第1章 自动控制的一般概念

自动控制的一般概念（1）1、自动控制系统2、控制系统的性能要求1、自动控制系统“控制”是指利用控制装置来操纵被控对象，使被控量按指定的规律变化。

•被控对象: 在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控对象。

•被控量：把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量。

•控制装置：产生控制信号的物理装置。

Furnace ThermometerGasMixer ValveairDesired temperatureOperator系统：由相互关联的部件按一定的次序构成的结构，能够提供预期的输出。

自动控制系统：在没有人直接参与下，利用控制装置来操纵被控对象，使被控量按指定的规律变化的控制系统。

Gas MixerAirValveMotor AmplifierU cPotentiometerU r Power AmplifierFurnace Thermocouple例：自动炉温控制系统。

分析：操作人员的工作：对理想值与实际值实时进行比较并操纵阀门。

2、控制系统的性能要求自动控制的任务：利用控制装置操纵被控对象，使被控量按指定的规律变化，通常希望被控量等于给定值。

若给定值以时间函数r(t)表示，被控量以时间函数c(t)表示，则应使被控量满足c(t) ≈ r(t)动态过程：将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。

工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。

▪稳：控制系统的稳定性与平稳性。

▪快：系统的快速性。

▪准：系统的稳态精度。

控制系统动态过程曲线如上图所示，系统在外作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线①所示；若被控量随着时间的增加，越来越偏离给定值，则称系统是不稳定的，如图中的曲线2所示。

平稳：是指动态过程振荡的幅值和频率，若动态过程摆动的幅值较小，摆动的频率较低，则称平稳性好，图中曲线 2 的平稳性优曲线1。

Step ResponseTime (seconds)A m p l i t u d e 05101500.511.5①②▪快：指动态过程的快速性快速性：即动态过程进行的时间的长短。

目录目录 (1)第一章自动控制的一般概念 (2)1-1 自动控制的基本原理与方式 (2)1-2 自动控制系统示例 (6)1-3 自动控制系统的分类 (8)1-4 对自动化控制系统的基本要求 (9)1-5 自动控制系统的分析与设计工具 (11)第三章线性系统的时域分析方法 (14)3-1 系统时间相应的性能指标 (15)3-2 一阶系统的时域分析 (17)第四章线性系统的根轨迹法 (22)4-1 根轨迹法的基本概念 (22)4-2 开环零极点与闭环零极点之间的关系 (23)第七章线性离散系统的基本概念 (24)7-1 离散系统的基本概念 (24)7-2 数字控制系统 (25)附表 (28)方块图 (28)表格 (29)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.自动控制技术与其应用在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。

所谓自动控制，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运行。

例如，数控车床按照预定的程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；雷达和计算机组成的导弹发射和控制系统，自动的将导弹引导到敌方目标；无人驾驶飞机按照预定的轨道自动升降和飞行；人造卫星准确的进入预定轨道运行并回收等，这一切都是以应用高水平的自动控制技术为前提的。

近几十年来，随着电子计算机技术的发展和应用，在宇宙航行、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具有特别重要的作用。

不仅如此，自动控制技术的应用范围现已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他特别重要社会生活领域中，自动控制已经成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。

2.自动控制科学自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。

它的诞生与发展源与自动控制技术的应用。

最早的自动控制技术的应用，可以追溯到公元前我国古代的自动计时器和漏斗指南车，而自动控制技术的广泛应用则开始于欧洲的工业革命时期。

第一章：自动控制的一般概念1.1学习指导1.1.1、课程内容（1）自动控制理论发展概况；（2）自动控制的基本概念与方式；（3）自动控制系统分类；（4）对自动控制系统的基本要求；（5）自动控制系统组成和方框图。

本章是本课程的入门章节，通过学习应理解自动控制的基本概念和分类，控制系统组成和方框图，会根据实际控制系统绘制系统方框图。

1.1.2内容概述1、自动控制的基本概念自动控制：在没人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律或数值运行。

自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制系统。

一般由控制器(含测量元件)和控制对象组成。

2、两种基本控制方式1)开环控制方式控制装置与被控对象之间只有顺向作用没有反向联系。

2）闭环控制方式：把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制。

3、闭环系统的基本组成（1）给定元件设定被控量的给定值；（2）测量元件对系统被控量(输出置)进行测量；（3）比较元件对系统输出量与输入量进行代数运算并给出偏差信号，起综合、比较变换作用。

（4）放大元件对微弱的偏差信号进行放大，使其有足够的幅但与功率5）执行元件根据放大后的偏差信号，对被控对象执行控制任务，使输出量与希望值起子一致。

（6）被控对象指自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程。

被控对象要求实现自动控制的物理量称为被控量或输出量。

（7）校正元件用以改善系统性能4、自动控制系统的分类1）按系统性能分类：（1）线性系统：满足叠加性和齐次性。

（2）非线性系统：不满足叠加性和齐次性。

2）按信号类型分类：（1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。

（2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。

3）按给定信号分类（1）恒值控制系统给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。

（2）随动控制系统给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。

第一章 自动控制的一般概念1.如果被调量随着给定量的变化而变化，这种控制系统叫（ ）A. 恒值调节系统B. 随动系统C. 连续控制系统D.数字控制系统2.主要用于产生输入信号的元件称为（ ）A.比较元件B.给定元件C.反馈元件D.放大元件3.与开环控制系统相比较，闭环控制系统通常对（ ）进行直接或间接地测量，通过反馈环节去影响控制信号。

A.输出量B.输入量C.扰动量D.设定量4. 直接对控制对象进行操作的元件称为（ ）A.给定元件B.放大元件C.比较元件D.执行元件5. 对于代表两个或两个以上输入信号进行（ ）的元件又称比较器。

A.微分B.相乘C.加减D.相除6. 开环控制系统的的特征是没有（ ）A.执行环节B.给定环节C.反馈环节D.放大环节7. 主要用来产生偏差的元件称为（ ）A.比较元件B.给定元件C.反馈元件D.放大元件8. 某系统的传递函数是()s e s s G τ-+=121，则该可看成由（ ）环节串联而成。

A.比例.延时 B.惯性.导前 C.惯性.延时 D.惯性.比例10. 在信号流图中，在支路上标明的是（ ）A.输入B.引出点C.比较点D.传递函数11.采用负反馈形式连接后，则 ( )A.一定能使闭环系统稳定；B.系统动态性能一定会提高；C.一定能使干扰引起的误差逐渐减小，最后完全消除；D.需要调整系统的结构参数，才能改善系统性能。

第二章 自动控制的数学模型1. 已知)45(32)(22++++=s s s s s s F ，其原函数的终值=∞→t t f )(（ ） A.0 B.∞ C.0.75 D.32．正弦函数sin ωt 的拉氏变换是（ ）3．传递函数反映了系统的动态性能，它与下列哪项因素有关？（ ）A.输入信号B.初始条件C.系统的结构参数D.输入信号和初始条件4．对复杂的信号流图直接求出系统的传递函数可以采用( )A.终值定理B.初值定理C.梅森公式D.方框图变换5．采用系统的输入.输出微分方程对系统进行数学描述是（ ）A.系统各变量的动态描述B.系统的外部描述C.系统的内部描述D.系统的内部和外部描述6．拉氏变换将时间函数变换成（ ）A ．正弦函数B ．单位阶跃函数C ．单位脉冲函数D ．复变函数7．线性定常系统的传递函数，是在零初始条件下（ ）A ．系统输出信号与输入信号之比B ．系统输入信号与输出信号之比C ．系统输入信号的拉氏变换与输出信号的拉氏变换之比D ．系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比8．方框图化简时，并联连接方框总的输出量为各方框输出量的（ ）A ．乘积B ．代数和C ．加权平均D ．平均值9. 某典型环节的传递函数是()151+=s s G ，则该环节是（ ）A.比例环节B.积分环节C.惯性环节D.微分环节10. 已知系统的微分方程为()()()()t x t x t x t xi 2263000=++ ，则系统的传递函数是（） ω+s A 1.22.ωω+s B 22.ω+s s C 221.ω+s DA.26322++s s B.26312++s s C.36222++s s D.36212++s s11. 引出点前移越过一个方块图单元时，应在引出线支路上（ ）A.并联越过的方块图单元B.并联越过的方块图单元的倒数C.串联越过的方块图单元D.串联越过的方块图单元的倒数12. 某典型环节的传递函数是()Tss G 1=，则该环节是（ ） A.比例环节 B.惯性环节 C.积分环节 D.微分环节13. 已知系统的单位脉冲响应函数是()21.0t t y =，则系统的传递函数是（ ） A. 32.0s B.s 1.0 C.21.0s D.22.0s14. 梅逊公式主要用来（ ）A.判断稳定性B.计算输入误差C.求系统的传递函数D.求系统的根轨迹15. 传递函数只取决于系统或元件的（ ） ，而与系统输入量的形式和大小无关，也不反映系统内部的任何信息。

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。

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。