自动控制原理与应用(梁南丁赵永君)教材ch01

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1、第1章绪论教学提示：所谓自动控制，是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(控制装置或控制器)，使生产机械或生产过程(被控对象)自动地按照预定的规律运行，使被控对象的一个或几个物理量(如转速、压力、流量、温度)按照预定的要求变化。自动控制理论与实践的不断发展，促进了自动控制技术的进步。目前自动控制已渗透到人类生活的各个领域，成为工程技术人员和科技工作者必须掌握的基础理论。本章主要介绍自动控制理论的发展、自动控制的基本原理与方式、自动控制系统的分类及对控制系统的基本要求等。1.1自动控制理论概述不同的控制对象，所要实现的控制要求不

2、同，它们的功能与结构也各有不同，但它们都是由控制器、被控对象等部件组成，而且都是为了一定的目的有机地连接在一起的一个整体，这个整体即称为自动控制系统。自动控制理论是一门多学科性的技术科学，它的任务是：对各类系统中的信息传递与转换关系进行定量分析，然后根据这些定量关系预见控制系统的运动规律。自动控制理论的发展可追溯到1788年，瓦特在发明蒸汽机的同时，发明了离心式调速器，使蒸汽机转速保持恒定，这是最早用于工业的自动控制装置。在第二次世界大战期间，对于军用装备，如飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用装备

3、等的设计与制造的强烈需求，进一步促进并完善了自动控制理论。第二次世界大战后，完整的自动控制理论体系(即所谓的经典控制理论)已基本形成，它以传递函数为数学工具，频域法为主要研究方法，研究单输入-单输出的线性定常系统的分析和设计问题，并在工程上比较成功地解决了如恒值控制系统与随动控制系统的设计与实践问题。20世纪60年代，为了满足当时宇航、国防等尖端科学技术和复杂系统发展的需要，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度、多输入-多输出、线性或非线性、定常或时变系统的分析与设计问题，如最优控制、最佳滤波、自适

4、应控制、系统辨识和随机控制等。智能控制理论和大系统理论是在20世纪随着计算机技术和人工智能理论取得重大进展而发展起来的新型控制理论。它主要研究具有人工智能的工程控制和信息处理问题，试图模仿具有高度自组织、自适应和自调节能力的人类生命的机理，以使具有高度复杂性、高度不确定性的系统达到更高的要求。综上所述，自动控制理论的发展过程如图1.1所示。自动控制理论的不断发展，反映了人类社会由机械化步入电气化、自动化，进而走向信息化、智能化的时代特征。面对深奥的自动控制理论和众多的自动控制系统，本书只能起到入门的作用。通过本书的学习，可以对自动控制系

5、统的工作原理、数学模型、系统的校正和调试等方面有一个相对完整的认识，掌握自动控制系统的一般分析方法，为从事自·2·自动控制原理与应用动控制技术工作建立初步的但非常重要的理论基础。图1.1自动控制理论的发展过程1.2自动控制系统的基本概念1.2.1自动控制系统的基本原理自动控制作为重要的技术手段，主要用于解决各类工程和科学研究中的技术问题。实际上，在各种生产过程和生产设备中，常常需要使其中的某些物理量或保持恒定或按照某种规律变化，以满足系统运行的要求。首先以水位控制系统为例，对其实现水位自动控制的基本原理加以研究，从中引出自动控制和自动控

6、制系统的基本概念。实现水位控制有两种方法：人工控制和自动控制。如图1.2所示为人工控制的水箱水位控制系统。图1.2人工控制的水箱水位控制系统人可以通过控制阀门的开度达到控制水位的目的。这种人工调节过程可归纳为：(1)通过测量元件(刻度标尺)，观测出水箱中的实际水位(也称被控量)；(2)将实际水位与要求的水位值(也称给定值)相比较，得出两者偏差；(3)根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度。当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。由此可见，人工控制的过程就是测量、求偏

7、差、实施控制以纠正偏差的过程。也就是检测偏差并用以纠正偏差的过程。对于这样简单的控制形式，如果能找到一个控制器代替人的大脑，那么这样一个人工控制系统就可变成一个自动控制系统了。如图l.3所示就是一个自动控制系统。阀门的开度由电位器电压控制，浮子为实际水位的测量装置，当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。因此，水位自动控制的目的是消除或减小偏差，使实际水位达到要求的水位值。·2·第1章绪论

8、·3·图1.3自动控制的水箱水位控制系统图浮子—测量作用；连杆—比较作用；放大器、伺服电动机和减速器—调节作用；阀门—执行元件作用比较上述人工控制和自动控制可知，执行机构类似于人手，测量装置相当于人眼，控制