北京航空航天大学自动控制理论课件和习题

1、自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论课程名称课程名称: :自动控制原理自动控制原理B B 先修课程先修课程: :高等数学高等数学, ,大学物理大学物理A,A,电路分析电路分析B B 教教 材材: :自动控制原理自动控制原理( (高教版高教版) )参考教材参考教材:1 孙虎章孙虎章主编主编. .自动控制原理自动控制原理( (修订版修订版).).北京北京: :中央广播电视大学出版社中央广播电视大学出版社,19942 李友善李友善主编主编. .自动控制原理自动控制原理. .北京北京: :国防工国防工业出版社业出版社,1981自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论4胡寿松主编胡寿

2、松主编. .自动控制原理自动控制原理. .北京北京: :国防工业国防工业出版社出版社,1994,19943程鹏主编程鹏主编. .自动控制原理自动控制原理. .北京北京: :高等教育出高等教育出版社版社,2003,2003一、课程目标一、课程目标 课程的目标是获得自动控制方面的课程的目标是获得自动控制方面的基本基本理论理论, ,掌握控制系统的掌握控制系统的基本分析方法和设计基本分析方法和设计方法方法, ,特别是对机械制造自动化系统中有关特别是对机械制造自动化系统中有关控制问题的分析研究方法控制问题的分析研究方法, ,为将来研究设计为将来研究设计这类系统奠定基础这类系统奠定基础 。自动控制原理自动

3、控制原理 第一章第一章 绪论绪论二、课程内容二、课程内容 第一章第一章 绪论绪论控制系统的一般概念控制系统的一般概念第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型第三章第三章 时域分析法时域分析法 第五章第五章 频域分析法频率法频域分析法频率法第六章第六章 控制系统的校正控制系统的校正自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论第四章、复域分析法根轨迹法第四章、复域分析法根轨迹法(自控自控(二二)第七章、采样数据控制系统分析第七章、采样数据控制系统分析(自控自控(二二) 第八章、状态空间分析法第八章、状态空间分析法(自控自控(二二)自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论三、实

4、验课程内容三、实验课程内容 课程开设三个实验课程开设三个实验, ,包括包括: :(1)(1)自动控制系统及其稳定性实验自动控制系统及其稳定性实验; ;(2)(2)自动控制系统元件频率特性测定实验自动控制系统元件频率特性测定实验; ;(3)(3)自动控制系统的动态校正实验。自动控制系统的动态校正实验。学时：学时：6学分：学分：0.5自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论四、考核方式四、考核方式课程考核采用百分制课程考核采用百分制, ,其中平时成绩占其中平时成绩占20%,20%,期末考试成绩占期末考试成绩占80%80%。期末考试采用闭卷。期末考试采用闭卷笔试的方式进行考核。笔试的方式进行

5、考核。 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念自动控制自动控制，是指在没有人直接参与的情况，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置下，利用外加的设备或装置(称为控制器或称为控制器或控制装置控制装置)，使机器、设备或生产过程，使机器、设备或生产过程(统统称被控对象称被控对象)的某个工作状态或参数的某个工作状态或参数(统称统称被控量被控量)自动地按照预定的规律运行。自动地按照预定的规律运行。自动控制系统自动控制系统，能够对被控制对象的工作，能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。状态进行自动控制的系统。第一章第一章 绪

6、绪 论论自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论水位自动控制系统水位自动控制系统自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论一、技术术语一、技术术语1. 被控对象被控对象:是指要求实现自动控制的机器、是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。设备或生产过程。3. 控制器：又称调节器、控制装置，由控制器：又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。控制作用信号于被控对象。2. 被控量：表征被控对象工作状态的的物被控量：表征被控对象工作状态的的物理参量理参量(或状态参量或状态参量)，如转速、压力、温，如转速、压力

7、、温度、电压、位移等。度、电压、位移等。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论4. 给定值或指令信号给定值或指令信号r(t)：要求控制系统按要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。一定规律变化的信号，是系统的输入信号。5. 干扰信号干扰信号n(t)：又称扰动值，是一种对系又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。统的被控量起破坏作用的信号。6. 反馈信号反馈信号b(t)：是指被控量经测量元件检是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。测后回馈送到系统输入端的信号。7. 偏差信号偏差信号e(t)：是指给定值与被控量的差是指给定值与被控量的差值，或指令信号与

8、反馈信号的差值。值，或指令信号与反馈信号的差值。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论二、自动控制的任务二、自动控制的任务控制器被控对象r(t)c(t)在没有人直接参与下，利用控制装置操在没有人直接参与下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量按照给定值的规纵被控对象，使被控量按照给定值的规律变化。或律变化。或( )( )c tr t上式是自动控制任务的数学表达式。上式是自动控制任务的数学表达式。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论三、反馈控制原理三、反馈控制原理在自动控制系统中，被控量是要求严格加以控在自动控制系统中，被控量是要求严格加以控制的物理量；而作为对被控对象施加控

9、制作用制的物理量；而作为对被控对象施加控制作用的控制装置，可以采用不同的原理和方式完成的控制装置，可以采用不同的原理和方式完成赋予的任务。其中，最基本的控制原理就是赋予的任务。其中，最基本的控制原理就是反反馈控制原理馈控制原理。基于反馈控制原理组成的控制系。基于反馈控制原理组成的控制系统被称为统被称为反馈控制系统反馈控制系统。 在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加控制作用，而控制装置接受的信号是取自被控控制作用，而控制装置接受的信号是取自被控量的反馈信息，与给定值相比较生成的偏差，量的反馈信息，与给定值相比较生成的偏差，从而根据偏差值的大小产生控制作

10、用，实现控从而根据偏差值的大小产生控制作用，实现控制任务。制任务。 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论汽车驾驶控制原理框图汽车驾驶控制原理框图 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论四、控制系统的职能方框图四、控制系统的职能方框图 执行被控对象比较、放大给定值测量测量被控量干扰+-控制系统职能方框图控制系统职能方框图 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论控制器控制器应具有三种基本职能，即应具有三种基本职能，即测量测量、比比较较和和执行执行。 1.测量元件测量元件: :用以测量被控量或干扰量用以测量被控量或干扰量

11、 。 2.比较元件比较元件 将测量元件检测到的被控量的将测量元件检测到的被控量的实际值与给定值相比较，计算求出二者间实际值与给定值相比较，计算求出二者间的偏差。的偏差。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论4.4.执行元件执行元件 直接推动被控对象，使被控量直接推动被控对象，使被控量发生变化发生变化 。3.3.放大元件放大元件 将比较元件给出的偏差信号将比较元件给出的偏差信号放大，以驱动执行元件去控制被控对象。放大，以驱动执行元件去控制被控对象。参与控制的信号来自三条通道参与控制的信号来自三条通道: 即给定值、即给定值、干扰量、被控量。干扰量、被控量。自动控制原理自动控制原理 第一章

12、第一章 绪论绪论1.2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式 一、闭环控制一、闭环控制 闭环控制框图闭环控制框图 执行被控对象比较、计算给定值测量被控量干扰+-自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论闭环控制有三大特点：闭环控制有三大特点：信号按箭头传递是信号按箭头传递是封闭的（闭环）封闭的（闭环），负反馈负反馈和和按偏差控制按偏差控制。因此闭环控制也被称作反馈控制、偏差控因此闭环控制也被称作反馈控制、偏差控制。制。 主要优点：控制精度高，抗干扰能力强。主要优点：控制精度高，抗干扰能力强。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论二、开环控制二、开环控制 1. 按给定值控制按给定

13、值控制 执行被控对象计算给定值被控量干扰+开环控制框图开环控制框图自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论特点：特点：控制装置只接受给定值来控制受控控制装置只接受给定值来控制受控对象的被控量。对象的被控量。优点：控制系统结构简单，相对来说成本优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。低。缺点：缺点：对可能出现的被控量偏离给定值对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。差，控制精度不高。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论2.按干扰补偿按干扰补偿 按干扰补偿框

14、图按干扰补偿框图 执行被控对象计算被控量干扰+测量自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论3.3.复合控制复合控制 执行被控对象计算给定值测量被控量干扰+-测量计算复合控制框图复合控制框图 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论 1.3 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求 一、稳定性一、稳定性 稳定性稳定性是保证控制系统正常工作的先决条是保证控制系统正常工作的先决条件。件。对于稳定的控制系统，被控量偏离期望值对于稳定的控制系统，被控量偏离期望值后，经过一段过渡时间后，被控量应

15、恢复后，经过一段过渡时间后，被控量应恢复到原来状态。到原来状态。对于不稳定的控制系统，其被控量偏离期对于不稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的偏差将会越来越大，最终发散望值的偏差将会越来越大，最终发散。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论Otc(t)r(t)12控制系统动态过程曲线控制系统动态过程曲线自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论二、快速性二、快速性 快速性即动态过程进行的时间长短。快速性即动态过程进行的时间长短。过程时间越短，说明系统的快速性越好，过程时间越短，说明系统的快速性越好，过程时间持续越长，说明系统响应迟钝，过程时间持续越长，说明系统响应迟钝，难以实现

16、快速变化的指令信号。难以实现快速变化的指令信号。稳定性和快速性反映了系统的过渡过程稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。的性能。 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论Otc(t)r(t)12控制系统的动态过程控制系统的动态过程自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论三、准确性三、准确性 当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定值（平衡状态），这个稳定值与期望值的值（平衡状态），这个稳定值与期望值的误差，就是系统的误差，就是系统的稳态误差稳态误差。它是衡量系。它是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期统稳态精度的指标，反映了动态过程后期

17、的性能。的性能。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论1.4 自动控制系统示例自动控制系统示例 在分析自动控制系统时，首先应明确下面在分析自动控制系统时，首先应明确下面的一些问题的一些问题: : 1.被控对象是什么？被控量是什么？作用被控对象是什么？被控量是什么？作用在被控对象上的主要干扰信号有哪些？在被控对象上的主要干扰信号有哪些？ 2.通过操纵哪个机构来改变被控量？即确通过操纵哪个机构来改变被控量？即确定执行元件。定执行元件。 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论3.有哪些测量元件，测量的是被控量还是有哪些测量元件，测量的是被控量还是干扰信号？测量元件的确定对分析系统

18、起干扰信号？测量元件的确定对分析系统起关键作用。关键作用。 4.指令信号或给定值是由哪个装置提供指令信号或给定值是由哪个装置提供的？的？ 5.如何实现各信号的综合比较、计算和判如何实现各信号的综合比较、计算和判断偏差？断偏差？ 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论一、涡轮喷气发动机转速控制系统一、涡轮喷气发动机转速控制系统 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论首先应明确：首先应明确：1.被控对象：涡轮喷气发动机被控对象：涡轮喷气发动机2.被控量：涡轮转速被控量：涡轮转速nc3.执行元件：即是改变供油量的机构，系统执行元件：即是改变供油量的机构，系统中与柱塞泵的斜盘以及和

19、斜盘相联接的油缸中与柱塞泵的斜盘以及和斜盘相联接的油缸活塞。斜盘倾角不同，泵在同样转速下供油活塞。斜盘倾角不同，泵在同样转速下供油量就不同。量就不同。4.转速测量：靠离心块（转速传感器）来完转速测量：靠离心块（转速传感器）来完成转速不同，离心块产生的离心力不同，作成转速不同，离心块产生的离心力不同，作用在滑阀上（分油活门）的力的大小就代表用在滑阀上（分油活门）的力的大小就代表了转速的大小。了转速的大小。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论5.转速给定：由油门的位置给定，油门位转速给定：由油门的位置给定，油门位置不同，作用在滑阀上的起始弹簧力也不置不同，作用在滑阀上的起始弹簧力也不同