自动控制原理2008第一章

自动控制原理2008第一章第一页，共42页。推荐教材与参考资料1、自动控制原理（第4版），胡寿松主编，科学出版社2、自动控制原理（修订版），李友善主编，国防工业出版社3、自动控制原理习题集，胡寿松主编，沈程智副主编，国防工业出版社第二页，共42页。第一章自动控制的一般概念第二节自动控制系统示例第一节自动控制的基本原理与方式第四节对自动控制系统的基本要求第三节自动控制系统的分类第一章自动控制的一般概念第五节

自动控制理论发展简述第三页，共42页。第一节自动控制的基本原理与方式一、自动控制的基本概念自动控制：

自动控制系统控制装置受控对象在无人直接参与下，利用控制装操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化。控制器给定值检测元件受控对象被控量自动控制示意图分析和设计自动控制系统的性能。自动控制原理的主要任务：第四页，共42页。例水温自动控制系统系统中增加了：控制器电机加入给定信号工作原理：检测实际温度产生控制信号通过电机调节阀门的开度从而调节蒸汽流入，控制水的温度.实现没有人直接参入的自动水温控制.第一节自动控制的基本原理与方式第五页，共42页。为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，如图所示:要使自动控制系统满足工程实际的需要,必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。实际温度偏差反馈量预期温度_控制器执行机构阀门水箱第一节自动控制的基本原理与方式第六页，共42页。二、自动控制系统的基本构成及控制方式1．开环控制有顺向作用而无反向联系.自动控制系统一般有两种基本控制方式.开环控制控制装置与受控对象之间只第一节自动控制的基本原理与方式第七页，共42页。例转台速度开环控制系统这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用.转台电机电源和放大装置速度设置系统组成：由图可见：被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较,为开环控制系统。第一节自动控制的基本原理与方式第八页，共42页。预期速度实际转速直流电动机转台放大器系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差，控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。转台速度开环控制系统结构图:开环控制的特点：

2．闭环控制有顺向作用，而且还有反向联系.闭环控制:闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。控制装置与受控对象之间，不但第一节自动控制的基本原理与方式第九页，共42页。测速机偏差反馈量预期速度实际转速直流电动机转台放大器_

当实际速度受扰动的影响发生变化时，通过系统的调节，从而消除扰动对速度的影响。转台速度闭环控制系统结构图第一节自动控制的基本原理与方式第十页，共42页。例转速负反馈直流电动机调速系统直流电机测速发电机电源和放大装置负载系统组成：UnUf给定电压反馈电压e=Un-Uf转速取决于给定电压与反馈电压的差值。第一节自动控制的基本原理与方式第十一页，共42页。调速系统结构图unufeudn_直流电动机放大器测速机由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。闭环控制系统具有的特点：第一节自动控制的基本原理与方式第十二页，共42页。反馈控制系统的基本组成组成及功能：比较元件测量反馈元件放大元件校正元件执行元件r(t)偏差信号-c(t)主反馈输入信号扰动串联校正元件放大元件执行元件被控对象并联校正元件测量反馈元件局部反馈输出信号e-比较元件第十三页，共42页。3．复合控制测量出外部作用，形成与外部作用相反的控制量与外部作用共同使被控量基本不受影响。前馈补偿控制复合控制具有两种基本形式.前馈补偿控制：复合控制：反馈控制+第一节自动控制的基本原理与方式第十四页，共42页。(a)按输入前馈补偿的复合控制给定值被控制量_受控对象检测元件控制器前馈控制第一节自动控制的基本原理与方式第十五页，共42页。(b)按扰动前馈补偿的复合控制检测元件_前馈控制扰动被控制量给定值受控对象控制器_第一节自动控制的基本原理与方式第十六页，共42页。一自动恒温调节系统恒温箱的温度由给定电压信号u1控制

电阻丝调压器～220V>>减速器执行电机功率放大器电压放大器Δuu1u2热电偶第一章

自动控制的一般概念第二节自动控制系统示例第十七页，共42页。自动恒温调节系统的温度调节过程:

所以，人工控制系统和自动控制系统极为相似，均为反馈控制，都要检测偏差并用以纠正偏差，在自动控制系统中，这一偏差是通过反馈来建立的。给定温度期望值Ti所对应的电压u1,由热电偶测量得实际温度To所对应的电压u2比较u1和u2，得电压偏差：Δu=

u1-u2控制:Δu经放大后，驱动执行电机，调节调节器,控制供电电压，最终控制温度。

第二节

自动控制系统示例第十八页，共42页。自动恒温调节系统的原理方块图：结定u1e-To温度u2比较环节放大及运算环节执行环节放大热电偶电机减速器调压器恒温箱被控对象:表示比较元件:表示作用方向:表示偏差信号e负反馈e=u1-u2正反馈e=u1+u2第二节

自动控制系统示例第十九页，共42页。人工水位控制系统第二节

自动控制系统示例二、水位控制系统：第二十页，共42页。自动水位控制系统第二节

自动控制系统示例第二十一页，共42页。三、飞机俯仰角自动控制系统水平方向垂直陀螺仪放大器舵机M抬头第二节

自动控制系统示例给定电位器反馈电位器第二十二页，共42页。飞机俯仰角自动控制系统方块图：-扰动放大器舵机飞机反馈电位器垂直陀螺仪-给定装置第二节

自动控制系统示例第二十三页，共42页。第三节自动控制系统的分类一、按反馈的有无来分:

1．开环控制系统：输入和输出之间无反馈，输出对系统的控制作用无影响。特点：精度高，抗干扰能力强，易产生振荡。特点：结构简单，不产生振荡，但控制精度不高，抗干扰能力差。2．闭环控制系统：输入和输出之间有反馈，输出对系统的控制作用有影响，反馈的作用就是减小偏差。第一章

自动控制的一般概念第二十四页，共42页。二、按输出的变化规律来分:1．恒值系统：在外界干扰存在情况下，输出基本恒定（给定输入信号为恒值）2．随动系统：输出在宽范围内跟随输入任意变化（给定输入信号是预先未知的时间函数）3．程序控制系统：输出量按预定规律变化（给定输入信号是已知的时间函数）1．连续控制系统：各环节输入和输出信号均为连续信号三、按信号的连续性来分:

2．离散控制系统：系统中有一处或数处的信号是离散的（脉冲序列或数码）第三节自动控制系统的分类第二十五页，共42页。四、按描述系统的动态方程来分:1．线性系统：用线性微分（或差分）方程来描述2．非线性系统：用非线性微分（或差分）方程来描述参数与变量有关,或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项五、按系统参数是否随时间变化来分:1．线性定常系统：系统参数不随时间变化2．线性时变系统：系统参数随时间而变化例：例：例：例：第三节自动控制系统的分类第二十六页，共42页。第四节对控制系统的基本要求常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。二、快速性一、稳定性三、准确性第一章自动控制的一般概念第二十七页，共42页。

系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性第三节对控制系统的基本要求稳定性：如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程(a)给定信号作用c(t)(b)扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不稳定的系统是无法正常工作的。第二十八页，共42页。通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性第三节对控制系统的基本要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度第二十九页，共42页。由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。三、准确性第三节对控制系统的基本要求r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess第三十页，共42页。稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中,若过分强调某方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到影响.怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。第三节对控制系统的基本要求第三十一页，共42页。四、典型输入信号阶跃函数斜坡函数tf(t)R0图1-9tf(t)R0图1-8第三十二页，共42页。脉冲函数正弦函数tf(t)A0图1-10tf(t)A0图1-11第三十三页，共42页。

自动控制理论研究的是如何按受控对象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用使系统在不确定的条件下正常运行并具有预定功能。它是研究自动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。第五节

自动控制理论发展简述第一章自动控制的一般概念第三十四页，共42页。具有“自动”功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于1868年发表的论文当属最早的理论工作。从20世纪20年代到40年代形成了以时域法，频率法和根轨迹法为支柱的“古典”控制理论。第四节

自动控制理论发展简述第三十五页，共42页。60年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的所谓“现代”控制理论。随着自动化技术的发展，人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标，为了使系统在一定的约束条件下，其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。第四节

自动控制理论发展简述第三十六页，共42页。第四节

自动控制理论发展简述当对象或环境特性变化时，为了使系统能自行调节，以跟踪这种变化并保持良好的品质，又出现了自适应控制。各种理论中仍是古典频率法最为适用。真正优良的设计必须允许模型的结构和参数不精确并可能在一定范围内变化，即具有鲁棒性。这是当前的重要前沿课题之一。第三十七页，共42页。第四节

自动控制理论发展简述另外，使理论实用化的一个重要途径就是数学模拟（仿真）和计算机辅助设计（CAD）。近年来，在非线性系统理论、离散事件系统、大系统和复杂系统理论等方面均有不同程度的发展。智能控制也得到了很快的发展，它主要包括专家系统、模糊控制和人工神经元网络等内容。第三十八页，共42页。总之，自动控制理论正随着技术和生产的发展而不断发展，而它反过来又成为高新技术发展的重要理论根据。本书所介绍的内容是该理论中最基本的也是最重要的内容，即古典控制理论部分。它在工程实践中用得最多，也是进一步学习自动控制理论的基础。第四节

自动控制理论发展简述第三十九页，共42页。1古典控制理论：2现代控制理论：研究对象：以单输入单输出（SISO）线性定常系为主研究工具：微分方程（时域t）传递函数（复频域s）研究工具：状态空间法（时域t）研究对象：多输入多输出（MIMO）系