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第一章 绪论 自动控制理论 主讲 张军 沈阳航空工业学院北方科技学院 第一章 概论§1-1 控制理论在 工程中的应用发展 控制理论是在产业革命的背景下，在生产和军事需求的刺激下，自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互交叉发展的产物。 从二十世纪以来，特别是第二次世界大战以后，自动控制和自动化科学得到了迅速的发展。 工业生产的自动化，改善了劳动条件，增加了产量，提高了质量。在军事装备上，自动控制技术大大地提高了武器的威力和精度。近年来，由于计算机的广泛应用和控制理论的发展，使得自动控制技术所能完成的任务更加复杂、应用的领域也越来越广泛。 北京时间2008年 9月25日 21点10分04秒，我国第三艘载人飞船神舟7号成功发射，三名航天员翟志刚、刘伯明、景海鹏顺利升空。 27日，翟志刚身着我国研制的“飞天”舱外航天服，在身着俄罗斯“海鹰”舱外航天服的刘伯明的辅助下，进行了19分35秒的出舱活动。中国随之成为世界上第三个掌握空间出舱活动技术的国家。 2008年9月28日傍晚时分，神舟七号飞船在顺利完成空间出舱活动和一系列空间科学试验任务后，成功降落在内蒙古中部阿木古朗草原上。 　　 载人宇宙飞船除了要使飞船在返回过程中的制动过载限制在人的耐受范围内，还应使其落点精度比返回式卫星更高，从而及时发现和营救航天员。目前，掌握航天器返回技术的国家只有美国、俄罗斯和中国。 在工业中，机电工业是我国最重要的支柱产业之一，而传统的机电产品正在向机电一体化（mechatrnics）方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化。机电控制型产品技术含量高，附加值大，在国内外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化产品发展的主流。 当前国内外机电结合型产品，诸如典型的工业机器人、数控机床、自动导引车等都广泛地应用了控制理论。 根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。 半个多世纪以来，控制理论从主要依靠手工计算的经典控制理论发展到依赖计算机的现代控制理论，发展了最优控制、自适应控制、智能控制。智能控制中，学习控制技术从简单的参数学习向较为复杂的结构学习、环境学习和复杂对象学习的方向发展；并发展了神经元网络、模糊逻辑、进化算法、专家系统、鲁棒控制与 控制等技术。同时还发展了MATLAB等控制系统计算机辅助设计工具，使控制理论在工程上的应用更加方便。 §1-2 自动控制系统的基本概念 自动控制： 在没有人直接参与的条件下，利用控制器使被控对象（如机器、设备或生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）。 一个共同点： 一个或一些被控物理量按给定量的变化而变化。 一般地说，如何使被控量按给定量的变化规律而变化，是控制系统所要解决的基本任务。 §1-4 自动控制系统的分类 三种常用的分类方法 连续控制系统和离散控制系统 §1-5 对控制系统性能的要求和本课程的任务 控制系统的性能一般从以下三方面来评价 §1-3 开环控制与闭环控制 开环控制 如果系统的输出量没有与参考输入相比较,即系统的输出与输入间不存在着反馈的通道,这种控制方式叫开环控制 优点 　结构简单，所用元器件少, 成本低 缺点 　系统没有抗扰动功能，因而大大限制了系统的应用范围 开环直流调速系统 晶闸管 整流装置 电动机 触发器 Ug Ud 转速n TL扰动 当电动机的负载、交流电网的电压以及电动机的励磁稍有变化时，电动机的转速就会随之而变化，不能再维持Ug所期望的转速。 数控机床开环定位控制系统 如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内部参数或外来扰动的变化都较小，或这些扰动因素可以事先确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果。 分配器 步进电机 精 密 传动机构 工作台 控制脉冲 工作台位移 闭环控制 若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称为闭环控制系统 闭环控制的优点 　自动地消弱或清除来自系统内部或外部扰动对被控制量的影响 闭环直流调速系统 自动控制理论 线性控制系统和非线性控制系统 　若组成控制的元件都具有线性特性则称这种系统为线性控制系统 　若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线性控制系统 特点： 　不具有比例性，也不适用叠