第一章 自动控制原理概述

第一章自动控制原理的基本概念主要内容：自动控制的基本知识开环控制与闭环控制自动控制系统的分类及组成自动控制理论的发展§1.1 引言控制观念生产和科学实践中，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。

同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的状态。

例如：卫星运行轨道，导弹飞行轨道，加热炉出口温度，电机转速等控制控制：为了满足预期要求所进行的操作或调整的过程。

控制任务可由人工控制和自动控制来完成。

§ 1.2 自动控制的基本知识1.2.1 自动控制问题的提出一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。

当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。

当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。

所谓控制就是强制性地改变某些物理量(如上例中的进水量)，而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。

人工控制的例子。

这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。

1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件1. 自动控制的定义自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(或过程)的某些物理量(或状态)自动地按预先给定的规律去运行。

当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。

这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。

2. 自动控制的基本职能元件自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。

画出以上人工控制与动控制的功能方框图进行对照。

比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：测量元件与变送器（代替眼睛）自动控制器（代替大脑）执行元件（代替肌肉、手）这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。

下图是典型控制系统方框图。

自动控制原理整理第一章 绪论自动控制：自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。

自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。

它是控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组合，一般由控制装置和被控对象组成。

一般包括三种机构：测量机构、比较机构、执行机构。

反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。

反馈控制系统的基本组成：测量元件、给定元件、比较元件、放大元件、执行元件、校正元件 控制方式（1） 反馈控制方式（2）开环控制方式（3）复合控制方式控制系统的分类（1） 恒值系统和随动系统（按参考输入形式分类）（2） 线性系统和非线性系统（按照组成系统的元件特性分类） （3） 连续系统和离散系统（按照系统内信号的传递形式分类）控制系统的性能指标：稳定性、快速性、准确性，即稳准快。

第二章 控制系统的数学模型定义：数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式。

建立方法：解析法、实验法线性系统：能够用线性数学模型(线性的代数方程、微分方程、差分方程等)描述的系统，称为线性系统。

重要性质：叠加原理，即具有可叠加性和均匀性。

单位阶跃函数1(t)单位阶跃函数的拉氏变换为{001)(1<≥=t t t 011()0st st F s e dt e s s ∞--∞==-=⎰单位脉冲函数单位脉冲函数的拉氏变换为传递函数的定义与性质定义：线性定常系统的传递函数为零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与系统输入量的拉氏变换之比。

所谓零初始条件是指1）输入量在t>0时才作用在系统上，即在t=0- 时系统输入及各项导数均为零；2）输入量在加于系统之前，系统为稳态，即在 t=0-时系统输出及其所有导数项为零。

性质：• 传递函数是复变量s 的有理真分式函数，分子多项式的次数m 低于或等于分母多项的次数n ，所有系数均为实数；• 传递函数与微分方程有相通性，可经简单置换而转换； • 传递函数表征了系统本身的动态特性。

自动控制原理基础教程第一章概述自动控制原理是一门研究自动控制系统设计与分析的学科，通过对系统输入和输出的关系进行建模和分析，实现对系统的自动调节和控制。

自动控制技术广泛应用于工业生产、交通运输、航空航天、能源管理等领域，对提高生产效率、降低能耗、提升产品质量具有重要作用。

第二章控制系统的基本概念2.1 控制系统的定义与组成控制系统由输入、输出、反馈和控制器四个基本部分组成。

输入是指控制系统接收的外部信号，输出是指控制系统产生的响应信号，反馈是指将输出信号与参考输入信号进行比较并调整控制器的过程，控制器是指根据反馈信号对输入信号进行调节的装置。

2.2 控制系统的分类控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。

开环控制系统只根据输入信号进行控制，无法对输出信号进行实时调节；闭环控制系统通过反馈信号对输入信号进行调节，能够实现对输出信号的精确控制。

第三章系统建模与传递函数3.1 系统建模的基本原理系统建模是指将实际的物理系统抽象成数学模型的过程。

常用的建模方法有物理建模法、数学建模法和实验建模法。

物理建模法通过对系统的物理特性进行建模，数学建模法通过方程描述系统的动态特性，实验建模法通过实验数据拟合得到系统的数学模型。

3.2 传递函数的概念与应用传递函数是描述系统输入与输出关系的函数，可以用来分析系统的稳定性、响应速度等性能指标。

通过对传递函数进行分析，可以确定系统的频率响应、阶跃响应和脉冲响应等。

第四章控制器设计与分析4.1 控制器的分类与选择控制器可分为比例控制器、积分控制器和微分控制器等，不同控制器适用于不同的控制任务。

在实际应用中，需要根据系统的性能要求和控制目标选择合适的控制器。

4.2 控制器设计的基本方法控制器设计的基本方法包括经验法、根轨迹法和频率响应法等。

经验法是基于工程经验进行控制器设计，适用于简单的控制任务；根轨迹法和频率响应法是基于系统传递函数进行控制器设计，适用于复杂的控制任务。

自动控制原理讲义第一章概述1.1自动控制系统基本概念1.2自动控制系统的组成和基本特点1.3自动控制的作用和意义1.4自动控制系统的发展历程第二章数学模型与传递函数2.1控制系统的模型化2.2传递函数的定义与性质2.3电气系统的传递函数2.4机械系统的传递函数2.5热系统的传递函数2.6液压系统的传递函数第三章时域分析与性能指标3.1控制系统的时域响应3.2控制系统的稳定性分析3.3闭环控制系统的稳态误差3.4控制系统的性能指标第四章线性系统的根轨迹法4.1根轨迹的定义与性质4.2根轨迹的绘制方法4.3根轨迹与系统性能的关系4.4根轨迹法的应用举例第五章频域分析与稳定性5.1频域分析的基本概念与方法5.2 Nyquist准则与稳定性判据5.3 Bode图与频率响应5.4频域法在系统设计中的应用第六章频域设计与校正6.1控制系统的校正问题6.2极点配置法与频率域设计6.3 Bode积分法与相位校正6.4全套控制器的设计与校正实例第七章系统鲁棒性与鲁棒控制7.1系统鲁棒性的定义与评估7.2H∞控制理论与方法7.3鲁棒控制的应用举例与原理第八章自适应控制8.1自适应控制的基本概念与原理8.2参数识别与模型跟踪8.3自适应控制器设计与应用例子8.4自适应控制的发展与前景第九章非线性系统与控制9.1非线性系统的基本概念与性质9.2非线性系统的稳定性分析9.3非线性系统的控制方法9.4非线性系统的应用实例第十章控制系统优化与参数优化10.1控制系统的优化问题10.2优化理论与方法10.3控制器参数优化的举例与原理第十一章模糊控制与神经网络控制11.1模糊控制的基本概念与原理11.2模糊控制系统的设计与应用例子11.3神经网络控制的基本概念与原理11.4神经网络控制系统的设计与应用例子第十二章智能控制与拓展12.1智能控制基本概念与发展12.2智能控制系统的设计与应用例子12.3控制系统的拓展与创新结语自动控制原理的讲义主要介绍了自动控制系统的基本概念、组成和基本特点，以及自动控制的作用和意义。

第一章自动控制的一般概念1.1 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。

◎放大元件：放大偏差信号的元件。

◎校正元件（补偿元件）：结构参数便于调整的元件，用于改善系统性能。

自动控制原理第一章一、自动控制系统的概念自动控制系统是指通过测量被控对象的状态或输出，并根据一定规律进行比较、判断及输出控制量的系统。

该系统可以根据实际需要分为闭环控制和开环控制两种方式。

闭环控制系统通过比较实际输出量和期望输出量之间的差异，自动调整控制量以使实际输出量达到期望值。

开环控制系统不考虑实际输出量与期望值之间的差异，只根据一定规律输出控制量。

二、自动控制系统的组成自动控制系统主要由被控对象、传感器、执行器、控制器和控制对象组成。

被控对象是需要被控制系统改变状态或输出的物理元件或过程。

传感器用于将被控对象的状态或输出转换为电信号。

执行器接收控制器输出的信号，并将其转换为被控对象状态或输出的改变。

控制器接收传感器输出的信号，并根据一定的算法对其进行处理和判断，然后输出控制信号。

控制对象是指需要控制的系统或过程。

三、自动控制系统的特点自动控制系统具有以下几个基本特点：1.反馈调节：通过传感器和执行器之间的反馈回路来实现系统的调节和稳定。

2.误差纠正：系统的输出与期望输出之间的差异会被控制器捕捉到，从而对控制信号进行修正。

3.自适应性：系统能够根据外部环境变化自动调整控制参数以适应不同工况要求。

4.稳定性：系统能够稳定工作，在一定误差范围内输出可控的状态或输出。

5.灵敏性：系统对输入信号的变化有较强的响应能力，能够及时调整控制量以保持系统稳定。

6.自动化程度高：系统能够自动地完成输入参量的检测、判决和输出控制信号的过程。

总结起来，自动控制原理第一章详细介绍了自动控制系统的概念、组成和基本特点。

了解自动控制系统的概念和特点对于深入理解后续章节的内容非常重要，为后续学习打下了良好的基础。

了解了自动控制系统的组成，可以更好地理解控制系统中各个组成部分的功能和相互关系。

同时，该章节还介绍了自动控制系统的特点，使我们对自动控制系统的工作原理和优势有了更深入的认识。