机械控制工程资料-第一章 控制系统导论

自动控制原理AutomaticControlTheory胡寿松科学出版社2008年12月2003年国家精品课程教材1主讲：贾存良教授电话-mail:jcumt@163.com办公室：信电楼B22421.人类社会发展的三个时代人力时代

人类主要依靠自身的肌体来完成能量变换和信息变换，但是人类自身转换的功率和范围都极其有限，纵有九牛二虎之力，也不能昼夜不停地工作着，因此创造的财富有限，最高文明只达到封建社会。

机械化时代

当蒸汽机、发电机出现之后，既使用九牛二虎也不够形容一台电动机之巨大威力了，而且可以不间断地保持着“精力充沛”的状态工作。人类的“力气”不知被放大多少亿倍！人类的力臂不知不觉被延长到几千公里之外！物质丰富了，一些农民被改造成为工人，进入资本主义社会。3自动化时代在这个时代中，能量变换与信息变换都可由机器来完成，在人类活动所见的空间里，只要需要用“力”的地方，都可以给它配上一个小的脑袋－－单片机或微处理器之类设备，代替人进行某种判断或操作。不仅工业生产自动化了，农业生产、家务劳动、交通运输、人居环境，．．．凡是已知的规律，都可以用自动化技术来完成。自动化的基本任务就是将信息技术应用到传统产业中去4

2．自动控制原理课程性质与地位

自动控制原理（自动控制理论

自动调节原理

反馈控制理论，简称自控）是研究自动控制系统的共同规律的技术科学。它是一门技术基础理论课，主要研究自动控制系统的组成、分析和设计的理论。它是本专业的核心课程之一。

5答疑时间：周五晚7：30-9：30地点：信电楼B205一共64学时，讲课54学时，实验10学时

每章学时安排：第一章

控制系统导论

4学时第二章

控制系统的数学描述8学时第三章

线性系统的时域分析法

12学时第四章

线性系统的根轨迹法

8学时第五章线性系统的频域分析法

12学时第六章线性系统的校正方法8学时

总复习2学时3．课程学时安排6

4．成绩评定出勤5％无故旷课3次以上者不允许参加考试。作业10％抄袭作业者视同没交，作业缺一半以上者不允许参加考试

实验15％

缺一次扣3分考试70％

5．其他参考书目１.刘明俊

《自动控制原理》国防科技大学出版社2.鄢景华《自动控制原理》哈尔滨工业大学出版社3.吴

麒

《自动控制原理》

清华大学出版社

7第一章

控制系统导论1-1自动控制的基本原理1-2自动控制系统示例1-3自动控制系统的分类1-4自动控制系统的基本要求1-5控制系统的计算机辅助设计81.1自动控制的基本原理◆

被控对象：控制系统要进行控制的受控客体，如冰箱，空调，电机等。◆

被控量：控制对象要实现的物理量，如冰箱的温度；空调的温度、风向、风速；电机的转速应用领域：冰箱、空调、洗衣机、电梯、汽车、电厂锅炉、酿酒过程、航空航天等各种机器或生产过程控制以及军事领域。自动控制的定义：是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某一工作状态或参数（被控量）自动按照预定的规律运行。1.自动控制技术及其应用

910112自动控制系统的工作原理

按对象方式运动控制（电机调速、机器人等）过程控制（被控对象为某种生产过程，如化工过程）系统：由一些对象相互作用，相互制约，组成一个具有一定运动规律的整体。控制系统：由被控对象和控制器构成的整体开环控制按控制方式反馈控制（闭环控制）复合控制12开环控制系统

Open-loopControlSystem◆定义：系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统◆特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。控制器对象或过程输入量输出量开环控制系统方块图（按输入量控制方式）（被控量）13功率放大SM负载++++u0nua电动机速度控制系统（开环）14+-+ugudoMiuinR放大

器负载前馈控制(更复杂一点的开环控制)按扰动量控制的速度控制系统原理图（注意：电流前馈，而系统输出n并没有反馈回来，故依然开环）15

给定信号ug被控量扰动inui

电压

放大

电阻

R触发器

晶阐管可控整流器

电动

机按扰动量控制的速度控制系统方框图(参考输入量)16闭环（反馈）控制系统

Closed-loopControlSystem闭环控制系统又称反馈控制系统，是应用最广泛的控制方式。负反馈——把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为负反馈。反馈控制——采用负反馈(正反馈较少使用)并利用偏差进行控制的过程（利用偏差修正偏差）。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。17热力系统的人工反馈控制

18热力系统的自动反馈控制

19电动机速度控制系统+++++电压放大u0nuaueut功率放大负载SMTG电动机速度闭环控制系统20

反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如社会学、经济学和生物学中，也普遍存在着反馈控制系统。反馈控制系统是自动控制原理的主要研究对象21闭环控制系统框图输入量控制器被控对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量电动机期望转速实际转速加热器实际温度期望温度22给定电压热电偶输出电压恒温炉的温度自动控制系统图例题被控对象？被控量？23工作原理：当炉内实际温度与给定装置表征的希望温度一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电动机不转动，系统相对平衡。偏差电压经放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高，趋于希望值，直到达到新的平衡。

当炉温因扰动出现偏差时（比如炉温低于希望值），24闭环与开环控制系统的比较开环控制：顺向作用，没有反向的联系，对不可测扰动及系统内部参数变化导致的输出量偏差不能自动修正，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。

闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，对输出出现的偏差有自动修正能力，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加，车床、洗衣机、小轿车）；系统设计、分析麻烦。

25复合控制系统

CompoundControlSystem定义：开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。是构成高精度控制系统的一种有效控制方式，使控制系统具有良好的控制性能。复合控制的两种基本形式按输入前馈补偿的复合控制按干扰前馈补偿的复合控制26图1.3干扰补偿的复合控制系统方块图输入量控制器控制对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量前馈补偿按干扰前馈补偿的复合控制27图1.4输入补偿的复合控制系统方块图输入量控制器控制对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量前馈补偿按输入前馈补偿的复合控制28用“○”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反（负反馈）。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。图1.5闭环控系统基本组成串联校正（补偿）元件放大元件执行机构被控对象反馈校正元件测量元件被控量——3反馈(闭环)控制系统的基本组成输入量比较元件给定元件29给定元件：产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）测量元件：测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。比较元件：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。如差动放大器、自整角机。串联校正（补偿）元件放大元件执行机构被控对象反馈校正元件测量元件被控量——输入量比较元件给定元件30放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象，如放大器、晶闸管。执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。如步进电机，继电器开关。补偿（校正）元件：它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。串联补偿元件放大元件执行机构被控对象反馈补偿元件测量元件被控量——输入量比较元件给定元件314自动控制理论的发展简史人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造了许多装置。如2000年前，罗马人：水位控制系统（淋浴），神庙（开关门）英雄装置。中国能工巧匠（技师、工程师、科学家）：张衡的地震方向测定仪，苏颂的水运仪象台。1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。1868年，英国J.C麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题。1877年劳斯，1892年李雅普诺夫（《论运动稳定性的一般问题》），1895年赫尔维茨1787年，JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。32从1980－现在，智能控制理论。19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。1948年，美国数学家N.Wiener出版《Cybernetics》是控制科学的里程碑。《控制论》的副标题是关于人、动物及其通讯的科学。19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从1960－1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。33古典（经典）控制理论自动控制原理（理论）（1787——1960）以传递函数为基础研究单输入－单输出定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。智能控制理论（1980——）以人工智能为基础，研究复杂对象（车间、工厂、集团）、复杂任务、复杂环境（3C控制问题）。

管理和控制一体化:计算机集成制造系统，复杂控制系统现代（近代）控制理论（1960——1980）以状态空间法为基础，研究多输入－多输出控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。最优控制、自适应控制计算机控制、系统辨识34

1.液位控制系统图1.6（a）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。图1.6（b）是该控制系统的方块图。1-2自动控制系统示例35图1.6（a）液位控制系统自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。36Q1Q2H37控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件气动阀门：执行机构被控对象：水箱被控量：液位Q2为扰动量图1.6（b）液位控制系统Q1Q2H38希望液位实际液肌肉、手阀