自动控制原理第一课湘潭大学期末复习

1、自动控制理论讲授：阳效良讲授：阳效良出版：华南理工大学出版社出版：华南理工大学出版社作者：高国作者：高国燊燊 余文余文烋烋课程讲授计划课程讲授计划 总计总计6464学时，每章安排一次学时，每章安排一次习题课，上课周数为习题课，上课周数为1 16 6周。周。1. 课程教学目的、任务课程教学目的、任务 在生产过程和科学技术日新月异的在生产过程和科学技术日新月异的飞速发展过程中，自动控制技术起着十飞速发展过程中，自动控制技术起着十分重要的作用，各行各业都离不开自动分重要的作用，各行各业都离不开自动化技术。通过本课程的学习，掌握生产化技术。通过本课程的学习，掌握生产过程自动控制的基本原理和方法，为学过

2、程自动控制的基本原理和方法，为学习后续课程打下基础习后续课程打下基础。 2. 课程特点课程特点 本课程是专业的一门主要技术基础本课程是专业的一门主要技术基础课，它包括经典控制理论和现代控制理课，它包括经典控制理论和现代控制理论的基本知识。本课程要求的数学知识论的基本知识。本课程要求的数学知识较多，因此要求已有较好的高等数学和较多，因此要求已有较好的高等数学和工程数学的基础。工程数学的基础。3. 相关课程及联系相关课程及联系 本课程的先修课为高等数学、线本课程的先修课为高等数学、线性代数、复变函数、积分变换和电路性代数、复变函数、积分变换和电路等。后续课程有过程控制系统，计算等。后续课程有过程控

3、制系统，计算机控制技术与系统，系统辨识机控制技术与系统，系统辨识, ,控制控制系统计算机仿真，自适应控制和模糊系统计算机仿真，自适应控制和模糊控制等。控制等。4. 课程内容课程内容自动控制系统的基本知识；自动控制系统的基本知识；建立自动控制系统的数学模型建立自动控制系统的数学模型;利用稳利用稳 定判据分析系统的稳定性定判据分析系统的稳定性;分析系统的动分析系统的动态性能和稳态性能。态性能和稳态性能。根据给定要求设计控制系统，在控制系根据给定要求设计控制系统，在控制系统的主要元件和结构形式确定的前提下，统的主要元件和结构形式确定的前提下，对系统进行校正。对系统进行校正。了解非线性系统和离散系统的

4、特点和分了解非线性系统和离散系统的特点和分析方法。析方法。6. 6. 辅导答疑辅导答疑 时间：时间： 地点：二教地点：二教6 6楼楼6026027. 7. 成绩考核成绩考核平时成绩：平时成绩：20%20%（作业、平时测验、考勤等）（作业、平时测验、考勤等）考试成绩：考试成绩：80%80%5. 5. 学习方法学习方法 课前预习，课堂理解，课后练习，温故知新；课前预习，课堂理解，课后练习，温故知新； 把握重点，突破难点，注重特点，融会贯通；把握重点，突破难点，注重特点，融会贯通； 重视实践，勤思多练，善于归纳，勇于创新。重视实践，勤思多练，善于归纳，勇于创新。8. 8. 推荐参考书推荐参考书1 1

5、自动控制原理典型题解析及自测试题自动控制原理典型题解析及自测试题 卢京潮，西北工业出版社卢京潮，西北工业出版社2 2自动控制原理自动控制原理360360题李友善，哈尔题李友善，哈尔 滨工业大学出版社滨工业大学出版社3 3自动控制原理常见题型解析及模拟题自动控制原理常见题型解析及模拟题 史忠科，西北工业大学出版社史忠科，西北工业大学出版社4 4自动控制原理鄢景华，哈尔滨工业自动控制原理鄢景华，哈尔滨工业 大学出版社大学出版社第一章第一章 自动控制概论自动控制概论 自动控制的研究意义、研究内容自动控制的研究意义、研究内容 一、一、 自动控制技术的重要性自动控制技术的重要性 1.在国民经济和国防建设

6、中的应用 例例: 现代化的热力发电厂的锅炉锅炉、汽轮机汽轮机和发电机发电机的正常运转；导弹导弹准确地命中目标、人造卫星人造卫星按预定的轨道运行并返回地面；宇宙宇宙飞船飞船能准确地在月球着陆并返回地球。这些都要有很复杂的自动控制系统予以保证才行。2 在工业生产过程中的应用例例：对温度、压力、湿度、流量、频率以及原 料、燃料成分比例等方面的控制。 自动控制技术的应用，不仅使生产过程实现了自动化自动化，极大地提高了劳动生产率劳动生产率和产品质量产品质量，改善了劳动条件，并且在人类征服自然征服自然、探索探索新能源新能源、发展空间技术发展空间技术和改善人民物质生活改善人民物质生活等方面都起着极为重要的作

7、用。 因此，自动控制技术已经成为实现工业工业、农农业业、科学技术科学技术和国防现代化国防现代化必不可少的一门技术。 二、自动控制原理的研究内容二、自动控制原理的研究内容 自动控制原理是一门技术基础课程，主要讲述自动控制原理原理与控制系统设计设计、实验实验等内容。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制原理可分为古典控制理论古典控制理论和现代控制理现代控制理论论两大部分。 1.1.古典控制理论古典控制理论 古典控制理论的内容以传递函数传递函数为基础，研究单单输入-单单输出一类自动控制系统的分析和设计问题。注：这些理论研究较早，现在已经成熟，并且在工程实践中得到广泛的应用。 2 2、 现代控制理论

8、现代控制理论 60年代在古典控制理论的基础上，随着科学技术的发展和工程实践的需要而迅速发展起来的现代控制理论，它的内容主要以状态空间法状态空间法为基础，研究多多输入-多多输出、变参数、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制理论都是这一领域的主要课题。 近年来，由于电子计算机技术和现代应用数学研究的迅速发展，使现代控制理论又在研究庞大的系统工程的大系统理论大系统理论和模仿人类智能活动的智能控制智能控制、生物控制生物控制、模糊模糊控制控制等方面有了重大进展。目前，现代控制理论正随着现代科学技术的发展而日新月异地向前发展着。1-1 1-1 自动控制

9、与自动控制系统的基本概念自动控制与自动控制系统的基本概念 基本概念基本概念自动控制自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器控制器使被控制对象被控制对象或过程过程自动地按照预定的规律预定的规律运行。 下面以水池水位控制系统为例来说明自动控制与自动控制系统的基本概念。图1.1-1 图图1.1-1中对水位水位的控制，可由人工操作实现，其控制的具体过程如下：1) 通过眼睛观察观察水池的实际水位； 2)与要求的水位进行比较比较，得出偏偏差差； 3)根据偏差的大小调节调节进水阀门的开启程度开启程度。 图1.1-2 用自动控制代替人工控制的必要性必要性：劳动量的不允许；精确度、灵敏度的约束。 在自动控

10、制原理中，定义用以完成一定任务的一些部件（或元件）的组合为系统系统。图1.1-2水池水位自动控制系统中，水池是被控制的，叫做系统的被控制对象被控制对象。除了被控制对象之外的各个部分的组合叫做控制器控制器。自动控制装置按其职能职能一般应包括以下几个部分：1）测量元件测量元件：测量测量被控量的实际值或对被控量进 行物理量的变换变换2 2）比较元件比较元件：将测量结果和要求值进行比较，得 到偏差偏差3 3）放大元件放大元件：将微弱的信号作线性放大放大。4 4）执行元件执行元件：由：由控制信号产生控制控制作用，从而使 被控量达到要求值要求值5) 5) 校正元件校正元件：按某种函数规律函数规律变换变换控

11、制信号，以 利于改善改善系统的动态品质动态品质或静态性能静态性能。测量元件测量元件：浮子浮子被控制量被控制量或输出量：输出量：实际水位实际水位；反馈量：反馈量：电位器的输出电压输出电压控制量控制量或输入量：输入量：要求的水位要求的水位干扰输入量干扰输入量：用水量用水量偏差量偏差量：要求水位要求水位与实际水位实际水位之差 为便于研究，把实际的物理系统按信号传递过程画成如图1.1-3所示的方块图。图中的圆叉圆叉号代表比较元件比较元件（比较元件的输出信号等于各输入信号的代数和）。整个控制系统也可用一个大方块图表示，如图1.1-4所示。输入量（扰动作用）输出量输入量（被控量）（给定量）自动控制系统图1

12、.1-4 从图1.1-3可以明显地看出，产生控制作用的关键是偏差信号偏差信号。 负反馈控制原理负反馈控制原理：利用负反馈负反馈得到偏差得到偏差信号（或偏差信号增量），进而产生控制作用，又去消除偏差消除偏差（或偏差增量）的控制原理。 因此，严格地说，自动控制系统是一个力图使控制信号与被控制信号之间保持给定函数给定函数关系的具有能源具有能源和负反馈负反馈的闭环闭环系统。 物理量的表示：控制量用r(t)r(t)表示；被控制量用c(t)c(t)；反馈量用y(t)y(t)表示，偏差量用(t)(t)表示；干扰量用f(t)f(t)表示。前向通道前向通道：从偏差量偏差量到被控制量被控制量的通道。反馈通道反馈通

13、道：由被控制量被控制量到反馈量反馈量的通道。 控制系统的分类:控制系统可以按照多种方式组成。如：1)按给定输入量给定输入量的变化情况反馈控制系统可分成随动系统随动系统、定值调节系统定值调节系统（恒值系统）恒值系统）、和程序控制系统程序控制系统。 2)按信号传递的特点信号传递的特点或系统的结构特点系统的结构特点可分成开环控制系统环控制系统和闭环控制系统闭环控制系统。 3)按描述系统的微分方程微分方程来分类可分成线性系线性系统统和非线性系统非线性系统。 4)按控制作用和时间的关系控制作用和时间的关系可分成连续控制系连续控制系统统和离散控制系统离散控制系统。 上面我们主要结合闭环控制系统说明了自动控

14、制的基本概念并引出了一些常用名词术语。下面我们就来说明开环控制与闭环控制的特点及主要优缺点。 1-2 1-2 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 开环控制开环控制：开环控制是指控制装置与被控制对象之间只有顺向作用顺向作用而没有反向没有反向联系的控制过程。开环系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响。开环控制系统的方块图如图1.2-1所示。 控制器对象或过程控制量被控制量图1.2-1 开环控制系统 开环控制系统举例：自动售货机自动售货机、自动洗衣自动洗衣机机、产品生产自动线产品生产自动线以及交通指挥的红绿灯转交通指挥的红绿灯转换换等。 以电加热炉电加热炉为例说明开环控制系统的控制过程。 E图1

15、.2-2 电加热炉K闭环控制闭环控制：闭环控制是指控制装置与被控制对象之间既有顺向作用顺向作用，又有反向联系反向联系的控制过程。闭环控制是自然界中一切生物控制自身运动的基本规律，也是工程自动控制的基本原理。它可以实现复杂而准确的控制。控制装置被控对象输入信号扰动被控制量-图1.2-3 闭环控制系统闭环控制的典型方块图如1.2-3:图1.2-3中把被控制量(输出量)送回输入端并与输入信号比较的过程称为反馈反馈。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈负反馈；反之，则称为正反馈正反馈。只有按负反馈原理负反馈原理组成的闭环控制系统才能实现自动控制的任务。总结总结：开环控制开环控制结

16、构简单、成本低廉、工作稳定。抗干扰能力弱。闭环控制闭环控制抗干扰能力强，控制精度高，但须解决稳定性问题，选择适当的系统参数，修正偏差。附加内容附加内容 复合控制系统复合控制系统 若要求实现复杂复杂且精度较高精度较高的控制任务，可将开环控制和闭环控制方式适当结合起来，组成一个比较经济且性能较好的复合复合控制系统控制系统。实质上，复合控制是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动作用的顺馈通路顺馈通路，来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对输入信号的补偿装置或对扰动作用的补偿装置组成，分别称为按输入信号补偿输入信号补偿（提供微分作用）和按扰动作用补偿扰动作用补偿（抵消作用）的复合控制系统，如

17、图1.2-4。 补偿装置补偿装置被控对象输入信号输出量控制装置-a）按输入作用补偿按输入作用补偿补偿装置补偿装置被控对象输入信号输出量控制装置-b）按扰动作用补偿按扰动作用补偿扰动扰动 1-3 1-3 控制系统举例控制系统举例 一、一、随动系统随动系统1随动系统的定义随动系统的定义：承受控制信号控制信号为一任任意时间常数意时间常数，其变化规律无法预先予以确定的闭环控制系统。2 举例说明举例说明1 1） 火炮随动系统火炮随动系统原理公式原理公式：u=K1(1-2)= K1 1.3-1 火炮随动系统原理线路图 图中一对自整角机组成测角线路测角线路。自整角发送机转轴的位置由指挥仪指挥仪来控制，此轴为系统的输入轴输入轴。当炮瞄雷达炮瞄雷达已搜索到目标，且目标已进入火炮射程之内时，天线天线随动系统将进入自动跟踪工作状态。这时安装在天线上的数据传递系数据传递系统统，不断地把目标的方位角（俯仰角）方位角（俯仰角）数据传递给指挥仪指挥仪。指挥仪根据当时气候条件气候条件，炮弹在空中飞行的弹道弹道，目标在空中飞行的速度速度、高度高度等数据，并注意到火炮和雷达站二者的方位角（俯方位角（俯仰角）仰角）之差，计算出为了使火炮与目标在空中相遇的火炮炮口的方位角（俯仰角）方位角（俯仰角）应有的数值1（t），这个1（t）就是火炮随动系统的控制信控制信号号。自整角接收机的转子轴