自控课件(孙炳达)第1章

1、自动控制原理（第自动控制原理（第2版）版） 主编主编 孙炳达孙炳达 (机械工业出版社、机械工业出版社、2005) 课件制作课件制作 孙炳达孙炳达 顾家蒨顾家蒨 第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.1自动控制的基本方式自动控制的基本方式1.2 闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求1.1自动控制的基本方式自动控制的基本方式一、两个定义：一、两个定义：（1）自动控制自动控制：在没人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过：在没人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地

2、按预定规律或数值运行。程自动地按预定规律或数值运行。（2）自动控制系统自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。一：能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。一般由控制器般由控制器(含测量元件含测量元件)和控制对象组成。和控制对象组成。举例：水位控制系统举例：水位控制系统 被控对象-水池 测量元件-浮子比较机构-浮子的希望位置与实际位置之差放大机构-提高系统的控制精度执行元件-驱动被控对象，以改变被控制的量二、三种基本控制方式二、三种基本控制方式 1、开环控制方式、开环控制方式 举例举例2： 开环调速系统（不考虑测速反馈）开环调速系统（不考虑测速反馈）工作原理：工作原理： 改

3、变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压Ug值的大小，值的大小， 其值经功其值经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端，率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端， 由于直流电动机具有恒定的由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产励磁电流。因此，随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改变机械运转。于是，改变 Ug的大小，便控制了电动机转速的高低。系统中，的大小，便控制了电动机转速的高低。系统中，Ug 是是给定输入量给定输入量；电动机的转速；电动机的转速n是系统的是系统的输出量即

4、被控量输出量即被控量，功率放大器的，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等，是电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等，是扰动输入量扰动输入量。 可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控制。可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控制。 开环控制系统职能框图开环控制系统职能框图 任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。构框图表示。2、闭环控制方式：、闭环控制方式： 把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制，这把输出量直接或间接地反馈到系统

5、的输入端，形成闭环，参与控制，这种系统叫闭环控制系统。即系统的输出端与输入端之间存在反馈回路。种系统叫闭环控制系统。即系统的输出端与输入端之间存在反馈回路。 实际的闭环控制系统，都是于实际的闭环控制系统，都是于负反馈负反馈的形式出现。的形式出现。 明确：为什么要采用闭环控制系统？闭环控制系统有哪些优点？明确：为什么要采用闭环控制系统？闭环控制系统有哪些优点？举例举例3：闭环调速系统：闭环调速系统闭环控制系统职能框图闭环控制系统职能框图 任何闭环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的任何闭环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。结构框图表示。3、复合控制

6、方式、复合控制方式 开环控制开环控制+闭环控制闭环控制 两种结构：按输入信号补偿两种结构：按输入信号补偿 按扰动信号补偿按扰动信号补偿 1.2 闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成一、基本组成一、基本组成 结构方块图如图所示结构方块图如图所示 基本元部件：基本元部件： （1）控制对象控制对象：进行控制的设备或过程。（工作机械）：进行控制的设备或过程。（工作机械） （2）执行机构执行机构：执行机构直接作用于控制对象。（电动机）：执行机构直接作用于控制对象。（电动机） （3）检测装置检测装置：用来检测被控量，并将其转换成与给定量相同的物理：用来检测被控量，并将其转换成与给定量相同的物理 量（测速发

7、电机）量（测速发电机） （4）中间环节中间环节：一般指放大元件。（放大器，可控硅整流功放）一般指放大元件。（放大器，可控硅整流功放） （5）给定环节给定环节：设定被控量的给定值。（电位器）设定被控量的给定值。（电位器） （6）比较环节比较环节：将所测的被控量与给定量比较，确定两者偏差量。将所测的被控量与给定量比较，确定两者偏差量。 （7）校正环节校正环节：用于改善系统性能。校正环节可加于偏差信号与输出信号之间：用于改善系统性能。校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。前者称为串联校正，后者称为并联的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。前者称为串联校正，后者称为

8、并联校正或反馈校正。校正或反馈校正。二、闭环控制系统的二、闭环控制系统的特点特点 （1）系统输出量直接或简接地参予了对系统的控制作用）系统输出量直接或简接地参予了对系统的控制作用 （2）有负反馈环节，并应用反馈减小或消除误差）有负反馈环节，并应用反馈减小或消除误差 （3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响）当出现干扰时，可以自动减弱其影响 （4）系统可能工作不稳定）系统可能工作不稳定1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类一、按数学描述形式分类：一、按数学描述形式分类：1线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统（1）线性系统）线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。：用线性微分方程

9、或线性差分方程描述的系统。重要性质：满足叠加性和齐次性重要性质：满足叠加性和齐次性当系统输入为当系统输入为 、 时，系统为时，系统为 、 ，则系统总的输出为则系统总的输出为 叠加性叠加性当输入为当输入为 ，则输出则输出 齐次性齐次性（2）非线性系统）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。重要性质：不满足叠加性和齐次性重要性质：不满足叠加性和齐次性注意注意：任何的物理系统都是非线性的，但是在一定条件下可以将某些非线：任何的物理系统都是非线性的，但是在一定条件下可以将某些非线性特性线性化，近似地用线性微分方程去描述，这样就可以按照线性特性线性化，

10、近似地用线性微分方程去描述，这样就可以按照线性系统来处理。性系统来处理。 )(1tXr)(2tXr)(1tXc)(2tXc)()()(21tXtXtXccc)()(1taXtXrr)()(1taXtXcc2连续系统和离散系统连续系统和离散系统（1）连续系统）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。量。（2）离散系统）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传：系统中某一处或几处的信号是

11、以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。系统就是典型的离散系统。二、按给定信号分类二、按给定信号分类（1）恒值控制系统恒值控制系统： 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。制系统属于恒值系统。（2）随动控制系统随动控制系统： 给定值按未知时间函数变化

12、，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。星的雷达天线系统。（3）程序控制系统程序控制系统： 给定值按一定时间函数变化。如程控机床。给定值按一定时间函数变化。如程控机床。 1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 对控制系统的基本要求归纳为对控制系统的基本要求归纳为稳定性、动态特性和稳态特稳定性、动态特性和稳态特性性三个方面。三个方面。一、一、稳定性稳定性 一个处于静止或平衡工作状态的系统，当受到任何输入一个处于静止或平衡工作状态的系统，当受到任何输入（给定信号或干扰）作用后，就可能偏离原有的平衡状态。当（给定信号

13、或干扰）作用后，就可能偏离原有的平衡状态。当作用消失后，系统中的状态和输出都能恢复到原来的平衡状态作用消失后，系统中的状态和输出都能恢复到原来的平衡状态的系统称为稳定的系统。的系统称为稳定的系统。 若作用消失后，系统中的状态和输出发生增幅振荡或单调若作用消失后，系统中的状态和输出发生增幅振荡或单调增长现象的系统称为不稳定系统。增长现象的系统称为不稳定系统。三、三、动态特性动态特性 动态特性就是反映系统在动态过程中，系统跟踪控制信号或抑制扰动动态特性就是反映系统在动态过程中，系统跟踪控制信号或抑制扰动的能力。动态性能好的系统，既要求过渡过程时间短，又要求过程平稳、的能力。动态性能好的系统，既要求过渡过程时间短，又要求过程平稳、振荡幅度小。振荡幅度小。四、四、稳态特性稳态特性 系统在过渡过程结束后，其输出量的状态一般由系统在过渡过程结束后，其输出量的状态一