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自动控制理论 主讲： 王明东 email: wangmingdong@zzu.edu.cn Blog:teachers.zzu.edu.cn/Teacher/Default.aspx?alias=teachers.zzu.edu.cn/Teacher/personal/wangmingdong 第一章 引论 * 什么是自动控制？ 控制：是使某些物理量按指定的规律变化（包括保持恒定），以保证生产的安全性，经济性及产品质量等要求的技术手段。 自动控制：应用自动化仪表或控制装置代替人，使被控对象（机器设备或生产过程）自动地按照给定的规律运行，使之达到预期的状态或性能要求。 * 学习控制论的重要意义 我国著名的控制论专家宋健院士指出：控制论的理论、概念和方法在计算机技术的支持下，已经远远超越了40年前主要为工业生产和军事装备的服务范围，广泛应用到政治、军事和社会科学的各领域。过去20年来，经济学家们从控制论中得益而获得新成就是有目共睹的事实。原属于控制论科学中的专业概念和术语，如正负反馈、系统分析、非线性系统、系统工程等已被自然科学、社会科学等各学科所接收和采用，往往能在完全不同的学科中引导出令人意外的新发现。经济学家们从控制科学中受益已是众所周知的。很多大学多把控制理论列为所有工科和部分社会科学学生的必修课。 宋健院士还指出：近年来，让控制科学家最为兴奋的是，许多政治家和国家领导人开始理解控制论中的理论、概念和方法的重要性，他们很多人在演讲或论文中广泛使用控制论的语言去阐述社会政治问题。当政治家们遇到某些棘手的政治问题时，他们时常寄希望于系统科学家伸出援助之手，即使后者的研究工作从来未涉及到政治问题。这种形势常使控制论和系统科学家们冷暖皆忘，把酒临风，心旷神怡。 宋健教授的这些精辟论述说明，控制论已经渗透到多个学科，不但在自然科学和工程科学领域，而且在社会科学领域也有广泛的应用，成为多个学科和领域的发展动力。 * 第一节 开环控制和闭环控制 系统：为实现某一目的而由相互制约的各部分按一定规律组成的具有一定功能的整体。 控制系统：实现控制功能的系统。控制器+控制对象 自动控制系统：自动完成控制功能，不须人参与 开环控制：最简单的控制方式 结构框图： 特点：只有正向通道而无反馈，即输出量对控制量无影响。 * 闭环控制（反馈控制）： 特点：不仅有正向作用，而且存在反馈作用。即输出量对控制量有直接影响。 结构框图： 相关概念： 反馈：输出量返回到输入端并与输入信号比较的过程。相加为正反馈，相减为负反馈。 负反馈可自动对被控量偏离给定值的大小和方向进行修正，抑制扰动引起的误差，使系统输出量趋于给定值。 偏差：输入量与反馈量之差。 第一节 开环控制和闭环控制 * 自动控制系统示例： 液面开环控制 液面闭环控制 造纸机分部传动开环控制 造纸机分部传动闭环控制 运算放大器开环电路 运算放大器闭环电路 电机调速开环控制 电机调速闭环控制 第一节 开环控制和闭环控制 * 开环控制与闭环控制对比 第一节 开环控制和闭环控制 控制方式 复杂性 精度 优缺点 应用范围 开环控制 简单无反馈 取决于控制元件的精度和特性调整的精确度 结构简单，易于设计。但扰动时影响较大，精度较低。 输入输出已知、精度要求较低的场合。 闭环控制 反馈控制 可采用精度不高的元器件实现较高的控制精度。 精度高，但可能出现振荡，甚至不稳定。 应用范围极广。 * 按系统实现目标（给定输入量是否变化）上分：随动系统和自动调整系统 随动系统又称伺服系统或跟踪系统，其输入量一直变化，要求输出量能跟随变化。如运放闭环电路 自动调整系统又称恒值调节系统或调节器系统，输入为常量，系统任务是尽量消除扰动影响，以一定准确度使输出保持为希望值。如液面闭环控制系统 按系统数学描述分：线性系统和非线性系统 线性系统的元器件特性均为线性，具有叠加性和齐次性，能用线性常微分方程描述。 只要有一个元件的特性为非线性，整个系统即具有非线性，不能用叠加定理。 线性为理想情况，严格讲，无纯粹线性的系统。当非线性不严重时，可用线性近似描述。 第二节 自动控制系统的类型 * 按微分方程的系数是否变化分：定常系统和时变系统 定常系统：时不变系统、自治系统 时变系统：非自治系统 与线性、非线性结合：线性定常、线性时变，非线性定常、非线性时变 按信号性质（物理量的连续性）分：连续系统和离散系统 连续系统：输入输出皆为连续信号 离散系统：某一处或多处的信号为脉冲列或数码形式。用采样开关将连续信号转