系统。 按系统内部

8、信号性质分为： 连续控制系统连续控制系统和离散控制系统离散控制系统。 1.3.1 自动控制系统分类自动控制系统分类 1. 3 自动控制系统的种类及应用实例自动控制系统的种类及应用实例 1.3.2 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 1. 3 自动控制系统的种类及应用实例自动控制系统的种类及应用实例 1.3.2 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 1. 3 自动控制系统的种类及应用实例自动控制系统的种类及应用实例 1.3.3 自动控制系统应用实例自动控制系统应用实例 实例1 火炮随动系统 1. 3 自动控制系统的种类及应用实例自动控制系统的种类及应用实例 1.3.3 自动控制系统应用实例自动

9、控制系统应用实例 实例1 火炮随动系统 1. 3 自动控制系统的种类及应用实例自动控制系统的种类及应用实例 1.3.3 自动控制系统应用实例自动控制系统应用实例 实例2 直流电机转速系统 1. 3 自动控制系统的种类及应用实例自动控制系统的种类及应用实例 1.3.3 自动控制系统应用实例自动控制系统应用实例 实例2 直流电机转速系统 1. 4 自动控制系统的性能评价自动控制系统的性能评价 1.4.1 1.4.1 稳定性稳定性 稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状 态的能力。是保证自动控制系统正常工作的首要条件。 1.4.2 1.4.2 准确性准确性 控制系统的准确性是表征控制系统

10、的控制精度的性能指 标，用稳态误差指标表示。 1.4.3 1.4.3 快速性快速性 快速性是在系统稳定的前提下提出的，是指系统输出量与 给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的过渡过程 （系统由原始平衡状态到新平衡状态的过程）的快速程度。 1. 4 自动控制系统的性能评价自动控制系统的性能评价 不同类型的控制系统对系统性能指标要求的侧重点也不同。 按照给定的控制任务设计一个既满足稳定性和稳态性能的 要求，又满足动态性能要求的控制系统，是控制工程人员 必须解决的课题，也是自动控制原理这门学科的基本任务。 1. 5 MATLAB 语言简介语言简介 Matlab是英文Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩 写，是一种高性能的数值计算和可视化软件。它不仅具有