北京航空航天大学自动控制理论课件和习题

课程名称:自动控制原理B

先修课程:高等数学,大学物理A,电路分析B

教材:自动控制原理(高教版)参考教材:[1]

孙虎章主编.自动控制原理(修订版).北京:中央广播电视大学出版社,1994[2]

李友善主编.自动控制原理.北京:国防工业出版社,1981[4]胡寿松主编.自动控制原理.北京:国防工业出版社,1994[3]程鹏主编.自动控制原理.北京:高等教育出版社,2003一、课程目标课程的目标是获得自动控制方面的基本理论,掌握控制系统的基本分析方法和设计方法,特别是对机械制造自动化系统中有关控制问题的分析研究方法,为将来研究设计这类系统奠定基础。二、课程内容

第一章绪论－控制系统的一般概念第二章控制系统的数学模型第三章时域分析法

第五章频域分析法－频率法第六章控制系统的校正第四章、复域分析法－根轨迹法(自控(二))第七章、采样数据控制系统分析(自控(二))第八章、状态空间分析法(自控(二))三、实验课程内容

课程开设三个实验,包括:(1)自动控制系统及其稳定性实验;(2)自动控制系统元件频率特性测定实验;(3)自动控制系统的动态校正实验。学时：6学分：0.5四、考核方式课程考核采用百分制,其中平时成绩占20%,期末考试成绩占80%。期末考试采用闭卷笔试的方式进行考核。

1.1自动控制系统的基本概念自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(称为控制器或控制装置)，使机器、设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(统称被控量)自动地按照预定的规律运行。自动控制系统，能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。第一章绪论水位自动控制系统一、技术术语1.被控对象:是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。3.控制器：又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。2.被控量：表征被控对象工作状态的的物理参量(或状态参量)，如转速、压力、温度、电压、位移等。4.给定值或指令信号r(t)：要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。5.干扰信号n(t)：又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。6.反馈信号b(t)：是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。7.偏差信号e(t)：是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。二、自动控制的任务在没有人直接参与下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量按照给定值的规律变化。或上式是自动控制任务的数学表达式。三、反馈控制原理在自动控制系统中，被控量是要求严格加以控制的物理量；而作为对被控对象施加控制作用的控制装置，可以采用不同的原理和方式完成赋予的任务。其中，最基本的控制原理就是反馈控制原理。基于反馈控制原理组成的控制系统被称为反馈控制系统。

在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加控制作用，而控制装置接受的信号是取自被控量的反馈信息，与给定值相比较生成的偏差，从而根据偏差值的大小产生控制作用，实现控制任务。

汽车驾驶控制原理框图四、控制系统的职能方框图

控制系统职能方框图控制器应具有三种基本职能，即测量、比较和执行。

1.测量元件:用以测量被控量或干扰量

。

2.比较元件将测量元件检测到的被控量的实际值与给定值相比较，计算求出二者间的偏差。4.执行元件直接推动被控对象，使被控量发生变化。3.放大元件将比较元件给出的偏差信号放大，以驱动执行元件去控制被控对象。参与控制的信号来自三条通道:即给定值、干扰量、被控量。1.2自动控制的基本方式

一、闭环控制

闭环控制框图闭环控制有三大特点：信号按箭头传递是封闭的（闭环），负反馈和按偏差控制。因此闭环控制也被称作反馈控制、偏差控制。

主要优点：控制精度高，抗干扰能力强。二、开环控制

1.按给定值控制

开环控制框图特点：控制装置只接受给定值来控制受控对象的被控量。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。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。2.按干扰补偿

按干扰补偿框图3.复合控制复合控制框图1.3对控制系统的性能要求

一、稳定性

稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。对于稳定的控制系统，被控量偏离期望值后，经过一段过渡时间后，被控量应恢复到原来状态。对于不稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的偏差将会越来越大，最终发散。控制系统动态过程曲线二、快速性

快速性即动态过程进行的时间长短。过程时间越短，说明系统的快速性越好，过程时间持续越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。

控制系统的动态过程三、准确性

当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定值（平衡状态），这个稳定值与期望值的误差，就是系统的稳态误差。它是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。1.4自动控制系统示例

在分析自动控制系统时，首先应明确下面的一些问题:

1.被控对象是什么？被控量是什么？作用在被控对象上的主要干扰信号有哪些？

2.通过操纵哪个机构来改变被控量？即确定执行元件。

3.有哪些测量元件，测量的是被控量还是干扰信号？测量元件的确定对分析系统起关键作用。

4.指令信号或给定值是由哪个装置提供的？

5.如何实现各信号的综合比较、计算和判断偏差？

一、涡轮喷气发动机转速控制系统

首先应明确：1.被控对象：涡轮喷气发动机2.被控量：涡轮转速nc3.执行元件：即是改变供油量的机构，系统中与柱塞泵的斜盘以及和斜盘相联接的油缸活塞。斜盘倾角不同，泵在同样转速下供油量就不同。4.转速测量：靠离心块（转速传感器）来完成转速不同，离心块产生的离心力不同，作用在滑阀上（分油活门）的力的大小就代表了转速的大小。5.转速给定：由油门的位置给定，油门位置不同，作用在