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第一章自动控制的一般概念概述第1节开环控制与闭环控制第2节控制系统举例第3节控制系统的组成与对控制系统的基本要求第4节控制系统设计概述2课程的性质和特点《自动控制原理》作为一门本学科的专业课，与其它课程关系如下微积分（含微分方程）线性代数电路理论信号与系统自动控制理论复变函数、拉普拉斯变换1-1自动控制的任务通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。返回子目录自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量自动地按照预定的规律运行。自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。数控车床按规定程序自动地切削工件；化学反应炉自动维持温度或压力的恒定；飞机导航系统现代的高新技术让导弹长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标制导导弹导弹发射和制导系统自动地把导弹引向敌方目标；哈勃望远镜－特殊地卫星中巴资源卫星人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论控制论：经典控制理论现代控制理论（智能控制理论）1-1开环控制与闭环控制被控量比较执行测量被控对象实测值干扰测量给定值H自动控制方框图'H1.1.1自动控制系统在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。测量元件：用以测量被控量或干扰量。比较元件：将被控量与给定值进行比较。执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。•开环控制–按给定值操纵的开环控制–按干扰补偿的开环控制•按偏差调节的闭环控制•复合控制下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式按给定值操纵的开环控制计算执行受控对象给定值干扰被控量按给定值操纵的开环控制系统原理方框图•开环控制——系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。1.1.2开环控制炉温控制系统炉温控制系统原理方框图定时开关炉子电阻丝0T给定炉温T实际炉温按给定值操纵的开环控制特点：控制装置只按给定值来控制受控对象优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。按干扰补偿的开环控制定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。计算测量受控对象执行干扰被控量特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图按偏差调节的闭环控制特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起的变动。计算比较给定值E执行被控对象干扰被控量测量－按偏差调节的系统原理方框图1.1.3闭环控制如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。一般，一个闭环控制系统由以下基本元件组成：测量元件放大元件被控对象校正装置执行元件比较元件复合控制复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。1-2控制系统举例1.2.1随动系统1.2.2恒值控制系统1.2.3数字控制系统1.2.4计算机控制系统1.2.1随动系统随动系统(跟踪系统)该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意变化的量,要求系统的输出量能迅速平稳地复现或跟踪输入信号的变化。如函数记录仪、雷达天线的自动跟踪系统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。函数记录仪方框图1.2.2.恒值调节系统(自动调节系统)恒值调节系统(自动调节系统)这种系统的特征是输入量为一恒值,通常称为系统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响,使输出量维持在给定值(期望值)。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。1.2.3.数字控制系统数字系统中，对象的控制是通过二进制信息实现的。比如控制系统中利用电信号的，就可将数字符号转化为物理量，把电码译成直线或圆周运动。因此整个系统中采用数字控制信号或者模拟控制信号。1.2.4.计算机控制系统事先确定系统的运动规律,编成程序，计算机直接通过输入测量仪表和输出执行元件与外界联系，不需要人员的参与，计算机控制系统就是：被控对象+控制计算机。1-３对控制系统的性能要求定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。稳：指动态过程的平稳性。快：指动态过程的快速性。准：指动态过程的最终精度。返回子目录稳：指动态过程的平稳性控制系统动态过程曲线如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线①所示；反之，输出如曲线②所示，则系统是不稳定的。快：指动态过程的快速性快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线①所示。稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。准：指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。1-4控制系统设计概述