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第一章自动控制概论所谓自动控制，就是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备（称为控制器）操作被控对象（如机器、设备或生产过程）的某个状态或参数（称为被控量）使其按预先设定的规律自动运行。如化工生产中合成氨反应塔内的温度和压力能够自动维持恒定不变，雷达跟踪和指挥仪所组成的防空系统能使火炮自动地瞄准目标，无人驾驶飞机能按预定轨道自动飞行，人造地球卫星能够发射到预定轨道并能准确回收等等，都是应用自动控制技术的结果。自动控制理论就是研究自动控制共同规律的技术科学，它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，随着工业生产和科学技术的发展，现已发展成为一门独立的学科——控制论。控制论包括工程控制论、生物控制论和经济控制论。1.1自动控制与自动控制系统的基本概念1、开环控制，手动控制与自动控制系统的基本概念(1)开环控制：(2)手动控制：（3）自动控制系统：反馈量输入量偏差量控制量控制器测量元件被控对象输出量_反馈通道前向通道1.2开环控制与闭环控制1、开环控制：系统的被控量对系统控制作用没有影响，即在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用。输出量控制量输入量控制器被控对象优点:系统结构简单，调试容易，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大，抗干扰能力差。2、闭环控制：系统的被控制信号对控制作用有直接影响的，即控制装置与被控对象之间既有正向作用，又有反向联系的控制过程，则称为闭环控制系统，或称为反馈控制系统，反馈量输入量偏差量控制量控制器测量元件被控对象输出量_反馈控制：在控制系统中，根据实际输出和参考输出的差值来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，那么这种控制原理称为反馈控制原理。闭环控制的特点：由于引入了反馈信息（反馈量）,使整个控制过程成为闭合的，因此，按反馈控制原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭环控制系统中，其控制作用的基础是被控量（输出量）与给定值之间的偏差，这个偏差是各种实际扰动所导致的总“后果”，它并不区分其中的个别原因。因此，这种系统往往同时能够抵制多种扰动，而且对系统自身元部件参数的波动也不甚敏感。1.3控制系统举例一、随动控制：主要特点是输入给定信号的变化规律是事先不能确定的随机信号，这类系统的任务是使输出快速、准确地跟随给定信号的变化，故称作随动控制系统。1、火炮随动系统2、位置控制电液伺服系统二、定值调节系统：参考输入信号为恒定的常量。1、电炉炉温控制系统炉温控制系统方块图1.4控制系统的组成与对控制系统的基本要求一、控制系统的基本组成反馈控制系统方框图2.组成与术语组成:1.执行元件2.放大元件3.测量元件4.补偿元件5.比较元件术语:参考输入r(t)主反馈偏差ε(t)控制量扰动(干扰)f(t)输出c(t)被控对象:指被控制的装置或者设备参考输入(设定值):系统的给定输入信号,或者称希望值控制量:施加给受控对象的信号输出量:控制系统的输出,即受控的物理量偏差信号:系统的参考输入信号与反馈信号之差扰动信号:外界或者系统内部影响系统输出的干扰信号前向通路:从输入端到输出端的方向通路反馈通路:从输出端到输入端的通路二、控制系统的基本要求1、稳定性一个控制系统能正常工作的首要条件是系统必须是稳定的。稳定的系统在阶跃信号或扰动信号的作用下，其响应的暂态过程应该是收敛的。如果系统设计不当，则在阶跃信号下或扰动信号的作用下，输出的幅值振荡可能成为等幅振荡，甚至成为振幅逐渐增大的发散振荡，发生这种情况的系统称为不稳定系统。1、稳定性2、准确性3、快速性2、准确性(稳态精度)系统的准确性（稳态精度），一般采用稳态误差来表示。系统在输入信号的作用下，其响应经过暂态过程进入稳态后，系统的输出量与希望值之间的误差，称为稳态误差。3、快速性与阻尼特性过渡过程时间：当t≥ts时，有：则ts为过渡过程时间。()-(∞)()ctcc∞超调量：表示正弦振荡曲线的振荡衰减程度。用σP表示，则：max100%P(∞)()c-cc∞按照给定的控制任务设计一个既满足稳定性和稳态精度的要求，又满足动态指标要的控制系统，是控制工程人员必须解决的课题，也是自动控制原理学科的基本任务。