第一章绪论

第一章绪论 • 第一节概论 • 第二节反馈控制系统的基本概念 • 第三节自动控制系统的组成和方框图 • 第四节自动控制系统的分类 • 第五节控制系统性能分析概论 • 第六节自动控制系统性能要求

第一节概论 1.1.1 控制的含义 1.1.2 人工控制与自动控制 1.1.3 自动控制学科的特点 1.1.4 自动控制理论的内容 1.1.5 自动控制理论的基本问题

1.1.1 控制的含义 • 控制（CONTROL）----某个主体使某个客体按照一定的目的动作 • 主体---人：人工控制；机器：自动控制 • 客体---指一件物体，一套装置，一个物化过程，一个特定系统。 • 物体--飞船，电炉。（飞船控制） • 装置--锅炉，汽机。（锅炉控制） • 过程--燃烧，传动。（燃烧控制） • 系统--电力，化工，冶金。（电力控制）

煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制 自行车速度控制汽车驾驶收音机音量调节电饭煲空调抽水马桶汽轮机转速控制导弹飞行控制声控光控路灯 1.1.2 人工控制与自动控制

1.1.3 自动控制学科的特点 • 应用广泛 • 小至电子表,大至人造卫星,几乎包括各个领域. 我院6个专业有4个学“自控原理”课 • 日益重要 • 很难想象现代生活和生产过程没有自动控制装置如何能够继续? 你敢让大型发电机组用人工控制来运行吗? 你愿意使用不能自动控制温度的电冰箱吗？

1.1.4 控制科学与工程学科的内涵 控制科学与工程控制理论与控制工程检测技术与自动化装置模式识别与智能系统系统工程

1.1.5 自动控制理论的基本问题 • 控制系统的分析 • 典型信号下的响应 (阶跃响应,频率特性) • 数学模型 (传递函数,状态方程) • 性能指标 (稳态误差,超调量) • 控制系统的设计 • 性能要求 (性能指标,约束条件) • 控制器的结构和参数设计和整定 • 性能校核 (计算,仿真,实验)

第二节反馈控制系统的基本概念 • 信息反馈-------最基本的自动控制原理 • 反馈控制系统的中的常用术语： • 给定值（参考输入值） • 偏差值 • 控制量 • 被控量 • 扰动量(内扰,外扰) • 自动控制装置 = 传感器 + 控制器 + 给定器 + 执行器 • 受控过程（受控对象） • 控制系统 = 受控过程＋控制装置

工业过程中的反馈控制系统例子--- 例1.1 　锅炉汽包水位控制系统主蒸汽过热器变送器汽包省煤器调节器执行器给水给水泵给水调节阀

日常生活过程中的反馈控制系统例子--- 例1.2 水箱水位控制

第三节自动控制系统的组成及方框图 自动控制系统：　控制装置＋受控对象方框图(方框+箭头+求和圆+线条)：分析系统内各部分之间关系的图解法．自动控制系统的组成(如锅炉水位控制系统)：给定值 SV Setpoint-Value 偏差值 DV Deviation-value 操作值 MV Manipulation-Value 过程变量值PV Process-Value SV 被控量PV DV MV 调节器执行器给定器受控过程传感器反馈PV

控制量偏差量 DV 给水量调节位移 MV 设定水位 SV 实际水位测量水位PV 反馈元件例1.3 锅炉水位控制系统调节器执行器调节阀汽包 + - 变送器

第四节　自动控制系统的分类 一. 按系统环节连接形式分类开环控制系统：扰动被控量设定器控制器被控对象闭环控制系统 : 控制器设定器被控过程传感器

M 开环控制系统举例电热丝加热炉 220v~ 调压器例1.4.1 开环温度控制系统电位器功率放大器负载例1.4.2 开环转速控制系统开环控制系统特点： 1. 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 2. 结构简单. 3. 控制精度不高,无法抑制扰动.

例1.4.3 闭环温度控制系统 闭环控制系统举例温度控制器热电偶减速器 M 调压器 220V~ 例1.4.4 闭环转速控制系统 M 负载电压放大器功率放大器测速发电机闭环控制系统特点: 1. 有反馈回路; 2. 结构复杂; 3. 控制精度高,自动纠偏

控制器 二. 按控制依据信号性质分类控制器被控过程反馈控制系统：前馈控制系统：控制器被控过程前馈---反馈控制系统控制器被控过程

r t r 三. 按给定值变化规律分类恒值控制系统：给定值不随时间变化例恒温，恒压系统随动控制系统：给定值按需求随机变化例雷达跟踪，靠模加工系统 r t 程序控制系统：给定值按条件（时间或流程）变化例金属热处理，化学水处理 t

四. 按输入输出变量数分类 单变量控制系统单入--单出 SISO（Single Input Single Output）例电加热炉温度控制系统电加热炉电流温度多变量控制系统多入--多出 MIMO（Multiple ----）例锅炉燃烧控制系统电站锅炉工质温度燃料量送风量工质压力引风量炉膛压力

五. 按系统特性分类 位移线性控制系统输入与输出成正比，可用叠加原理用线性数学模型描述例弹簧秤（在工作区）非线性控制系统输入与输出不成正比，不可用叠加原理用非线性数学模型描述例弹簧秤（不在工作区）力位移力

六. 按变量的时间特性分类 连续时间控制系统系统中的变量可随时变化，连续，不间断例重锤式转速控制系统离散时间控制系统系统中存在离散变量，它们只在固定时刻存在和变化例计算机控制系统变量时间变量时间

七. 按变量的变化特性分类 模拟量控制系统系统中的变量是反映物理量的模拟变量，可以是任意数值例热电偶测得电势，反映温度开关量控制系统系统中变量只有两个状态，0或1，开或关例全自动洗衣机变量时间变量时间

八. 按变量的统计特性分类 确定性变量控制系统系统中的变量被认为是无噪声的确定性变量随机性变量控制系统系统中的变量被认为是有噪声的随机性变量变量时间变量时间

九. 按控制规律分类 • 常规控制（PID） • 智能控制 • 预测控制 • 最优控制 • 自适应控制 • 鲁棒控制 • 模糊控制 • 神经元控制

第五节控制系统性能分析概论 一.典型试验信号 • 阶跃信号 • 斜坡信号 • 抛物线信号 • 脉冲信号 • 正弦信号二.系统性能分析方法 • 动态特性分析 • 稳态特性分析

阶跃信号（Step Function） 阶跃信号含宽频带谐波分量，产生容易，是最常用系统性能测试信号。 -----单位阶跃函数 r（t） R 时间

斜坡信号（Ramp Function） -----单位阶跃函数斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。 r（t） R t t g（）=R  时间 t

抛物线信号（Parabolic Function） u（t）-----单位阶跃函数抛物线信号为匀加速信号，适于测试匀加速系统。 r（t） 0.5 R t 2 时间 t

r（t） A 时间 t h 脉冲信号（Pulse Function）  t = 0 理想情况: r（t）=  ( t ) =  (t) -----单位脉冲函数 0 t  0 A / h 0 <= t <= h 实际情况: r（t）= 0 t < 0, t > h 可用于测试系统抗冲击能力

正弦信号（Sine Function） r（t）=Asin(  t + ) A -------- 幅值  -------- 频率  -------- 初相位正弦信号为单频率信号，适于测试系统频率特性。 r（t）时间 t

动态特性分析 y（t）= f ( x（t）) y (t ) ------ 输出 x (t ) --------- 输入动态响应: 系统输出在典型测试信号下随时间变化的特性 y( t ) x (t ) f(x(t)) y x t t

稳态特性分析 y（t = ）= f ( x) y () ------稳态输出 x --------- 输入稳态特性: 平衡状态下系统输出与输入的关系线性饱和非线性死区非线性继电非线性 y y( t ) x x (t ) t

第六节自动控制系统性能要求 五个字：稳、准、快、壮、省 • 稳：扰动下不发散 • 准：与设定值的偏差小 • 快：用最少的时间达到要求 • 壮：适应宽范围工况 • 省：控制能量最省，波动小，效率高

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