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自动控制原理 机电工程学院 电气工程及其自动化 2012-2013学年第一学期 第一章自动控制基本概念 1-1 自动控制 1-2 反馈控制的基本原理 1-3 控制系统的分类 1-4 自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统举例 引 言 以系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论;是一门新兴的学科，为人类认识世界和改造世界提供了强有力的武器。 人与工具之间的关系：人为控制者，工具为被控制对象。 指南针、木牛流马、蒸汽机的调节器…… 简单的控制与控制论中的控制是有区别的。 人类初期 ：人与工具 体力劳动的解放：人与机器 脑力劳动的解放：自动化 关于控制论的几种说法 说法一：“控制论”是关于机器的理论。 说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法三：“控制论”是类似于数学的一门学科。 说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通信的科学。（维纳定义） 维纳其人：1893年生于美国，数学家和哲学家。四岁读书，十一岁写出关于感知理论的哲学论文，十八岁获哈佛大学哲学博士学位，五十五岁（1948年）写出名著《控制论》。 “控制论”是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。 系统----指相互作用的两个或两个以上的元素构成的整体。大至宇宙、国家，小到一个单位、一个人、一个器件。 控制----存在于一切事物当中，指一切控制规律。 1-1 自动控制 一、自动控制技术及其应用 自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（称被控量）自动地按照预定的规律运行。 如：数控机床、温度控制、液位控制、车、船、飞机的自动驾驶、导弹制导系统等。 二、自动控制理论 自动控制理论：研究自动控制共同规律的技术科学。 第一时期 经典控制理论时期（40年代末到50年代）单机自动化 局部自动化 单变量控制 自动调节器 伺服系统 第二时期 现代控制理论时期（60年代）多变量控制 最优控制 多种变化因素 航于系统 导弹系统 人造卫星 第三时期 大系统理论时期（70年代）规模庞大 结构复杂 变量参数多 目标不单一 生物系统 机器人系统 社会系统 控制理论已形成了以理论控制论为中心的四大分支 工程控制论：技术系统、工程系统 生物控制论：生物系统 社会控制论：社会系统 智能控制论：思维系统 三、 自动控制的应用 ●锅炉设备的压力和温度自动保持恒定 ●数控机床按照预定的程序自动地切削工件 ●导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标 ●无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 ●人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收 自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。 液位控制系统 1-2 反馈控制的基本原理 一.自动控制系统 自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。 1.被控对象：（要求实现自动控制的机器设备或生产过程） 2.被控制量：（指被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量） 3.给定值：（根据生产要求，被控制量需要达到的数值） 4.扰动：（破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫做外扰，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数的变化，称为内扰） 给定值和扰动通称为输入量。 5.控制装置：（能够对被控对象起控制作用的设备总称） 二、反馈控制系统的基本组成 一个控制系统必然包含控制装置和被控对象两大部分，而控制装置按照职能的不同又可以分为以下几种： 测量元件：其职能是检测被控制的物理量，若物理量为非电量，则一般要再转换为电量。 给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据值进行比较，求出它们的差值。 放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件：调整结构或参数的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。 二、自动控制系统基本控制方式 （1）反馈控制方式 反馈控制方式是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。 （2）开环控制方式 开环控制方式是指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，按这种方式组成的系统称为开环控