自控原理(01)第一章 绪论

1、1自动控制原理自动控制原理 中国矿业大学中国矿业大学2课程要求：v课后作业：5次v答疑：每次课后，最后集中答疑。 电话邮箱：v考核方式：考试：闭卷50%平时：(课后作业10%，课程小结5%，考勤测试20%)35%实验：实验15%3v参考书1、现代控制工程电子工业出版社 美Katsuhiko Ogata著第三、五版2、控制工程基础清华大学出版社 董景新3、自动控制理论基础清华大学出版社 戴忠达4、自动控制原理科学出版社 胡寿松 第四版5、自动控制理论例题习题集清华大学出版社 王诗宓6、Linear Control System Engineering清华大学出版社 7、

2、自动控制原理国防科技大学出版社 刘明俊4 学习自动控制原理的意义 1、日常生活中大量存在自动控制的原理与现象2、工业生产中大量存在自动控制系统。数控车床，自动流水线，电机调速系统、飞机、导弹等等。风扇、电梯、洗衣机等。$ 智能家居、智能交通、机器人等5第一章 绪论v自动控制系统和自动控制理论v自动控制系统的工作原理v闭环控制系统的基本组成v自动控制系统的基本要求v自动控制系统的分类v控制系统举例v自动控制理论的发展简史（自学）v控制系统的计算机辅助设计（自学）61.1 自动控制系统和自动控制理论自动控制系统：在没有人直接参与下，利用采集和加工的信息，构造控制装置（控制器）按一定的控制规律产生作

3、用，使受控客体（控制对象）的某一物理量（被控量）达到所要求的性能或实现预定目标的系统。 控制对象：控制系统要进行控制的受控客体。 被控量：控制对象要实现的物理量。自动控制理论：自动控制理论： 研究自动控制系统的组成、分析、设计的理论，研究自动控制的共同规律。例如：如冰箱、空调、洗衣机、电梯、飞机、汽车、潜艇、电厂锅炉、 酿酒过程等各种机器或生产过程。 例如：冰箱温度、电机的转速、飞机姿态角、船的航迹 、电网的电压 、生产过程中的压力、流量 、温度 、湿度等。 注意：控制对象和控制量的关系71.2 自动控制系统的工作原理按照控制方式归类：按照控制方式归类：1 1）开环控制）开环控制2 2）闭环控

4、制（反馈控制）闭环控制（反馈控制）3 3）复合控制）复合控制8一、开环控制系统1）定义：系统的控制输入不受输出影响的控制系统输入量输入量控制器控制器对象或过程对象或过程输出量输出量图1 开环控制系统2）特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道。 在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。9例:电热炉开环控制3）结构形式：例：交通红绿灯10二、闭环控制系统图2 闭环控制系统输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量r(t)c(t)e(t)u

5、(t)n(t)b(t)前向通路前向通路期望量期望量*强调：各概念的意义11例:电热炉闭环控制思考：工作过程？12*闭环与开环控制系统的比较 v开环控制：v闭环控制： 1）偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制精度高。 2）结构复杂，成本高（价格成倍增加，车床、洗衣机、汽车）；系统设计、分析麻烦。 1）顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。2）在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。 13三、复合控制系统v定义：开环控制和闭环控制相结合的一种控制方

6、式v特点：构成高精度控制系统的一种有效控制方式，使控制系统具有良好的控制性能。v基本形式： 按输入前馈补偿的复合控制 按干扰前馈补偿的复合控制14图3A 具有输入补偿的复合控制系统15图3B 具有干扰补偿的复合控制系统16v用“”号代表比较装置，“”号代表两者符号相反。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。 图4 闭环控系统基本组成校正装置放大装置执行机构被控对象反馈校正装置测量装置被控量给定装置1.3 实际闭环控制系统的基本组成17给定装置：

7、产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）测量装置：测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号 各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件 给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。 如差动放大器、自整角机。放大装置：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件 去控制被控对象，如放大器、晶闸管。执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 如步进电机，继电器开关。校正装置：它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或 反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。181.4 1.4 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求

8、自动控制系统的工作过程包括以下两个阶段：0tMp超调量允许误差10.90.50.1trtpts图3-2表示性能指标td,tr,tp,Mp和ts的单位阶跃响应曲线tdh(t)0.02或0.05)(h)(h)(h)(h过渡过程： 在输入量作用下，系统的输出变量由初始状态达到最终稳态过程。稳态过程： 过渡过程结束后的输出响应。191 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。2 对随动系统，被控制量始终跟踪参量的变化。 *自动控制系统性能的基本要求稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。 稳 准快稳定性：稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实

9、现预定任务。系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。20准确性：用稳态误差来表示。 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出（理想输出）之差，叫做给定稳态误差。误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。快速、平稳性： 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。 稳定的高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。211、阶跃函数（位置函数）、阶跃函数（位置函数）R0t)(tf0,00,)(tRttf 例如：例如： 电源电压的

10、突然跳动；电源电压的突然跳动； 负载突然增大或减小；负载突然增大或减小； 恒值控制系统的设定值等等。恒值控制系统的设定值等等。阶跃函数的幅值R=1时，称为单位阶跃函数，常记作( )u t*典型输入信号220t)(tf2、斜坡函数（速度函数）、斜坡函数（速度函数）例如：雷达跟踪的目标以恒定速度飞行例如：雷达跟踪的目标以恒定速度飞行0,00,)(tRtttf当当R=1时，称为单位速度函数。时，称为单位速度函数。 233、抛物线函数（加速度函数）、抛物线函数（加速度函数） 例如：飞行器的加速运动例如：飞行器的加速运动20( )00Rttf tt0( )f tt当当R=1/2时，称为单位加速度函数。时

11、，称为单位加速度函数。 240t)(t4、单位脉冲函数、单位脉冲函数任意形式的外作用任意形式的外作用都分解成不同时刻的一系列都分解成不同时刻的一系列脉冲函数脉冲函数之和之和可代表一些瞬间即逝的扰动信号可代表一些瞬间即逝的扰动信号251.5 1.5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类v按工作原理分类 开环控制、闭环控制、复合控制v按数学模型分类 线性系统和非线性系统 定常系统和时变系统v按系统内部的信号特征分类 连续系统和离散系统v按系统的功能分类 温度控制系统、位置控制系统、压力控制系统 、调速系统本课程研究的对象：线性+定常+集中参数+连续系统26 1、液位控制系统1.6 1.6 控制系统

12、举例控制系统举例H H注注入入控控制制器器（比比较较、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理图图气气动动阀阀门门工作原理：自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。 思考：工作过程，希望的性能，影响因素？27 希望液位实实际际液液位位放放大大元元件件气气动动阀阀门门水水 箱箱浮浮 子子控制器 注入（II） 控制系统方块图控制器：比较、放大的作用测量装置：浮子扰动：Q2为系统的干扰量执行机构：气动阀门被控对象：水箱被控量：液位282、飞球式调速器系统思考：工作过程，被控对象，被控量？293、电热炉温度计算机控

13、制系统思考：被控对象，被控量，工作过程，系统的类型？30v古典（经典）控制理论古典（经典）控制理论 自动控制原理（理论）自动控制原理（理论） 以以传递函数传递函数为基础研究为基础研究单单输入单输出输入单输出定常定常控制系统的控制系统的分析与设计问题。这些理论由分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。于其发展较早，现已臻成熟。v现代（近代）控制理论现代（近代）控制理论 以以状态空间法状态空间法为基础，研究为基础，研究多多输入多输出输入多输出控制系统的分析与设控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能计问题。系统具有高精度和高效能的特点。的特点。 最优控制最优控制 、自适应控制、自适应控制 计算机控制、系统辨识计算机控制、系统辨识v智能控制理论智能控制理论 以以人工智能人工智能为基础，