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第1章 自动控制的一般概念 自动控制原理 Automatic Control Theory 刘明俊 国防科技大学出版社 1. 人类社会发展的三个时代 人力时代 人类主要依靠自身的肌体来完成能量变换和信息变换，但是人类自身转换的功率和范围都极其有限，纵有九牛二虎之力，也不能昼夜不停地工作着，因此创造的财富有限，最高文明只达到封建社会。 自动化时代 在这个时代中，不仅能量变换、而且信息变换都由机器来完成，在人类活动所见的空间，只要需要用“力”的地方，都会给它配上一个小的脑袋－－单片机或微处理器之类的小脑袋。不仅工业生产自动化了，农业生产、家务劳动、交通运输、人居环境……凡是已知的规律，都可以用自动化技术来完成。 第一章 绪 论 1-1 自动控制的基本概念 1-2 自动控制系统工作原理 1-3 闭环控制系统的基本组成 1-4 自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的分类 1-6 控制系统举例 1-7 自动控制理论的发展史 1-8 控制系统的计算机辅助设计 1.1 自动控制的基本概念 开环控制系统Open-loop Control System ◆定义：系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统 ◆特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道， 这种控制方式称为开环控制 在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。 闭环（反馈）控制系统Closed-loop Control System 闭环控制系统又称反馈控制系统，是应用最广泛的控制方式。 负反馈——把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为负反馈 。 反馈控制——采用负反馈(正反馈较少)并利用偏差进行控制的过程 （利用偏差修正偏差）。 由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制 。 热力系统的人工反馈控制 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。 应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如社会学、经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。 闭环控制系统框图 闭环与开环控制系统的比较 开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。 闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加，车床、洗衣机、小轿车）；系统设计、分析麻烦。 复合控制系统 Compound Control System 定义：开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。 是构成高精度控制系统的一种有效控制方式， 使控制系统具有良好的控制性能。 复合控制的两种基本形式 按输入前馈补偿的复合控制 按干扰前馈补偿的复合控制 1.3 闭环控制系统的基本组成 用“○”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。 1-4 自动控制系统的基本要求 自动控制系统性能的基本要求（三个方面） 稳定性（先决条件） 系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力。一切自动控制系统必须满足的最基本要求。由系统的结构参数决定与外界因素无关。 过渡过程性能（快速性要求）：系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力，由系统的结构参数决定与外界因素无关。 描述过渡过程性能可以用平稳性和快速性加以衡量，一般称为动态性能。如：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量。 稳态误差（控制精度或准确性要求）：过渡过程结束后的输出响应 系统过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差叫稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。 1-5 自动控制系统的分类 按工作原理分类 开环控制、闭环控制、复合控制 按数学模型分类 定常系统和时变系统 线性系统和非线性系统 随动控制系统的主要特点是输入