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控制工程基础 1-1 自动控制的基本原理 自动控制（Automatic Control）定义 指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备和装置（称控制装置或控制器（controller）），使机器、设备或生产过程（统称被控对象（plant））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。 控制的本意：为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。 自动控制理论：研究自动控制共同规律的技术科学 自动控制理论发展的几个阶段: 第一阶段：经典控制理论（Traditional Control Theory）,以传递函数（Transfer Function）为基础，研究单输入单输出的线性定常系统的分析与设计问题； 第二阶段：现代控制理论（Modern Control Theory），以状态空间法（State Space）为基础，研究多变量变参数系统的最优控制问题； 现在，正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论、具有不确定性系统的鲁棒控制等方向发展。 系统：为完成一定的任务，按照一定的方式连接起来的若干设备、装置的总体。 自动控制系统（Automatic Control Systems）：能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。 下面举例说明自动控制系统的工作原理。 例1：人如何控制自己的行为：手拿书本 被控对象：温箱； 被控量：温箱的温度； 测量元件：温度计 自动控制系统＝被控对象＋控制装置 被控对象：要求实现自动控制的机器、设备或者生产过程，如机床、飞机等。 被控量（系统输出）：要求严格加以控制的物理量，如飞机的高度、速度、姿态等。 控制装置：对被控对象施加控制作用的机构或设备的总体。 控制任务：被控量 → 给定量 所谓反馈控制系统是指控制装置利用被控量的反馈信息，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。 反馈控制是一种最基本的控制方式，其实质是一个按偏差进行的控制过程，利用偏差消除偏差。 注意： 1、负反馈：输入信号与反馈信号相减，使系统输出的误差逐渐减小，则称为负反馈(利用偏差消除偏差) ； 2、正反馈：反馈信息不是制约控制部分的活动，而是促进与加强控制部分的活动。正反馈的意义在于使过程不断加强。 3. 反馈控制系统组成 5 自动控制系统基本控制方式 (1) 闭环控制（Closed Loop Control） ——反馈控制方式 闭环控制的特点： 系统输出对控制作用有影响； 存在反馈环节，能够利用反馈作用消除系统误差； 抑制干扰能力强； 但控制机理复杂，且存在稳定问题，系统设计需一整套理论与方法； (2) 开环控制方式 定义：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。 特点:系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。 按给定值控制的开环控制 开环控制示例：直流电动机调速系统（电风扇） (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。 按输入补偿的复合控制 按扰动（可测）补偿的复合控制 1-2 自动控制系统示例 函数记录仪 飞机-自动驾驶仪系统 电阻炉微型计算机温度控制系统 锅炉液位控制系统 电阻炉微型计算机温度控制系统方块图 1-3 自动控制系统的分类 按数学模型分 线性系统与非线性系统 线性系统由线性微分方程、线性差分方程或线性代数方程描述（满足叠加性和齐次性）； 系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的，就为非线性系统。 按信号的性质分 连续系统与离散（数字）系统 连续系统中各部分传递的信号都是随时间连续变化的信号；连续系统通常采用微分方程描述。 离散系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统；离散系统通常采用差分方程描述。 连续信号经过采样开关的采样就可转换为离散信号。 常见的几种自动控制系统 1、 线性连续控制系统 线性系统由线性微分方程或线性差分方程描述（满足叠加原理）； 若输入量和输出量都是时间连续函数的系统，称为连续系统； 用线性微分方程描述： 按输入量的变化规律，线性连续系统可分为 恒值控制系统 系统的输入量是一个常值，要求被控量也等于一个常值。 系统的基本任务是研究各种扰动对被控对象的影响，当出现扰动时，利用控制装置使系统的输出量保持为恒定的期望值。 随动系统 系统输入量随时间变化，且变化规律可能是未知、不可预知的。 基本任务是使系统的输出量以要求的精度跟随输入量变化 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。 程序控制系统 系统的输入量按预定规律随时间变化。 基本任务是要求被控量迅速、准确地加以复现。 2、