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检测技术与自动控制工程基础 第七章 自动控制系统概述 材料成型及控制工程专业（必修） 自动控制系统概述 自动控制的基本概念 自动控制系统的发展历史 自动控制的基本控制方式 控制系统的组成 自动控制系统的分类 对控制系统的一般要求 7.1自动控制的基本概念 自动控制 在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。 自动控制理论 是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论，是研究自动控制过程共同规律的技术学科。 7.1自动控制的基本概念 自动控制技术 以自动控制理论为基础，并与计算机技术、通信技术等相关技术相融合，解决工程实际中的各种自动控制问题的专门性技术称为——自动控制技术。 自动控制技术在工农业生产、国防航天、日常生活等领域的应用无处不在。导弹能够自动锁定、跟踪、准确击中目标，人造卫星能按预定轨道运行并返回地面，宇宙飞船能准确地往返月球、电梯能够安装输入的指令准确地停在你所要去的楼层、全自动智能洗衣机使你能够摆脱枯燥的手工劳动而悠然地享受周末的咖啡…，所有这一切都离不开自动控制技术。 7.1自动控制的基本概念 瓦特1784年发明的蒸气机飞球调速器 7.1自动控制的基本概念 常用技术术语 受控对象——指一个装备、工作器等（例如飞机、喷气发动机、反应塔等），其作用是完成特定的功能，并要求能满足相应的技术要求。 控制器——又称为调节器、控制装置，它由控制元部件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于受控对象。 自动控制系统——受控对象和控制器按照一定方式连接起来，组成一个有机整体，能提供预期的系统响应，以实现各种控制任务。 被控量——表征受控对象工作状态的物理参量（或状态参量），如转速、压力、温度、流量、电压、位移等。 7.1自动控制的基本概念 给定值或指令信号——要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。 干扰信号——又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。如果干扰产生于系统内部，称为内扰；产生于外部，称为外扰。外扰也是系统的一种输入信号。 反馈信号——是指被控量经测量元件检测后反馈回送到系统输入端的信号。 偏差信号——是指给定值与被控量的差值，或者指令信号与反馈信号的差值。 7.1自动控制的基本概念 7.1自动控制的基本概念 方框图中各符号的意义 7.1自动控制的基本概念 负反馈原理 将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。 负反馈原理是构成闭环控制系统的核心。 闭环(反馈)控制系统的特点： (1)系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路 (2)偏差起调节作用 7.2自动控制系统的发展历史 工业生产和军事技术的需要，促进了经典自动控制理论和技术的产生和发展。 18世纪欧洲产业革命后，由于生产力的发展，蒸气机被广泛应用作为原动力。为解决蒸气机的控制问题，1765年俄国机械师波尔祖诺夫蒸气机锅炉水位调节器；1784年瓦特发明了蒸气机离心式调速器。 在蒸汽机控制中，人们总希望转速恒定，因此判定稳定、设计稳定可靠的调节器成为重要课题。1877劳斯和古尔维茨提出了判定系统稳定的判据。 19世纪前半期，生产中开始利用发电机、电动机，出现了水电站远控、简单程序控制、电压和电流的自动调整等技术。 二次世界大战中，为了生产和设计飞机、雷达和火炮上的各种伺服机构，需要将过去自动调节技术和反馈放大器技术进行总结，于是搭建起来了经典控制理论的基本框架。二战以后，相关理论开始公开，并进一步用于一般工业生产控制中，从此迎来了控制理论与技术的蓬勃发展。 7.2自动控制系统的发展历史 经典控制理论高速发展期 (20世纪40～60年代 ) 1945年美国的波德所著“网络分析和反馈放大器设计”，奠定了经典控制理论的基础，形成了自动控制学科；1947年美国出版了“伺服机件原理”的第一本自动控制教材，1948年建立了现在广泛使用的频率法。 20世纪50年代是经典控制理论发展和成熟的时期，主要内容为频率法（拉氏变换和Z变换）、根轨迹法、相平面法、描述函数法、稳定性的代数判据和几何判据、校正网络等。 这些理论基本解决了单输入单输出自动控制的问题，同时开始逐渐扩展，由线性控制向非线性控制发展，由常系数控制向变系数控制、由连续控制向离散控制发展、由分散控制向集中控制发展，由反馈控制向前馈控制、最优控制、自适应控制发展。 7.2自动控制系统的发展历史 现代控制理论高速发展期 ( 20世纪60年代起 ) 这一时期，空间技术的需要和电子计算机的应用，推动了现代控制理论和技术的产生和发展。50年代末60年代初，空间技术的发展迫切