第一章 自动控制的一般概念 (第三讲)

1自动控制原理

—经典部分第一章一般概念12第一章自动控制的一般概念2前一节课的主要内容：（1）自动控制的基本概念（重点）（2）自动控制系统的基本控制方式自动控制系统由哪几部分组成？控制量与扰动之间的关系？3第一章自动控制的一般概念3自动控制系统的基本控制方式有哪些？自动控制系统的特点？自动控制系统方块图的绘制方法？从信号传送看：输出经测量后回到输入端，构成闭环，具有反馈形式，且为负反馈;从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用使系统沿减小或消除偏差的方向运动—偏差控制4第一章自动控制的一般概念4本节课的主要内容：（1）自动控制示例（重点，熟练绘制系统方块图）（2）自动控制系统的分类（3）自动控制系统的基本要求（重点）5第一章自动控制的一般概念1-1自动控制的基本原理与方式1-2自动控制系统示例1-3自动控制系统的分类1-4对自动控制系统的基本要求1-5自动控制系统的分析与设计工具56示例一：锅炉液位控制系统6为了保证锅炉的正常运行，需要维持锅炉液位的正常标准值，既避免干烧又避免溢出。影响锅炉液位的因素：给水量；给水压力；蒸汽负荷等。7示例一：锅炉液位控制系统7锅炉液位控制系统方块图8示例二：飞机-自动驾驶仪系统8飞机自动驾驶仪能保持或改变飞行的姿态、高度和轨迹，实现飞机的爬升、下降和转弯。以比例式自动驾驶仪稳定飞机俯仰角为例，说明工作原理。给定电位器反馈电位器9被控对象：飞机被控量：飞机俯仰角测量装置：垂直陀螺仪、反馈电位器执行机构：舵机控制器：比例控制器系统的控制方块图放大系数为1的控制器10示例三：电阻炉微型计算机温度控制系统11第一章自动控制的一般概念1-1自动控制的基本原理与方式1-2自动控制系统示例1-3自动控制系统的分类1-4对自动控制系统的基本要求1-5自动控制系统的分析与设计工具11121-3自动控制系统的分类按控制方式：

开环控制、闭环控制、复合控制

按系统特性：

线性和非线性、连续和离散、定常和时变、确定性和不确定性按输入量变化规律：

恒值、随动、程序控制1213定常系统的特点？（1）在数学上，描述系统运动的微分方程或差分方程，其系数均为常数；（2）在物理上，系统的结构和参数不随时间t变化；（3）在特性上，系统响应特性只取决于输入信号的大小和系统特性，而与输入信号施加的时刻无关。一、线性连续控制系统—线性微分方程式描述14一般形式为：

式中：r(t)—系统输入量；c(t)—系统输出量系数a0,…,an,b0,…,bm是常数——定常系统；

随时间变化——时变系统；线性定常连续系统按输入量的变化规律的不同可分为以下三种：1.恒值控制系统(自动调节系统)特点：输入量是一个常数，要求被控量亦等于一个常数，即便系统受到扰动时，故称为调节器。调节器的定义：将生产过程参数的测量值与给定值相比较，得出偏差后根据一定的调节规律产生控制作用，消除偏差量，使该参数保持在给定值附近或按预定规律变化的一种控制器。15③系统分析、设计的重点：研究各种扰动对被控对象的影响及抗扰动的措施。④应用：刨床速度控制系统，温度控制系统、压力控制系统、液位控制系统。162.随动系统(跟踪系统)①特点：输入量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求系统输出量（以尽可能小的误差）跟踪输入量的变化。172.随动系统(跟踪系统)②系统分析、设计的重点：研究被控量跟随给定值的快速性和准确性，主要任务是提高跟踪能力，抗扰动是次要任务。③应用：军事上最为普遍空空导弹跟踪敌机；导弹防御系统跟踪来袭的导弹；雷达高射炮炮身位置随动系统等等。④如果被控量是机械位置或其导数时，称为伺服系统，其作用是使输出的机械位移或转角准确跟踪输入值。如各类机器人的运动控制。3.程序控制系统

特点：输入量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。应用：数控机床。程序控制与随动控制的区别是？前者的输入量是已知的时间函数，后者则是未知的任意时间函数。且恒值控制是程序控制的特例。18二、线性离散控制系统—线性差分方程式描述系统中某处或多处的信号为脉冲序列或数码的形式，这些信号变量在时间上是离散的。离散系统通过差分方程描述。其一般形式为19式中？二、线性离散控制系统—线性差分方程式描述

20令m=1,n=2则离散系统差分方程为则k+2时刻的输出为令m=2,n=1则离散系统差分方程为则k+1时刻的输出为21可见，第k+1时刻的输出与未来的k+2时刻的输入有关。这在物理上是不可实现的。工程控制系统是因果系统，即有输入才有输出，而输出绝不会产生在输入作用时刻之前，或者说，系统只是在“激励”作用下才引起“响应”的。这类系统多出现在计算机控制系统中。三、非线性控制系统—非线性微分或差分方程式描述22系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统。特点：系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。线性性质（线性代数）：齐次性和可加性。系统满足线性性质，则两个外作用同时作用于系统，所产生的总输出等于各个外作用单独作用时分别产生的输出之和，且外作用的数值增大若干倍时，其输出亦增加同样的倍数。可以分别分析输入和扰动对被控对象的影响。23几个例子：非线性时变非线性时变非线性定常非线性定常严格说，实际系统均为非线性系统。但如果非线性程度不严重，可在一定范围内，将其近似为线性系统。24第一章自动控制的一般概念1-1自动控制的基本原理与方式1-2自动控制系统示例1-3自动控制系统的分类1-4对自动控制系统的基本要求1-5自动控制系统的分析与设计工具2425实际中，由于机械部分质量、惯量的存在以及电路中L.C的存在，输出不会是理想状态。要有一个过渡过程，最后趋于新的稳态值。因此，需要评价系统总体精度的标准。1-4对自动控制系统的基本要求工程上常从稳、准、快三个方面来评价控制系统。稳定性：指动态过程的平稳性。快速性：指动态过程的快速性。准确性：指动态过程的最终精度。2627一.稳定性（控制系统正常工作的前提）一个稳定的控制系统，其控制量偏离期望值的初始偏差应随时间增长逐渐减小并趋于零或一个固定的小数。三个系统的稳定性如何？28控制系统的响应过程可分为两个阶段：暂态响应过程（即过渡过程）和稳态响应过程，过渡过程结束后系统进入稳态过程。过渡过程：被控量恢复到期望值或跟踪输入量的时间过程。29二.快速性控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。

例如，高射炮射角随动系统（过慢）；飞机轨迹控制系统（过快）。系统稳定性和快速性是暂态性能，反映了系统动态过程性能的好坏，既快又稳表明系统的动态性能优秀。3031三.准确性（系统稳