页数：25页文件大小：322.8 KB来源： 自动控制原理ppt课件
本课件为课程绪论，从水位人工控制与自动控制的对比切入，讲清自动控制与自动控制系统的定义、检测—控制—执行三大组成环节，进而展开开环与闭环的结构分类、按输入规律与信号特点的分类，并交代稳定性、快速性、准确性三项性能要求与自动控制理论的发展脉络。
本页为《自动控制原理》课程封面，标示课程名称。全书围绕控制系统的建模、分析与设计三条主线展开，依次讲解数学模型、时域与频域分析、系统设计与校正、采样控制系统以及状态空间分析方法。
第一章 绪论：本章导读如下。
1.2 自动控制系统组成：本节要点如下。
1.2.1 水位人工控制系统：生活中储水时人的动作如下。
有人的介入，所以不是自动控制系统。过程由本页方块图表示。
1.2.2 水位自动控制系统一：控制目的是使水箱的水位保持不变。如果流入量和流出量的流量不变，那么可以根据流入量和流出量的流量差以及容器容积大小算出阀门打开的时间，这个工作由控制器来完成。由于这个系统中已无需人的介入，因此为自动控制系统。系统过程由本页方块图表示。
1.2.3 水位自动控制系统二：前例中影响水位的因素包括物料的流入（主动控制）与物料的流出（负载变化）。当流入流出不平衡时水位发生变化；前例中由于没有对水位进行检测，所以当水位发生变化时控制器并不知道，因此会产生偏差。改变的方法是：对水位进行检测，与希望水位进行比较，通过偏差大小进行控制。
1.2.4 机器人控制系统：控制目的是将工件放在正确的位置。
小结：控制系统的组成包括被控对象和一个目的，并选择一些仪器仪表（测量仪表、执行机构和控制器）构成一个完整的控制系统。控制系统通常习惯用方框图来表示。
典型的控制系统方框图为：参考输入 → 偏差 → 控制器 → 执行器 → 被控对象 → 被控参数，再经测量仪表反馈回输入端。
1.3.1 开环控制和闭环控制——按结构分
闭环控制最大的特点：消除偏差，使系统对参数不敏感。
开环控制和闭环控制的比较：如下表所示。
| 比较项目 | 闭环控制 | 开环控制 |
|---|---|---|
| 有无反馈 | 有反馈 | 无反馈 |
| 精度 | 高 | 低 |
| 稳定性 | 可能改变稳定性 | 不改变稳定性 |
| 经济性 | 成本高 | 成本低 |
信息反馈是最基本的自动控制原理。反馈控制系统中的常用术语如下。
1.3.2 按输入信号的变化规律分
1.3.3 按系统中传递信号的特点分
1.3.4 按系统特点分
1.4 自控系统的要求和本门课程的任务：建立控制系统的目的包括保证系统输出具有输入指定的数值、保证系统输出尽量不受扰动的影响。
对系统的具体要求：
本课程的任务：研究一种方法（或理论）来指导构筑一个控制系统，具体为选择系统的各个组成元件（构成原系统），设计控制装置以达到改变原系统的目的。反过来看，本课程的内容安排为：
1.5 本课程的内容
1.6 自动控制的发展简史：最初的闭环自动控制装置是 1788 年瓦特（J. Watt）发明的飞锤调速器。自动控制理论的发展分为四个阶段：
自动控制理论体系：经典控制理论（19 世纪中叶—20 世纪 50 年代）包括时域法、根轨迹法、频域法，以及线性与非线性方法（波波夫法、李雅普诺夫法、描述函数法、相平面法）、采样控制与 Z 变换法；现代控制理论（60 年代以来）包括状态反馈控制、最优控制、预测控制、自适应控制、模糊控制与大系统多层分散控制。
经典控制理论阶段（以传递函数作为系统数学模型）的主要进展如下。
| 时间 | 人物 | 主要贡献 |
|---|---|---|
| 1868 年 | 麦克斯韦尔（J. C. Maxwell） | 基于微分方程描述，从理论上给出稳定性条件 |
| 1877 年 | 劳斯（E. J. Routh） | 给出高阶线性系统的稳定性判据 |
| 1895 年 | 霍尔维茨（A. Hurwitz） | 独立给出高阶线性系统的稳定性判据 |
| 1892 年 | 李雅普诺夫（A. Lyapunov） | 给出非线性系统的稳定性判据 |
| 1922 年 | 米罗斯基（N. Minorsky） | 给出位置控制系统的分析，并提出 PID 三作用控制规律公式 |
| 1942 年 | 齐格勒与尼科尔斯（J. G. Zigler、N. B. Nichols） | 给出 PID 控制器的最优参数整定法 |
在同一时期，维什哥热斯基（I. A. Vyshnegreskii）也用一种正规的数学理论描述了这种理论。上述方法基本上是时域方法。
本页按时间梳理频域与根轨迹方法的发展。
| 时间 | 人物 | 主要贡献 |
|---|---|---|
| 1932 年 | 柰奎斯特（Nyquist） | 提出负反馈系统的频率域稳定性判据 |
| 1940 年 | 波德（H. Bode） | 提出频域响应的对数坐标图描述方法 |
| 1943 年 | 霍尔（A. C. Hall） | 利用传递函数与方框图把频域响应方法和时域方法统一起来，称为复域方法 |
| 1948 年 | 伊文斯（W. Evans） | 提出属于经典方法的根轨迹设计法 |
频域分析法主要用于描述反馈放大器的带宽和其他频域指标；根轨迹法给出了系统参数变换与时域性能变化之间的关系。
总结：经典控制理论的分析方法为复数域方法，以传递函数作为系统数学模型。
现代控制理论阶段（以状态空间表达式为模型）：1954 年贝尔曼（R. Bellman）的动态规划理论，1956 年庞特里雅金（L. S. Pontryagin）的极大值原理，1960 年卡尔曼（R. Kalman）的多变量最优控制和最优滤波理论，以及现代频域方法、自适应控制理论和方法、鲁棒控制方法等。
总结：状态空间方法属于时域方法，其核心是最优化技术，它以状态空间描述（实质上是一阶微分或差分方程组）作为数学模型，适应于多变量、非线性、时变系统。
本章小结
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