第1章 自动控制的一般概念 ★本章主要内容及重点 ★自动控制的基本原理 ★自动控制系统分类 ★对自动控制系统的基本要求
本章重点 本章主要内容 本章介绍了自动控制理论的应用领域、发展过程和分类。通过一些控制系统实例讨论了手动控制、自动控制、自动控制系统的工作原理、方框图、系统分类等相关基本概念。最后介绍了本课程将要介绍的主要内容，以利于读者从总体上把握本课程的相关知识。 要求掌握控制与自动控制、自动控制系统及其工作原理与组成、方框图、开环控制与闭环控制、系统输入量与输出量的相关基本概念。了解本课程将要学习的内容。
人们为达到某个目标，对被控对象进行操作。 二、自动控制 无人直接参与而是通过控制器控制对象某些物理量按指定规律变化。 三、自动控制系统 1-1自动控制的相关概念 一、控制 人们为达到某个目标，对被控对象进行操作。 二、自动控制 无人直接参与而是通过控制器控制对象某些物理量按指定规律变化。 三、自动控制系统 控制器和被控对象共同组成的具有一定功能的整体。
1-2自动控制的基本方式 基本方式分为三种：开环控制、闭环控制、复合控制 一、开环控制 以可控电源为例说明 输出电压和控制电压关系为
原理图如下 ～ U~ Uct Ud Ug U0 PWM Vt
控制量为 被控量为 系统先把交流电整为直流 ， 控制三极管导通时间使 变为可调电压 其等效电路如下 系统原理如下 控制量为 被控量为 系统先把交流电整为直流 ， 控制三极管导通时间使 变为可调电压 其等效电路如下 其中VT为开关，取R上电压平均值为输出 Uct Ud VT R
工作原理图示 由控制电压的大小控制开关时间 Uct1 t t t1 T Ud Uct2 t t t2 T Ug1 Ug2 Ud1 Ud2 t
输入与输出关系 控制特点信号由输入到输出单向传递该特点为开环传递，图示如下 开环控制特点 优点控制实现简单 缺点 PWM 被控对象 Ug Uct U0
1、电源电压的变化使输出偏离希望值 这与给定不变要求输出不变矛盾。 2、无法克服负载变化带来的影响。 IlR PWM 被控对象 Ug Uct Uo Uoo
可见负载变化输出随之变化。 二、反馈控制 R1 Ui R0 PWM Ud VT Ug Uf U0 R Rp
1、原理如上图所示 2、输出变化的检测 3、新控制量的形成 利用加法器 新的控制量随输出的变化能够自动调节与开 环控制不同 新的控制量随输出的变化能够自动调节与开 环控制不同 4、反馈控制的特点 结构如下图所示
（1）偏差控制 用 作为控制量同开环不同，开环由给定直接作为控制量 结构如下图所示 （2）抗扰分析 Kp Ks … Ug Uo Ui Uf
分别给出开环和闭环传函 引入扰动的结构图如下 △u ui Ug ui IR Uo Kp Ks Uf
开闭环输出分别是 闭环输出 开环输出 调节参数使开闭环的理想输出电压一致
可见开闭环在相同的扰动下电压差变化不 同闭环比开环下降 倍 5、反馈控制结构特点 （1）前向通道 （2）反馈通道 反馈控制规律 同闭环比开环下降 倍 5、反馈控制结构特点 （1）前向通道 （2）反馈通道 反馈控制规律 偏差控制、输出服从给定、抗扰能力提高反馈环内前向通道的扰动均可抑制 负反馈：反馈信息的作用与控制信息作用方向相反对控制部分的活动起制约或纠正作用的反馈称为负反馈 优点抗扰动，维持稳态。缺点滞后，波动。
三、复合控制（开环+反馈） （1）按偏差控制+按扰动补偿控制 （2）按偏差控制+按给定补偿控制 结构如图 扰动（已知） 顺馈 1 Uo Ui 控制器 被控对象 测量装置 顺馈 扰动（已知） 1 Uo Ui 2
偏差控制与扰动控制区别 图示说明 扰动 扰动 被控 对象 被控 对象 控制器 控制器 扰动信号 控制作用 控制作用 偏差信号 扰动控制
一些基本概念 主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路 主回路：前向通路+主反馈通路 内回路：局部前向通路+局部反馈通路 前向通路：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通路 单回路系统、多回路系统 反馈控制系统受到的外部作用 参考（有用）输入：决定系统被控量的变化规律 扰动：系统外部扰动、系统内部扰动
二、自动控制系统分类 分类方法 按控制方式：开环控制、闭环控制、复合控制 按元件类型：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。 按系统功能：温度、压力、位置 按系统性能：线性与非线性、连续与离散、定常与时变 按参考量变化规律：恒值、随动、程序控制
（一）线性连续控制系统 由系数判定线性时变系统、线性定常系统 线性定常系统根据参考输入量又可分为： 恒值控制系统、随动系统、程序控制系统
系统主要特点： （1）恒值控制系统 参考输入是个常值，要求被控量也等于常值。 外部扰动的存在，被控量偏离参考量而出现偏差，控制系统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值。 （2）随动系统 参考输入是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参考输入量变化。 （1）恒值控制系统 参考输入是个常值，要求被控量也等于常值。 外部扰动的存在，被控量偏离参考量而出现偏差，控制系统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值。
线性定常离散系统 （二）非线性控制系统 （3）程序控制系统 参考输入是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地复现。 特点系数与变量相关，或方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积。
1-4 对自动控制系统的基本要求和概述 一、 对自动控制系统基本要求 平稳性（稳）、快速性（快）、准确性（准） “稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。 系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中储能元件的能量不可能突变。 “准”是说明系统的稳态（静态）品质 稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件 线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。
二、系统分析 已知系统数学模型和参数基础上，研究系统在典型信号作用下的运动规律。 1、系统稳定性分析 ①稳定判别 ②稳定性与结构参数的关系 ③解决稳定性的方法 2、动态分析
①系统结构参数与动态响应关系 ②计算动态性能，提高动态性能方法 3、系统稳态响应分析 ①稳态误差计算 ②结构、参数与稳态响应的关系 ③减少误差的方法 三、自动控制系统的设计问题