自动控制原理课件 全

自动控制原理1/20/20241《自动控制原理》第一章引言

自动控制是一个非常有吸引力的研究领域，在过去的几十年中发展起来的理论和实践解决了大量的自动化问题，使这个领域具有了通用的特点。正因如此，各工程专业都对大学生和研究生开设了相关的课程。在我们周围，确实存在着能实现自动控制的自然和人造系统：人体的许多功能可以在不需要我们有意识地干涉的情况下完成，从而维持我们的生命；在日常生活中，我们每天都可以碰到自动运行的人造系统，如电子的、机械的、化学的、水力的、金融的和经济的。但大多数情况下，只有发生了故障，我们才意识到它们是自动运行的。

1/20/20242《自动控制原理》第一章

简单的水位自动控制系统出水浮子连杆进水阀水池简单的水位自动控制系统1/20/20243《自动控制原理》第一章历史回顾18世纪，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。在控制理论发展初期，做出过重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、黑曾和奈魁斯特。1922年，Minorsky研制船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性。1932年，Nyquist提出了一种相当简便的方法，根据对稳态正弦输入的开环响应，确定闭环的稳定性。1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念。讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的继电式伺服机构。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，从20世纪40年代末到50年代初，伊凡思Evans提出并完善了根轨迹法。1/20/20244《自动控制原理》第一章一、蒸汽机转速自动控制系统蒸汽nnn1图1-9蒸汽机转速自动控制系统负载圆锥形齿轮飞锤套筒杠杆阀门弹簧蒸汽机自动控制系统的应用实例1/20/20245《自动控制原理》第一章

自动控制学科

自动控制技术自动控制理论

自动控制理论

经典控制理论：20世纪40~50年代现代控制理论：20世纪60年代1/20/20246《自动控制原理》第一章术语

对象过程系统扰动反馈控制反馈控制系统随动系统自动调整系统过程控制系统1/20/20247《自动控制原理》第一章术语对象是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。过程称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。系统完成一定任务的一些元、部件的组合。

系统是一个广义的概念。系统不限于物理系统，系统的概念可以应用于抽象的动态现象，如在经济学中遇到的一些现象。因此，“系统”这个词，应当理解为包含了物理学，生物学和经济学等现象的系统。

1/20/20248《自动控制原理》第一章术语扰动扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。反馈控制反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。在这里，反馈控制仅仅是对无法预计的扰动（既那些预先无法知道的扰动）而设计的，因为对于可以预计的或是已知的扰动来说，总是可以在系统加以校正的，因而对于他们的测量是完全不必要的。1/20/20249《自动控制原理》第一章术语反馈控制系统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，诸如经济学和生物学中，也存在者反馈控制系统。例如，人的机体在某种意义上说，就类似于一个具有许多控制变量的化工设备。在这种运输和化学反应网络的过程控制中，包含者许多控制回路，事实上，人的机体是一个极其复杂的反馈控制系统。1/20/202410《自动控制原理》第一章术语随动系统随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。在现代工业中，广泛采用者随动系统。例如，采用程序指令的机床的全自动化操作，就可以应用随动系统来完成。

自动调整系统自动调整系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，参考输入量或希望的输出量，或者保持常值，或者随时间而缓慢变化，而这种系统的基本任务，正是要在存在扰动的情况下，将实际的输出量保持在希望的数值上。

1/20/202411《自动控制原理》第一章术语过程控制系统当自动调整系统的输出量是温度、压力、流量、液面或PH值（氢离子浓度）等这样一些变量时，就叫过程控制系统。过程控制在工业中获得广泛应用。像在加热炉的温度控制中，炉温是根据预先制定的程序进行控制的，叫做程序控制。程序控制是经常采用的一种过程控制系统。例如，预先制定的程序可以是：炉温在一定的时间间隔内，先上生到某一给定温度，然后在另一段时间间隔内再下降到另一给定温度。在这类程序控制中，给定量是按照预先制定的规律变化的。而控制器则保持炉温紧紧地跟随给定量的变化。应当指出，大多数程序控制系统都包含随动系统，作为系统的整体部件。1/20/202412《自动控制原理》第一章

第1章——绪论1.1自动控制的基本原理及控制系统的分类

1.2自动控制原理课程研究的内容

1/20/202413《自动控制原理》第一章1.1.1自动控制的基本原理所谓控制系统（ControlSystem）就是通过执行规定的功能来实现某一给定目标的一些相互关联单元的组合。由人直接或间接操作执行装置的控制方式称为手动控制（ManualControl）；而无需人去直接或间接操纵执行机构，利用控制装置控制被控制量自动地按预定的规律变化的过程则称为自动控制（AutomaticControl）。1/20/202414《自动控制原理》第一章示例——恒温控制系统

由温度计测出恒温箱的实际温度与恒温箱内要求达到的温度进行比较，得出偏差，根据偏差的大小和正负进行控制。当恒温箱温度高于所要求的温度时，移动调压器可动触头减小外施电压，使箱温减小到要求的温度；若箱温低于给定温度，则移动调压器触头增大外施电压，使箱温增大到给定温度。

人工控制精度不高，人的反应不够快，不少恶劣的场合人无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。下图为一恒温自动控制系统原理框图。

1/20/202415《自动控制原理》第一章

恒温箱的理想温度由电压u1给出，热电偶检测箱温，输出电压u2并反馈回去与给定电压相比较得出偏差电压Δu=u1-u2，经电压和功率放大后控制电机的速度和转向，从而改变调压器滑动触头的位置，改变恒温箱的外施电压达到恒定箱温的目的。即当恒温箱内温度偏高时，使调压器降压，反之升压，直到温度达到给定值为止。此时偏差电压Δu=0，电机停转。1/20/202416《自动控制原理》第一章不论是人工控制还是自动控制它们都需要检测偏差，这一偏差是由被控量的反馈值与给定值相比较产生的，它们都需要利用检测到的偏差去纠正偏差，使偏差减小或消除。这种通过检测、比较得到偏差，由偏差产生控制作用，由控制作用使偏差减少或消除的原理就是我们所研究的自动控制原理也称反馈控制原理。（一般均为负反馈）。为了便于了解系统的结构及作用原理，可将系统用功能框图表示。自动控制系统的基本组成部分被控对象（或过程）、给定元件、测量反馈元件、比较元件、放大元件、校正元件、执行元件。

1/20/202417《自动控制原理》第一章1.1.2控制系统的分类

控制系统的类型很多，它们的结构类型和所完成的任务也各不相同。控制系统从信息传送的特点或系统的结构特点来看可分为开环控制系统和闭环控制系统，以及同时具有开环结构和闭环结构的复合控制系统。

1/20/202418《自动控制原理》第一章一、开环控制系统示例——直流电动机开环调速系统

电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+电位器

给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。1/20/202419《自动控制原理》第一章

开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。开环控制的缺点——当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，抗干扰性能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。1/20/202420《自动控制原理》第一章二、闭环控制系统电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+_uf电位器测速发电机+_ue=

ug-uf1/20/202421《自动控制原理》第一章

直流电动机转速闭环控制系统方块图n电

压放大器ue输入量Mc扰动输出量功

率放大器直

流电动机＋ugua测

速发电机uf－

设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。偏差始终存在正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue

=ug-uf

）↑→ua↑→n↑

1/20/202422《自动控制原理》第一章

闭环控制的优点——抑制扰动能力强，与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度。闭环控制的缺点——引入反馈增加了系统的复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。自动控制理论主要研究闭环控制系统

1/20/202423《自动控制原理》第一章

无论是人工控制还是自动控制，它们都需要检测偏差，这一偏差是给定值与由被控量的反馈值相比较产生的，它们都需要利用检测到的偏差去纠正偏差，使偏差减小或消除。

这种通过检测、比较得到偏差，由偏差产生控制作用，由控制作用使偏差减少或消除的原理就是我们所研究的自动控制原理也称反馈控制原理。（负反馈）

自动控制系统按一定的原则分成各种类型：1/20/202424《自动控制原理》第一章1.按输入信号的特征分1）恒值调节系统：该类系统的输入信号为一常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或接近理想值。上述的转速闭环控制系统、恒温控制系统均属于此类系统。2）随动系统：这类系统的给定量是时间的未知函数，系统能使被控量准确、快速地跟随给定量变化。随动系统又称伺服系统。火炮自动瞄准系统、船舶自动舵均属此类系统。1/20/202425《自动控制原理》第一章模型放大功放电动机减速器零件

r(t)

c(t)

E

e(t)仿型铣床随动系统1/20/202426《自动控制原理》第一章防空武器半实物仿真1/20/202427《自动控制原理》第一章船舶随动舵的控制船舶随动舵的控制系统原理图P1E0P2+－放大器直流电动机减速箱+nu1ueui－uo自动控制系统示例1/20/202428《自动控制原理》第一章导弹发射架的方位控制i导弹发射架方位控制原理图手轮输入轴P1E0uiueua+－uP２E0u0放大器输出轴o自动控制系统示例1/20/202429《自动控制原理》第一章2.按描述系统的动态方程分

1)线性系统：该类系统的特点在于组成系统的各环节的输入输出特性都是线性的，系统的性能可用线性微分方程（或差分方程）来描述。2)非线性系统：该类系统的特点在于系统中含有一个或多个非线性元件。系统的性能需用非线性微分方程（或差分方程）来描述。1/20/202430《自动控制原理》第一章3.按信号的传递是否连续分

1）连续系统：该类系统各环节间的信号均为时间t的连续函数，其运动规律可用微分方程描述。2）离散系统：该类系统在信号传递过程中有一处或多处的信号是脉冲序列或数字编码，其运动规律可用差分方程描述。数字控制系统、采样系统为离散系统。系统还可按其参数是否随时间变化而分为定常系统或时变系统1/20/202431《自动控制原理》第一章

1.2自动控制原理课程研究的内容

1.2.1系统分析

对自动控制系统进行分析研究，首先应对系统进行定性分析。所谓定性分析，就是在弄清组成系统的各单元及元件在系统中的地位和作用，以及他们之间的相互联系的基础上，分析系统的工作原理。然后，在定性分析的基础上，建立系统的数学模型；再应用自动控制理论对系统的稳定性、稳态性能和动态性能进行定量分析。最后，在系统分析的基础上找到改善系统性能，提高系统技术指标的有效途径。以上过程称为对控制系统的分析，简称系统分析。经典自动控制理论中。系统的分析方法有：时域分析法（Time-domainAnalysisMethod