自动控制原理课程的性质和特点课程的性质和特点课程的性质和特点第1章自动控制系统的基础知识教学重点教学难点概述：在人类社会走向信息化的今天，计算机、通信、信息处理技术的发展对社会经济以及人类生活产生了巨大影响。其中，自动控制作为一种技术手段已经广泛地应用于工业、农业、国防以及日常生活和社会科学的各个领域。自控理论：自动控制理论就是研究自动控制共同规律的科学技术，自动控制原理仅是工程控制论中的一个分支，是研究控制系统分析和设计的一般理论。本章内容：本章是自动控制技术及应用的基础，主要介绍自动控制的基本原理和概念，自动控制系统的组成和分类，以及自动控制系统的性能指标等。本章内容包括：自动控制理论的发展自动控制系统的基本原理自动控制系统的分类自动控制系统的基本要求1.1自动控制理论的发展控制理论的发展过程一般可分为三个阶段：●“经典控制理论”时期●“现代控制理论”时期●“大系统理论”和“智能控制”时期1.经典控制理论●研究对象：单输入－单输出系统（线性定常系统）●研究方法：以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。●代表人物：维纳（《控制论》）、伯德（伯德图法）和伊文思（根轨迹法）。2.现代控制理论●研究对象：多输入－多输出系统（线性定常或非线性时变）●研究方法：状态空间方法●代表人物：庞特里亚金（极大值原理）、贝尔曼（动态规划原理）、卡尔曼（卡尔曼滤波）等3.大系统理论和智能控制●关系：前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。●研究内容：“大系统理论”通过采用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题。“智能控制”通过模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。1.2自动控制系统的基本原理1.自动控制系统的基本概念●自动控制：没有人的直接干预，利用控制装置使被控对象（如生产设备）的工作状态或被控制量按照预定的规律运行。●自动控制系统：实现上述自动控制的目的，由相互联系和制约的各部件组成的具有特定功能的整体称为自动控制系统。2.自动控制系统的组成基本工作原理：通过测量装置随时监测被控量，并与给定值进行比较，产生偏差信号；根据控制要求对偏差进行计算和信号放大，并且产生控制量，驱动被控制量维持在期望值附近。自动控制系统组成：由被控对象以及为完成控制任务而配置的控制装置两大部分构成。●被控对象：是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。可以是一套装置或设备，也可以是一个动态过程（被控制的运行状态）。如化工行业中从原料到产品的生产工艺流程。●测量环节：其作用是检测被控对象的控制量（温度、压力、流量、位移等），并且一般需要转换为标准的电信号（如0~5V直流电压或0~10mA直流电流），以便于处理。为了保证控制精度，测量环节应当测量准确，并且牢固、可靠，受环境条件影响小。●比较环节：其作用是将测量环节的实际输出值与给定量进行比较，求出它们之间的偏差。通常采用的比较元件有差动放大器、电桥、机械的差动装置等。●计算环节：它是控制装置的核心，决定着控制系统性能的好坏。其作用是根据控制要求，对偏差信号进行各种计算并形成适当的控制作用。校正装置就是可以实现某种“控制规律”的计算环节，从而改善系统的动态、稳态性能。对于复杂的运算可以利用计算机完成。●放大环节：由于经过计算机处理的信号通常是标准化的弱信号，不能驱动被控对象，因此需要加以放大。放大环节的输出必须有足够的能量，一般需要幅值的放大和功率的放大，才能实现驱动能力。●执行环节：其作用是产生控制量，直接推动被控对象的控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。常用的名词术语●给定量：又称为参考输入，是指人为给定的并且要求系统输出量参照变化的外部指令信号。给定量与期望的输出量之间一般存在着物理量纲转换关系。给定量可以是常值，也可以是随时间变化的已知函数或未知函数。●被控量：又称为输出量，是指被控对象中某个需要被控制的物理量。它与给定量之间存在一定函数关系。●干扰：又称为扰动信号，是指由某些因素（外部和内部）引起的、对系统被控量产生不利影响的信号。●反馈：是系统的输出量从被控量端（输出）经变换、处理到达系统的给定量端（输入）。若是从系统输出端到系统输入端，这种反馈称为主反馈；而其他反馈称为局部反馈。●前向通道：是从系统的给定量端（输入）到被控量端（输出）所经过的通路。●偏差：是给定量与反馈量之差。●误差：是系统输出量的实际值与期望值之差。系统期望值是理想化系统的输出，实际中很难达到。在单位反馈情况下，期望值就是系统的给定量，则误差就等于偏差。●系统：是一些部件的组合，能完成一定的任务。系统