自动控制原理概述

关于自动控制原理概述第1页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六第一章

自动控制原理概述第2页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六本章重点控制系统的组成、分类、特点自动控制及自动控制系统的含义反馈与反馈控制的概念第3页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六本章难点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。自动控制的实质

深刻理解反馈的概念和思想第4页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六§1.0概述

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！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独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。《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。第5页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六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。第6页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六现代控制理论：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。

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。第7页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六

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

人工温控系统（1）人工控制一、人工控制与自动控制第8页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六

人工控制水位系统水位人工控制系统第9页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六整个控制过程人在做的工作首先人用肉眼观察水面（温度）的实际高度h（T）;

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-h

根据只得大小和方向来调节水阀的开口大小

人工的整个过程在做什么？在检测偏差，纠正偏差

这也是控制的实质第10页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六

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。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，控制精度低，不能适应高速运动系统。第11页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六（2）自动控制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。第12页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六例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。第13页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六例2

较为完善的水位控制系统第14页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六例采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统第15页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六例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第16页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六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。机加工中，数控机床能够按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。第17页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六

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）变化而变化第18页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六通过以上分析，可见自动控制的实质为：检测偏差，由偏差产生控制作用，消除（或减少）偏差自动控制的基本原理第19页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六二、自动控制系统的组成从上述几个控制系统可见，系统虽然简单，但从系统组成的角度来看，还是很典型的。

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

检测部分：把被控制量的大小检测出来

比较部分：检测值与给定值相比较，产生偏差信号第20页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六偏差----为系统的控制信号信号放大与转换部分执行机构部分：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电位器触头改变加热电压

控制对象：被控设备（炉温）校正装置：用于改善系统性能第21页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六

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。第22页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六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第23页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六即：控制系统=控制装置+控制对象

专业术语：

1.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第24页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六炉温值的大小是用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：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。第25页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六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）第26页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六§1.2自动控制系统的分类

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：

线性系统和非线性系统2）根据系统参数是否随时间变化可分为：

时变系统和定常系统3）根据系统内信号形式的不同分为：

连续系统和离散系统第27页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六4）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第28页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六一、开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统-----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第29页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六又如：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第30页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六

我们知道，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。

此系统我们用方块图描述功放电机UaUbM(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第31页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六：1）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统。注意：第32页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六

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）。结论第33页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六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Ue=Ua-Uf，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直流电机闭环控制系统ufub第34页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六系统的工作过程：

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：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。第35页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六闭环系统的特点：

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

在闭环控制系统中出现新的概念---反馈，它在自动控制重是一很重的概念。

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），产生偏差。这样的信号通道的闭合路线称为反馈。第36页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六反馈有分正、负反馈两种

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---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第37页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六二、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----恒值系统当给定输入为ua=5mv炉温当给定输入为ua=3mv炉温系统的输出保持与输入相对应的某一个恒值第38页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六三、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第39页，共44页，2022年，5月20日，3点0分，星期六五、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