第一章自动控制的一般概念

1、自动控制原理自动控制原理彭生祥彭生祥西南大学工程技术学院西南大学工程技术学院教材及参考书教材及参考书教材教材自动控制原理自动控制原理（第四版）（第四版）科学出版社，胡寿松科学出版社，胡寿松教参教参自动控制原理自动控制原理（上、下）（上、下）清华大学出版社，吴麟清华大学出版社，吴麟自动控制原理习题集自动控制原理习题集科学出版社，胡寿松科学出版社，胡寿松教学总学时数：教学总学时数：学习教材前八章，后三章属于现代控制理论学习教材前八章，后三章属于现代控制理论考核方式：考核方式：考勤、作业、考试考勤、作业、考试第一章自动控制的一般概念第一章自动控制的一般概念 自动控制的含义自动控制的含义 自动控制有哪

2、些基本原理自动控制有哪些基本原理 自动控制的应用自动控制的应用自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用推动高新技术发展的核心力量推动高新技术发展的核心力量自动控制理论自动控制理论 古典控制理论：传递函数，古典控制理论：传递函数，SISO，LTI 现代控制理论：状态空间，现代控制理论：状态空间，MIMO，变参数，时变，变参数，时变 智能控制理论：遗传算法智能控制理论：遗传算法(GA)、模糊数学、模糊数学(Fuzzy)、 神经网络神经网络(BP)1.1 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念所谓自动控制，就是指在所谓自动控制，就是指在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，力图使受控对象按照的

3、情况下，力图使受控对象按照预定规律预定规律运行的过程。完成这一过程的所有元件与运行的过程。完成这一过程的所有元件与装置组成的整体就称为自动控制系统。装置组成的整体就称为自动控制系统。 例：直流电机的调速系统例：直流电机的调速系统预期规律：电机转速预期规律：电机转速n保持恒定保持恒定电位器电位器RP1被控对象：被控对象：电机电机M 被控量：被控量：（输出量）（输出量）电机转速电机转速n执行元件：执行元件：GT、V给定元件：给出与期望值给定元件：给出与期望值相对应的系统输入量相对应的系统输入量扰动：妨碍控制过程的各扰动：妨碍控制过程的各种内外因素种内外因素系统方块图系统方块图 输出量与输入量之间没

4、有直接的联系。因而，对扰动所引起的输出量与输入量之间没有直接的联系。因而，对扰动所引起的输出的变化，系统没有调节或控制作用输出的变化，系统没有调节或控制作用 开环系统开环系统人参与调节时的工作原理人参与调节时的工作原理人参与：人参与：nRPnRP人参与的调节过程：人参与的调节过程：1. 观察，测量；观察，测量；2. 高低：与预期值比较；高低：与预期值比较；3. 若存在偏差：反方向调节；若存在偏差：反方向调节；人参与调节时的方块图人参与调节时的方块图特点：特点：存在比较环节；存在比较环节；输出发生变化，会反过来影响输入端，从而产生调节作用输出发生变化，会反过来影响输入端，从而产生调节作用机器代替

5、人，实现自动控制机器代替人，实现自动控制 测量：测速发电机测量：测速发电机 比较：集成运算放大器比较：集成运算放大器 调节：电机及减速机构调节：电机及减速机构闭环控制的电机调速系统闭环控制的电机调速系统 闭环控制的电机调速系统方块图闭环控制的电机调速系统方块图 nUUUUUndRPpn02nUUUUUndRPpn02nUUU0反馈反馈反馈及反馈控制系统反馈及反馈控制系统 反馈的含义反馈的含义将输出回送到输入端并与输入进行比较的过程将输出回送到输入端并与输入进行比较的过程 反馈的实质反馈的实质利用偏差去控制偏差利用偏差去控制偏差，使系统朝着减少偏差的方向运动，使系统朝着减少偏差的方向运动 闭环控

6、制闭环控制从信号的流向来看，系统形成了一个闭环从信号的流向来看，系统形成了一个闭环 是自动控制控制系统最基本和应用最广泛的控制方式是自动控制控制系统最基本和应用最广泛的控制方式1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制自动控制的基本方式：自动控制的基本方式： 开环控制开环控制 闭环控制闭环控制 复合控制复合控制一、开环控制一、开环控制特点：单向传递，输出不会对输入反施任何影响特点：单向传递，输出不会对输入反施任何影响按给定按给定值控制值控制 按扰动控制按扰动控制 顺馈控制顺馈控制 二、闭环控制二、闭环控制特点：对反馈环内前身通道上的扰动有调节作用特点：对反馈环内前身通道上的扰动有调节作用系统

7、精度取决于给定精度与反馈检测精度系统精度取决于给定精度与反馈检测精度精度高，系统复杂精度高，系统复杂控制器与控制规律控制器与控制规律)(2UfURPUdtURP2对控制系对控制系统的理解统的理解物理规律物理规律数学本质数学本质三、闭环控制系统的基本组成三、闭环控制系统的基本组成 给定、比较、放大、执行、测量、校正元件给定、比较、放大、执行、测量、校正元件1.3 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 按信号的流向分按信号的流向分开环系统与闭环系统开环系统与闭环系统 按系统输入信号分按系统输入信号分恒值给定系统：输入信号为一个常值，要求输出也为一个恒值给定系统：输入信号为一个常值，要求输出也为一个

8、常值，又称为调节器系统常值，又称为调节器系统 。在工业控制中，如果被控量是温。在工业控制中，如果被控量是温度、流量、压力、液位等生产过程参量时，这种控制系统则度、流量、压力、液位等生产过程参量时，这种控制系统则称为过程控制系统，它们大多数都属于恒值给定系统。称为过程控制系统，它们大多数都属于恒值给定系统。 随动系统：输入信号是预先未知的随时间任意变化的函数，随动系统：输入信号是预先未知的随时间任意变化的函数，要求输出量以一定的精度和速度跟随输入量的变化。要求输出量以一定的精度和速度跟随输入量的变化。 侧重快侧重快速性与准确性。速性与准确性。线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统 同时满足叠加

9、性与均匀性（又称为齐次性）的系统称为同时满足叠加性与均匀性（又称为齐次性）的系统称为线性系统线性系统 若以符号若以符号T来表示系统输入与输出之间的关系来表示系统输入与输出之间的关系 )()(trTtc叠加性可表示为叠加性可表示为均匀性可表示为均匀性可表示为)()()()(2211trTtctrTtc)()()()()()(212121tctctrTtrTtrtrT)()()()()()(222222111111tcatrTatraTtcatrTatraT)()()()()()(221122112211tcatcatrTatrTatratraT上述两点统一表示为上述两点统一表示为 定常系统和时变

10、系统定常系统和时变系统 如果系统的参数不随时间而变化，则称此类系统如果系统的参数不随时间而变化，则称此类系统为定常系统（或时不变系统）为定常系统（或时不变系统） 系统的输出（响应）与输入信号作用于系统的时系统的输出（响应）与输入信号作用于系统的时刻无关刻无关 )()(00ttcttrT连续系统和离散系统连续系统和离散系统 连续系统：用微分方程描述连续系统：用微分方程描述 离散系统：用差分方程描述离散系统：用差分方程描述1.4 控制系统性能的基本要求和控制系统性能的基本要求和本课程的主要任务本课程的主要任务控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求 稳稳 快快 准准一、稳一、稳 稳即指稳定性，

11、是自动控制系统首要考虑的问题稳即指稳定性，是自动控制系统首要考虑的问题 稳定的充要条件是稳定的充要条件是“有界的输入产生有界的输出有界的输入产生有界的输出” 同样稳定的系统，稳定的程度也可能是不一样的同样稳定的系统，稳定的程度也可能是不一样的 二、快二、快 快即指过渡过程的快速性快即指过渡过程的快速性 稳与快反映了系统过渡过程中的性能，属于动态稳与快反映了系统过渡过程中的性能，属于动态性能指标性能指标 三、准三、准 准即指准确性，反映系统的稳态性能准即指准确性，反映系统的稳态性能 过渡过程结束后，系统的输出与期望值的差值过渡过程结束后，系统的输出与期望值的差值 ，称为稳态误差称为稳态误差 恒值给定系统对稳与准的要求严格，随动系统则恒值给定系统对稳与准的要求严格，随动系统则对快速性要求较高同样稳定的系统，稳定的程度对快速性要求较高同样稳定的系统，稳定的程度也可能是不一样的也可能是不一样的 对于同一系统，稳、快、准是相互制约的对于同一