自动控制一般概念.doc

自动控制原理

目录

目录 .................................................................................................................................................. 1
第一章 自动控制的一般概念....................................................................................................... 2
1-1 自动控制的基本原理与方式 ......................................................................................... 2 1-2 自动控制系统示例 ......................................................................................................... 6 1-3 自动控制系统的分类 ..................................................................................................... 8 1-4 对自动化控制系统的基本要求 ..................................................................................... 9 1-5 自动控制系统的分析与设计工具 ............................................................................... 11
第三章 线性系统的时域分析方法............................................................................................. 14
3-1 系统时间相应的性能指标 ........................................................................................... 15 3-2 一阶系统的时域分析 ................................................................................................... 17
第四章 线性系统的根轨迹法....................................................................................................... 22
4-1 根轨迹法的基本概念 ................................................................................................... 22 4-2 开环零极点与闭环零极点之间的关系........................................................................ 23
第七章 线性离散系统的基本概念............................................................................................... 24
7-1 离散系统的基本概念 ................................................................................................... 24 7-2 数字控制系统 ............................................................................................................... 25
附表 ................................................................................................................................................ 28
方块图..................................................................................................................................... 28 表格......................................................................................................................................... 29

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自动控制原理

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.自动控制技术与其应用
在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。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。例如，数控车床按照预定的程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地 维持恒定；雷达和计算机组成的导弹发射和控制系统，自动的将导弹引导到敌方目标；无人 驾驶飞机按照预定的轨道自动升降和飞行；人造卫星准确的进入预定轨道运行并回收等，这
一切都是以应用高水平的自动控制技术为前提的。
近几十年来，随着电子计算机技术的发展和应用，在宇宙航行、机器人控制、导弹制导 以及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具有特别重要的作用。不仅如此，自动控制 技术的应用范围现已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他特别重要社会生活领域中，
自动控制已经成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。
2.自动控制科学
自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。 的诞生与发展源与自动控制技术 它
的应用。
最早的自动控制技术的应用，可以追溯到公元前我国古代的自动计时器和漏斗指南车， 而自动控制技术的广泛应用则开始于欧洲的工业革命时期。英国人瓦特在发明蒸汽机的同 时，应用反馈原理，于 1788 年发明了离心式调速器。当负载或蒸汽供给量发生变化时，离 心式调速器能够自动地调节进汽阀门的开度，从而控制蒸汽机的转速。1868 年，以离心式 调速器为背景的，物理学家麦可斯韦尔研究了进汽阀门反馈系统的稳定性问题，发表了"论 调速器"论文。随后，源于物理学和数学的自动控制原理开始逐步形成。1892 年，俄国学 者李雅谱诺夫发表了"论运动稳定性的一般问题"的博士论文，提出了李雅谱诺夫稳定性理 论。20 世纪 10 年代。PID 控制器出现，并获得广泛的应用。1927 年，为了使广泛应用的电
子管在其性能发生较大变化的情况下仍能正常工作， 馈放大器正式诞生。
反 从而， 确立了 反 "
馈"在自动控制技术中的核心地位，并且有关系统稳定性和性能品质分析的大量研究成果也
应运诞生。
20 世纪 40 年代， 是系统和控制思想空前活跃的年代， 1945 年贝塔郎菲提出了 系统论》
《 ，
1948 年维纳提出了著名的《控制论》 至此形成了完整的开展理论体系——以传递函数为基 ，
础的经典控制理论，主要研究单输入单输出、线性定常理论体系的分析和设计问题。
20 世纪 50~60 年代，人类开始征服太空，1957 年苏联成功发射了第一颗人造地球卫星，
1968 年美国阿波罗飞船成功等上月球。在这些举世瞩目的成功中，自动控制技术起着不可
磨灭的作用， 也因此催生了 25 世纪 60 年代的第二代控制理论——现代现代控制理论的问世， 包括以状态为基础的状态空间法，贝尔曼的动态规划法和庞特里亚金的极小值原理，分析卡 尔曼滤波器。现代控制理论主要研究具有高性能、高精度和多耦合回路的多变量系统的分析
和应用设计问题。
从 20 世纪 70 年代开始， 着计算机技术的不断发展，
随 自动化技术发生了根本性的变化，
其相应的自动控制论概念、原理和方法还出现了许多分支,如自适应控制，混杂控制，模糊

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自动控制原理

控制，以及神经网络控制等。此外，控制论的概念、原理和方法还被用来处理社会、经济、
人口和坏竟等复杂的系统的分析与控制， 形成了经济控制论和人口控制论等学科分科。 目前，
控制理论还在发展，正朝向以控制论、信息论和仿生学为基础的智能控制理论深入。
然而，纵观百余年自动控制科学与技术的发展，反馈控制理论与技术占据了极其重要的
地位。
3.反馈控制原理
为了实现各种复杂的控制任务， 首先要将被控制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，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被制对象的输出量即被 制量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，如温度、压力、液位等， 也可以要求按照某个给定的规律运行，如飞行航迹、记录曲线等；而控制装置则是对被控对 象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理对被控制对象景象控制，但最基本的
一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。
在反馈控制系统中，控制装置对被控制对象被控制对象施加的控制作用，是取自被控量 的反馈信息，用来不断地修正被控量与输入量之间的误差，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。
其实，人的一切活动都是体现出反馈控制的原理，人本身就是一个具有高度复杂控制能 力的反馈控制系统。例如，人用手拿取桌上的书，汽车司机操纵方向盘驾驶汽车沿着公路平 稳的行驶等，这些日常生活中习以为常的平凡劳动都渗透着反馈控制的深刻原理。下面，通 过解剖手从桌上取书的动作过程，透视一下它所包含的反馈控制的深奥原理。在这里，书位 置是手运动的指令信息，一般称为输入信号。取书时，首先人要利用眼睛连续目测手相对与
书的位置，并将这个信息送入大脑（称为位置反馈信息） 然后由大脑判断手与书的距离， ；
产生偏差信号，并根据其大小控制手臂移动的命令（称为控制作用或者操纵量） 逐渐使手 ，
与书的距离减小为零，手便可取书。可以看出，大脑控制手取书的过程，是一个利用偏差（手 与书之间距离）产生控制作用，并不断使偏差减小直到零消除的运动过程；同时，为了取得 偏差信号，必须要有手位置的反馈信息，两者结合起来，就构成了反馈控制。显然，反馈控 制实质上是一个按偏差进行控制的过程，因此，它也称为按偏差的控制，反馈控制原理就是
按偏差控制的原理。
人取物视为一个反馈控制系统时，手是被控制对象，手位置是被控制量（即系统的输出
量） 产生控制作用的机构是眼睛大脑和手臂，统称为控制装置。我们可以用图中的系统方 ，
块图来展示这个反馈控制系统的基本组成及工作原理。
通常，我们把取出输出量送回到输入端，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制的过程，而且，由于引入了被
控制量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称为闭合控制。
在工程实践中，为了实现对被控制对象的反馈控制，系统中必须配置具有人的眼睛、大 脑和手臂功能的设备，以便用来对控制量进行连续的测量、反馈和比较，并按照偏差进行控
制。这些设备以其功能分别称为测量元件、比较元件和执行元件，并统称为控制装置。
在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。通常，当龙 门刨床加工表面不平整的毛坯是负载会有很大的波动，但是为了保证加工精度和表面光洁
度，一般不允许刨床速度变化过大，因此必须对速度进行控制。图 2 利用速度反馈对刨床速
度进行自动控制原理示意图。 中，
图 刨床主电机 SM 是电区电压由晶匝管整流装置 KZ 提供，
并通过调节出发器 CF 的控制电压 uk，来改变电动机的电扭电压，从而改变电压 ut。然后，
将 ut 反馈到输入端并给定电压 U。反向串联便得到偏差电压△u=uo-ut 在这里，U0 是根据刨 床工作情况预先设置的速度给定电压，它与反馈电压 ut 相减便可以形成偏差电压，因此 ut

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