第一章 自动控制原理概述

1、高等教育出版社高等教育出版社自动控制原理自动控制原理 吴仲阳吴仲阳 主编主编高等学校教材高等学校教材 授课教师授课教师： 查晓春查晓春第一章 自动控制原理概述本章重点n控制系统的组成、分类、特点n自动控制及自动控制系统的含义n反馈与反馈控制的概念本章难点n确定控制系统的被控对象、被控量、给定量等等，绘制方框图，分析实际控制系统的基本原理。d自动控制的实质n 深刻理解反馈的概念和思想1.0 概述l 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等各个领域中起着重要的作用！l广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域l独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。l

2、自动控制原理是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制理论分为两大部分：在工程实践中，经典控制理论已得到许许多多成功地运用，而且今后还将发挥其理论指导作用u经典控制理论：19世纪末-上世纪60年代，这一百多年所形成的理论，称为经典控制理论，它是以传递函数为数学基础，主要研究单输入、单输出线性定常系统的控制和综合问题。u现代控制理论：现代控制理论是上世纪60年代以后发展起来的新理论称为现代控制理论，它是以状态空间为数学基础.主要研究主要研究具有高性能的多输入、多输出变具有高性能的多输入、多输出变参数系统的控制和综合问题。参数系统的控制和综合问题

3、。 现代控制理论能解决一些经典控制理论难以解决的问题，而且随着计算机技术和现代应用数学研究的发展，目前现代控制理论正向着大系统和人工智能化方向发展。 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备一定的自动控制理论基础知识1.1 自动控制理论和自动控制系统的基本概念自动控制理论和自动控制系统的基本概念 人工温控系统（1）人工控制一、人工控制与一、人工控制与自动控制 人工控制水位系统水位人工控制系统整个控制过程人在做的工作l首先人用肉眼观察水面（温度）的实际高度h（T）;l 将实际水面高度h与期望的水面高度H，进行比较，得出偏差值 dH=H-hl 根据只得大小和方向来调节水阀的开口大小l 人工的整个过

4、程在做什么？人工的整个过程在做什么？在检测偏差，纠正偏差在检测偏差，纠正偏差 这也是控制的实质这也是控制的实质 所谓人工控制就是其检测偏差和纠正偏差，都是人工完成的所以称为人工控制。n人工控制存在的问题：1）由于用肉眼检测偏差，所以误差大，控制精度低。2）若系统变化快，则人的劳动强度大。所以我们说：人工控制系统，劳动强度大，人工控制系统，劳动强度大，控制精度低，不能适应高速运动系统。控制精度低，不能适应高速运动系统。（2）自动控制n我们能否将一个人工控制系统，改造为一个自动控制系统呢？ 我们说是完全可以的，只要我们能选择一个合适的控制器，来替代人的工作，就可将此人工控制系统改造为自动控制系统。

5、例1 简单的水位控制系统此系统利用了一个连杆机构替代了人的工作，实现了自动控制。例2 较为完善的水位控制系统例采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统例3. 温度自动控制系统220V电压放大器功率放大器可逆电机给定电压信号热电偶加热器ua+-+ufueUe=ua-uf，请大家看看此系统与人工控制系统作了那些改造比较人工控制和自动控制可见所谓自动控制是： 在没有人直接参与的情况下，利用控制装置（或控制器）使某种设备、工作机械或生产过程自动按预定的运动规律运行自动控制的类型很多l国防业中使用的火炮，火炮根据雷达指挥仪传来的信息自动的调整方位角、俯仰角，随时跟踪目标，瞄准着弹点。l机加工中，数控机床能够按

6、预先安排的工艺程序进行自动切削，最终加工出我们所需要的工件。 自动控制系统在生产实际和我们日常生活中，我们见到的很多，尽管它们的结构和功能各不相同，但是它们有共同的规律：即系统中被控制量按照控制量的变化规律来变化例如：前面我们介绍温控系统p 被控量(炉内温度)-随控制量（给定电压ua)的 变化而变化火炮控制系统p被控量（火炮方位角和俯仰角）-随控制量（雷达信息）变化而变化通过以上分析，可见自动控制的实质为：检测偏差，由偏差产生控制作用，检测偏差，由偏差产生控制作用，消除（或减少）偏差消除（或减少）偏差自动控制的基本原理二、自动控制系统的组成n从上述几个控制系统可见，系统虽然简单，但从系统组成的

7、角度来看，还是很典型的。n 根据各部分性质和功能，一般情况下，控制系统可划分为五个组成部分五个组成部分u 检测部分：把被控制量的大小检测出来u 比较部分：检测值与给定值相比较，产生偏差信号偏差-为系统的控制信号u信号放大与转换部分u执行机构部分：按信号的大小和方向，对控制对象施于控制作用温度自动控制系统通过可逆电机通过可逆电机电位器触头电位器触头改变加热电压改变加热电压u 控制对象：被控设备（炉温）u校正装置：用于改善系统性能 在控制系统中，为了明确系统各部分的联系，习惯用原理方框图描述系统，图中每一方块代表系统相应组成部分。信号用箭头表示，进入方块的箭头表示该装置的输入量，离开方块的箭头表示

8、该方块的输出量。 代表比较元件，表示信号在这里进行代数叠加 信号的分支点，表示信号的取出。以温度自控系统用原理方块图描述如下 放大装置 执行装置 （散热量Q） 控制对象电压、功率放大可逆电机调压器电热炉热电偶测量元件控制装置控制对象Uaueuf即：控制系统=控制装置+控制对象n 专业术语： 1. 系统输入系统输入：凡是能使被控制量发生变化作用的量，称为系统的输入 由以上定义，在温控系统中Ua、Q它们的变化都会使被控量T发生变化，所以应该称为系统的输入。但二则之间又有区别l炉温值的大小是用Ua变化来达到的-Ua称为系统的给定输入l Q的变化为干扰量，它使炉温偏离要值-Q称为干扰输入2. 系统输出

9、系统输出：需要加以控制的某些物理量这样，整个自动控制系统（温控）可进一步概括成一个大的方块图表示。温控系统的方块图描述输入量（干扰输入）温度自动控制系统输入量（给定输入）输出量（被控量）1.2 1.2 n 将控制系统分类的目的：了解各类系统的特点 系统分类的方法很多1）根据系统元件特性是否线性可分为： 线性系统线性系统和和非线性系统非线性系统2）根据系统参数是否随时间变化可分为： 时变系统时变系统和和定常系统定常系统3）根据系统内信号形式的不同分为： 连续系统连续系统和和离散系统离散系统4 4）根据系统的物理性质分为：根据系统的物理性质分为：机电控制系统、液压控制系统和生物控制系统机电控制系统

10、、液压控制系统和生物控制系统等等6）根据信号传递的路线是否闭合分为 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统下面我们重点介绍几种比较重要的分类5）根据被控量所遵循的规律分为： 恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等一、开环控制系统和闭环控制系统l开环控制系统-系统的输出对系统的控制作用没有影响的则称为开环控制系统方块图描述控制器控制对象输入量输出量开环控制系统在我们的日常生活中是很常见的如：家中使用的洗衣机等一些家电产品又如：直流电动机转速开环控制系统又如：直流电动机转速开环控制系统 放大电机UaUbi=constn 直流电动机开环控制系统 我

11、们知道，当电机的激磁电流固定时（i=const)， 改变加在电枢上的电压(Ub),可以改变电机的转速。n 此系统我们用方块图描述功放电机UaUbM(负载干扰）负载干扰）n从图中可见：当负载不变时:uaubn输出转速于输入电压成正比：1 1）前提是在负载不变的情况下 Ua与n是以正比关系 2）而当负载是一变化量时，这种正比关系就未必存在。也就是说，当增大电压输入(Ua)时，负载(M)也同时增加，此时转速(n)未必加大。 从上系统可见，当负载在变化时，转速的变化不因其控制作用的改变，也就是说被控量(n)不参与控制作用，从信号传递路线上可见，信号的传递是单向的，是不闭合的。我们称这种控制为开环控制系

12、统。注意： 开环控制系统在出现干扰现象时，系统的输出将不按照输入所对应的期望值和状态运行，一句话：开环控制系统没有抗干扰的能力2. 闭环控制系统- 系统的输出量直接或间接的参与系统的控制作用。也就是说闭环控制系统需要对系统的输出量进行测量（或者说检测）。结论此系统与开环控制系统相比，主要的差别：1）系统增加了测速发电机，测速发电机是一种传感器，它将电动机的转速正比地转换成电压信号：Uf=kt*n2)将电压信号Uf反馈到输入端与给定输入Ua进行代数叠加，产生偏差信号产生偏差信号Ue=Ua-UUe=Ua-Uf f，对系统施于控制作用。系统用方块图描述放大电动机测速发电机UaUeM(负载力矩）n直流

13、电机闭环控制系统ufub系统的工作过程：当系统的给定输入Ua=const电机对应某一转速n，某瞬间负载力矩增大（系统受到干扰作用），电机的转速下降。 我们从另一个角度来看我们从另一个角度来看：方块图中信号的传递路线是闭合的，也就是说系统的输出n影响了系统控制作用。闭环系统的特点： 1）输出影响输入，因而能削弱和抑制干扰。 2）低精度元件可组成高精度系统。 3）因为可能发生超调、振荡，所以稳定性问题很重要。 4）闭环控制必须对输出量进行检测。注意注意 在闭环控制系统中出现新的概念-反馈，反馈，它在自动控制重是一很重的概念。 反馈反馈是指把输出信号返送回输入端，并与输入信号进行比较（或进行代数叠加

14、），产生偏差。这样的信号通道的闭合路线称为反馈。反馈有分正、负反馈两种反馈有分正、负反馈两种1 1）正反馈-当反馈信号加强了输入信号的称为正反馈 2）负反馈-当反馈信号削弱了输入信号称为负反馈除此之外还有主反馈、局部反馈主反馈-系统输出信号返送到输入端并进行代数叠加的称为主反馈信号。局部反馈局部反馈-系统的某个环节的输出返送到该环节的输入端并进行代数叠加的称为局部反馈二、恒值系统 系统的输入是一个恒值，系统地的输出保持与输入相对应的一个恒值。例如上面给大家介绍的炉温控制系统就是一个极为典型的-恒值系统CT01000当给定输入为 ua=5mv炉温当给定输入为ua=3mv炉温CT0800系统的输出

15、保持与输入相对应的某一个恒值三、随动系统 系统的输入量是未知的时间函数，也就是说给定输入的变化规律事先不知道，而要求系统的输出要能够准确、迅速的跟踪系统输入的变化例如：国防业种火炮自动瞄准系统，就是典型的随动系统四、程序控制系统 系统的给定输入是按已知的时间的时间函数变化的，系统输出按给定的程序变化常见的数控机床等就属于程序控制系统五、连续系统和断续系统 系统中传递的信号都是时间的连续函数，则该系统称为连续系统。反之系统中只要有一个传递信号是时间上的断续信号，则称为断续系统或称采样系统、离散系统。 我们说计算机控制系统就是断续系统（离散系统）。六、有差系统和无差系统 看系统在给定输入和扰动输入的作用下是否存在稳态误差而分为有差系统和无差系统1.3 1.3 在设计和分析自动控制系统时，需要有一个评价系统性能的优劣的标准，其标准通常用性能指标来衡量，不同的被控对象，不同的工作方式和控制方法，对系统的要求往往有所不同，但是，总而言之对系统的要求可以用三个字来描述。即“稳”、“快”、“准”一、稳定性 对于控制系统要想使系统能够正常工作，系统必须是稳定的，而且还必须具有一定的稳定裕量，所以稳定是对系统最起码的要求，也是系统能够正常工作的前提条件。二、动态特