潘丰-徐颖秦-01-概论汇编

第1章概论重点内容自动控制的基本概念和原理自动控制系统的组成和分类对自动控制系统的基本要求§1.1自动控制系统的一般概念一、自动控制的基本概念

所谓自动控制，是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，使被控量等于给定值或按输人信号的变化规律去变化的过程。用来操纵受控对象的设备（校正器+放大器+执行器）一般为各种传感器

无人直接参与：指人在远方进行远程操作（遥操作），而不是在对象跟前就地操作。控制装置：是控制器和检测（反馈）元件的总称。控制对象：控制系统要进行控制的受控客体。如冰箱、空调、洗衣机、电梯、飞机、汽车、潜艇、电厂锅炉、酿酒过程等各种设备、机器或生产过程。

被控量：控制对象要实现的量，是表征对象特征的关键参数。

如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态角、船的航行轨迹、电网的电压、生产过程中的压力、流量、温度、湿度等。

自动控制系统如图1-1，几个重要的信号量如下：二、五个重要的信号量

控制器受控对象检测元件e(t)r(t)c(t)b(t)d(t)图1-1

自动控制示意图

目前常用的标准电信号主要有两种：1~5V电压信号或4~20mA电流信号5.偏差量（误差量）e(t)：e(t)=r(t)-b(t)1.被控量（输出量）：表征受控对象特征的关键参数。

实际输出量——c(t)；理想输出量——c0(t)。2.给定量（控制量、输入量）r(t)：要求被控量达到理想值时，所需对应的参考输入值。即：r(t)c0(t)。3.扰动量（干扰量）d(t)：影响被控两量变化的主要干扰因素。4.反馈量b(t)：检测元件的输出值。与c(t)对应且与r(t)同性质。即：b(t)c(t)。自动控制系统定义：由控制装置+受控对象构成的能完成自动控制任务的整体。

自动控制理论：分析与综合控制系统的理论。

负载n自动控制系统工作原理说明图1.1直流电机转速控制系统（人工控制）

人的作用观察转速n（通过转速表）——检测大脑反映——比较，将n与期望的n0比较手动调节——执行，减小或消除偏差控制任务：无论负载或电网电压如何变化，通过手动电压U0，保证电机转速不变。受控对象——电机；被控量——电机输出转速用方框图表示如下：RP1—给定电位器RP2—反馈调节电位器TG—测速发电机检测——测速机TG比较——差运放大器A执行——伺服电机+调速器A调速器伺服电动机图1.4电机转速自动控制系统。用设备代替了人nRP3Ud原理框图如下：ΔU=U0-Un执行环节比较环节放大器触发整流装置TG+RP3ΔU给定电压U0实际转速nUn负载扰动d(t)图1.5转速自动控制原理框图伺服电动机电动机RP1检测环节对象RP2§1.2自动控制系统的控制方式及基本组成控制方式开环控制闭环控制复合控制两种基本控制方式开环控制（Open-loopControl）

（1）定义：控制装置（控制器+执行器）与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时的控制方式，称为开环控制。（2）结构：控制器受控对象r(t)c(t)d(t)图1.6开环控制系统图执行机构（3）特点：系统的输出量对输入量没有任何影响；对干扰和参数变化没有补偿作用，控制精度完全取决于元件精度。没有稳定性的问题，而且结构简单，调整方便。对控制精度要求不高或干扰较小的场合还有一定的应用价值。如：打印机、复印机、简单生产线、自动洗衣机、自动售货机、自动打包机、步进电机，水泵，风扇等的控制。2.闭环控制（Closed-loopControl）

（1）定义：控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系，即被控量对控制过程有影响时的控制方式称为闭环控制。（2）组成：三大部分，七个环节。如下图1.7。图1.7闭环自动控制系统组成框图校正器执行机构检测环节e(t)给定环节c(t)b(t)d(t)放大器受控对象r(t)控制器给定电源部分控制装置部分受控对象部分比较环节1234567r(t)→c(t)称为前向通道；c(t)→b(t)称为反馈通道e(t)→b(t)称开环通道。§1.3自动控制系统的类型

常用的有五种分类方法：按照控制方式（信号流向）分类：不同的控制方式，系统中信号流向也不同，据此可将系统分为：开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统三种。

两点说明：从控制作用的产生原理看，闭环控制也叫偏差控制；从系统的组成结构来看，闭环控制也叫反馈控制。由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程形成闭合回路，因此反馈控制也称为闭环控制。2.按照数学模型分为类：（1）线性系统与非线性系统线性系统：由线性元件组成，满足齐次性和叠加性，其数学模型为线性常系数微分方程。而非线性系统不满足这两个特性，其数学模型为非线性微分方程或差分方程。

齐次性(均匀性)和叠加性：如图，设f(t)为一线性系统，则有：若：r1(t)→c1(t)，r2(t)→c2(t)

则：r1(t)+r2(t)→c1(t)+c2(t)

——叠加性

ar1(t)→ac1(t)——齐次性f(t)r(t)c(t)

区分标志：线性元件：（1）静态特性为一过原点的直线（2）满足叠加性和齐次性（3）数学模型为标准的微分方程（P19公式2-8）（4）分析方法：时域法、根轨迹法、频域法非线性元件（1）静态特性为不连续过程（继电特性、死区特性、饱和特性、回环特性等）（2）不满足叠加性和齐次性（3）数学模型为非线性的微分方程（系数与自变量有关，或方程中同时含有常数、自变量及其导数的高次幂或自变量的乘积项）（4）分析方法：描述函数法、相平面法（2）定常系统和时变系统数学模型的系数是常数数学模型的系数至少有一处是时间的函数3.按系统内部的信号特征分为：连续系统和离散系统系统中的所有信号在时间上是连续的系统中至少有一处的信号在时间上是不连续的4.按系统输入、输出信号的数量分为：单入单出（SI/SO）系统和多入多出（MI/MO）系统系统的输入、输出量各为多个。系统的输入、输出量均为1个。5.按系统输入信号特征分为：

恒值系统、随动系统和程控系统r(t)为常数，要求c(t)也为常数。r(t)为随机函数（未知），要求c(t)也随之变化。r(t)为时间的已知函数，要求c(t)也随之变化。§1.4基本要求和本课程的主要任务自动控制系统三大性能对应三个基本要求:

稳定性——稳，系统最终要能够正常工作，是系统正常工作的前提和基础。快速性——快，要求系统动态过渡过程时间尽可能短。

准确性——准，要求系统控制精度高、误差小。三大基本性能稳定性（平稳性）——稳动态（暂态）性能——快稳态性能——准（精度，稳态误差）

对于一般的控制系统，在某个输入信号的作用下，其输出响应由两部分组成，可表示为：c(t)=cs(t)+ct(t)稳态分量：由系统初始条件和输入信号决定。暂态分量：由系统结构决定。对于稳定的系统，应有：对于不稳定的系统，应有：

(发散)；或常数（等幅振荡）动态性能：描述系统过渡过程表现出来的性能，用平稳性和快速性衡量。如：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量

稳态性能：系统过渡过程结束进入稳态后表现出来的性能，用稳态误差（静差）ess来衡量。过度过程的振荡的程度过渡过程的快慢输出的实际值偏离期望值的偏差。反映系统的控制精度。若ess=0→无差系统若ess≠0→有差系统§1.6自动控制理论的发展简述第一代：古典（经典）控制理论、自动控制原理（理论）

（1787——1960）

特点：以传递函数为基础研究单输入－单输出定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。

第二代：现代（近代）控制理论（1960——1980）

特点：以状态空间法为基础，研究多输入－多输出控制系统的分析与设计问题。包括以最小二乘法为基础的系统辨识、以极大值原理和动态规划为基础的最优控制、以卡尔曼滤波为核心的最优估计三个部分。使系统分析从外部现象深入到内部规律，从局部控制发展到全局的最优控制。第三代：大系统理论和智能控制理论（1970——1980）

特点：以人工智能为基础，研究复杂对象（车间、工厂、集团）、复杂任务、复杂环境下的复杂控制系统。是控制论、仿生学、运筹学等的有机结合。如：DCS及各种智能机器人的出现和应用。第四代：现场总线（Fieldbus）控制（1980——）

特点：是信息和网络技术的融合。典型的有：Linworks、Profibus

、WorldFIP等。突出优点：全数字化通信、开放型的网络互联、互可操作性与互用性、现场设备的智能化、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性。代表人物：国外的有：美国数学家N.维纳、英国机械师J.瓦特、美国贝尔实验室的两位数学家英国的劳斯和德国的胡尔维茨、美国电信工程师N.奈奎斯特、伯德、数学家伊文斯、梅森等。国内的有：钱学森、宋健、顾毓秀等。

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