自动控制系统的一般概念

这是一篇关于自动控制系统的一般概念的思维导图，主要内容有自动控制系统的定义、组成、基本的控制方式和分类等。

1自动控制系统的一般概念

• 基本概念
  • 自动控制系统
    • 是由自动控制装置（控制器）和被控对象组成，能自动的对被控对象的工作状态或其被控量进行控制，并具有预定性能的动力学系统。
  • 反馈控制
    • 反馈控制原理
      • 系统的输出量经测量和变换后反馈到输入端，与给定输入信号相比较得到偏差信号，偏差信号经控制器产生控制作用使输出量按要求变化。
    • 反馈
      • 取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较而产生偏差的过程
    • 正反馈
      • 反馈的加入，使偏差越来越大。
      • 优缺点：能以较小的输入得到较大的输出（优点）；容易使系统不稳定（缺点）。
    • 负反馈
      • 反馈的加入，使偏差越来越小。
      • 优缺点：用偏差来消除偏差，负反馈形式的系统控制精度高，系统运行稳定。
    • 特点
      • 存在偏差，并用偏差来消除偏差
• （反馈）自动控制系统的组成
  • 基本术语
    • 给定元件/环节
      • 产生与被控制量希望值相对应的控制输入信号
    • 输入/控制量（输入/给定信号)
      • 使系统具有预定功能或预定输出的物理量，控制系统的参考输入
    • 测量元件/环节
      • 测量被控制量，产生与被控制量有一定函数关系的反馈信号
    • 反馈信号
      • 对被控制量的检测结果
    • 比较元件/环节
      • 比较测量元件检测的被控制量实际值与系统的输入量并产生偏差信号
    • 偏差信号
      • 输入信号与反馈信号的差
    • 放大元件/环节
      • 将比较元件给出的偏差信号进行放大，以及信号形式的变换
    • 校正元件/环节
      • 改善系统的性能，使系统能正常工作
    • 执行元件/环节（机构）
      • 直接推动被控对象，使其被控量发生变化
    • 干扰信号
      • 使被控制量产生不应有的变化的信号，导致被控制量出现误差
    • 被控对象
      • 控制系统所要控制的对象（要求实现自动控制的机器、设备或生产过程）
    • 输出/被控制量(输出信号/被控制量）
      • 描述被控对象工作状态的物理量
    • 控制器
      • 对被控对象起控制作用的设备总体
  • 组成框图
• 基本控制方式（按控制方式分类）
  • 开环控制
    • 系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都相对较差，但由于没有反馈的作用，开环控制系统反应较快，结构简单成本低，且不会改变系统稳定性。
  • 闭环控制
    • 系统建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能（抗扰性好，控制精度高），但是由于反馈作用，一般有个调节过程，动态响应相对较慢，如果参数设计不合理，可能不稳定而出现振荡，且一般成本较高。
  • 复合控制
    • 开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式，在闭环控制的基础上，用开环方式提供一个控制输入信号或扰动输入信号的顺馈通道，具有很高的控制精度，可以抑制几乎所有的可测量扰动（包括低频强扰动），但复合控制要求补偿器的参数要有较高的稳定性，且现实较难实现。
  • 补充
    • 开环控制系统稳定性与闭环控制系统稳定性没有相关性（即开环系统不稳定，闭环系统可能稳定）
• 自动控制系统的分类
  • 线性定常离散系统
    • 控制作用和时间的关系是不连续的系统（第七章）
  • 非线性控制系统
    • 存在一个或一个以上元部件输入-输出特性是非线性的系统（第八章）
  • 线性连续控制系统
    • 可用线性微分方程描述
      • 线性定常连续系统
        • 按其输入量的变化规律分类
          • 恒值控制系统（常数）
          • 随动系统（随时间任意变化）
          • 程序控制系统（按规律随时间变化）
        • 微分方程的系数为常数
      • 线性时变系统
        • 微分方程系数随时间的变化而变化
  • 补充：微分方程的线性与非线性判断
    • 非线性方程的系数与变量有关或方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。
    • 线性系统满足齐次性和叠加性（因此方程中不能出现常数，否则无法叠加）（叠加性：r(t)=r1(t)+r2(t)~c(t)=c1(t)+c2(t);齐次性：r(t)=Ar1(t)~c(t)=Ac1(t)
• 对控制系统的要求（系统性能）
  • 稳定性
    • 对控制系统的基本要求
  • 快速性
    • 对控制系统的动态要求（超调量要小，调节时间要小）
  • 准确性
    • 对控制系统的稳态要求（稳态误差要小）
• 典型控制系统
  • 炉温控制系统
  • 液位控制系统
  • 电机电压调节系统
  • 电机调速系统