自动控制第1章

1、1自动控制原理（第自动控制原理（第2版）版） 主编主编 孙炳达孙炳达 (机械工业出版社机械工业出版社)2第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.1自动控制的基本方式自动控制的基本方式1.2 闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求水位控制系统水位控制系统功率放大器功率放大器进水进水Uh+5-5h要求，接电要求，接电位器中点位器中点一、两个定义一、两个定义（1）自动控制自动控制：在没人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自：在没人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自

2、动地按预定规律或数值运行。动地按预定规律或数值运行。（2）自动控制系统自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。一般由：能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。一般由控制器控制器(含测量元件含测量元件)和控制对象组成。和控制对象组成。1.1自动控制的基本方式自动控制的基本方式方法二方法二：自动控制：自动控制受控对象：水池；输出量：实际水位（受控对象：水池；输出量：实际水位（h实）；输入量：要求水位（实）；输入量：要求水位（h要）要） 浮子浮子检测装置；控制电源检测装置；控制电源检测检测h，转变为电信号；，转变为电信号；电动机电动机执行机构执行机构 干扰输入量：对系统输出起反

3、作用的输入量，例如功率放大器信号的漂移。干扰输入量：对系统输出起反作用的输入量，例如功率放大器信号的漂移。 二、三种基本控制方式二、三种基本控制方式 1、开环控制方式、开环控制方式 控制系统的输出量对系统没有控制作用，这种系统是控制系统的输出量对系统没有控制作用，这种系统是开环控制系统开环控制系统。 开环控制系统的开环控制系统的特点特点： （1）系统输出量对控制作用无影响）系统输出量对控制作用无影响 （2）无反馈环节）无反馈环节 （3）出现干扰靠人工消除）出现干扰靠人工消除 举例举例1：水位控制系统：水位控制系统方法一方法一：人工控制：人工控制眼（观察）眼（观察） 脑（判断）脑（判断） 手（操

4、作）手（操作）目的：减少或消除目的：减少或消除h5举例举例2： 开环调速系统（不考虑测速反馈）开环调速系统（不考虑测速反馈）工作原理：工作原理： 改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压Ug值的大小，值的大小， 其值经功率放大其值经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端，器放大后施加在直流电动机的电枢两端， 由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改变此，随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改变 Ug的大小，便控制了电动

5、机转速的高低。系统中，的大小，便控制了电动机转速的高低。系统中，Ug 是是给定输入量给定输入量；电动机的转速；电动机的转速n是系统的是系统的输出量即被控量输出量即被控量，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等，是的变化等，是扰动输入量扰动输入量。 可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控制。可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控制。 开环控制系统功能框图开环控制系统功能框图 任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框

6、图表示。构框图表示。2、闭环控制方式：、闭环控制方式： 把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制，把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制，这种系统叫这种系统叫闭环控制系统闭环控制系统。 实际的闭环控制系统，都是以实际的闭环控制系统，都是以负反馈负反馈的形式出现。的形式出现。 明确：为什么要采用闭环控制系统？闭环控制系统有哪些优点？明确：为什么要采用闭环控制系统？闭环控制系统有哪些优点？举例举例3：闭环调速系统：闭环调速系统举例举例4：发电机励磁控制系统发电机励磁控制系统闭环控制系统职能框图闭环控制系统职能框图任何闭环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，

7、均可用下面的结构框任何闭环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。图表示。3、复合控制方式、复合控制方式 开环控制开环控制+闭环控制闭环控制 两种结构：按输入信号补偿两种结构：按输入信号补偿 按扰动信号补偿按扰动信号补偿 1.2 闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成一、基本组成一、基本组成 结构方块图如图所示结构方块图如图所示基本元部件：基本元部件： （1）控制对象控制对象：进行控制的设备或过程。（工作机械）：进行控制的设备或过程。（工作机械） （2）执行机构执行机构：执行机构直接作用于控制对象。（电动机）：执行机构直接作用于控制对象。（电动机） （3）检测装置检测装

8、置：用来检测被控量，并将其转换成与给定量相同的物理：用来检测被控量，并将其转换成与给定量相同的物理 量（测速发电机）量（测速发电机） （4）中间环节中间环节：一般指放大元件。（放大器，可控硅整流功放）：一般指放大元件。（放大器，可控硅整流功放） （5）给定环节给定环节：设定被控量的给定值。（电位器）：设定被控量的给定值。（电位器） （6）比较环节比较环节：将所测的被控量与给定量比较，确定两者偏差量。：将所测的被控量与给定量比较，确定两者偏差量。 （7）校正环节校正环节：用于改善系统性能。校正环节可加于偏差信号与输出信号之间：用于改善系统性能。校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可加

9、于某一局部反馈通道内。前者称为串联校正，后者称为并联校正的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。前者称为串联校正，后者称为并联校正或反馈校正。或反馈校正。二、闭环控制系统的二、闭环控制系统的特点特点 （1）系统输出量直接或间接地参予了对系统的控制作用）系统输出量直接或间接地参予了对系统的控制作用 （2）有负反馈环节，并应用反馈减小或消除误差）有负反馈环节，并应用反馈减小或消除误差 （3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响）当出现干扰时，可以自动减弱其影响 （4）系统可能工作不稳定）系统可能工作不稳定1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类一、按数学描述形式分类一、按数学描述形式分类1线性系统和

10、非线性系统线性系统和非线性系统（1）线性系统）线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。重要性质：满足叠加性和齐次性重要性质：满足叠加性和齐次性（2）非线性系统）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。重要性质：不满足叠加性和齐次性重要性质：不满足叠加性和齐次性注意注意：任何的物理系统都是非线性的，但是在一定条件下可以将某些非线性特性线：任何的物理系统都是非线性的，但是在一定条件下可以将某些非线性特性线性化，近似地用线性微分方程去描述，这样就可以按照线性系统来处理。性化，近似地用线性微分方程去描

11、述，这样就可以按照线性系统来处理。 )(1tXr)(2tXr)(1tXc)(2tXc)()()(21tXtXtXccc)()(1taXtXrr)()(1taXtXcc2连续系统和离散系统连续系统和离散系统（1）连续系统）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。连续系统的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。（2）离散系统）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统

12、。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。散系统。二、按给定信号分类二、按给定信号分类（1）恒值控制系统恒值控制系统 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。（2）随动控制系统随动控制系统 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化，如跟随卫星的雷达天

13、给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化，如跟随卫星的雷达天线系统。线系统。（3）程序控制系统程序控制系统 给定值按一定时间函数变化，如程控机床。给定值按一定时间函数变化，如程控机床。 一、系统的一、系统的暂态过程暂态过程 系统应满足暂态性能要求，当系统给定量或扰动量突然增加，输出量也应变化，如果系统系统应满足暂态性能要求，当系统给定量或扰动量突然增加，输出量也应变化，如果系统没有惯性，则可瞬间达到稳态。但由于系统存在惯性，如电磁惯性、机械惯性，输出量不可能没有惯性，则可瞬间达到稳态。但由于系统存在惯性，如电磁惯性、机械惯性，输出量不可能突变，则系统需一个暂态过程后达到稳态，暂态过程

14、有以下几种情况：突变，则系统需一个暂态过程后达到稳态，暂态过程有以下几种情况： 1单调过程单调过程 2衰减震荡过程衰减震荡过程 3持续震荡过程持续震荡过程 4发散震荡过程发散震荡过程1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 对控制系统的基本要求归纳为对控制系统的基本要求归纳为稳定性、动态特性和稳态特性稳定性、动态特性和稳态特性三个方面。三个方面。二、二、稳定性稳定性 一个处于静止或平衡工作状态的系统，当受到任何输入（给定信号或干扰）作用后，就一个处于静止或平衡工作状态的系统，当受到任何输入（给定信号或干扰）作用后，就可能偏离原有的平衡状态。当作用消失后，系统中的状态和输出都能恢复到原来

15、的平衡状态可能偏离原有的平衡状态。当作用消失后，系统中的状态和输出都能恢复到原来的平衡状态的系统称为稳定的系统。的系统称为稳定的系统。 若作用消失后，系统中的状态和输出发生增幅振荡或单调增长现象的系统称为不稳定系若作用消失后，系统中的状态和输出发生增幅振荡或单调增长现象的系统称为不稳定系统。统。四、四、稳态特性稳态特性 系统在过渡过程结束后，其输出量的状态一般由系统在过渡过程结束后，其输出量的状态一般由稳态特性稳态特性来描述。稳态误差的大小反映来描述。稳态误差的大小反映了系统控制的精度。稳态误差值越小的系统，说明系统的控制精度越高，稳态特性越好。了系统控制的精度。稳态误差值越小的系统，说明系统的控制精度越高，稳态特性越好。三、三、动态