第一章 反馈控制原理

1、介绍了自动控制原理、天津理工大学电子信息通信工程学院、课程的特点，该课程主要介绍了自动控制系统的基本概念、线性系统数学模型、控制系统的时域分析法、控制系统的根轨迹分析法、控制系统的频率特性分析法等。 通过本课程的学习，学生充分掌握分析和设计控制系统的基本思想和基本方法，提高学生分析问题、解决问题的能力，为今后课程的学习奠定一定的理论基础。 课程特征，先修课程：高等数学工程学数学电路分析基础数字电子技术模拟电子技术信号和线性系统，学时： 48，评价方式：考试，适用专业：电子信息工程、电子信息科学和技术、主要参考书、参考书： 1，自动控制原理张旺等北京理工大学出版社2，自动控制原理胡寿松科学出版社

2、(第4版) 教材：自动控制原理张旺等北京理工大学出版社，一，自动控制系统的发展，1 .萌芽18世纪第一次技术革命(机械化)俄罗斯人博尔佐夫发明锅炉水位调节器英国人瓦特发明蒸汽机构离心锤式调速器，自动控制的基本原理1877年，劳斯，1895年， 赫维茨分别提出了系统稳定的代数基准(19世纪末)2.奠定了基础(20世纪)经典控制理论3040年代，尼奎斯特从系统稳定的频率基准奈氏图、奈氏基准、时域分析转移到频域分析的1940年，伯德在频率法中导入了对数坐标系，伯德图哈里斯在引入传递函数概念的1948年，伊万提出了根轨迹分析方法1949年，英国人维纳在火炮控制中发现了反馈概念，出版了控制动物和机器控制

3、和通信的科学，发现控制论是信息、反馈和控制的三个基本要素3、发展迅速渗透到许多学科，应用于火炮、导弹控制系统、数控、电力、冶金、自动化技术钱学森，1954年开始的工程控制论，生命系统经济控制论：经济运行和发展问题社会控制论：社会管理和社会服务问题随着计算机技术的发展，控制论二、自动控制系统的分类，一.古典控制理论4050年代，高阶常微分方程式基于传递函数，研究单输入、单输出系统的分析和设计，对于线性稳态系统，主要的研究方法是域分析法、根轨迹法和频率特性法。 2、现代控制理论6070年代以矩阵理论等现代数学方法为工具，主要研究方法是状态空间法，将高阶常微分方程转换成一阶常微分方程组描述系统，解决

4、多输入多输出问题，处理多变量、非线性、时变系统。3 .从70年代到现在，第二节自动控制的基本概念，第一，自动控制的基本用语，第一，控制：按照某种原理和方法，如最佳控制、系统识别、多变量控制、自适应控制、专家系统、人工智能、神经网络控制、模糊控制、大系统理论等按照预期规律变化的操作过程2，人工控制：所谓人直接或间接地操作执行装置的控制方式自动控制，是指在人没有直接或间接参与的情况下，利用外部设备和装置使被控制对象自动地按照规定的规则运行，所谓自动控制系统，是指： 由控制器和被控制对象构成，可以实现自动控制任务的系统、3、系统，为了实现某个目的，由相互制约的各部分一定法则构成的具有一定功能的整体、

5、5、被控制量：在控制系统中，需要以规定的任务进行控制的物理量、6、f 将系统或零件的输出量返回输入侧，与输入信号比较产生偏差的过程，7，负反馈原理：将被控制量反馈给系统的输入侧，与参照输入进行比较，通过利用偏差控制产生控制作用的输出控制量来减少或消除误差，2，控制系统控制系统从信息传递的特征和系统结构特征分为开环控制系统和闭环控制系统、同时具有开环结构和闭环结构的复合控制系统。 1、开环控制系统只是对输入量的前方控制作用，输出量不影响输入量的控制作用，因此被称为开环控制系统(Open-LoopControlSystem )。 开环控制系统可以如下图所示。 开环系统的优点是结构简单、系统稳定性好

6、、容易调整、成本低。 因此，在输入量和输出量的关系一定，内部参数和外部负载等干扰因素不大，或者这些干扰因素可以预测并补偿的前提下，必须尽量采用开环控制系统。 如果在控制过程中受到来自系统外部的各种干扰因素(例如，负载变化、电源电压变化等、来自系统内部的干扰因素(例如，元件参数的变化等)，开环控制的缺点将直接影响功率量，并且控制系统不能自动地补偿。 因此，开环系统要求零件的精度。 以直流电动机的开环调速系统为例，放大规定的电压ug后得到电枢电压ua，改变ug后得到不同的转速n，该系统对输入量ug对输出量n有单方面的控制作用。 输出侧和输入侧之间没有反馈电路。 因此，输出量n对输入量ug既不影响也

7、不联系，且输出量的变化不具有控制作用。 2、闭环控制系统闭环控制系统(Close-LoopControlSystem )也被称为反馈控制系统，该闭环控制系统检测输出量，来转换物理量与(减法)比较，利用比较后的偏差信号，以一定的控制规则产生控制作用，抑制内部或外部干扰对输出量的影响，逐渐减小该偏差，并消除该偏差，以实现所要求的控制性能。 另外，上述系统若以某规定的电压ug为相对转速n的状态运行，则一旦受到某种干扰(负载扭矩急剧增大等)而转速下降，系统就会自动产生调整过程，闭环控制的优点是抑制干扰的能力强虽然闭环控制的缺点，但引入反馈增加了系统的复杂性，如果闭环系统参数选择不正确，系统就会振动，系

8、统弯曲不能正常工作，这也是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题自动控制理论主要是闭环控制系统、三、自动控制系统的基本构成、一、构成、规定要素提供与所希望的输出对应的系统输入量，产生控制指令的装置。 传感器和仪表等反馈元件测定控制变量的值，变换为与输入量相同的物理量后，在输入侧进行反馈比较。 比较装置将输入信号与反馈信号进行比较，并且生成反映两者之间的差值的偏差信号。 放大元件线性地放大微弱的信号。 校正元件根据某个函数规则来转换控制信号，改善系统的动态质量和静态性能。 致动器根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，使被控制量如期变化，2，常见的名词，输入信号：系统的输入信号指的是参考输入，也

9、称为定量或预定值，它是控制输出量变化规则的指令信号。 输出信号：系统输出信号是指被控制对象中要求以一定的规则变化的物理量，也称为被控制量，与输入量保持一定的函数关系。 反馈信号：从系统(或组件)的输出端取出并返回到系统(或组件)的输入端的信号称为反馈信号。 反馈可以分为主反馈和局部反馈. 偏差信号：指参照输入和主反馈信号的差。 偏差信号简称为偏差。 误差信号：这是系统输出量的实际值和期望值之差，简称误差。 干扰信号：简称干扰或干扰，与控制作用相反，是不理想的影响系统输出的不利因素。 干扰信号从系统内部和系统外部分别是内部干扰和外部干扰。 四、自动控制系统的分类，一.输入信号的特征分类1 )定值

10、调节系统：该系统的输入信号是一定的，干扰使被控制量偏离理想值出现偏差，利用偏差可以使被控制量返回理想值或接近理想值。 转速闭环控制系统、恒温控制系统属于这种系统。 2 )程序控制系统：这种系统的输入信号是已知的时间函数。 例如，热处理的温度上升、保温、降温过程。 3 )跟踪系统：这种系统的定量是时间的未知函数，该系统能够使被控制量准确且快速地跟踪定量变化。 跟踪系统也称为伺服系统。 火炮自动瞄准系统，船舶自动舵就是这样的系统。 2 .按照描述系统使用的数学方法进行分类1 )线性系统：这种系统的特征在于，构成系统的各个环节的输入输出特性是线性的，系统的性能可以用线性微分方程式(或差分方程)来描述

11、。 2 )非线性系统：此类系统的特征在于，该系统包括一个或多个非线性元件。 系统的性能需要用非线性微分方程式(或差分方程式)来记述。 3、信号传递是否连续分类1 )连续系统：该系统各环节之间的信号都是时间t的连续函数，其运动规则可以用微分方程式来描述。 2 )离散系统：这种系统可以是信号传输过程中的一个或多个信号的脉冲序列或数字编码，其运动规则可以用差分方程式来描述。 数字控制系统、采样系统是离散系统。 4、如果稳态系统的参数不随时间变化，那么变化系统的参数是时间t的函数，5、是自动控制系统的性能指标，1、典型的外推信号， 现场和实验室容易得到的系统在该信号的作用下能反映实际工作性能的数学表示

12、简单，理论计算容易，1 )阶跃函数阶跃信号下的系统的响应经常评价系统的动态特性；2 )斜坡函数，例如：经常评价系统跟踪特性；3 )脉冲正弦函数，如：傅里叶级数，2 .自动控制系统指标，1 )稳定性是系统正常工作的最低条件，稳定性指的是控制系统的稳定性和稳定性。 稳定性是系统恢复平衡状态的能力，是自动控制系统正常工作的前提条件。在稳定的控制系统中，控制量与期望值的初始偏差随着时间的流逝而逐渐减少，或稳定性变为零指的是过渡过程的振动的振幅和频率。 即，被控制量是以规定值为中心的摆动的宽度和摆动的次数。 好的过渡过程摆动幅度小，摆动次数少。 2 )过渡过程通常将步进信号的响应作为系统过渡过程的指标，

13、早指的是控制系统的速度，也就是过渡过程持续的时间量。 迁移过程越短，表示系统的迅速性越好，迁移过程的持续时间越长，表示系统响应越慢，难以实现快速变化的指令信号。 3 )稳态误差系统要求的输出量和实际输出量的差，相对于系统过渡过程结束后，其控制量(或反馈量)为一定值的偏差，该偏差被称为稳态误差，是测量系统稳态精度的重要指标。 稳态误差越小，表示系统的正确性越好。 由于被控制对象的具体情况不同，各系统分别侧重于稳定、快速、准的要求。 而且，对于同一系统，稳定、快速、标准的要求总是相互制约的。 过度提高过程的迅速性可能会引起系统的强振动，过于追求稳定性可能会使系统的反应变慢，最终导致准确性变差。 如何分析和解决这些矛盾是本学科研究的主要内容。 例1直流电动机的开环调速系统可以将规定的电压ug放大来获得电枢电压ua，使ug变化而获得不同的转速n，该系统只对输出量ug具有单方面的控制作用。 输出侧和输入侧之