袁安富版本 第一章 自动控制的一般概念

1、自动控制原理自动控制原理v第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念v第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型v第三章第三章 线性系统的时域分析法线性系统的时域分析法v第四章第四章 线性系统的根轨迹法线性系统的根轨迹法v第五章第五章 线性系统的频域分析法线性系统的频域分析法v第六章第六章 线性系统的校正方法线性系统的校正方法第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念v 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式v 1-2 1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例v 1-3 1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类v 1-4 1-4 对自动控制

2、系统的基本要求对自动控制系统的基本要求与其他课程的关系与其他课程的关系自动控制原理电机与拖动模拟电子技术线性代数微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换电路理论大学物理（力学、热力学）电力电子技术各类控制系统课程各类控制系统课程 1-1 1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1.1.自动控制的定义自动控制的定义: : 在没有人的直接参与的情况下在没有人的直接参与的情况下, ,利用控制装置使被利用控制装置使被控对象或过程能自动地按预定规律运行。控对象或过程能自动地按预定规律运行。2.2.自动控制理论自动控制理论: : 研究自动控制共同规律的基础科学。经典控制理论研究自动控制共

3、同规律的基础科学。经典控制理论主要研究单输入主要研究单输入- -单输出系统以及线性定常系统的分析单输出系统以及线性定常系统的分析和设计问题。和设计问题。3.3.举例举例: :自动控制的热力系统自动控制的热力系统排水控制阀蒸汽热水冷水温度传感器希望温度 将时间温度与希望温度进行比较，如不到，则开启控制阀。误将时间温度与希望温度进行比较，如不到，则开启控制阀。误差越大，开度越大；反之则关闭控制阀，达到控制温度。差越大，开度越大；反之则关闭控制阀，达到控制温度。自动控制器比较：比较：上述人工和自动控制系统的工作原理相似点：上述人工和自动控制系统的工作原理相似点： 眼睛测量装置（传感器）眼睛测量装置（

4、传感器） 头脑自动控制器头脑自动控制器 肌体执行机构肌体执行机构 4.4.自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式(1)(1)闭环控制方式闭环控制方式 输入量对象或过程测量元件输出量控制器 闭环控制系统原理框图闭环控制系统原理框图闭环控制：闭环控制： 闭环控制是把系统的输出量检测出来，经过物理量闭环控制是把系统的输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到系统的输入端去与给定量进行比较的转换，再反馈到系统的输入端去与给定量进行比较（形成偏差），利用偏差量作为控制信号来纠正偏差。（形成偏差），利用偏差量作为控制信号来纠正偏差。特点：特点：输入量与输出量一一对应。输入量与输出量一一对应。

5、信号传递是双方向的：既有输入量对输出量的作用，信号传递是双方向的：既有输入量对输出量的作用，又有输出量对输入量的作用。又有输出量对输入量的作用。系统具有抗干扰能力。系统具有抗干扰能力。(2) (2) 开环控制方式开环控制方式 输入量 控制器 对象或过程 输出量（单通道）（单通道）定义：定义： 输出量对系统控制作用没有影响的控制系统。输出量对系统控制作用没有影响的控制系统。 例：例： 洗衣机：浸泡，洗涤，漂清，脱水洗衣机：浸泡，洗涤，漂清，脱水依次进行，无需对输出信号（衣服的清依次进行，无需对输出信号（衣服的清洁程度）进行测量。洁程度）进行测量。 十字路口的交通灯十字路口的交通灯 绿（绿（202

6、0秒）秒） 黄黄（2 2秒）秒） 红（红（1515秒），此系统不是反馈秒），此系统不是反馈系统。若系统能够自动测量交通的流量，系统。若系统能够自动测量交通的流量，从而调整红绿灯持续的时间，则是闭环。从而调整红绿灯持续的时间，则是闭环。开环与闭环的比较开环与闭环的比较 前述的温度控制系统改成改成开环系统：隔一段时间就放入前述的温度控制系统改成改成开环系统：隔一段时间就放入一些蒸汽加热，就不如闭环的精确，因为有各种干扰的存在（环一些蒸汽加热，就不如闭环的精确，因为有各种干扰的存在（环境温度、用热水的量）。境温度、用热水的量）。 由此可见：由此可见：闭环不易受各种干扰的影响，保持输出的精确，而开环不

7、行。闭环不易受各种干扰的影响，保持输出的精确，而开环不行。 但：但： 闭环稳定性是一个重要的问题，很可能振荡。而开环不存在这个问题。闭环稳定性是一个重要的问题，很可能振荡。而开环不存在这个问题。开环简单开环简单。 因此：当系统在无法预测的扰动或参数变化时，闭环才有优因此：当系统在无法预测的扰动或参数变化时，闭环才有优越性。越性。BACK 1-2 1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例1.1.炉温闭环控制系统炉温闭环控制系统2.2.比例式液位调节系统比例式液位调节系统炉温闭环控制系统图1-热电偶 2-加热器 1.1.炉温闭环控制系统炉温闭环控制系统 图图1-4 闭环控制结构图闭环控制结构图 1

8、-控制器控制器 2-控制对象控制对象 3-检测装置检测装置前向通道前向通道反向通道反向通道2.2.比例式液位调节器比例式液位调节器杠杆调节器杠杆调节器浮子浮子阀门阀门水箱水箱希望高度希望高度实际高度实际高度BACK 1-3 1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类分类方法分类方法按控制方式：按控制方式：开环控制、闭环控制、复合控制开环控制、闭环控制、复合控制按元件类型：按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。系统、生物系统等。按系统功能：按系统功能：温度、压力、位置温度、压力、位置按系统性能：按系统性能：线性与非

9、线性、连续与离散、定常与时变线性与非线性、连续与离散、定常与时变按参考量变化规律：恒值、随动、程序控制按参考量变化规律：恒值、随动、程序控制1.1.线性连续控制系统线性连续控制系统由系数判定线性时变系统、线性定常系统由系数判定线性时变系统、线性定常系统线性定常系统根据参考输入量又可分为：线性定常系统根据参考输入量又可分为：恒值控制系统、随动系统、程序控制系统恒值控制系统、随动系统、程序控制系统)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn （1）恒值控制系统）恒值控制系统 参考输入

10、是个常值，要求被控量也等于常值。参考输入是个常值，要求被控量也等于常值。外部扰动的存在，被控量偏离参考量而出现偏差，控制系统根外部扰动的存在，被控量偏离参考量而出现偏差，控制系统根据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常值。定的常值。（2）随动系统）随动系统参考输入是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以参考输入是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参考输入量变化。尽可能小的误差跟随参考输入量变化。参考输入是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确参考输入是按预定规律随时间变化的函

11、数，要求被控量迅速、准确地复现。地复现。2.2.线性定常离散系统线性定常离散系统)() 1() 1()()() 1() 1()(110110krbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn （3）程序控制系统）程序控制系统 系统的多处或某处的信号为脉冲序列或数码形式系统的多处或某处的信号为脉冲序列或数码形式, ,信号在时间上信号在时间上是离散的。离散系统要由差分方程描述。是离散的。离散系统要由差分方程描述。BACK 1-4 1-4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1.1.对自动控制系统基本要求对自动控制系统基本要求稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）稳定性（

12、稳）、快速性（快）、准确性（准） “稳稳”与与“快快”是说明系统动态（过渡过程）品质。系统是说明系统动态（过渡过程）品质。系统的过渡过程产生的原因的过渡过程产生的原因 ： 系统中储能元件的能量不可系统中储能元件的能量不可能突变。能突变。“准准”是说明系统的稳态（静态）品质是说明系统的稳态（静态）品质稳定性稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件是保证控制系统正常工作的先决条件 线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与 外部条件无关。外部条件无关。快速性快速性 是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和是系统在稳定的条件下，

13、衡量系统过渡过程的形式和 快慢，通常称为快慢，通常称为“系统动态性能系统动态性能”。 过渡过程时间、超调量过渡过程时间、超调量准确性准确性 是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出（被控量）是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出（被控量）达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。 稳态误差稳态误差2. 2. 典型外部输入信号典型外部输入信号（1）阶跃函数（信号）阶跃函数（信号）（2）斜坡函数（信号）斜坡函数（信号）（3）脉冲函数（信号）脉冲函数（信号）（4）正弦函数（信号）正弦函数（信号）0tR0t0f(t)000)(ttRttf)( 1)( 1 lim

14、)(0000ttttAtft)sin()(tAtf)()(tAtf)()(0ttAtf发散（不好）收敛（好）不好好0tC(t)希望值稳tC(t)0准希望值好tC(t)0快希望值BACK不好小小 结结v 开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。

15、则应采用闭环控制。v 闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制可以提高系统的精度，但是闭环使系统的稳定性变差，可以提高系统的精度，但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。需要重视并加以解决。v 自动控制系统通常由给定环节、检测环自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较环节、放大元件、被控对象、和节、比较环节、放大元件、被控对象、和反馈环节等部件组成。系统的作用量和被反馈环节等部件组成。系统的作用量和被控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。量和各中间变量。v 结构图（又称方框图、方块图）可直结构图（又称方框图、方块图）可直观地表达系统各环节（或各部件）间的连观地表达系统各环节（或各部件）间的连接关系，可以表达各种作用量和中间变量接关系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和信号传递情况以及它们对输出的作用点和信号传递情况以及它们对输出量