第一章 自动控制的一般概念

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1、第一章自动控制的一般概念教学目的：（1）了解基本概念：自动控制，开环控制系统，闭环控制系统；（2）通过学习，能分析闭环系统的动态过程；（3）了解自动控制系统的几个类型；（4）了解对自动控制系统的基本要求。教学要求：（1）明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念；（2）正确理解三种控制方式，特别是闭环控制；（3）初步掌握系统工作原理图、画方框图的方法，并能正确判断系统的控制方式；（4）明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的方式；（5）明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。教学重

2、点：开环及闭环控制系统的原理及组成；开环及闭环系统动态分析及动态、静态概念；典型自动控制系统的类型。教学难点：闭环控制系统的原理及组成；闭环系统动态分析及动态；典型自动控制系统的类型。本章学时：6学时主要内容：1.1控制系统的一般概念1.2开环控制和闭环控制1.3自动控制系统的分类1.4对自动控制系统的基本要求101.1控制系统的一般概念1.1.1历史回顾•18世纪，JamesWatt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。在控制理论发展初期，做出过重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、黑曾和奈魁斯特。•1922年，Minorsky研制

3、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。•1932年，Nyquist提出了一种相当简便的方法，根据对稳态正弦输入的开环响应，确定闭环的稳定性。•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继电式伺服机构。•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，从20世纪40年代末到50年代初，伊凡思Evans提出并完善了根轨迹法。•19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能。因此，利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论应运而生，从而适应了现代设备日益增

4、加的复杂性，同时也满足了军事、空间技术和工程应用领域对精确度、重量和成本方面的严格要求。•从1960年到1980，不论是确定性系统的最佳控制、还是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。1.1.2术语自动控制、自动控制系统、系统、被控对象、被控量、扰动•自动控制：在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。举例：炉温控制系统，数控机床。•自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制系统。一般有控制器和控制对象组成。10•被

5、控对象：是指被控设备和物体，也可以指被控过程（如化学过程或经济过程等）•被控量：系统的输出量。•系统：完成一定任务的一些元、部件的组合。•扰动：是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。1.1.3自动控制系统示例如图1-11.2闭环控制和开环控制一、开环控制系统：如果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系统。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。例如：洗衣机就是开环控制系统的例子。浸湿、洗涤和漂清

6、过程，在洗衣机中是依次进行的，在洗涤过程中，无需对其输出信号，即衣服的清洁程度进行测量。10在任何开环控制中，系统的输出量都不被用来与参考输入进行比较，因此，对应于每一个参考输入量，便有一个相应的固定工作状态与之对应，这样，系统的精度便决定于校准的精度（为了满足实际应用的需要，开环控制系统必须精确地予以校准，并且在工作工程中保持这种校准值不发生变化）。当出现扰动时，开环控制系统就不能实现既定任务了，如果输入量与输出量之间的关系已知，并且不存在内扰与外扰，则可以采用开环控制。沿时间坐标轴单向运行的任何系统，都是开环系统。例如：采用时基信号的交通管制，就是开环

7、控制的另一个例子。控制系统的输出量对系统没有控制作用，这种系统是开环控制系统。二、闭环控制系统：把输出量直接或间接地反馈到系统的输入流，形成闭环，参与控制，这种系统叫闭环控制系统。明确：为什么要采用闭环控制系统？闭环控制系统有哪些优点。举例：炉温控制系统1.原理示意图～220v5UfUg+Ud52_〉D-Ug346713+Uc210图1-41——热电偶；2——电阻丝；3——电位器；4——放大器；5——可逆电动机；6——减速机；7——调压器；8——炉子1.工作原理：系统分析：受控对象——炉子；被控量——炉温；给定装置——电位器干扰——电源U，外界环境，加热物

8、件；测量元件——热电偶；执行机构——可逆电动机工作过程：静态U=0