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第五章 自动控制系统 第一节 概述 本节主要内容： 1 自动控制概述 2 自动控制系统的组成及方块图 3 自动控制系统的分类 4 控制系统过渡过程及品质指标 一、自动控制发展概述 一、自动控制发展概述 2.控制系统的发展史 自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制 目前渗透到更多领域：交通管理、图书管理等 一、自动控制发展概述 四个发展阶段： （1）胚胎萌芽期（1945年以前） 十八世纪以后，蒸汽机的使用题 十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机 十九世纪末，二十世纪初，使用内燃 二十世纪初至第二次世界大战，军事工业 （2）经典控制理论时期（1940-1960） 1945年美国人Bode “网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础。 对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等。 一、自动控制发展概述 四个发展阶段： （3）现代控制理论时期（50年代末-60年代初） 空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上 Kalman “控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础 解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题 （4）大系统和智能控制时期 （70年代以后） 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例人工智能、模拟人的人脑功能、机器人等。 一、自动控制发展概述 控制系统结构及仪表的发展 基地式：20世纪50年代，适用于单回路 单元组合式： DDZ, QDZ 20世纪60年代 计算机： DDC, DCS 20世纪70年代 先进控制和优化控制：CIPS, FCS 20世纪80年代以后 自动化仪表的发展经历了如下过程： 模拟仪表—— 数字仪表——智能仪表 使用常规仪表的中央控制室 早期的DCS控制系统 现代的DCS控制系统 现代操作室 二、自动控制系统的组成及方块图 二、自动控制系统的组成及方块图 二、自动控制系统的组成及方块图 二、自动控制系统的组成及方块图 二、自动控制系统的组成及方块图 在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。 二、自动控制系统的组成及方块图 二、自动控制系统的组成及方块图 二、自动控制系统的组成及方块图 二、自动控制系统的组成及方块图 人工控制：眼、脑、手、水箱+阀门 二、自动控制系统的组成及方块图 二、自动控制系统的组成及方块图 负反馈：输入信号－反馈信号（输出信号） 输出偏差减小 正反馈：输入信号+反馈信号 反馈控制、闭环控制 按偏差进行控制 1.控制系统的静态与动态 ●静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态 ●动态：被控变量随时间变化的不平衡状态 2.控制系统的过渡过程 当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。 对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。 2.控制系统的过渡过程 ●阶跃干扰:就是在某一瞬时t0干扰突然阶跃式地加到系统上，并继续保持在这个幅度上。 2.控制系统的过渡过程 ●定义:系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程 , 称为系统的过渡过程。 1）不稳定的过渡过程 ▼ 不能达到平衡，且逐渐远离给定值——引起事故 ▼ 竭力避免 2）稳定的过渡过程 ▼ 过渡过程是衰减的，经一段时间后，可逐渐趋向原来的或新的平衡 ▼ 所希望 3）介于稳定和不稳定之间的过渡过程 ▼ 一般不采用，只是对于某些控制质量要求不高的场合可以采用。 ▼ 条件：被控变量允许在工艺许可的范围内振荡 3.控制系统的品质指标 ●自动控制系统的基本要求: 稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准） 控制指标: 时间域的单项指标 时间