自动控制原理鄢景华版第一章

1、课程结构课程结构 第一章第一章 自动控制概论自动控制概论 第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型 第三章第三章 控制系统的时域分析法控制系统的时域分析法 第四章第四章 根轨迹法根轨迹法 第五章第五章 频率法频率法 第六章第六章 控制系统控制系统的校正的校正 参考书目参考书目 自动控制系统，田玉平，电子工业出 版社 控制理论与机械系统控制，竺长安， 高等教育出版社 成绩构成成绩构成 4848学时学时 （3 3学分）学分） 考试考试 （70%70%） 作业作业 （20%20%） 平时平时 （10%10%） 第一章第一章 自动控制概论自动控制概论 17651765年，瓦特发明蒸汽机，用离

2、心式调速器控制蒸气机年，瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制蒸气机 19481948年，维纳年，维纳控制论或关于在动物和机器中控制和控制论或关于在动物和机器中控制和 通通 信的科学信的科学产生产生 40406060年代年代 经典控制理论（频域法为主）经典控制理论（频域法为主） 60607070年代年代 现代控制理论（时域法为主现代控制理论（时域法为主) ) 7070年代以后年代以后 大系统控制理论大系统控制理论 自动控制：自动控制： 在没有人直接参与的情况下，采用控制装在没有人直接参与的情况下，采用控制装 置或机械使被控制对象达到预期的目标置或机械使被控制对象达到预期的目标 。 1-1 1-1

3、自动控制基本概念自动控制基本概念 发展简史：发展简史： 自动控制研究的内容：自动控制研究的内容： 研究对象研究对象 数学工具数学工具 分析方法分析方法局限性局限性 经典经典 控制控制 理论理论 单单I/OI/O 线性定常线性定常 系统系统 微分方程，微分方程， 传递函数传递函数 时域法时域法 频域法频域法 根轨迹法根轨迹法 对复杂多变量对复杂多变量 系统、时变和系统、时变和 非线性系统无非线性系统无 能为力能为力 现代现代 控制控制 理论理论 多输入多输入- -多多 输出变系输出变系 数，非线数，非线 性等系统性等系统 线性代数、线性代数、 矩阵理论矩阵理论 状态状态 空间法空间法 比较繁琐比

4、较繁琐 （但由于计（但由于计 算机技术的算机技术的 迅速发展，迅速发展， 已克服已克服) ) 通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控对 象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量， 而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考 输入）。则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等 于给定值。 返回子目录返回子目录 举例说明控制系统概念 下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统 的概念的概念 控制器控制器 气动阀门气动阀门 流入流入 Q1Q1 浮子浮子 水箱水箱 流出流出 Q2Q2 H H 水位自动控制系统水位自动控制系统 1

5、0 控制器控制器 气动阀门气动阀门 流入流入 Q1Q1 浮子浮子 水箱水箱 流出 Q2流出 Q2 H H 水位自动控制系统水位自动控制系统 控制任务：控制任务： 维持水箱内水位恒定；维持水箱内水位恒定； 控制装置：控制装置： 气动阀门、控制器；气动阀门、控制器； 受控对象：受控对象： 水箱、供水系统；水箱、供水系统； 被控量：被控量： 水箱内水位的高度；水箱内水位的高度； 控制器控制器 气动阀门气动阀门 流入流入 Q1Q1 浮子浮子 水箱水箱 流出 Q2流出 Q2 H H 水位自动控制系统水位自动控制系统 给定值：给定值： 控制器刻度盘指针标定控制器刻度盘指针标定 的预定水位高度；的预定水位高

6、度； 测量装置：测量装置： 浮子；浮子； 比较装置：比较装置： 控制器刻度盘；控制器刻度盘； 干扰：干扰： 水的流出量和流入量的水的流出量和流入量的 变化都将破坏水位保持变化都将破坏水位保持 恒定；恒定； 自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是： 在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控 对象，使被控制量等于给定值。对象，使被控制量等于给定值。 自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一 般由控制装置控制装置和被控对象被控对象组成。 由此可见：由此可见： 人工控制和自动控制 油汀暖气片的

7、温度控制 TC TT 减 温 器 温度 测量 冷 水 过热蒸汽温度控制系统 HT HC 差压变送器 液位调节器 执行器 储罐 液位控制 1-2 1-2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没 有反向联系的控制。有反向联系的控制。 温度计温度计 加热电阻丝 加热电阻丝 u 220V k 炉温开环控制系统炉温开环控制系统 开关闭合后，不同开关闭合后，不同 的输入电压的输入电压u u对应于不对应于不 同的温度同的温度t t。 给定值给定值 输出量输出量 控制器控制器 被控制被控制 对象对象 扰动扰动 输出量输出量 受控对象

8、受控对象 控制装置控制装置 (电源电源 ) 输入量输入量 ( (温度温度) ) 扰动量扰动量 开关开关 电炉恒电炉恒 温箱温箱 加热电加热电 阻丝阻丝 炉温开环控制系统方框图炉温开环控制系统方框图 控制方式控制方式： 按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传 递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制 精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中 受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构 简单，成本低廉，多用于系统结构

9、参数稳定和扰动简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动 信号较弱的场合信号较弱的场合. . 开环控制系统特点：开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈信号从输入到输出无反馈, ,单向传递单向传递. . 结构简单结构简单. . 控制精度不高控制精度不高, ,无法抑制扰动无法抑制扰动. . 反馈 控制任务：控制任务：保持工作机械恒速运行保持工作机械恒速运行. . 控制过程：控制过程： fa nuuun 典型闭环系统方框图典型闭环系统方框图 特点特点: 输出影响输入，所以能削弱或抑制干输出影响输入，所以能削弱或抑制干 扰；低精度元件可组成高精度系统；因为扰；低精度元件可组成高精度系统；因为 可

10、能发生超调，振荡，所以稳定性很重要可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要 主主 反反 馈馈 与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同；与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同； 偏偏 差差 给定信号与主反馈信号之差的信号；给定信号与主反馈信号之差的信号； 控制单元控制单元 接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量；接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量； 扰扰 动动 对系统输出产生不利影响的信号；对系统输出产生不利影响的信号； 反馈环节反馈环节 检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号。检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号。 输出量输出量 环节名称环

11、节名称 （或特性）（或特性） 输入量输入量 (a)(b)(c) c 引出点引出点 c c 扰动扰动 (- -) r e=r-b b 被控量被控量 偏差偏差 信号信号 (- -) 参考参考 输入信号输入信号 r(t) 调节器调节器(或控制器或控制器) u(t) 受控系统受控系统 e(t) c(t) 反馈信号反馈信号 控制量控制量 给定给定 控制控制 环节环节 放大放大 元件元件 执行执行 机构机构 受控受控 对象对象 反馈装置反馈装置 (测量元件测量元件) 方框图中各符号的意义方框图中各符号的意义 元部件元部件 方框（块）图方框（块）图 信号（物理量）及传递方向信号（物理量）及传递方向 中的符号

12、中的符号 比较点比较点 引出点引出点 表示负反馈表示负反馈 扰动扰动 (b) 方框图方框图 (- -) ut ug 给定给定 装置装置 放大器放大器 电动机电动机 转速反转速反 馈装置馈装置 触发器触发器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器 控控 制制 装装 置置 受控对象受控对象 n ueudo 它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主 要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组 成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生 的偏差。的偏差

13、。 电动机速度复合控制系统方框图电动机速度复合控制系统方框图 按扰动按扰动 补偿补偿 输入信号输入信号 (- -) 电压放电压放 大器大器 功率放功率放 大器大器 电动机电动机 测速发测速发 电机电机 电压放电压放 大器大器 电阻电阻R t u ugue ut MC n 控制系统的组成 (1) 被控对象 控制系统 测量元件 比较元件 控制装置 放大元件 执行机构 校正装置 给定元件 控制系统的组成 (2) 也称定值系统。反馈控制系统的参考输入也称定值系统。反馈控制系统的参考输入 信号为恒定的常量。在实际工程中给定值一般信号为恒定的常量。在实际工程中给定值一般 不变化或变化很缓慢，而扰动可随时变

14、化的系不变化或变化很缓慢，而扰动可随时变化的系 统称为恒值系统，在生产过程中，这类系统非统称为恒值系统，在生产过程中，这类系统非 常多。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门常多。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门 的恒压系统等。的恒压系统等。 1-3 1-3 典型控制系统典型控制系统 恒值系统：恒值系统： 例例 1 1 炉温控制系统炉温控制系统 炉温控制系统方框图 炉温控制系统方框图 (- -) ut ug 扰动扰动 给定给定 装置装置 放大器放大器 电动机电动机 转速反转速反 馈装置馈装置 触发器触发器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器 控控 制制 装装 置置 受控对象受控对象 n (b)

15、方框图方框图 ue udo RP1 ug R0 R0 R1 -utRP2 - - + - - + + TG Mudo uc (a) 原理图原理图 + 电动机转速控制系统方框图 例例 2 2 转速控制系统转速控制系统 例3 水温调节系统 水温调节系统工作原理图 水温调节系统 水温调节系统方框图水温调节系统方框图 系统的给定值变化规律完全取决系统的给定值变化规律完全取决 于事先不能确定的时间函数。例如，于事先不能确定的时间函数。例如， 火炮系统，卫星控制系统等。火炮系统，卫星控制系统等。 随动系统：随动系统： i 控制任务：控制任务：要求工作机械能够跟随指令机构同要求工作机械能够跟随指令机构同 步

16、转动步转动, ,即要使工作机械的角位置跟随给定指即要使工作机械的角位置跟随给定指 令转角，亦即使：令转角，亦即使： o i 首先确定以下基本问题：首先确定以下基本问题： （1 1）受控对象）受控对象: : 工作机械；工作机械； （2 2）被）被 控控 量量: : 角位置；角位置； （3 3）指令转角）指令转角: : 给定值；给定值； （4 4）测量元件）测量元件: : 通过两个相同的电位计通过两个相同的电位计测量转角，测量转角，并转换为并转换为 相应相应的电压；的电压； （5 5）计算比较）计算比较: : 两个测量电位计的桥式连接，即完成了减法运算，两个测量电位计的桥式连接，即完成了减法运算，

17、 两电刷之间的电压代表了被控量对给定量的误差；两电刷之间的电压代表了被控量对给定量的误差； （6 6）执行机械）执行机械: : 电机减速装置。电机减速装置。 系统的工作原理：系统的工作原理： 如果工作机械转角等于指令转角，则经事先整定如果工作机械转角等于指令转角，则经事先整定， 即即电机不动，系统处于平衡状态。当指令转角改变，随之改变，而工电机不动，系统处于平衡状态。当指令转角改变，随之改变，而工 作机械仍处于原位，则从而使电动机拖动工作机械朝所要求的方向快作机械仍处于原位，则从而使电动机拖动工作机械朝所要求的方向快 速偏转，直至电机停转，此时系统在新的位置上处于与指令同步的平速偏转，直至电机

18、停转，此时系统在新的位置上处于与指令同步的平 衡工作状态，即完成了跟随的任务。衡工作状态，即完成了跟随的任务。 稳定性稳定性 被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一 种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反 馈控制系统提出的最基本要求。馈控制系统提出的最基本要求。 在在单位阶跃信号单位阶跃信号作用下，控制系统的过渡过程曲线如下图作用下，控制系统的过渡过程曲线如下图 所示。所示。 将那些输出最后趋于稳定值的，称为稳定系统；而那些不将那些输出最后趋于稳定值的，称为稳定系

19、统；而那些不 能达到平衡状态的，称为不稳定系统。能达到平衡状态的，称为不稳定系统。 1-4 1-4 对自动控制系统系统的要求对自动控制系统系统的要求 . .稳定性：稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。是保证控制系统正常工作的先决条件。 t n n1 (a) 0 (b) n t 0 n0 n1 t 0 n (c) n 0 t (e) n1 n 0 t (d) n0 n1 n 0 t (f) 稳定性稳定性 系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。 如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到 原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是 其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。 1-4 1-4 对自动控制系统系统的要求对自动控制系统系统的要求 快速性快速性 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性 能。能。 动态过程进行的时间长短，过程时间持续很长，将使动