东北大学自动控制原理大学课件.ppt

第1部分 绪论 1.1 引言 习题 1.1 引 言 1.1.1 自动控制理论概述 自动控制理论是研究各种自动控制过程共同规律的技术学科。 它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节理论。 随着科学技术的进步， 自动控制原理已发展成为一门独立的学科， 它包括工程控制论、 生物控制论、 经济控制论和社会控制论。 经典控制理论是指20世纪50年代末期所发展形成的理论体系。 经典控制理论主要是研究单输入—单输出线性定常系统的分析和设计问题， 其理论基础是描述系统输入—输出关系的传递函数， 主要采用时域分析方法和频域分析方法。 现代控制理论是在20世纪60年代初期， 为适应更复杂系统的设计， 研究具有高性能、 高精度的多输入-多输出系统而出现的新的控制理论。 自动控制原理是一门自动控制专业的基础理论课程， 它属于技术基础课程， 该课程讲述的是自动控制系统分析设计的一些基本方法， 譬如根轨迹法、频域响应法、 状态空间法等。 1.1.2 自动控制的发展历史及现状 自动控制技术在工业、 农业、 国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用。 自动控制技术水平的高低也是衡量科学技术先进与否的重要标志之一。 随着国民经济和国防建设的发展， 自动控制技术的应用日益广泛， 其重要作用也越来越显著。 自动控制的发展已有很长的历史， 自动机和自动钟很早就发明了。 1.1.3 自动控制的基本方法 自动控制系统有两种最基本的形式， 即开环控制和闭环控制。 复合控制是将开环控制和闭环控制适当结合的控制方式， 可用来实现复杂且控制精度较高的控制任务。 1. 开环控制 开环控制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。 即被控量（系统输出）不影响系统控制的控制方式称为开环控制。 所以， 在开环控制中， 不对被控量进行任何检测， 在输出端和输入端之间不存在反馈联系。 开环控制又有两种方式， 即用给定值操纵的控制方式和干扰补偿的控制方式。 1） 用给定值操纵的控制方式 用给定值操纵的开环控制系统的方框图如图1-1所示。 这种控制方式的特点是： 在给定输入端到输出端之间的信号传递是单向进行的。 这种控制方式的缺点是： 当受控对象或控制装置受到干扰， 或者在工作过程中元件特性发生变化而影响被控量时， 系统不能进行自动补偿， 所以控制精度难以保证。 但是由于它的结构比较简单， 因此在控制精度要求不高或元器件工作特征比较稳定而干扰又很小的场合中应用比较广泛。 2） 用干扰补偿的控制方式 用干扰补偿的开环控制方式的方框图如图1-2所示。 这种控制方式的特点是： 干扰信号经测量、 计算、 放大、 执行等元件到输出端的传递也是单向进行的。 用干扰补偿的控制方式只能用在干扰可以测量的场合。 另外这种控制方式在工作过程中不能补偿由于元件及受控对象工作特性变化而对被控量所产生的影响。 2. 闭环控制 被控量对系统参与系统控制的控制方式称为闭环控制。 闭环控制的方框图如图1-3所示。 闭环控制的特点是在控制器和被控对象之间， 不仅存在着正向作用， 而且还存在着反馈作用， 即系统的输出信号对被控制量有直接影响。 在闭环控制中， 被控量时时刻刻被检测， 或者再经过信号变换， 并通过反馈通道送回到比较元件和给定值进行比较。 闭环控制从原理上提供了实现高精度控制的可能性， 它对控制元件的要求比开环控制低。 3. 开环控制与闭环控制的比较 一般来说， 开环控制结构简单、 成本低、 工作稳定， 因此， 当系统的输入信号及扰动作用能预先知道并且系统要求精度不高时， 可以采用开环控制。 由于开环控制不能自动修正被控制量的偏离， 因此系统的元件参数变化以及外来未知扰动对控制精度的影响较大。 闭环控制具有自动修正被控制量出现偏离的能力， 因此可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差， 其控制精度较高。 但是正由于存在反馈， 闭环控制也有其不足之处， 就是被控制量可能出现振荡， 严重时会使系统无法工作。 4. 复合控制 复合控制就是将开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。