1、第 1 页 共 3 页第一章 自动控制的一般概念1-1 自动控制的基本原理与方式1.自动控制技术所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器） ，使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。2.自动控制理论自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析和设计问题。3.反馈控制理论为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，这就
2、是自动控制理论。在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。人取物视为一个反馈控制系统时，手是被控对象，手位置是被控量（即系统的输出量） ，产生的控制作用的机构是眼睛、大脑和手臂，统称为控制装置。我们可以用图 1-1 的系统方框图来展示这个反馈系统的基本组成及工作原理。通常，我们把取出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控
3、制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称闭环控制。控制装置：测量元件、比较元件和执行元件。4.反馈控制系统的基本组成它是由各种不同的元件组成的，有以下几种：测量元件 其职能是检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要再转换为电量。给定元件 其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考量） 。比较元件 其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比第 2 页 共 3 页较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置、电桥电路等。放大元件 其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控
4、制被控对象。执行元件 其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件 也叫补偿元件，它的结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。一个典型的反馈控制系统基本组成可用图 1-3 方块图表示。图中，用“”代表比较元件，它将测量元件检测到的被控量与参据量进行比较， “”号表示两者信号相反，即负反馈；“”号表示两者符号相同，即正反馈。信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同组成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。只包含一个主反馈通路的系统称单回路系统
5、；有两个或两个以上反馈通路的系统称多回路系统。5.自动控制系统基本控制方式（1）反馈控制方式是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致；有较高的控制精度。但这种系统使用的元件多，结构复杂，特别是系统的性能分析和设计也较麻烦。（2）开环控制方式是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种方式组成的系统称为开环控制系统。（3）复合控制方式按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式。图 1-4 表示一种同时按偏差和扰动控制的复合控制方式。1-2 自动控制系统的
6、分类第 3 页 共 3 页自动控制系统有多种分类方法。例如，按控制方式可分为开环控制、反馈控制、复合控制等；按元件类型可分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等；按系统功用可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等。按系统性能可分为线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、确定性系统和不确定系统等；按参据量变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等。一般，为了全面反映自动控制系统的特点，常常将上述各种分类方法组合使用。1.线性连续控制系统这类系统可以用线性微分方程式描述，其一般形式为：)()()()(1101 trbtdtrdbtr
7、 cacacd mmmm nnnn 式中，c(t)是被控量；r(t)是系统输入量。系数 a0,a1,an,b0,b1,bm是常数时，称为定常系数；系数 a0,a1, an,b0,b1,bm随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其输入量的变化规律不同又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。（1）恒值控制系统这类控制系统的参数量是一个常数，要求被控量亦等于一个常数，故又称为调节器。但由于扰动的影响，被控量会偏离参据量而出现偏差，控制系统便根据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常数。（2）随动系统这类控制系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽
8、可能小的误差跟随参据量的变化，故又称为跟踪系统。在随动系统中，扰动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，这类系统称之为伺服系统。（3）程序控制系统这类控制系统的参据量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。2.线性定常离散控制系统3.非线性控制系统1-3 对自动控制系统的基本要求自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门科学。对每一类系统被控量变化全过程提出的共同基本要求都是一样的，且可以归结为稳定性、快速性和准确性，即稳、准、快的要求。（1）稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。（2）快速性为了完成控制任务，仅仅满足稳定性是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。（3）准确性
