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自动控制理论 第一章 自动控制理论的一般概念 第二章 控制系统的数学模型 第三章 控制系统的时域分析法 第四章 根轨迹法 第五章 频率法 第六章 控制系统的校正 第七章 非线性系统的分析 第八章 采样控制系统的分析与设计 1765年，瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制蒸气机 1948年，维纳《控制论－或关于在动物和机器中控制和通 信的科学》产生 40－60年代 经典控制理论（频域法为主） 60－70年代 现代控制理论（时域法为主) 70年代以后 大系统控制理论 闭环控制系统的方框图 .稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。 .快速性：动态性能，有指标。 .准确性：稳态（过渡过程结束后的）值应尽量与期望值一致。 控制系统的分析 典型信号下的响应 (阶跃响应,频率特性) 数学模型 (传递函数,状态方程) 性能指标 (稳态误差,超调量) 控制系统的设计 性能要求 (性能指标,约束条件) 控制器的结构和参数设计和整定 性能校核 (计算,仿真,实验) * 第一章 自动控制理论的一般概念 1-1 自动控制发展简史 1-2 自动控制的基本方式 1-3 典型控制系统 1-4 对于自动控制系统的要求 自动控制： 在没有人直接参与的情况下，采用控制装置或机械使被控制对象达到预期的目标 。 1-1 自动控制发展简史 发展简史： 自动控制研究的内容： 经典控制理论 现代控制理论 经典控制理论 主要研究对象:对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 主要研究对象:多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的分析和设计问题。 比较繁琐 （但由于计 算机技术的 迅速发展，已克服) 状态 空间法 线性代数、矩阵理论 多输入-多输出变系数，非线性等系统 现代控制理论 对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力 时域法 频域法 根轨迹法 微分方程，传递函数 单I/O 线性定常系统 经典控制理论 局限性 分析方法 数学工具 研究对象 闭环控制 复合控制 开环控制 1-2 自动控制的基本方式 一、开环控制 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。或者说系统的输出量对系统的控制作用无影响的控制系统。 温度计 加热电阻丝 u ~220V k 炉温开环控制系统 开关闭合后，不同的输入电压u对应于不同的温度t。 给定值 输出量 典型开环控制的方框图 控制器 被控制 对象 扰动 输出量 受控对象 控制装置 (电源 ) 输入量 (温度) 扰动量 开关 电炉恒 温箱 加热电 阻丝 炉温开环控制系统方框图 控制方式： 按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合. 开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动. 例: 直流电动机转速开环控制系统。 　输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统 二、闭环控制 图示: 人工电动机转速闭环控制系统 反馈 控制任务：保持工作机械恒速运行. 控制过程： 反 馈： 输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程 负反馈： 反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小 典型闭环系统方框图 闭环控制: 是指控制器与控制对象之间既有顺向 作用有反向联系的控制过程。系统的输出量对系统的控制作用有影响的控制过程。 特点: 输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要 开环 优点：结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和 扰动能预先知道时，控制效果较好。 缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参 数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。 闭环 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修 正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。 缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。 三、开环控制与反馈控制的比较 主 反 馈 — 与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同； 偏 差 — 给定信号与主反馈信号之差的信号； 控制单元 — 接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量； 扰 动 — 对系统输出产生不利影响的信号； 反馈环节 — 检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号。 四、闭环控制系统的术语和定义 输出量 环节名称（或特性） 输入量 (a)