自动控制原理自控第一章

1、自动控制原理自动控制原理1-1 自动控制的任务1-自动控制的基本方式1-对控制系统的性能要求 本课程性质本课程性质 重要的专业基础课，阐述有关自动控制技术重要的专业基础课，阐述有关自动控制技术的基础理论的基础理论经典控制论，研究经典控制论，研究“控制论控制论”在工程中的应用。在工程中的应用。特点及要求：特点及要求： 自动化发展的需要自动化发展的需要 与信息科学、系统科学关系紧密与信息科学、系统科学关系紧密 掌握控制系统分析与设计的基本方法掌握控制系统分析与设计的基本方法每周每周2次课，共次课，共72课时；实验课时；实验12课时。课时。4学分学分.成绩组成：成绩组成：期末考试占期末考试占 70%

2、 ，平时成绩占，平时成绩占 30% 先修基础：先修基础： 拉普拉斯变换、拉普拉斯变换、高等数学、大学物理、积分高等数学、大学物理、积分变换、电路、数字电子技术、模拟电子技术变换、电路、数字电子技术、模拟电子技术 请按时到课！请按时到课！ 1-1 1-1 自动控制的任务自动控制的任务 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。即()()ctrt返回子目录返回子目录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

3、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Q Q1 1浮子浮子水箱水箱流出流出 Q Q2 2H 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

4、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，利用控制装置操纵被控对在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。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：1-1-自动控制的基本方式自动控制的基本方式被控量被控量比较比较执行执行测量测量被控对象被控对象实测值实测值干扰干扰测量测量给定值给定值H自动控制方框图返回子目录返回子目录H在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须在上

5、图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须包含以下三种职能部件。包含以下三种职能部件。u测量元件：用以测量被控量或干扰量。测量元件：用以测量被控量或干扰量。u比较元件：将被控量与给定值进行比较。比较元件：将被控量与给定值进行比较。u执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象纵被控对象参与控制的信号来自给定值、干扰量、被控量。参与控制的信号来自给定值、干扰量、被控量。 开环控制开环控制按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按干扰补偿的开环控制 按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制 复合控制复合控制下

6、面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式一、按给定值操纵的开环控制计算计算执行执行受控对象受控对象给定值给定值干扰干扰被控量被控量按按给定值操纵的开环控制系统原理方框图给定值操纵的开环控制系统原理方框图开开环控制系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。炉温控制系统炉温控制系统原理方框图定时开关炉子电阻丝0T给定炉温T实际炉温 按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制特点：特点：控制装置只按给定值来控制受控对象。控制装置只按给定值来控制受控对象。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。优点：控制系统

7、结构简单，相对来说成本低。缺点：缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。二、按干扰补偿的开环控制二、按干扰补偿的开环控制q定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。补偿干扰对被控量的直接影响。计算计算测量测量受控对象受控对象执行执行干扰干扰被控量被控量特点特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。法控制。适用于：存在强干

8、扰且变化比较剧烈的场合。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图三、按偏差调节的闭环控制q 特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。q优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化 而引起的变动。而引起的变动。计算比较计算比较给定值给定值E执行执行被控对象被控对象干扰干扰被控量被控量测量测量按按偏差调节的系统原理方框图偏差调节的系统原理方框图如上图所示，反馈回来的信号与给定值如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反相减，即

9、根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。馈，反之称为正反馈。这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。正常工作。注意：对于主反馈必须采用负反馈。若注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使偏差越来越大。采用正反馈将使偏差越来越大。控制任务控制任务：

10、保持转台的实际转速等于期望转速。被控对象被控对象：转台。被控量被控量：转台转速。 例例 转台速度控制系统转台速度控制系统 转台速度闭环控制系统原理方框图 图中元素： （1） ：元件 （2） ：信号（物理量）及传递方向 （3） ：比较点（信号叠加） （4） ：引出点（分支、信号强度） （5） +/- ：符号的意义（正、负反馈）测量反馈元件测量反馈元件用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。 比较元件比较元件用来比较输入信号与反馈信号。 放大元件放大元件将微弱的信号作线性放大。 执行元件执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期望值变化。 校正元

11、件校正元件按某种函数规律变换控制信号，并产生反映两者差值的偏差信号。以利于改善系统的动态品质或静态性能。 被控对象：被控对象：被控制的机器、设备或生产过程 。 给定量给定量(输入量输入量)：系统输出量的要求值。 被控量被控量(输出量输出量)：被控系统所控制的物理量。 反馈量：反馈量：与输出成正比或成某种函数关系,与给定量有相同量纲和数量级的信号。 偏差量：偏差量：给定量与主反馈量之差。 控制量：控制量：作用于被控对象的信号。 扰动量：扰动量：对系统输出量有不利影响的输入量。四、复合控制复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它

12、是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。控制装置被控对象 CR补偿装置a.按输入作用补偿b.按扰动作用补偿n控制装置被控对象 CR补偿装置1-1-对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求 定义：通常把系统受到外作用后，被控量定义：通常把系统受到外作用后，被控量随时间变化的全过程，称为动态过程或过随时间变化的全过程，称为动态过程或过渡过程。渡过程。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳：稳： 指控制系统

13、的稳定性与平稳性。指控制系统的稳定性与平稳性。 快：快： 指控制系统的快速性。指控制系统的快速性。 准：准： 指控制系统的最终精度（稳态精度）。指控制系统的最终精度（稳态精度）。返回子目录返回子目录稳：稳： 指控制系统的稳定性与平稳性指控制系统的稳定性与平稳性控制系统动态过程曲线如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。快：快： 指控制系统的快速性指控制系统的快速性快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系

14、统稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。的动态精度高。准：准： 指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。且同一个系统的稳、

15、快、准的要求是相互制约的。 按系统的数学模型分 （1）线性系统：）线性系统：用线性方程描述的系统。运动方程一般形式： 性质： 1）组成系统的所有元件都是线性元件； 2）具有齐次性和叠加性。 特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。 trbdttdrbdttrdbdttrdbtcadttdcadttcdadttcdammmmmmmmnnnnnnnn011110111111.4 自动控制系统分类自动控制系统分类 （2）非线性系统：）非线性系统：用非线性方程描述的系统 性质： 1）系统中只要有一个非线性元件就是非线 性系统。 2）不满足叠加原理。 按信号传递的连续性划分 （1

16、）连续系统）连续系统 这类系统中的所有元件的输入输出信号均为时间的连续函数，所以又常称为模拟系统。 （2）离散系统）离散系统 系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数字信号时，该系统就是离散系统。这类系统常用差分方程来表示。 按系统的输入/输出信号的数量分类 （1）单变量系统（）单变量系统（SISO） 所谓单变量系统是指系统只有一个输入和一个输出，它只注重系统的外部输入和输出，而不关心系统内部的状态变化，所以单输入单输出系统可以把系统看成为一个黑匣子。 经典控制理论研究的对象主要是单输入单输出的线性定常系统。 （2）多变量系统（）多变量系统（MIMO） 所谓多变量系统是指系统有多个输入或单个输出或

17、多个输出，它不仅仅注重系统的输入和输出变量，还更多地关心系统结构内部各状态变量的变化和个状态变量之间的耦合关系。 多变量系统是现代控制理论研究的主要对象，在数学上以状态空间变量法和矩阵理论为主要研究工具。 1.5 典型外作用典型外作用 1. 阶跃信号（阶跃信号（Step Function）n阶跃信号含宽频带谐波分量，产生容易。阶跃信号含宽频带谐波分量，产生容易。n实际中，电源的突然接通、负载的突变等均可近似看作实际中，电源的突然接通、负载的突变等均可近似看作阶跃信号。阶跃信号。n在时域分析中，在时域分析中， 阶跃信号用得最为广泛。阶跃信号用得最为广泛。 时间时间r（t）R 0( )1( ) 0

18、 0Rtr tRtt单位阶跃单位阶跃信号信号1 2. 斜坡信号（斜坡信号（Ramp Function） 斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。 当当R=1时为单位斜坡信号：时为单位斜坡信号：r(t)=t 0( )10 0Rttr tRtt（t) ttan( )=R r(t) 3. 抛物线信号（抛物线信号（Parabolic Function） 抛物线信号为匀加速信号抛物线信号为匀加速信号，适适于测试匀加速系统于测试匀加速系统。 当当R=1时为单位抛物线信号：时为单位抛物线信号： tr（t）0.5 R t 2221 012( )1(t)= 20 0Rttr tRtt21( )2r tt 4.