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2002-09-23 自动控制原理 第1章 自动控制的一般概念 欢迎任何形式的意见和建议!025-3793922xhcheng@seu.edu.cncxh_863@263.net 自动控制原理 程向红 蔡体菁 第一章 自动控制的一般概念 1.1 引言 1.2自动控制系统示例 1.3闭环控制和开环控制 1.4自动控制系统的分类 1.5对自动控制系统的基本要求 1.6对本课程的基本要求 历史的回顾 18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。 1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。 1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。 1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。 19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。 19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。 19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。 从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。 从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。 古典控制理论 以传递函数为基础研究单输入-单输出一类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。 现代控制 以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。 1.2 术语 自动控制 对象 过程 系统 扰动 反馈控制 反馈控制系统 随动系统 自动调整系统 过程控制系统 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，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。在现代工业中，广泛采用着随动系统。 热力系统的例子热力系统的人工反馈控制 热力系统的自动反馈控制 1.3 闭环控制与开环控制 反馈控制系统 开环控制系统 闭环与开环控制系统的比较 1.3.1 反馈控制系统 1 反馈 3 闭环控制 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。  图1-3 闭环控制系统 1.3.2 反馈控制系统的基本组成 被控对象 控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成 ) 测量元件：其职能是测量被控制的物理量; 给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。 放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。 用“○”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反，“+”号代表两者符号相同。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；系统输出量经测量元件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。 1.3.3 开环控制系统 定义 1.3.4 闭环与开环控制系统的比较 棉纺厂 1.4 自动控制系统的分类 开环控制 闭环控制(反馈控制) 复合控制 机械系统——恒张力系统 电气系统 机电系统——全自动照相机，光机 电结合 液压系统——伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台 气动系统 生物系统 按系统功用分