自动控制原理(冯巧玲版)第一章

自动控制原理高等数学积分变换自动控制理论现代控制理论其它专业课程

1、是一门专业基础课

2、理论实践相结合理论性非常强,但又和实际应用紧密结合

3、内容广泛自动控制理论课程特点学习自动控制理论的重要性3、本课程能为解决实际控制问题提供理论和方法1、本课程是自动化专业承上启下的课程2、自动控制技术是应用非常广泛的技术

电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。4、学分较多本课程学习方法1、打好基础高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）2、做好预习3、听好课讲课的速度较快、了解课程内容掌握基本理论和基本方法4、做好习题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题第一章自动控制概论1.1引言1.2自动控制系统组成和原理框图1.3自动控制系统的分类1.4对控制系统的基本要求§1.1引言自动控制：1.1.1自动控制理论及应用在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。自动控制系统：

指能够对被控对象的工作状态自动控制的系统,它

由被控对象和控制装置组成1.1引言动画1动画2房间交换设备压缩机控制板传感器控制对象执行机构测量元件控制单元一、举例：家用空调控制器控制系统功能：房间温度控制在人体比较舒适的范围（对象、物理量、控制设备）系统组成：温度设定比较单元控制单元执行机构控制对象测量元件控制器控制对象反馈比较控制指令家用空调系统框图的简化1.1.2自动控制理论发展简史1.1.2自动控制理论发展简史1.1.2自动控制理论发展简史经典控制理论(19世纪初)

时域法复域法(根轨迹法)

频域法

现代控制理论(20世纪60年代)

线性系统自适应控制最优控制鲁棒控制最佳估计容错控制系统辨识集散控制大系统复杂系统

智能控制理论(20世纪70年代)专家系统模糊控制神经网络遗传算法

1.2.1控制系统的组成

被控对象

控制系统测量元件比较元件

控制装置

放大元件

执行机构

校正装置

给定元件1.2.2控制系统的原理框图方框图中各符号的意义元部件方框（块）图信号（物理量）及传递方向中的符号比较点引出点表示负反馈分类运动控制系统过程控制系统线性/非线性系统连续/离散性系统定常/时变性系统单输入单输出/多输入多输出系统集中参数/分布参数系统按被控对象分按使用的数学方法分按输入信号特征分按系统功用分恒值系统随动系统程序控制系统按控制方式分按给定值操纵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复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅温度控制系统压力控制系统位置控制系统1.3自动控制系统的分类

控制装置与受控对象之间只有正向作用，没有反向联系；控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度；没有抑制内、外干扰的能力；系统结构简单、成本低。1.3自动控制系统的分类

1.3.1按自动控制方式分类1.开环控制系统1.3自动控制系统的分类1.3.1按自动控制方式分类1.开环控制系统开环控制系统是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用，而没有反向联系的控制过程。

图1-1是典型的开环数控机床系统。数控机床是一种利用数控技术，准确地按照事先安排的工艺流程，实现规定加工动作的金属切削机床。系统由输入量、控制装置、执行机构、被控对象及输出量组成。输入量作用于系统的输入端，它的作用是在数控机床加工工件时，把根据该工件的尺寸、形状和技术条件编出的加工程序输入计算机控制装置。计算机控制装置经过运算、处理后，发出指令脉冲(又称进给脉冲)，经驱动电路放大后，驱动步进电机。步进电机为该系统的执行机构(又称返回上页下页图库

1.3.1按自动控制方式分类伺服系统）。一个进给脉冲使步进电机转动一个角度，通过齿轮丝杠传动使工作台移动一定距离。系统的被控对象是工作台，被控量是工作台位移。工作台的位移量与步进电动机转动角位移成正比，改变进给脉冲的数目和频率，就可以控制工作台的位移和速度。此系统中没有检测装置，指令信号单方向传递，并且指令发出后，不再反馈回来。如果系统参数发生变化，或受到扰动的影响，系统的输出量(即被控量)就会出现误差，而开环系统对这种误差是无能为力的。所以，开环控制精度不是很高。但它结构简单、调试方便、容易维修、成本较低，而且不会出现不稳定问题。目前国内大力发展的经济型数控机床，普遍采用开环数控系统。

2.

闭环控制系统

开环控制系统的控制精度不高，主要是没有检测工作台移动的实际位置，也就没有纠正实际偏差的能力。图1-2是闭环控制系统框图，安装在工作台上的检测元件将工作台实际位移量反馈到计算机中与所要求返回上页下页图库

1.3.1按自动控制方式分类的位置指令进行比较，用比较的差值送给控制电路进行控制直到差值消除为止。从而使加工精度大大提高。速度检测元件的作用是将伺服电机的实际转速变换成电信号送到速度控制电路中，进行反馈校正，以保证电机转速保持恒定不变。常用速度检测元件是与电机同轴的测速发电机。闭环控制的特点是加工精度高，移动速度快。这类数控机床采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动元件，电机的控制电路比较复杂，检测元件价格昂贵，因此调试和维修比较复杂。总之，闭环控制是在控制器与被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且存在着反馈作用，即系统的输出信号对控制量有直接的影响。将检测出来的输出信号送回系统的输入端，并与输入信号比较的过程称为反馈。若反馈信号与输入信号相减则称为负反馈，若相加，则称为正反馈。输入信号与反馈信号之差，称为偏差信号。偏差信号作用于控制器上，使系统的输出信号趋向于希望的数值。闭环控制的实质，就是利用负反馈的作用来减小系统误差，因此闭环控制又称为反馈控制。返回上页下页图库闭环控制系统负反馈原理__将系统的输出信号引回输入端，与输入信号比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。

____构成闭环控制系统的核心

闭环(反馈)控制系统的特点：

(1)系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路

(2)偏差起调节作用

例1炉温控制系统炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图(-)utug扰动

给定装置

放大器

电动机

转速反馈装置

触发器

晶阐管可控整流器控制装置受控对象n(b)方框图ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc(a)原理图+电动机转速闭环控制系统例函数记录仪函数记录仪方框图

动画闭控制系统的特点既有正向作用，又有反馈作用控制精度与元件精度、控制方法、调整精度有关，控制精度较高；有抑制干扰的能力；结构复杂，成本相对较高。负反馈原理

将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。____构成闭环控制系统的核心

闭环(反馈)控制系统的特点：(1)系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路(2)偏差起调节作用

1.3.1按自动控制方式分类3.

复合式控制系统

当生产机构对自动控制系统提出很高的要求时，单独采用开环控制或者闭环控制都是有困难的。这时，可以设计一种开环控制和闭环控制相结合的复合控制系统，如图1-3所示。图中圆圈代表比较器；负号代表负反馈。在这种系统中，带有负反馈的闭环起主要调节作用。开环系统可以按输入量进行控制或按扰动量进行控制（当扰动量可测量时）。图1-3复合式控制典型方框图开环控制系统闭环控制系统返回上页下页图库炉温开环控制复合控制系统对系统提出较高要求时使用开环控制和闭环控制的组合有两种形式

(1)按输入作用补偿

(2)按扰动作用补偿

udoMRiugutTG(a)原理图

负载放大器

放大器+n扰动(ML)uiugut(-)(b)方块图

扰动检测装置

晶阐管可控整流器

转速反馈装置

电动机

放大器

放大器

触发器电动机转速复合控制系统按干扰作用补偿按偏差作用补偿热处理炉温度控制系统ugTiΔu(-)ufQTo

给定装置

放大器

电动机、传动装置和阀门

热处理炉

放大器热电偶(b)方框图(a)原理图MΔuufug

给定电位计+-

电动机煤气空气阀门热处理炉工件热电偶放大器混合器放大器uaQTo复合控制系统典型方框图控制装置被控对象测量装置补偿装置(-)输入信号输出信号扰动(b)按扰动作用补偿被控量输入信号(-)补偿装置控制装置受控对象(a)按输入作用补偿

1.3.2按输入信号特征分类

1.恒值控制系统

当控制系统的任务是当输入量为给定量时，能克服扰动量对系统的影响，使输出量为对应于输入量的恒定值，把这种控制系统称为恒值控制系统。

如图1-4所示为电动机转速的闭环控制系统，当给定电位器滑动端位置一定时，电动机和生产机构就获得了相应的转速。这时，如果系统产生扰动，如负载增大，电动机转速就会降低，与电动机同轴的测速发电机的输出电压跟着降低。由于放大器的输入电压等于给定电压与发电机反馈电压之差，所以放大器的输入电压和输出电压都会升高，使电动机转速升高，回到希望值附近。反之，若负载变小，电动机转速升高，测速发电机电压变大，放大器输入电压变小，使电动机转速降低。除了负载扰动外，从输入到输出的通道内，不管是元件参数变化，还是电压波动等任何原因引起的转速偏离期望值，控制系统都能自动修正偏差。返回上页下页图库

电动机转速控制系统的方框图，如图1-5所示：

2.随动系统

如果输入信号为预先未知的随时间任意变化的函数，要求输出量精确地、快速地跟随输入信号，则这类系统称为随动系统。随动系统在工业生产和国防建设中有着极为广泛的应用，如火炮控制系统、雷达跟踪系统、函数记录仪、舰船操舵系统等都是典型的随动系统。

图1-6为火炮控制系统，在此系统中，当输入一个角度时，如果输出角度与输入角度不同，则同位仪检测装置输出一个偏差信号到控制与放大器的输入端，其输出端输出一个相应的电压，致使直流电动机带动炮架转动。与此同时，又把炮架的位置反馈到同位仪检测装置，直至输出角度与输入角度相等，放大器的输入、输出为零，电动机停止旋转，炮架也就被控制转动到了给定的角度。火炮跟踪系统框图，如图1-7所示。返回上页下页图库

3.程序控制系统如果系统的输入量按既定规律变化，系统的控制过程按预定的程序进行，则这类系统称为程序控制系统。如前面讲到的数控机床控制系统，输入命令是根据加工工艺事先编制好的。

恒值控制系统随动系统返回上页下页图库1.3.3按使用的数学方法分类连续系统/离散系统连续系统系统传递的信号为时间的连续函数，用微分方程描述。

离散系统

信号传递中至少有一处信号是脉冲序列或数字编码。用差分方程描述。线性系统/非线性系统

线性系统用线性微分方程或差分方程描述，满足叠加原理。叠加原理包括叠加性和齐次性。非线性系统用非线性微分方程或差分方程描述。特点是，方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，不满足叠加原理。（第七章介绍）例如定常系统/时变系统

定常系统：

描述系统的数学方程中的系数为常数；定常系统结构和参数不随时间变化。

时变系统:

描述系统的数学方程中的系数随时间变化。单输入单输出系统

输入输出信号变量仅有一个。多输入多输出系统

输入输出信号变量多于一个。集中参数/和分布参数集中参数系统能用常微分方程描述的系统。分布参数系统至少有一个环节需要用偏微分方程描述的系统。单输入单输出/多输入多输出系统

1.4对自动控制系统的基本要求1.稳：（基本要求）

要求系统稳定

2.准：（稳态要求）

系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高3.快：（动态要求）

系统阶跃响应的过渡过程要平稳，

快速稳定性：

系统受到干扰后偏离原来的工作状态，扰动消失后，能自动回到原工作状态，这样的系统是稳定的。反之，当干扰消除后，系统的输出趋于无穷或进入振荡状态，则称系统是不稳定的。稳定性是保证系统能正常工作的前提。动态性能

指系统过渡过程的快速性和振荡性。由于控制系统的惯性，系统的输出跟随输入的变化总有一定的延迟。这个时间越短，快速性越好。有些系统的阻尼比较小，所以系统从一个稳态进入另一个稳态时，要经过若干次衰减振荡，而且在振荡过程中会出现超调现象。一般控制系统对超调量是有限制的。1.4对控制系统的基本要求1.4.2动态性能动态性能是指系统过渡过程的快速性和振荡性。由于控制系统惯性的存在，所以系统的输出跟随输入的变化总是有一定的延迟。这个时间越短，快速性越好。又由于有些系统的阻尼比较小，所以系统从一个稳