自控简明讲义1-3

自动控制原理：以自动控制系统为对象，学习研究从各类控制系统所抽象出来的，具有共性的规律（组成原理，数学模型，各种分析方法及基本设计方法）。抽象性、综合性较强，用较多的数学工具解决应用问题。

第一章

1.1 引言

1.1.1 基本概念

（1）自动控制：不需要人直接参与，而使被控量自动的按预定规律变化的过程，叫自动控制。

①不需要人直接参与；②被控量按预定规律变化。

（2）自动控制系统：为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体

①实体；②有机组合

1.1.2 自动控制技术及应用

自动控制应用极为广泛，在工业、国防、航空航天、交通、农业、经济管理、以及人们的日常生活，处处可见。

1.1.3 自动控制理论的发展 一般可分为三个阶段：

（1）第一阶段。时间为本世纪40～60年代，称为“经典控制理论”时期。

三大分析方法:时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法.

（2）第二阶段。时间为本世纪60～70年代，称为“现代控制理论”时期。

（3）第三阶段。时间为本世纪70年代末至今。70年代末，控制理论向着“智能控制”方向发展。

1.1.4 术语 给定信号 e(t) 扰动信号 输出信号c(t) 控制器 执行机构 对象 _ f(t) 检测仪表 （1）被控对象（2）被控量（被调参数，输出量）（3）给定量（参考输入量，给定信号）（4）扰动量（扰动输入量，扰动信号，干扰量）（5）测量信号（6）偏差信号（详见课本）

1.2 自动控制技术中的基本控制方式

系统的基本控制方式按有无反馈，即按结构分为三大类：开环控制、闭环控制、复合控制。

开环控制系统 闭环控制系统

复合控制系统 1.2.1 开环控制系统 (1)定义

开环控制是一种最简单的控制方式，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，即系统的输出量对控制量没有影响。示意图：

输入量 控制量 输出量

被控对象 控制器

优点：结构简单、调整方便、成本低

缺点：控制精度低、对扰动没有控制能力。

用于输出精度要求低的场合。若出现扰动，只能靠人工操作，使输出达到期望值 1.2.2 闭环控制系统——重点

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，也称为反馈控制系统，如图。 给定量 偏差量e(t) 输出量 控制量 控制器 对象 _ 反馈量f(t) 测量元件 (1)特点： ①系统的输出参与控制，系统结构图构成回路

②依靠偏差进行控制的系统，只要偏差存在，就有控制作用，其结果试图使偏差减小 ③控制精度高

④对系统内部除反馈通道和给定通道外的一切扰动都有抑制作用 ⑤引起振荡

1.2.3 复合控制系统

将开环控制和闭环控制系统结合在一起，构成复合控制系统。（按偏差控制和按扰动控制的结合）

1-3闭环系统的组成和基本环节 1.3.1 系统组成

(1)环节：构成系统的基本组成部分，用一个方块表示

(2)结构图：将构成系统的所有环节用有向线段连接起来，构成结构图 1.3.2 基本环节

输入 1 2 3 4 5 6 输出 7 控制系统结构图

（1）给定环节（2）比较环节（3）校正环节（4）放大环节（5）执行机构（6）被控对象（7）检测装置（8）控制器（详见课本） 主反馈：系统输出量的反馈

局部反馈：在前向通道里，如果实际环节中存在输出对输入的影响，那么这一影响可以用反馈的形式表示出来，这种反馈叫局部反馈。

校正环节 放大环节 执行机构 对象 _ _ 反馈补偿元件 检测仪表 前向通路+主反馈通路=主回路

局部反馈回路+前向通路的一部分=内回路

1-4自动控制系统的类型 1.4.1 按输出输入特性分 线性系统

非线性系统

(1)线性系统 定义：

若控制系统的所有环节或元件的状态（特性）都可以用线性微分方程（或线性差分方程）描述，则该系统为线性系统。分为以下两种：

线性定常（时不变）系统：描述系统运动规律的微（差）分方程的系数不随时间变化 线性时变系统：描述系统运动规律的微（差）分方程的系数随时间变化。 性质

①满足叠加定理

②系统的输出随输入按比例变化 判断方法

给出一般方程

dny(t)dn?1y(t)dmx(t)dm?1x(t)a0?a1???any(t)?b0?b1???bmx(t)dtndtn?1dtmdtm?1

其中：x(t)为输入量；y(t)为输出量

若方程中，输出、输入量及各阶导数均为一次幂，且各系数均与输入量无关

线性定常系统：各项系数为常数 线性时变系统：系数是时间t的函数 (2)非线性系统

定义：

组成系统的环节或元件中至少一个具有非线性特性。 性质

本质非线性：输出输入曲线上存在间断点、折断点或非单值。否则为非本质非线性。本质非线性只能作近似的定性描述、数值计算。

非本质非线性：可在一定信号范围内线性化。 特点

暂态过程与初始条件有关，直接影响系统稳定性。 1.4.2 按传输信号与时间的关系分 连续系统

离散系统

(1)连续系统 若系统各环节的输入、输出信号都是时间的连续函数，则系统为连续系统。可用微分方程描述 (2)离散系统 定义：

各环节中至少有一个是离散信号为输入或输出的。分为两种： 脉冲控制系统：离散信号为脉冲形式 数字控制系统：离散信号为数字形式

1.4.3 按传输信号与时间的关系分

恒值系统：给定输入量为常值 随动系统：给定量随时间任意变化

程序控制系统：给定量按照事先给定的时间函数变化

1-5 自动控制系统的性能指标

稳态：被控量（输出）处于相对稳定状态。静态

暂态过程：被控量（输出）变化状态的过程。动态过程，过渡过程 自动控制系统的性能指标通常指：

系统的稳定性 稳态性能 暂态性能 1.5.1 稳定性 当扰动量或给定量发生变化时，输出量将偏离原来的稳定值。由于反馈的作用，通过系统内部的自动调节，系统可能回到原来的稳定值或随新的给定值稳定下来。也可能由于内部的相互作用，使系统发散而处于不稳定状态。

稳定是系统正常工作的首要条件。 1.5.2 稳态性能

描述系统稳态时的稳定程度 (1)性能指标：稳态误差

无差系统：稳态无差为零

有差系统：~ 1.5.3 暂态性能

描述系统从一个稳态到达另一个稳态期间所表现出的能力 性能指标

上升时间，超调量，过渡过程时间（调节时间），振荡次数等 以阶跃信号（给定信号）的动态响应为例，其动态响应曲线为

xc(t) xcmax

误差带5%或2% ? 1.0 0 xc(?)

tr tp ttts tt t①上升时间tr：为响应从零第一次上升到稳态值所需时间。 ②超调量?%：输出最大值与输出稳态值的相对误差，即

?%?xcmax?x(?)?100%x(?)

③调节时间ts：系统的输出量进入允许误差范围对应的时间。。

④振荡次数?：在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。反应系统的过渡过程的平稳性。

1.5.4 对控制系统的基本要求

对控制系统的基本要求应包括三方面。 (1)稳定性

当系统受到扰动或给定量变化后，经过一段时间仍能恢复到原状或达到新的平衡状态。

(2)快速性

很好完成控制任务，仅仅满足稳定性要求是不够的，须对过渡过程的形势和快慢提出要求。

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