自动控制原理(J)

1、自动控制原理Principle of Automatic Control 课程基本情况介绍课程基本情况介绍 学学 分：分： 4 学时：学时： 64 参考书参考书: 自动控制原理自动控制原理 王建辉王建辉 清华大学出版社清华大学出版社 自动控制原理自动控制原理 程程 鹏鹏 高等教育出版社高等教育出版社 现代控制工程现代控制工程 美美 katsuhiko Ogata 卢伯英卢伯英 译译 电子工业出版社电子工业出版社 自动控制原理自动控制原理 梅晓榕梅晓榕 科学出版社科学出版社 现代控制系统现代控制系统(第八版第八版) 美美 Richard C. Dorf 高等教育出版社高等教育出版社 自动控制原理

2、自动控制原理 (第四版第四版) 胡寿松胡寿松 科学出版社科学出版社 Matlab应用及有关该软件的工具书应用及有关该软件的工具书 实验：实验： 自动控制实验自动控制实验( 1学分学分) ; Matlab仿真实验仿真实验 2 第第1 1章章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 本章主要内容：本章主要内容： 什么是自动控制和自动控制系统什么是自动控制和自动控制系统 自动控制的两种基本模式自动控制的两种基本模式 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 自动控制系统的基本组成及相关术语自动控制系统的基本组成及相关术语 控制系统的类型控制系统的类型 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 3什

3、么是控制什么是控制 ？ 控制控制 控制是一种强迫作用。该作用迫使被控对象按控制是一种强迫作用。该作用迫使被控对象按 照控制者的指令行事，实现控制者的期望。照控制者的指令行事，实现控制者的期望。 实现控制基本要素：控制对象、控制指令、控制环节（控实现控制基本要素：控制对象、控制指令、控制环节（控制器）共同构成完整系统制器）共同构成完整系统 控制系统。控制系统。 控制是一种特殊控制是一种特殊系统作用。系统作用。物理描述：控制是不同对象之间（控制者、被控者之间）的物理描述：控制是不同对象之间（控制者、被控者之间）的一种特殊作用（强迫作用）；控制者通过某种方式迫使被控一种特殊作用（强迫作用）；控制者通

4、过某种方式迫使被控对象的运动状态按照控制指令变化。对象的运动状态按照控制指令变化。引引 言：言： 基本概念：控制、自动控制、自动控制系统基本概念：控制、自动控制、自动控制系统4自动控制自动控制 在控制过程中，不需要人（控制者）的干预。在控制过程中，不需要人（控制者）的干预。 在无人直接干与的前提下在无人直接干与的前提下, ,利用专门的装置利用专门的装置 ( (控制器控制器) )来操纵某一种物理对象（被控对象：装置、设备、过程等）来操纵某一种物理对象（被控对象：装置、设备、过程等）的运动或变化，的运动或变化，使被控对象的受控物理量（被控量）按照使被控对象的受控物理量（被控量）按照预定的规律变化。

5、预定的规律变化。 自动控制系统自动控制系统 是为实现某一控制作用及目标所需要的各种环节的组合。是为实现某一控制作用及目标所需要的各种环节的组合。 包括包括控制指令、被控对象、控制环节（控制器、执行机构、控制指令、被控对象、控制环节（控制器、执行机构、传感器等）。传感器等）。人的工作：事先设计控制规律、设计控制器、设定输入指令。人的工作：事先设计控制规律、设计控制器、设定输入指令。5 自动控制应用极为广泛，在工业、国防、航空航天、自动控制应用极为广泛，在工业、国防、航空航天、交通、农业、经济管理、以及人们的日常生活，处处可见。交通、农业、经济管理、以及人们的日常生活，处处可见。 例例1. 1.

6、室温自动控制室温自动控制 例例2. 2. 水罐液位自动控制水罐液位自动控制 例例3. 3. 飞机飞行自动控制飞机飞行自动控制6 本课程学习、研究自动控制的共性规律。本课程学习、研究自动控制的共性规律。学习有关自动控制系统的组成原理、基本学习有关自动控制系统的组成原理、基本概念、分析方法，为进一步学习和设计符概念、分析方法，为进一步学习和设计符合要求的自动控制系统奠定基础合要求的自动控制系统奠定基础 基本控制理论。基本控制理论。1.1 1.1 自动控制的基本方式自动控制的基本方式 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制一一. . 开环控制开环控制 开环控制示意图开环控制示意图 给定量给定量 被控量

7、被控量 (输入量输入量) （输出量）（输出量） 开环控制方框图开环控制方框图 特点：特点：信号从输入到输出，沿前向传送；信号从输入到输出，沿前向传送； 按给定量实施控制；按给定量实施控制； 输出量对控制作用没有影响（无反馈作用）。输出量对控制作用没有影响（无反馈作用）。 控制器被控对象8炉温（开环）控制系统炉温（开环）控制系统 1开环控制实例开环控制实例（系统组成示意图）（系统组成示意图）(Pictorial diagram )如何实现控制？如何实现控制？系统组成？系统组成？被控量？被控量？被对象？被对象？9炉温（开环）控制系统炉温（开环）控制系统 2（系统组成（系统组成示意图示意图）(Pic

8、torial diagram )如何实现控制？如何实现控制？系统组成？系统组成？被控量？被控量？10特点：被特点：被控对象（被控量）对控制过程无反馈作用。控对象（被控量）对控制过程无反馈作用。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。问题：对被控量偏离给定值的偏差没有任何修正 能力，控制精度低，抗干扰能力差。开环控制小结开环控制小结11二二. . 闭环控制闭环控制 基于负反馈原理、按偏差调节的负反馈控制基于负反馈原理、按偏差调节的负反馈控制闭环控制实例闭环控制实例 （1）人工闭环控制）人工闭环控制炉温（闭环）控制系统炉温（闭环）控制系统（系统组成示意图）（

9、系统组成示意图）(Pictorial diagram )如何实现控制？如何实现控制？系统组成？系统组成？被控量？被控量？(2) (2) 自动闭环控制自动闭环控制（系统组成示意图）（系统组成示意图） (Pictorial diagram )系统组成？系统组成？如何实现自动控制？如何实现自动控制？被控量？被控量？负反馈调节过程！负反馈调节过程！13特点：特点： 输出参与控制、偏差控制输出输出参与控制、偏差控制输出 基于负反馈原理、基于负反馈原理、 按偏差调节的负反馈控制按偏差调节的负反馈控制. .闭环控制基本规律闭环控制基本规律 传感器传感器检测被控对象状态（被控量），并以负反馈方式反检测被控对象

10、状态（被控量），并以负反馈方式反馈到输入端馈到输入端, ,与给定量进行比较而产生偏差与给定量进行比较而产生偏差, ,偏差经过控制器偏差经过控制器产生控制作用（控制量）产生控制作用（控制量）, ,使使被控量（系统被控量（系统输出量）按照要求输出量）按照要求的规律变化。的规律变化。最终实现：C(t) = r(t)C(t) = r(t)控制器被控对象传感器+_控制量 被控量（输出量） 给定量（输入量）反馈量偏差闭环控制系统闭环控制系统方框图（方框图（Block diagram）C(t)C(t)r(t)r(t)14优点：优点： 1. 1. 控制精度高控制精度高. . 2. 2. 能有效的抑制作用于被控

11、对象的干扰能有效的抑制作用于被控对象的干扰. . 3. 3. 对系统前向通道中元件参数变化不敏感对系统前向通道中元件参数变化不敏感. . 4. 4. 对系统本身部件的非线性影响不敏感对系统本身部件的非线性影响不敏感. . （所有优点都由负反馈调节所决定）（所有优点都由负反馈调节所决定）代价代价: : 增加了系统的复杂性增加了系统的复杂性. . 实际的控制系统几乎都是闭环控制系统实际的控制系统几乎都是闭环控制系统.1.2 1.2 （SISOSISO）自动控制系统的一般组成）自动控制系统的一般组成控制器执行机构被控对象传感器(反馈环节)给定环节r(t)e(t)b(t)_c(t)u1(t)u2(t)

12、Block diagram r(t) 给定量 (设定量、参考输入量、输入量)c(t) 输出量（被控量 ）b(t) 反馈量（一般为电信号）e(t) 偏差量 e(t) = r(t) - b(t)SISO控制系统的典型方块图（基本模型 ）基本环节：给定环节、比较环节、控制器、执行机构、 被控对象、反馈环节 相关变量：16闭环控制系统的结构图（王建辉，闭环控制系统的结构图（王建辉，P5 图图18）17转台控制系统转台控制系统自动控制系统实例自动控制系统实例1819自动控制系统实例自动控制系统实例控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入 Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出流出 Q2Q2H H水位自动控制系统水位自动控制系统20控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H 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执行机构：执行机构：气动阀门气动阀门受控对象：受控对象：水箱（供水系统）水箱（供水系统）被控量：被控量：水箱内水位高度水箱内水位高度H21控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自动控制系统水位自动控制系统给定值：给定值：控制器刻度