第一章 自动控制系统概述

自动控制原理

1.1 引言

自动控制概念： 是指在无人直接参与的情况下，利用 控制装置(控制器)使被控对象(如生产过程中的位 移，速度，温度，电力系统中的电压,电流,功率等物理 量，或某些化合物的成分，航空航天中的飞船姿态等) 依照预定的规律进行运动或变化。 这种能对被控对象的工作状态进行控制的系统称为自 动控制系统。它一般由控制装置和被控对象组成

《自动控制原理》是一门技术基础课，它是自动 控制理论的基础课程 ，该课程与其它课程的关系。

自动控制原理 信号与系统复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术 自动控制原理 线性代数 微积分(含微分方程 )

电路理论 电机与拖动

大学物理(力学、热力学 )

课程特点：研究系统的共性

实际 系统

物理

数学模型

方法(系统组成 分析、设计

模型

第一章

1.2 开环控制与闭环控制控制量 控制器 u(t) 被控对象 y(t)

自动控制系统概论

开环系统 给定值 r(t)

被控量

例：直流电动机调速系统 ~

ug优点：简单

nk

ud

缺点：对扰动没有抑制能力

第一章 自动控制系统概论

1.2 开环控制与闭环控制闭环控制

给定值+ 偏差r(t) - e(t)

控制量控制器 被控对象 u(t)

被控量 y(t)

测量元件 负反馈：构成按偏差调节的闭环系统 反映了控制量与被控制量相互间的矛盾,动静性能 得到提高。

第一章

自动控制系统概论

1.2开环控制与闭环控制例：直流电动机调速系统

~ug ub控制量：ud = K (ug-ub) 偏差信号：ug-ub 按偏差调节：n↑→ub↑→( ug-ub)↓→ud↓→ n↓

n k

ud

第一章

自动控制系统概论

1.2开环控制与闭环控制

人工控制与自动控制：水箱水位控制问题

脑 手 眼 执行器

控制器

给定

水位测 量与变 送

水位控制工作原理人工控制：眼、脑、手、水箱+阀门 人脑手 眼 自动控制：传感器、控制器、执行器、水箱+阀门 控制器 执行器 水箱系统 h

水箱系统

h

传感器

典型的自动控制系统方框图参 考 输 入

理想化系统

+

g(t)

_

系统误差

r(t)

参考输入 元件

+

e(t)

_b(t) 主 反 馈

偏 差

控制元件

执行元件

被控对象 被 控 量C(t)

反馈元件

1.3自动控制与自动控制系统

反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈 负反馈：输入信号—反馈信号(输出信号) 输出偏差减小 正反馈：输入信号+反馈信号

反馈控制、闭环控制:按偏差进行控制

一些基本概念

前向通路：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通路 主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路

主回

路：前向通路+主反馈通路内回路：局部前向通路+局部反馈通路 单回路系统、多回路系统 反馈控制系统受到的外部作用 参考(有用)输入：决定系统被控量的变化规律

扰动：系统外部扰动、系统内部扰动

自动控制系统分类对控制系统分类，从不同的观点出发可以 有不同的分类方法，通常可按下列方法 进行划分

线性控制系统和非线性系统 恒值控制系统和随动系统 连续控制系统和离散控制系统 单输入-单输出系统和多输入-多输出系统

线性连续控制系统d d d y (t ) an 1 n 1 y (t ) a1 y (t ) a0 y (t ) n dt dt dt m m 1 d d d bm m u (t ) bm 1 m 1 u (t ) b1 u (t ) b0u (t ) dt dt dt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： 恒值控制系统、随动系统、程序控制系统n n 1

第一章 自动控制系统概述

自动控制系统的设计

最重要、基本的要求：稳定，不能失控，一切其他指标 以稳定为前提。即在扰动作用下，系统不能处于一个相对固 定的状态，如单摆、倒立摆，对线性系统，稳定与否是内在 的、系统内部结构决定的，与输入无关。

1

2 一般要求：响应快，动态过程平稳，跟踪 准确；P7为了实现自动控制的基本任务，必须对系统 在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系 统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的 响应来满足的。例如，用单位阶跃信号的过渡过程 及稳态的一些特征值来表示。

t p 快速性：上升时间 r、峰值时间 t(动态指标)

1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5

、调节时间(稳态指标)ts 进入误差带 平稳性：超调量 M p 、震荡次数； 准确性：即精度要求，动态误差、 稳态误差 ess

3 设计：

a.系统分析，建立模型，分析规律与性能。 b.设计。根据分析确定控制方法： 数字——物理装置 c. 仿真：数字，物理仿真，反复进行 d.实现：制作，调试、重购。

第一章 自动控制系统概述+

杠杆-

阀门 浮子

水面

液位控制实例.

小结：对自动控制系统设计的基本要求稳定性(稳)、快速性(快)、准确性(准) “稳”(动态平稳)与“快”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 ： 系统中储能元件的能量不可能突变。 “准”是说明系统的稳态(静态)品质 稳定性 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，与外部 条件无关。

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快慢

,通常称为“系统动态性能”。 过渡过程时间、超调量

准确性 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。 稳态误差

典型外部输入信号

(1)阶跃函数(信号) (2)斜坡函数(信号) (3)冲激函数(信号)

0 f (t ) R 0 f (t ) R t

t 0 t 0 t 0 t 0

A f (t ) lim [1(t ) 1(t t 0 )] t 0 0 t 0

f (t ) A (t )

f (t ) A (t t 0 )

(4)正弦函数(信号)

f (t ) A sin( t )