西安科技大学自动控制原理教学同步教程-第一章

1、自动控制原理西安科技大学1.1 自动控制的一般概念 1.2 自动控制系统举例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 自动控制系统的基本要求及其分析 法 主要内容1. 自动控制的基本原理2. 自动控制系统的组成和分类3. 自动控制系统的研究内容和对系统的基 本要求 重重 点点 与与 难难 点点重重 点点1.自动控制系统的基本组成2.开环控制系统、闭环控制系统3.对控制系统的性能要求 难难 点点反馈控制的原理 1.1 自动控制的一般概念1.1.1自动控制自动控制的基本概念的基本概念自动控制（automatic control）是指在没有人经常的直接参与情况下，利用设备或装置使机器、设备或生产过程的某

2、个工作状态或参数，自动按照预定规律运行的过程。 导弹的准确击中目标和导弹的准确击中目标和雷达系统的准确跟踪目标雷达系统的准确跟踪目标 工业机器人1.1.2 自动控制的历史回顾自动控制的历史回顾 自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论四个阶段 1. 胚胎萌芽期（1945年以前） 十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问

3、题 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 1877年产生了劳斯稳定判据 十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机 促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展 十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机 促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制 二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快 飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。 2.经典控制理论时期（1940-1960） 1945年美国人Bode “网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础，50年代

4、趋于成熟。 主要内容 对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等 3.现代控制理论时期（50年代末-60年代初） 空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上天 Kalman “控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础 解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题4.大系统和智能控制时期 （70年代） 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例如人工智能、模拟人的人脑功能、机器人等。1.1.3 自动控制系统的基本控制方式 （1）按信号传送的特点或系统的结构特点分为：开环和闭

5、环控制系统。 开环控制系统：输出量对系统的控制作用无任何影响。扰动控制系统是开环控制系统。 闭环控制系统：负反馈偏差控制系统。偏差控制系统是闭环控制系统。（2）按控制作用产生的原因分为：扰动控制系统和复合控制系统。 扰动控制系统：控制作用由扰动产生，不构成闭环。 复合控制系统：同时具有开环结构和闭环结构或同时具有偏差和扰动产生作用的控制系统。原理图方块图guM功放au+-+-n1. “转速控制系统”之“开环控制系统”功放 电动机n扰动负载guau工作原理 将电压ug经功率放大后获得ua，由ua驱动电动机旋转。 ua和n具有一一对应的关系，如当ug=ug1，n=n1。但是，当电动机的负载改变时，

6、ug = ug1时，可能n=n1+ n，也就是说，ug和n的关系是不准确的。开环系统的输出易受到扰动的影响而无能为力。图1-12. “转速控制系统”之“闭环控制系统”guMau+n-测速装置功放 电动机n测速装置比较点功放-eu负载扰动fugueuau工作原理 当负载扰动变化时（如变大），则n , , ,n 。可见，该系统可以自动地进行转速调节，以减小或消除偏差 。fufgeuuueu图1-2guMau+n-比较器功放i负载干扰n-功放电动机guaububu补偿装置3.“转速控制系统”之“扰动控制系统” 若转速的变化主要由负载干扰引起的，并且负载干扰可测，则可以形成如下图所示的扰动控制系统。注

7、意 一个补偿装置只能补偿一个与之相应的扰动，对于其他的扰动则不起作用。本图可以补偿由负载扰动引起的电动机转速n的变化。扰动控制属开环控制。图1-3 右上图中，1是放大器，2是功放，3是电动机，4是测速装置，5，6是扰动通道传递函数。4. “转速控制系统”之“复合控制系统” 该图由扰动控制（开环控制）和偏差控制（闭环控制）组成。扰动控制补偿负载干扰的影响，偏差控制补偿其他因素产生的偏差。guM+n-功放i测速装置-放大器放大器321564n-负载干扰fueubuaugueubufuau图1-41.1.4 自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成 自动控制的任务自动控制的任务利用控制器操纵受控

8、对象，使其被控利用控制器操纵受控对象，使其被控量按技术要求变化。若量按技术要求变化。若r(t)给定量，给定量，c(t)被控量，被控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足c(t) r(t)。自控系统的组成如。自控系统的组成如1-5图所示。图所示。串 联 校 正放 大执 行受 控 对 象反 馈 校 正测 量输入量输入量输出量输出量图图15 自动控制系统的组成自动控制系统的组成1.给定元件（给定装置） 能够给出与期望被控量对应的系统输入量（参考量、输入信号、给定值）的元件。2.比较元件 常用“”符号表示。能够完成各输入量的代数和运算，一般将给定值与反馈值

9、进行比较，输出为两者只差，相当于加法器。3.控制元件 能够对输入信号进行放大、转换和运算，产生系统所需要控制信号的装置。4.执行元件 能够按照控制信号执行控制作用，驱动被控对象，使被控量按照预定规律运行的装置或设备。5.反馈元件 能够将被控量进行测量并转换成与输入信号相同量纲的装置或元件。6.被控对象 被系统控制的，能够完成预定动作和任务的机械、设备或过程。1.2 自动控制系统举例 1.2.1 恒值控制系统恒值控制系统 给定值不变。由于扰动的存在，将使被控量偏离定值。控制系统能自动地根据偏差产生控制作用，使被控量恢复到给定值。如电炉温度控制系统 。图1-6 1.2.2 程序控制系统程序控制系统

10、 程序控制系统要求被控量按照预期设定的程序或某种规律变化，系统输入信号是预先设定好的预期运行规律。例如矿井提升机控制系统、电梯控制系统、自动化流水线控制系统、过山车控制系统等等。图1-7 矿井直流提升机控制系统方框图 1.2.3 随动控制系统随动控制系统 给定值是预先未知的随时间任意变化的函数。控制系统能够使被控量以尽可能小的误差跟随给定值。随动系统也能克服各种扰动的影响，但一般来说，扰动的影响是次要的 。图1-8 摇臂自动调高控制系统方框图 1.3 自动控制系统的分类1.3.1 按数学模型分：线性和非线性控制系统。1.3.2 按控制作用和控制时间分：连续控制系统和离散控制系统1.3.3 按照

11、系统输入信号变化规律的不同分：随动控制系统和恒值控制系统 1.4 自动控制系统的基本要求及其分 析法1.4.1 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求 可以归结为系统的稳定性、快速性和准确性，即稳、准、快的要求。 稳：要求系统是稳定的，不稳定的系统不能正常使用； 准：稳态误差要小； 快：瞬态响应快，超调量小，调节时间短。1.4.2 自动控制系统的分析方法自动控制系统的分析方法 系统的分析 所谓系统的分析，是在已知系统结构和参数情况下，确定系统的稳态和动态性能以及分析系统的抗干扰能力。系统的设计 所谓系统的设计，是按照给定的控制任务，设计一个满足稳态和动态性能要求以及抗干扰性能要求的控制系统，并确定其结构和参数。本章小结本章小结 自动控制和自动控制系