2015chen自动控制原理第1章一般概念

目标（Objectives）自动控制？如何控制---※自动控制原理？自动控制如何构成----系统？对自动控制系统的基本要求※

1.2自动控制系统的基本元件组成自动控制系统的分类对自动控制系统的基本要求主要内容※※1.1自动控制的基本原理与方式例：人工控制

vs.

自动控制一、自动控制？一、自动控制？被控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。被控量：要求实现自动控制的表征被控对象工作状态的物理量。控制器：对被控对象起控制作用设备或装置的总体，也称控制装置。1.自动控制的定义(P1第1段)在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使机器、设备或生产过程自动按照预定的规律运行。的某个工作状态或参数例：液位控制系统例：vs.1提高劳动生产率和产品质量2.自动控制的目的2改善劳动条件，减轻劳动强度3提高生活质量一、自动控制？一、自动控制？3.自动控制的应用领域国防：火箭、人造

发射等工业：起重机，数控车床等系统：体温、心跳、眼球等日常生活：冰箱温度、风扇、电梯等1769年:James

Watt’s蒸气锅炉水位调节器和蒸气机离心飞锤式调节器。蒸气机离心飞锤式调节器二、自动控制理论的发展历史蒸气锅炉水位调节系统鲁棒控制、智能控制理论等二、自动控制理论的发展历史经（古）典控制理论20世纪40-50年代形成单输入单输出（SISO)系统基于二战

技术现代控制理论例：电梯动画演示20世纪60-70年代形成多输入多输出(MIMO)系统基于冷

期空间技术，计算机技术20世纪80年

始发展以控制论、信息论、仿生论为基础自控

经（古）典控制理论理论时间分界20世纪60年代达到完善数学工具常微分方程，※传递函数现代控制理论20世纪60年

始发展一阶微分方程组，状态空间方程(传递函数阵)研究对象SISO系统，定常系统MIMO系统，定常和时变系统注重内容系统输入、输出间的关系系统输入、输出及其

变量间的关系二、自动控制理论的发展历史三、※自动控制的基本原理1.自动控制系统（P1第二段）为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象和控制装置(控制器)按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体的系统例：液位控制系统三、※自动控制的基本原理1.自动控制系统被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。控制器：对被控对象起控制作用装置的总体，也称控制装置。输出量：要求实现自动控制的表征被控对象工作状态的物理量，也称被控量。输入量：也称控制系统的期望值或给定量。作用于被控对象或系统输入端，可使系统具有预定功能或输出的物理量。扰

动：所有妨碍控制器对被控量按要求正常控制的因素。控制任务：控制器控制被控量以实现的目标。例：液位控制系统※※2.

典型自动控制系统的基本原理---反馈控制原理（P3)※※反馈控制原理：(P3)控制器通过取自被控量（输出端）的反馈信号，得到期望值与被控量之间的偏差，并不断修正偏差，直

至消除偏差，从而实现控制被控对象的目的。反馈：指输出量通过测量装置返回到输入端，并与输入量进行比较的过程。测得的输出信号称为反馈信号。比较的结果称为偏差。反馈控制系统：利用反馈控制原理组成的系统。例：液位控制系统三、※自动控制的基本原理例：液位控制系统三、※自动控制的基本原理电 带动※※2.

典型自动控制系统的基本原理---反馈控制原理（P3)若扰动作用下实际液位低于期望值↓，

与浮子、连杆机构相连的

电位器测得电压（反馈）升高↑，

电 带动

器开启气动阀门，则实际液位提高↑，偏差减小；若实际液位高于期望值↑，电位器的测得电压（反馈）降低↓，器关闭气动阀门，则实际液位降低↓，偏差减小。工作原理三、※自动控制的基本原理※3.反馈控制系统的方框（块）图表示扰动测量装置给定量输入量被控量输出量-反馈信号偏差信号控制器

被控对象一般反馈系统的方框（块）图输出量一般置于方框图的最右端，输入量置于左端；输出量放在被控对象的后面；流向：用箭头 表示；※方框：表示一个元件、部件、对象、过程、系统、环节等；分支点表示信号引出点；求和（比较）器表示所有输入信号的代数和；扰动量：作用在谁上即画在谁上，一般作用于被控对象上。※※负反馈：若偏差信号=输入量-反馈信号，需标注“-”号。气动阀门三、※自动控制的基本原理※3.反馈控制系统的方框（块）图表示例:液位控制系统期望液位（电压值）电器浮子-杠杆-电位器--控制器

被控对象测量装置一般的反馈控制系统的方框图输入量输出量扰动实际液位扰动1.控制任务：※3.反馈控制系统的方框（块）图表示例:人取书的反馈控制过程2.被控量：4.控制器：3.被控对象：人手的位置达到书的位置人手的位置人手或者人的大脑+人的眼睛5.根据控制系统的原理，绘制方框图。三、※自动控制的基本原理提问实例演示※3.反馈控制系统的方框（块）图表示例:人取书的反馈控制过程方框图-大脑、手眼睛输出眼睛书位置

手位置输入三、※自动控制的基本原理-控制器

被控对象测量装置一般的反馈控制系统的方框图输入量输出量扰动实例演示如下为一个教学过程控制系统各个对应的要素。要求设计合适的自动控制系统方框图，并说明其自动控制的原理。学生作业、实验、考试等学生学习的实际水平课程的大纲要求教师自我评估题三、※自动控制的基本原理※3.反馈控制系统的方框（块）图表示自动控制理论教学过程控制系统方框图教师学生考试等学生实际水平-作业、实验、答案：课程的大纲要求-控制器

被控对象测量装置典型自动控制系统的方框图输入量输出量扰动三、※自动控制的基本原理※3.反馈控制系统的方框（块）图表示自我评估题阅读1.4

节的自动控制系统应用举例；完成习题1-2，1-5

。作业1-控制器

被控对象测量装置输入量输出量三、※自动控制的基本原理※3.反馈控制系统的方框（块）图表示扰动一般反馈控制系统的方框图所有自动控制系统都是按照反馈控制方式进行控制的吗？-控制器

被控对象测量装置输入量输出量四、※自动控制系统基本控制方式1.开环控制2.闭环控制（反馈控制）3.复合控制扰动一般反馈控制系统的方框图控制器输入量输出量被控对象四、自动控制系统基本控制方式※

※

1.

开环控制（

)开环控制方式：系统输出端和输入端之间只要顺向作用，不存在反馈作用，输出量对系统的控制作用没有影响。也称为顺馈控制方式。开环控制系统：按开环方式组成的系统。扰动例：开环直流电转速系统1.

开环控制四、自动控制系统基本控制方式结构简单、成本低，系统分析和设计较简便；对组成系统的元部件精度要求高；

能力差（系统稳定性不是主要问题）。多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合。※※※主要特点：-控制器

被控对象测量装置输入量输出量四、自动控制系统基本控制方式※※2.

闭环控制（P2)闭环控制方式：系统输出端和输入端之间存在反馈作用，即输出量对控制作用有直接影响的系统。也称为反馈控制方式。闭环控制系统：按闭环方式组成的系统。扰动例：闭环直流电转速系统四、自动控制系统基本控制方式2.

闭环控制※※※主要特点：结构复杂，系统分析和设计较

；采用精度不高、成本较低的元器件组成精度较高的闭环控制系统；能削弱或抑制干扰，但系统稳定性是非常重要的问题。反馈电位器给定电位器四、自动控制系统基本控制方式2.

闭环控制例：飞机自动驾驶仪系统控制任务：保持飞机俯仰角不变扰动控制器输入量输出量-控制器被控对象测量装置输入量输出量扰动四、自动控制系统基本控制方式※开环控制

vs.

闭环控制特点对比有无反馈元件精度要求能力结构与成本开环控制无高差，对稳定性无要求结构简单，成本低闭环控制有低强，稳定性很重要结构复杂，成本高干扰补偿的复合控制系统方框图输入量控制器测量元件输出量反馈回路被控量干扰量前馈补偿被控对象四、自动控制系统基本控制方式3.复合控制（P4)复合控制：开环控制+闭环控制；特点：控制系统具有良好的控制性能，精度更高，结构更复杂。开环控制（顺馈）闭环控制（反馈）-控制器被控对象测量装置输入量输出量扰动四、自动控制系统基本控制方式小结扰动控制器输入量输出量复合控制（反馈+顺馈）输入量控制器输出量被控量反馈回路测量元件干扰补偿的复合控制系统方框图干扰量前馈补偿被控对象-控制器

被控对象测量装置输入量输出量扰动元器件被控对象自动控制系统控制装置（器）浮子-杠杆-电位器-气动阀门期望液位（电压值）电器实际液位扰动将组成系统的元部件按照职能分类(P4-6)测量元件（装置）

:用来检测被控制的物理量；给定元件（装置）

:给出与期望的被控量相对应的系统输入量(即参考量或期望值)；比较元件（装置）

:将参考输入值与测量元件检测的被控量实际值比较，求出它们之间的偏差；放大元件（装置）

:放大比较元件给出的偏差信号，推动执行元件去控制被控对象；执行元件（装置）

:直接推动被控对象使其被控量发生变化；校正元件（装置）

：以串联或反馈方式连接在系统中，改善系统性能。又称补偿元件。例:液位控制系统例:

炉温控制系统炉温控制系统方框图给定元件执行元件图1.6反馈控制系统基本组成放大元件执行元件测量元件被控量—完整的反馈控制系统的基本组成（P6)被控对象给定元件自动控制理论教学过程控制系统方框图教师学生课程的大纲要求-作业、实验、考试等学生实际水平自我评估题执行元件回顾一、按控制方式（结构）分类：-控制器被控对象测量装置输入量输出量扰动扰动输入量控制器控制对象输出量反馈回路测量元件干扰补偿的复合控制系统方框图被控量干扰量前馈补偿开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制二、按被控量期望的变化规律分类(P18)：恒值控制系统（自动镇定系统）给定量是一个常值，要求被控量也等于常值。故称为调节器。随动控制系统（自动

系统）给定量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以最可能小的误差跟随给定量的变化。程序控制系统给定量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。按系统中是否含非线性元件线性系统非线性系统按系统参数是否随时间变化定常