自动控制原理第1章绪论

第1章绪论 本章提纲 第1节自动控制原理课程的来历 第2节课程的重要性 第3节课程的地位 第4节控制系统的概念 第5节自动控制系统组成结构和物理量 第6节控制系统的分类 第7节自动控制系统的一般要求 本章提要 本章重点介绍了自动控制原理课程的来历、课程的重要性和课程的地位，以及控制系统的概念、自动 控制系统组成结构和物理量和控制系统的分类，最后提出了对自动控制系统的一般要求。 1. 自动控制原理课程的来历 本门课程是随着科学的发展的兴起与需要逐渐形成的。在我国国内，最早的关于控制原理的一本书是 根据在哈尔滨工业大学由苏联专家举办的学习班学员的教学笔记整理而成的，名字叫做调节原理，后 来才逐步改名统称为自动控制原理。 2. 课程的重要性 理论来源于实践，是人类或先辈们最初实践的总结，而后辈们不可能再去重复先辈们的最初的实践活 动，而要用前辈们总结的经验形成理论来指导后续的实践活动。进行新的再实践，然后再总结，形成新的 理论，不断往复循环。 理论对实践的指导作用是非常重要的，自唯纳的控制论Cybernetics的出现，开创了信息与控制学 科的新领域，以至于人们称为控制理论的鼻祖。爱因斯坦的广义相对论的提出，为原子弹的研究奠定 了基础，直接导致了原子弹的成功；钱学森的工程控制论，奠定了我国火箭、导弹事业的建立和发展。 因此说，理论的学习是学好专业知识的基础。 今天的学习目的，就是学习前人的理论，以指导今后的实践。 3. 课程的地位 最初，这门课程一出现，就成为了学习控制理论专业的人的专业基础理论课，由于控制概念的应用广 泛，逐渐脱离了专业背景成为一门理论方法课程，不仅自动化专业的学生要学，目前非控制专业的学生也 都在学，如机械专业，管理专业也都开设了这门课程。不同的领域对课程内容的描述会有不同，但内涵都 是一个，自动控制原理。 4. 控制系统的概念 1）系统概念的定义 首先，我们讨论一下什么是系统。系统或systerm, 一般定义为 由若干个环节或部分子系统按照一定的方式组织起来，并能够完成一定功能的集合，人们称之为系统。 如机械传动系统，电气传动系统，人体的血液循环系统，消化系统，以及现在人们通常所说的信息系统等 等。 系统的定义中的二个“一定”，一个“集合”反映了系统的特征，判断是否一个系统的原则也是根据 上述两个特征来判定的。 2）控制系统 当系统在人的控制之下能够实现对系统中某一个或多个物理量进行控制，该系统就可以称之为控制系 统。 3）自动控制系统 当一个系统在不需要人介入的情况下，独立完成对系统中某一个或多个物理量进行控制的要求，我们 称之为自动控制系统。判断一个系统是否是自动控制系统，就是看该系统在整个控制过程中是否有人介入。 哪怕是一个最小的控制系统，只要没有人的介入，按照一定的方式组合起来，并能够完成一定的功能，都 可以称为是自动控制系统。例如卫生间的水箱的自动给水系统。其工作原理是 4）反馈控制系统 在系统通过引入反馈实现系统对某一个或多个物理量进行控制的系统，我们之为反馈控制系统。由 于自动控制系统通常都是利用负反馈实现的自动控制，所以，通常情况下也称为负反馈控制系统，负反馈 控制系统就是自动控制系统。 5. 自动控制系统组成结构和物理量 1）自动控制系统的基本组成结构 系统的基本组成结构一般都包括以下几个部分比较环节；控制环节；执行机构；被控制对象；反馈 环节。系统的基本结构框图如图1-5-1所示。 干扰量 输入量 给定量 误差量 比较环节* 控制器 控制量控制量 ＞执行环节＞ 被控对象 输出量 反馈量 反馈环节 图1-5-1自动控制系统的结构框图 其中， 比较环节的作用是，完成系统输入量（信号）与反馈量（信号）之间的比较，产生一个误差量（信号）； 控制环节的作用是，对比较环节产生的误差量（信号）进行分析判断，处理，并产生控制量（信号）； 执行机构的作用是，将控制环节产生的控制量（信号）经过转换、放大成控制被控制对象所需的相应 形式的控制量传递给被控制对象； 被控制对象的作用是，在控制量作用在被控制对象的情况下，改变被控制对象中的某一个或多个被控 制物理量，达到控制的目的； 反馈环节的作用是，检测被控制对象装置中的被控制物理量的变化，并将检测的结果送回到系统的输 入端或比较环节中，实现反馈控制或自动控制。 2）自动控制系统中的物理量 a. 系统的输入量，也称为系统的给定量，其大小反映了人们对系统的要求； b. 系统的输入误差量，其大小反映了系统的输出量与系统输入量的偏差大小； c. 控制量，其大小反映了系统根据偏差的变化产生的相应的控制量的大小； d. 驱动量，其大小反映了改变被控制对象中的某一个或多个被控制物理量所需要的能量的大小； e. 系统的输出量，是指被控制对象装置中的某一个或多个被控制物理量。 f. 反馈量，是指反馈环节对系统输出量测量后，并转换成与系统输入量能够进行比较所需形式的物 理量。 g. 干扰量，它也是一种系统的输入量，不同之处是干扰量不是人为输入的物理量，而往往是随机的出现的，输入的点也是不固定的，但是一般情况下，系统中主要的干扰量的作用点通常是作用在被控制对 象上。 6. 控制系统的分类 不仅是控制系统，任何事物的分类都是有前提条件的，不同的角度看问题就会得出不同的结论，条件 与结论是相伴而生的。学生们在学习任何一门课程时都是要注意的，千万不要死记硬背。比如说 若从系统结构框图的几何结构来分，控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。 1）开环控制系统 干扰量 输入量误差量控制量控制量 整定环节 控制器执行环节被控对象 给定量 图1-6-1开环控制系统的结构框图 所谓开环系统是相对闭环系统而言的，特点是没有反馈回路，信号传递方向是单向的，如图1-6-1所 示。在开环系统的结构框图中，人们希望通过整定环节使实际输出量的大小和变化与输入的微小电信号相 对应，且始终对应一致。如输入的电压从0-5V变化，希望输出电机的转速n始终是线性地从0-1000转/ 分变化。但是，由于干扰的存在，系统的输出往往是偏离希望值的。由于系统中没有反馈，所以对于输出 的偏离系统本身是无法校正的。因此，开环系统往往是不可靠的，控制精度是有限的。 干扰量 输出量 2）闭环控制系统 输入量误差量控制量控制量 *比较环节 控制器 执行环节 被控对象 反馈环节 给定量 反馈量 图1-6-2闭环控制系统的结构框图 需要是科学发展的动力，问题的存在就需要解决。为了提高控制精度，人们在原有的开环系统的基础 上引入了反馈，如图1-6-2所示。 所谓闭环系统是相对开环系统而言的，特点是增加反馈回路，信号传递方向不仅是单向的，还有反向 的。无论是系统结构在几何上，不是信号传递上，都形成一个闭合（环）回路。由于系统中引入了负反馈, 尽管仍有干扰的存在，系统的输出往往是与希望值一致的。如果系统的输出量偏离了希望值，也会在负反 馈量的作用下迅速得以校正