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自动控制原理知识点 The document was finally revised on 2021第一章自动控制的一般概念自动控制的基本原理与方式1、自动控制、系统、自动控制系统◎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（即被控量）自动地按照预定的规律（给定值）运行。
◎系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。
◎自动控制系统：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。
除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。
测量元件：用以测量被控量或干扰量。
比较元件：将被控量与给定值进行比较。
执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象。
参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。
2、自动控制原理及其要解决的基本问题◎自动控制原理：是研究自动控制共同规律的技术科学。
而不是对某一过程或对象的具体控制实现（正如微积分是一种数学工具一样）。
◎解决的基本问题：建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述）分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能）综合：控制系统的综合与校正——控制器设计（方案选择、设计）3、自动控制原理研究的主要内容4、室温控制系统5、控制系统的基本组成◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。
◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放大器）。
◎执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空调器）。
◎测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件（热敏电阻）。
◎比较元件：将测量元件和给定元件给出的被控量实际值与参据量进行比较并得到偏差的元件。
第一章自动控制的一般概念1.1 引言自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。
自动控制理论的任务是研究自动控制系统中变量的运动规律以及改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。
1.2 自动控制和自动控制系统的基本概念1.2.1自动控制问题的提出在许多工业生产过程或生产设备运行中，往往需要对某些物理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。
如图1-l所示是锅炉给水人工控制示意图。
人工调节是一个“检测偏差、纠正偏差”的过程。
可以用一整套自动控制仪表(自动调节器)来代替操作人员的作用。
图1-2所示是锅炉给水汽包水位自动控制示意图。
图1-2 汽包锅炉给水自动调节示意图1—过热器；2—汽包；3—省煤器；4—给水凋节阀；5—水位计任何一个控制系统，都包含着被控对象和控制器两个组成部分。
1.2.2 开环控制系统常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控制和复合控制。
系统的控制输入不受输出影响的控制系统称为开环控制系统。
图1-3所示的烘箱温度控制系统是一个开环控制系统。
烘箱是被控对象，烘箱的温度是被控量，也称为系统输出量。
开关设定位置为系统的给定量或输入量，电阻及加热元件可看成是调压器（控制器）。
该系统中只有输入量对输出量的单向控制作用，输出量对输入量没有任何影响和联系。
烘箱温度开环控制系统可用图1-4所示的方框图表示。
1.2.3 闭环控制系统在图1-3所示的烘箱温度开环控制系统中，加入一些装置，构成了如图1-5所示的烘箱温度闭环控制系统。
系统中，烘箱是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u (表征烘箱温度的希望值)。
系统方框图如图1-6所示。
通常，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。
自动控制理论沈传文pdf
自动控制理论是一门研究物理、化学、生物等实际系统的自动控制原理和方法的学科。
自动控制理论重要的基本概念包括系统、控制器、信号、误差、反馈等。
自动控制理论的核心是控制器的设计，即根据系统的特性和要求选择合适的控制器结构和参数，使得系统能够满足预定的控制要求。
自动控制理论的发展史可以追溯到19世纪中叶。
20世纪初，随着电力系统、飞机、火箭等重要工程的发展，自动控制理论得到了迅速的发展。
到了20世纪50年代，计算机的出现进一步推动了自动控制理论的发展，使得控制系统的精度、稳定性、可靠性等都有了质的飞跃。
沈传文教授是中国自动控制理论的开创者之一。
他的《现代控制理论》一书被誉为中国自动控制理论教材的经典之作。
该书系统地介绍了现代控制理论的主要内容和基本方法，成为了一代代控制工作者的必备读物。
总之，自动控制理论在现代科技中的应用非常广泛，涉及到机电设备、通信、交通运输、航空航天、冶金、化工、生物医药等众多领域。
掌握自动控制理论对于控制工作者来说非常重要，能够提高工程技术水平，实现科学、高效的控制。
自动控制理论 ___自动控制理论是一门研究自动化系统行为和设计控制策略的学科，具有广泛的应用领域和重要性。
自动控制理论的研究对象是各种自动化系统，包括机械系统、电气系统、化工系统等。
通过研究自动化系统的动态特性和响应，我们可以设计合适的控制策略来实现系统的稳定性、精确性和优化性能。
自动控制理论不仅在工业领域得到广泛应用，也在生活中各种自动化设备和系统中发挥着重要作用。
例如，自动驾驶汽车、智能家居系统、工业生产自动化线等都依赖于自动控制理论的研究成果。
在本文中，我们将详细介绍自动控制理论的重要性和研究对象，探讨其在实际应用中的意义和挑战。
通过深入理解自动控制理论，我们可以应用合适的控制方法来优化系统的性能，提高工作效率和质量，推动技术的进步和创新。
本文探讨自动控制理论的基本原理和主要概念。
自动控制理论是研究如何通过系统的设计和调整，使得系统能够自动地对外界变化做出相应的调节和控制的一门学科。
它是现代科学技术中的重要部分，被广泛应用于工业、交通、航空、航天等领域。
自动控制理论的核心原理是反馈控制。
通过测量系统的输出，并与预定的输入进行比较，然后根据差异来调整系统的行为，以使系统输出与预期目标保持一致。
这种反馈过程是实现自动控制的关键。
在自动控制理论中，有一些重要的概念需要理解。
首先是系统模型，它描述了系统的动态行为和性能。
系统模型可以是数学方程、图表或仿真模拟等形式。
其次是控制器，它是根据系统模型和目标要求设计的，用于调节系统行为的装置或算法。
还有传感器和执行器，它们分别用于测量系统输出和对系统进行控制。
除了基本原理和概念，自动控制理论还涉及许多方法和技术。
例如，经典控制理论包括比例、积分、微分控制等方法。
现代控制理论则包括状态空间方法、最优控制、自适应控制等方法。
不同的方法适用于不同的系统和控制需求。
总之，自动控制理论是一门重要的学科，它提供了对系统进行智能调节和控制的方法和工具。
通过理解自动控制理论的基本原理和主要概念，我们可以更好地设计和优化系统，提高系统的稳定性和性能。
自动控制的一般概念1.1 自动控制的基本原理1.2 自动控制系统的分类1.3 对控制系统的基本要求1.4 自动控制的发展简史自动控制的一般概念1.1自动控制的基本原理自动控制作为一种技术手段已经广泛地应用于工业、农业、国防乃至日常生活和社会科学许多领域。
所谓自动控制就是指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（如设备生产过程等）的工作状态或简称被控量（如温度、压力、流量、速度、pH 值等）按照预定的规律运行。
实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体称为自动控制系统。
从物理角度上来看，自动控制理论研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况；从数学角度上来看，研究的是输入与输出之间的映射关系；从信息处理的角度来看，研究的是信息的获取、处理、变换、输出等问题。
随着科学技术的进步，自动控制的概念也在扩大，政治、经济、社会等各个领域也越来越多地被认为与自动控制有关。
现在已发展成为一门独立的学科——控制论。
其中包括：工程控制论、生物控制论和经济控制论。
直流电动机速度自动控制的原理结构图如图1-1所示。
图中，电位器电压为输入信号。
测速发电机是电动机转速的测量元件。
图1-1中，代表电动机转速变化的测速发电机电压送到输入端与电位器电压进行比较，两者的差值（又称偏差信号）控制功率放大器（控制器），控制器的输出控制电动机的转速，这就形成了电动机转速自动控制系统。
电源变化、负载变化等引起转速变化，称为扰动。
电动机被称为被控对象，转速称为被控量，当电动机受到扰动后，转速（被控量）发生变化，经测量元件（测速发电机）将转速信号（又称为反馈信号）反馈到控制器（功率放大器），使控制器的输出（称为控制量）发生相应的变化，从而可以自动地保持转速不变或使偏差保持在允许的范围内。
自动控制系统至少包括测量、变送元件、控制器等组成的自动控制装置和被控对象，它的组成方框图如图1-2所示。
1.2 自动控制系统的分类1．2．2 按系统输入信号的变化规律不同来分1、恒值控制系统（或称自动调节系统）这类系统的特点是输入信号是一个恒定的数值。
自动化控制理论自动化控制理论是现代工业领域中的关键学科之一，它研究如何使用各种技术手段和方法来实现自动化生产和控制系统。
自动化控制理论的发展对于提高生产效率和品质，降低成本和资源消耗具有重要意义。
本文将从基本概念、控制方法和应用领域等方面进行论述。
一、基本概念自动化控制是指通过检测和测量过程变量，根据设定的控制规则，对控制对象施加干预，使其按照预定要求运行的过程。
自动化控制系统主要由传感器、执行器、控制器和人机界面等组成，通过采集和处理各种信号，实现对被控对象的监测和控制。
在自动化控制理论中，有两个重要的概念：反馈和前馈。
反馈是指将被控对象的输出信号与期望值进行比较，将比较结果反馈给控制器，以调整控制信号的大小和方向。
前馈是指根据被控对象的特性和控制要求，提前计算出控制信号的理论值，然后直接施加给执行器。
二、控制方法自动化控制理论中有多种控制方法，常见的包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
PID控制是一种经典的控制方法，它通过比较被控对象的输出和期望值，计算出比例、积分和微分三个部分的调整量，然后将调整量作为控制信号施加给执行器。
模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，它通过定义模糊规则和建立模糊推理系统，将模糊规则转化为具体的控制策略。
神经网络控制是一种基于人工神经网络的控制方法，通过训练神经网络模型，实现对被控对象的控制。
三、应用领域自动化控制理论在各个领域都有广泛应用。
在工业生产中，自动化控制可以实现对生产过程的监测和调节，提高产品质量和生产效率。
在交通运输领域，自动化控制可以实现车辆的自动驾驶和交通信号的智能控制，提高交通运输的效率和安全性。
在环境保护领域，自动化控制可以实现对污染物的监测和处理，保护生态环境的可持续发展。
总结自动化控制理论在现代社会中发挥着重要作用，它通过应用各种控制方法和技术，实现对各种系统的自动化控制。
本文简要介绍了自动化控制理论的基本概念、控制方法和应用领域，并强调了其在提高生产效率和保护环境方面的重要意义。
第一章：自动控制理论的一般概念
§1.1引言
§1.2自动控制理论发展概述 发展过程：
19世纪
−−−−−−−→−呼应
与西方工业革命发展相
⎪⎭
⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧频域复域时域 20世纪60年代初
−−−−−−→−与航天技术发展相呼应
⎪⎪⎭
⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧系统辩识等最佳估计最优控制线性系统 应用：深入到人民生产、生活的各个领域
日常生活：收音机、电视机、冰箱、空调、汽车、飞机… 工程：数控机床、合成塔、核反应堆… 军事:火炮群、导弹、特种炸弹、垂直起降飞机… 科技：航天飞机、卫星姿态控制、机器人… §1.3自动控制和自动控制系统的基本概念
◇ 自动控制: 在无人直接参与的情况下，使被控对象的一个物理
量（被控量）按预定规律（给定量）运行。
出）（单入古典控制理论/出）
（多入现（近）代控制理论/
◇ 自动控制系统：能对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。
举例： 被控对象 被控量C 给定量R 炉温控制系统 烘炉 炉温T u r （T 希望值）
X -Y 记录仪 笔 笔位移L u r （L 希望值） 液压控制系统
水箱
水箱水位H
u r
（H 希望值）
1． 开环（信号单向流动）
特点：简单、稳定、精度低。
2． 闭环（信号有反向作用）
特点：复杂、抗干扰能力强、精度高、有稳定性问题。
3． 复合（前向联系、反向作用）
特点：性能要求高时用之。
例如：炉温系统可以采用开环或闭环的。
闭环控制工作原理：
外部作用：⎩
⎨⎧r c r
c 偏离干扰量：使跟踪给定量：使
控制目的：排除干扰因素、影响、使被控量随给定量变化。
负反馈原理——构成闭环控制系统的核心
把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。
负反馈控制系统的特点——按偏差控制的具有负反馈的闭环系统1）、有反馈，信号流动构成闭回路。
2）、按偏差进行控制。
§1.4控制系统的组成
组成（以X-Y记录仪为例）
控制器：
①测量元件：测量被控量
②比较元件：产生偏差信号
③放大元件：对偏差信号进行幅值、功率放大
④执行机构：对被控对象施加作用
⑤校正元件：改善系统性能
⑥给定元件：给出输入信号
二、外部作用：
1．给定量：使被控量跟随给定量。
2．干扰量：使被控量偏离给定量。
自控系统的目的在于：排除扰动量的影响，使被控量随给定量而变化。
例：液面控制系统：
介绍由原理图画方块图的步骤：（以角度随动系统为例）
①看懂工作原理图，找出被控量、被控对象、给定量。
②从两头来，先画出给定量、被控对象和被控量。
③依原理图补上中间部分。
§1.5 示例
§1.6 分类（按r 形式）
⎩
⎨⎧记录仪）随动系统（如）调节系统（如炉温系统
Y -X 按特性分：线性、非线性、定常或时变
◇ 负反馈（闭环）控制原理：——构成自控系统的核心
根据给定量与被控量之间的偏差，产生控制作用，并力图减小偏差，使被控量趋于给定量。
◇ 闭环（负反馈）控制系统的特点：——用以区分开、闭环系统
⎭
⎬
⎫
、偏差信号起控制作用
路
、有反馈，能够成闭回
)2
)1
是按偏差控制的、具有负反馈的闭环系统
§1.7 控制系统的基本要求--是否只要构成负反馈就能正常工作?
一、控制过程分析：（加阶跃输入，以X-Y记录仪为例）
可见：控制过程有一个过渡过程：
振荡原因：
1、内部原因：系统有惯性，有储能元件。
2、外部原因：参数配置不当。
3、分类（按输入
信号的形式不同）
（1）稳定系统（调节系统）:r（t）是定常值（如炉温系统）
（2）随动系统（跟踪系统）：r（t）是时变量（如角度控制系统）
1、 典型外作用: 2.对系统的阶跃响应性能要求：
我们要求被控量尽可能好地跟踪给定量，但常常不能完全符合。
例如角度系统。
⎪⎪⎪⎩⎪
⎪⎪
⎨⎧
⎩⎨⎧⎩⎨⎧00::::σ超调量调节时间过渡过程要求匀
快稳态要求，稳态误差准基本要求，稳定性稳性能要求：s s t e
§1.8 本课程的研究内容
自动控制系统概念的扩展(见非控稿第1-4页) 本次课的重点：
作用 名称 表达式 图形 关系 举例 常
用于 时域 分析
单位 脉冲
挑瓜、钉丁 打炮、踢球
单位 阶跃
合闸
滴注、龙头 单位
斜坡 ⎩⎨⎧≥<=0,0,0)(t t t t f
匀速跟踪
频域分析
正弦函数
交流电压
⎰
∞
∞
-=⎩⎨
⎧=∞≠=1
)(0
,0,0)(dt t t t t δδ⎩⎨
⎧≥<=0
,10,0)(1t t t )
sin()(ϕω-⋅=t A t f
⑴掌握有关自动控制理论的一些基本概念
⑵掌握负反馈控制原理
⑶掌握由工作原理图画出相应方框图的方法
自动控制系统概念的扩展：
生物领域：人体温的调节机能
眼睛瞳孔对光线的调节能力
人手拿书的控制过程
经济领域：价值规律：商品价格由市场供需关系的调节在商品价值附近波动的过程
社会领域：教学过程：
作业布置：第一章1-5题
参考书：
[1]自动控制原理北航、孙虎章中央电大出版社
[2]自动控制原理(上册) 三院校合编国防工业出版社
[3]现代控制工程[日]绪方胜彦
本课程的内容及其任务
⎪⎩⎪⎨⎧→→⎩⎨⎧实践理论实践有用不与实践相结合改行无用本课程是否有用:)2)1?。
