自动控制原理 第1章

1、主讲：徐迪红主讲：徐迪红自动控制原理及其应用自动控制原理及其应用主要参考书目： 自考控制原理及其应用 （黄坚主编） 自动控制原理自动控制原理 （胡寿松主编胡寿松主编） 自动控制原理习题集(胡寿松等) 自动控制原理(吴麟编) 自动控制原理（李友善编） William J. Palm, Control System Engineering, Prentice Hall Inc. Englewood Cliffs, New Jersey第第1章章 绪论绪论1-1 1-1 自动控制系统概述自动控制系统概述1-2 1-2 控制系统的控制方式控制系统的控制方式1-3 1-3 控制系统的分类控制系统的分类

2、1-4 1-4 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求1 引例引例: : 水温自动控制系统水温自动控制系统系统中增加了：系统中增加了：控制器控制器电机电机加入给定信号加入给定信号工作原理：工作原理：检测实际温度检测实际温度产生控制信号产生控制信号 通过电机调通过电机调节阀门的开度节阀门的开度 从而调节蒸从而调节蒸汽流入，控制汽流入，控制水的温度水的温度. 实实现没有人直接现没有人直接参与的自动水参与的自动水温控制温控制.1-1 1-1 自动控制系统概述自动控制系统概述自动控制：自动控制： 在无人直接参与下，利用控制装置操纵受在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定

3、信号变化。控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化。自动控制系统：自动控制系统：由相互关联、相互作用的一些物体或元部由相互关联、相互作用的一些物体或元部件构成的且具有一定规律的整体。能够完成自件构成的且具有一定规律的整体。能够完成自动控制的系统。动控制的系统。 为了方便地分析系统性能，一般用为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，如图所示框图来表示系统的结构，如图所示: 要使自动控制系统满足工程实际的需要使自动控制系统满足工程实际的需要要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。系统性能之间的关系。实际实际温度温度偏差偏差反馈量反馈量

4、预期预期温度温度_控制器控制器执行机构执行机构阀门阀门水箱水箱检测装置检测装置被控对象：被控对象：系统控制和操作的对象，被控制的系统控制和操作的对象，被控制的 机器、设备、过程或系统。机器、设备、过程或系统。2 2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成放大装置：放大装置：放大偏差信号，以适合控制器执行。放大偏差信号，以适合控制器执行。 控制器：控制器： 直接驱动被控对象的装置。直接驱动被控对象的装置。 反馈装置：反馈装置：被控量检测出来，并产生反馈信号的装置。被控量检测出来，并产生反馈信号的装置。输入量：输入量：希望的被控对象运动规律或状态的物理量希望的被控对象运动规律或状态的物理量 （参考输

5、入、给定量）。（参考输入、给定量）。 控控 制制 量：量：被控对象的输入量，是偏差量的函数，可被控对象的输入量，是偏差量的函数，可 将偏差量看作控制量。将偏差量看作控制量。被控制量：被控制量：反映被控对象运动规律或状态的物理量，即反映被控对象运动规律或状态的物理量，即 是系统的输出量。是系统的输出量。干扰量：干扰量：除输入信号外，对系统产生不利影响的信号。除输入信号外，对系统产生不利影响的信号。 1 1开环控制：开环控制：控制装置与受控对象之间只有控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。顺向作用而无反向联系。 加热炉加热炉 阀阀 门门预期温度预期温度实际温度实际温度例：炉温控制例：炉温

6、控制 燃烧器燃烧器第二节第二节 控制系统的控制方式控制系统的控制方式例例2 转台速度开环控制系统转台速度开环控制系统 这种转台在这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用等现代装置中广泛应用.转台转台 电机电机电源和放电源和放 大装置大装置速度设置速度设置系统组成：系统组成：由图可见：由图可见： 被控制量速被控制量速度没有反馈到度没有反馈到输入端与给定输入端与给定信号比较信号比较,为开为开环控制系统。环控制系统。预期速度预期速度实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器 系统结构和控制过程均很简单，但抗系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差，控制

7、精度不高，故一般只能用扰能力差，控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。于对控制性能要求较低的场合。 转台速度开环控制系统结构图转台速度开环控制系统结构图:开环控制的特点：开环控制的特点： 2 2闭环控制闭环控制 有顺向作用，而且还有反向联系有顺向作用，而且还有反向联系. 闭环控制又称为闭环控制又称为反馈控制反馈控制或或按偏差控制按偏差控制。 控制装置与受控对象之间，不但控制装置与受控对象之间，不但 例例 炉温自动控制炉温自动控制加热炉加热炉电动阀门电动阀门放大器放大器比较器比较器预期温度预期温度实际温度实际温度反馈量反馈量偏差量偏差量干扰干扰闭环控制的特点：闭环控制的特点： 减

8、小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力的控制精度和较强的抗扰能力。Tbuu1uTrubuu1uT温度传感器温度传感器放大器放大器测速机测速机偏差偏差反馈量反馈量预期速度预期速度实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器_ 当实际速度受扰动的影响发生变化时当实际速度受扰动的影响发生变化时，通过系统的调节，从而消除扰动对速度，通过系统的调节，从而消除扰动对速度的影响。的影响。转台速度闭环控制系统结构图转台速度闭环控制系统结构图3 3复合控制：复合控制：前馈控制前馈控制+ +反馈控制反馈控制前馈控制前馈控制给定值给定

9、值被控制量被控制量_受控对象受控对象 检测元件检测元件控制器控制器(a) (a) 按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制 测量出外部作用，形成与外部作用相反的控制测量出外部作用，形成与外部作用相反的控制量与外部作用共同使被控量基本不受影响。量与外部作用共同使被控量基本不受影响。前馈控制前馈控制扰动扰动_检测元件检测元件被控制量被控制量给定值给定值控制器控制器 受控对象受控对象(b) (b) 按扰动前馈补偿的复合控制按扰动前馈补偿的复合控制2、 按输入信号分按输入信号分：3、按系统数学模型分、按系统数学模型分：时变时变 定常定常连续连续 离散离散线性线性 非线性非线性恒值恒值 程序程序

10、 随动随动开环开环 闭环闭环 复合复合 恒值系统输入为定值，控制任务是克服扰动，使输出为恒值。恒值系统输入为定值，控制任务是克服扰动，使输出为恒值。第第3节节 控制系统的分类控制系统的分类 1、按信号流向分、按信号流向分： 程序控制系统的输入按确定的函数关系变化，要求被控制量随程序控制系统的输入按确定的函数关系变化，要求被控制量随之变化。之变化。 随动系统的输入按事先不知道的时间函数关系变化，被控制随动系统的输入按事先不知道的时间函数关系变化，被控制量跟随其变化。量跟随其变化。线性微分方程或线性差分方程描述的系统为线性微分方程或线性差分方程描述的系统为线性系统线性系统。不能用线性微分方程描述的

11、系统为不能用线性微分方程描述的系统为非非线性系统线性系统。4、按系统方程系数分、按系统方程系数分：定常：系统方程的系数不是时间变量的函数。定常：系统方程的系数不是时间变量的函数。时变：系统方程的系数是时间变量的函数。时变：系统方程的系数是时间变量的函数。5、按系统时间变量特征分、按系统时间变量特征分：连续系统中所有的信号都是时间连续系统中所有的信号都是时间 t 的连续函数（模拟量）。的连续函数（模拟量）。离散：系统中有信号是时间离散：系统中有信号是时间 t 的离散函数。的离散函数。实例分析实例分析例例1 1：位置伺服系统：位置伺服系统工作机构工作机构变速箱变速箱电动机电动机比较放比较放大大电位

12、器电位器1 1rc电位器电位器2 2例例2 2：数控机床工作台驱动系统：数控机床工作台驱动系统如何画结构框图？并判断控制系统的类别。如何画结构框图？并判断控制系统的类别。移动量移动量工作台工作台驱动电驱动电路路控制指令控制指令（输入）（输入）（输出）（输出）控制电控制电机机 工作台工作台 减速器减速器 电电 机机 驱动电路驱动电路输入输入输出输出开环程序控制开环程序控制如何画出结构框图？并判断控制系统的类别如何画出结构框图？并判断控制系统的类别。 工作台工作台移动量移动量（输出）（输出）控制指令控制指令（输入）（输入）工作台工作台检测装置检测装置放大器放大器伺服电伺服电机机比较器比较器 减速器

13、减速器 伺服电机伺服电机 放大器放大器 比较器比较器 检测装置检测装置输入输入输出输出第四节第四节 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求 常见的评价系统优劣的性能指标是常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。的基本要求有三个方面。 二、快速性二、快速性一、稳定性一、稳定性三、准确性三、准确性 系统受外作用力后系统受外作用力后,其动态过程的振其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。荡倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性一、稳定性稳定性：稳定性： 如果系统受外作用力经过一段时间如果系统受外作用力经过一段时间，其被

14、控量达到某一稳定状态，则系统，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。是稳定的。否则为不稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过程(a) 给定信号作用给定信号作用c(t)(b) 扰动信号作用扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t) 不稳定的系统是无法正常工作的。不稳定的系统是无法正常工作的。 通过动态过程时间长短表征。时间通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了系统输出对输入响应快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度的快慢程度 由输入给定值与输出响应的终值由输入给定值与输出响应的终值之间的差值之间的差值ess大小表征。大小表征。三、准确性三、准确性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess 稳定性、快速