《自动控制原理》绪论、第1、2章

《自动控制原理》绪论、第1、2章CATALOGUE目录绪论自动控制系统的基本组成自动控制系统的分类自动控制系统的性能要求自动控制系统的数学模型自动控制系统的分析方法01绪论自动控制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（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。被控对象在自动控制技术中，把工作的机器设备称为控制对象，简称对象。被控变量把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控变量。自动控制的基本概念控制装置产生控制信号的物理装置。控制信号由控制装置产生的，用来改变被控变量大小的信号。自动控制的基本概念自动控制的发展历史20世纪80年代至今，随着计算机技术的发展和人工智能的兴起，自动控制技术进入了一个新的发展阶段。主要研究方法有大系统理论、智能控制理论等。大系统理论和智能控制理论阶段20世纪40年代至50年代，以传递函数为基础，研究单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。主要研究方法有频率响应法和根轨迹法。经典控制理论阶段20世纪60年代至70年代，以状态空间法为基础，研究多输入多输出、时变、非线性等复杂系统的分析和设计问题。主要研究方法有状态空间法、李雅普诺夫稳定性理论等。现代控制理论阶段自动控制的应用领域工业过程控制：在石油、化工、冶金、电力、轻工等部门中，自动控制技术被广泛应用于各种工业过程，如温度、压力、流量、液位等物理量的测量和控制。航空航天技术：在航空航天领域，自动控制技术是实现飞行器自主导航、制导和控制的关键技术之一。例如，导弹的制导系统、飞机的自动驾驶仪等都是自动控制技术的应用实例。交通运输系统：在交通运输领域，自动控制技术被应用于铁路、公路、水运和航空等交通方式的信号控制、调度指挥以及车辆自动驾驶等方面。例如，铁路的列车自动控制系统（ATC）和公路的智能交通系统（ITS）都是自动控制技术的应用实例。军事技术：在军事领域，自动控制技术是实现武器装备自动化和智能化的关键技术之一。例如，火炮的自动瞄准系统、导弹的自动寻的系统以及无人机的自主飞行控制系统等都是自动控制技术的应用实例。02自动控制系统的基本组成123接收来自传感器的反馈信号，并根据设定的控制算法进行计算，输出控制信号以驱动执行器。控制器的定义包括比例控制器、积分控制器、微分控制器以及它们的组合形式，如PID控制器。控制器的类型实现系统的闭环控制，提高系统的稳定性、快速性和准确性。控制器的功能控制器被控对象的定义在自动控制系统中，被控对象是指需要加以控制的物理系统或过程。被控对象的特性包括静态特性和动态特性，如传递函数、频率响应等。被控对象的分类根据特性可分为线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统等。被控对象接收来自控制器的控制信号，并将其转换为能够驱动被控对象的物理量。执行器的定义执行器的类型执行器的功能包括电动执行器、气动执行器、液压执行器等。将控制信号转换为实际的控制作用，以实现对被控对象的控制。030201执行器将被控对象的输出量或状态量转换为可测量的电信号，以供控制器使用。传感器的定义包括温度传感器、压力传感器、位移传感器等。传感器的类型实时监测被控对象的输出量或状态量，并将这些信息反馈给控制器，以实现闭环控制。传感器的功能传感器03自动控制系统的分类03应用开环控制系统通常用于对控制精度要求不高或干扰较小的场合，如一些简单的机械系统、家用电器等。01定义开环控制系统是指系统的输出量对系统的控制作用没有影响，即输出量与输入量之间没有反馈回路的系统。02特点开环控制系统的结构简单，易于实现，但控制精度和抗干扰能力较差。开环控制系统定义闭环控制系统是指系统的输出量通过反馈回路与输入量进行比较，产生的偏差信号用于控制被控对象的系统。特点闭环控制系统具有自动修正偏差的能力，控制精度高，抗干扰能力强。应用闭环控制系统广泛应用于对控制精度要求高或干扰较大的场合，如航空航天、机器人、化工等领域。闭环控制系统复合控制系统是指同时包含开环和闭环控制回路的系统，即系统的输出量既受输入量的直接控制，又受反馈回路的间接控制。定义复合控制系统结合了开环和闭环控制系统的优点，既具有较高的控制精度和抗干扰能力，又能适应不同的工作条件和要求。特点复合控制系统通常用于对控制性能要求较高的复杂系统，如高精度机床、电力系统、智能交通等领域。应用复合控制系统04自动控制系统的性能要求稳定性定义系统受到扰动后，能够恢复到原来平衡状态的能力。稳定性分析方法时域分析法、频域分析法等。稳定性判据劳斯判据、赫尔维茨判据、奈奎斯特判据等。稳定性系统对输入信号的响应速度。快速性定义上升时间、峰值时间、调节时间等。快速性指标增加系统带宽、采用快速控制算法等。提高快速性的方法快速性准确性指标稳态误差、相对误差、绝对误差等。提高准确性的方法采用高精度传感器、优化控制算法等。准确性定义系统输出与期望输出的接近程度。准确性05自动控制系统的数学模型非线性微分方程当系统中存在非线性元件时，需要采用非线性微分方程来描述系统的动态特性。微分方程的求解方法包括解析法和数值法，其中解析法适用于简单系统，而数值法适用于复杂系统。线性定常微分方程描述系统动态特性的基本方程，通过求解微分方程可以得到系统的输出响应。微分方程模型传递函数的定义包括稳定性、幅频特性和相频特性等，这些性质决定了系统的动态性能和稳态性能。传递函数的性质传递函数的求法根据系统的微分方程或差分方程，通过拉普拉斯变换或Z变换求得传递函数。在零初始条件下，系统输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比。传递函数模型状态变量的定义01能够完全描述系统动态行为的最小变量组，状态变量构成状态向量。状态空间方程02描述系统状态变量与输入变量之间关系的一阶微分方程组，包括状态方程和输出方程。状态空间模型的性质03包括能控性、能观性、稳定性和实现问题等，这些性质决定了系统的控制性能和观测性能。状态空间模型06自动控制系统的分析方法通过求解微分方程或差分方程，得到系统输出随时间变化的规律，进而分析系统的稳定性、快速性和准确性。系统动态性能分析研究系统在稳定状态下，输入与输出之间的关系，以及系统参数对稳态性能的影响。系统稳态性能分析根据系统性能指标要求，采用串联校正、反馈校正或复合校正等方法，改善系统的动态性能和稳态性能。系统校正方法时域分析法频率特性表示方法通过绘制系统的幅频特性和相频特性曲线，直观地表示系统对不同频率信号的响应特性。频率域性能指标定义一系列频率域性能指标，如谐振频率、谐振峰值、相位裕度等，用于评价系统的动态性能和稳定性。系统校正方法根据频率域性能指标要求，采用超前校正、滞后校正或超前-滞后校正等方法，改善系统的频率响应特性。频域分析法根轨迹与系统性能关系分析根轨迹与系统稳定性