自动控制原理讲稿

1、第一章绪论一、主要内容（1）自动控制和自动控制系统基本概念（2）开环控制和闭环控制（3）自动控制系统的分类（4）对系统的基本要求（5）控制系统的分析和设计二、基本要求（1）理解自动控制、被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念。（2）正确理解开环控制和闭环控制，特别是闭环控制。（3）掌握由系统工作原理图画方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式。（4）明确系统常用的分类方式，掌握各类系统的含义和信息特征，特别是按数 学模型分类的方式。（5）明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。三、内容提要1、基本概念（1）自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（或过程） 的

2、某些物理量（被控量）自动地按预先给定的规律去运行。（2）自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制装置与被控对象组 成。（3）被控对象：指被控设备或过程。（4）输出量，也称被控量：指被控制的量。它表征被控对象或过程的状态和性 能，它又常常被称为系统对输入的响应。（5）输入量：是人为给定的系统预期输出的希望值。（6）偏差信号：参考输入与实际输出的差称为偏差信号，偏差信号一般作为控 制器的输入信号。（7）负反馈控制：把被控量反送到系统的输入端与给定量进行比较，利用偏差 引起控制器产生控制量，以减小或消除偏差。2、自动控制方式（1）开环控制开环控制系统指系统的输出量对系统的控制作用没有影响的系

3、统。它分为按 给定控制和按扰动控制两种形式。按给定控制：信号由给定输入到输出单向传递。按扰动控制：根据测得的扰动大小来补偿扰动对输出的影响。（2）闭环控制闭环控制系统指系统的输出量与输入端存在反馈回路，即输出量对控制作用 有直接影响的系统。系统根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控 制的任务，这种控制原理称为反馈控制原理。（3）复合控制复合控制系统是开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。在闭环控制回 路的基础上附加一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对信号实行加强或补 偿，以达到精确的控制效果。3、自动控制系统的分类（1）按给定信号的特征分类恒值控制系统：希望系统的输出维持在给定

4、值上不变或变化很小。随动控制系统：给定信号的变化规律是事先不确定的随机信号。程序控制系统：系统的给定输入不是随机的，而是确定的、按预先的规律 变化。（2）按系统的数学模型分类时域法线性定常系统 线性系统线性时变系统根轨迹法频域法线性定常系统 线性系统 线性化法描述函数法分析法 0系统 2： y2(t) = 3q(0) + 5x顼)，t 0系统 3： y (t) = 3q2(0) + 5x(t)，t 0 3系统 4： yt) = 3q2(0) + 1gx(t)，t 0解:系统1：零输入响应3q(0)和零状态响应5x(T)dT均具有线性性，故为 0线性系统。系统2：仅零输入响应3q(0)具有线性性

5、；系统3：仅零状态响应5x(t)具有线性性；系统4：零输入响应和零状态响应均不具有线性性；非线性系统凡是不满足线性系统特性的系统，统称为非线性系统。具体地讲，只要系 统中存在一个或一个以上的非线性元件，那么，这个系统就是非线性系统。非 线性系统用非线性方程来表示。经过对非线性特性研究分析后发现，可以将非线性特性分为两大类，即非 本质非线性和本质非线性。非本质非线性：对于某一类非线性特性，在某一区域内可以近似为线 性关系，而在大范围工作区域时，这种近似的线性关系就不存在了。典型的非本质非线性如下：饱和非线性(2)本质非线性：对于任意大小的输入信号，均呈现非线性特性的这类非饱和非线性(2)本质非线

6、性：对于任意大小的输入信号，均呈现非线性特性的这类非线性特性。典型的本质非线性如下:继电非线性非本质非线性系统可以通过对非本质非线性在工作点附近进行线性化处理 而得到线性化后的系统数学模型，仍可按线性系统的理论进行分析和设计。而 本质非线性特性，只能按照非线性系统的方法进行分析和设计。1.4.3按信号传递的连续性划分连续系统这类系统中的所有元件的输入输出信号均为时间的连续函数，所以又常称 为模拟系统。离散系统系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数字信号时，该系统就是离散系统。这类系统常用差分方程来表示。离散系统实现上是将连续信号经过采样后离散 化为脉冲或数字信号后送入计算机进行分析、处理、决策后

7、，形成脉冲或数字 式控制信号，并还原为相应的模拟量控制信号对被控对象实现控制。1.4.4按系统的输入/输出信号的数量分类单变量系统(SISO)所谓单变量系统是指系统只有一个输入和一个输出，它只注重系统的外部 输入和输出，而不关心系统内部的状态变化，所以单输入单输出系统可以把系统看成为一个黑匣子。经典控制理论研究的对象主要是单输入单输出的线性定常系统。多变量系统（MIMO）所谓多变量系统是指系统有多个输入或单个输出或多个输出，它不仅仅注 重系统的输入和输出变量，还更多地关心系统结构内部各状态变量的变化和个 状态变量之间的耦合关系。多变量系统是现代控制理论研究的主要对象，在数学上以状态空间变量法

8、和矩阵理论为主要研究工具。1.4.5自动控制系统的基本组成给定元件其职能是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指 令的装置。测量元件其职能是检测被控量（系统输出），并进行信号的变换（如非电量转换）和 传输，用于反馈被控量到比较元件与输入进行比较（形成偏差信号）。比较元件其职能是把测量元件检测到的实际输出量与给定元件给出的输入量进行比 较，得到偏差信号。放大元件其职能是将微弱的偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行机构或被 控对象。执行元件其职能是直接控制被控对象，使其被控量发生变化，例如阀门、伺服机构 等。校正元件其职能是为了改善或提高控制系统的性能（如稳定性、稳态精度、响

9、应速 度等），在控制系统的基本结构上附加一定的装置（元件），这种附加的校正装 置（元件）可以有多种形式，如串联校正、并联校正、反馈校正等。1.5对控制系统的要求和分析设计1.5.1对系统的要求理想的控制系统，必须具备两方面的性能，即（1）使系统的输出快速、准确地按输入信号要求的期望输出值变化；（2）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响；对自动控制系统性能的主要要求为：（1）稳定性：要求系统稳定并具有一定的稳定裕度。（2）瞬态质量：要求系统的瞬态响应快速且变化平稳。（3）稳态精度：要求系统的稳态误差满足设计的要求。上述三个要求往往很难同时满足，并且相互之间有一定的制约关系，例如， 为保证系统有足够的精度，要求系统的开环放大倍数越大越好，但开环放大倍 数的大小，却受制与闭环系统的稳定性，因此这些一切之间需要进行折中选择。1.5.2控制系