1、自動(dòng)控制原理與應(yīng)用電子工業(yè)出版社課件制作: 劉湘濤 黃大足第1章 自動(dòng)控制的一般概念本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.1 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制原理1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求1.1 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制原理 一、自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)二、自動(dòng)控制原理 三、自動(dòng)控制系統(tǒng)常用術(shù)語一、自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)控制的含義：主體對(duì)客體的某種作用。1、自動(dòng)控制2、系統(tǒng)的定義及基本屬性定義：若干元素為了某種目的有機(jī)地相互結(jié)成的一個(gè)總體。屬性：（1）整體性；（2）各元素之問的關(guān)聯(lián)性；（3）人們把它當(dāng)作系統(tǒng)的目的性。3、自動(dòng)控制系統(tǒng)及基本屬性定義：為了一定的目的，由控制器、被控

2、對(duì)象等部件有機(jī)地聯(lián)結(jié)成的一個(gè)進(jìn)行自動(dòng)控制的總體。屬性：（1）共性：具有系統(tǒng)的基本屬性，即整體性、關(guān)聯(lián)性、目的性。（2）個(gè)性：逐變性，即自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 4、舉例（1）人工控制圖11 人工調(diào)速系統(tǒng)（a）原理圖 (b)方框圖 （2）自動(dòng)控制圖1-2 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng) 原理圖 （2）自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)方框圖圖1-2 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng) 方框圖 圖中用測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓來測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與回送到電位器上的電壓uf有固定的比例關(guān)系：uf=kn 因此，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n可用uf的值表示。為了能將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的期望值和實(shí)際值進(jìn)行比較，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的期望值也必須用一個(gè)電壓來表示。設(shè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的期望值為n

3、r，則表示轉(zhuǎn)速nr的電壓ur為：ur=knr 此電壓通常用一個(gè)電位器給出，稱為給定電壓，或參考電壓。當(dāng)電壓ur與電壓uf反極性連接時(shí)，則得到的電壓差u，將正比例于轉(zhuǎn)速期望值與實(shí)際值之差。u=ur-uf=k(nr-n) （13）u的大小和符號(hào)表示了轉(zhuǎn)速自動(dòng)比較的結(jié)果。u經(jīng)功率放大器放大后，就可使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制了。其自動(dòng)控制過程如下：假設(shè)ur 給定，電動(dòng)機(jī)已在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)受到擾動(dòng)引起轉(zhuǎn)速n下降時(shí)，電壓uf也隨之下降，這時(shí)因給定電壓ur不變，由式（1-3）可知，電壓差u增大，經(jīng)放大，使電動(dòng)機(jī)電樞電壓ud增大，隨著電動(dòng)機(jī)電樞電壓ud增大，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速回升，以恢復(fù)（或接近）原來的轉(zhuǎn)速

4、，從而克服或削弱了擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。 上面我們以電動(dòng)機(jī)為例，說明了對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)控制的基本原理，基于這種原理，只要能自動(dòng)測(cè)量被控量，比較被控量的期望值和實(shí)際值，并能根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，就可以?duì)任何物理量進(jìn)行自動(dòng)控制。自動(dòng)控制的過程是一個(gè)不斷檢測(cè)偏差，糾正偏差的過程。能自動(dòng)地完成上述工作的裝置整體稱為自動(dòng)控制裝置。自動(dòng)控制裝置與控制對(duì)象結(jié)合而構(gòu)成的整體，稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)。二、自動(dòng)控制原理 自動(dòng)控制原理是以自動(dòng)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用數(shù)學(xué)方法對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合的一門科學(xué)。自動(dòng)控制原理揭示的是所有類型或某些類型系統(tǒng)所共有的普遍規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上指出將理論用于工程實(shí)際的途徑

5、。 三、自動(dòng)控制系統(tǒng)常用術(shù)語1、輸入量（激勵(lì)）2、輸出量（響應(yīng)）3、被控制量 4、控制量（控制作用）5、反饋6、干擾（擾動(dòng)）7、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)一、開環(huán)控制系統(tǒng)（前饋控制系統(tǒng)）二、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）一、開環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋控制的系統(tǒng)，即控制器與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。如:開環(huán)狀態(tài)的發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng) .改進(jìn)辦法 將干擾引入控制器，通過控制器的控制作用抵消干擾對(duì)被控對(duì)象的影響,右圖為 帶補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)勵(lì)磁控制系統(tǒng)。 控制規(guī)律： uf=f(ur, iG)結(jié)論 適當(dāng)選擇控制規(guī)律uf=f(ur, iG),可以抵消干擾iG對(duì)系統(tǒng)輸出uG 的影響，

6、從而使uG 只由參考輸入ur確定，這就是按干擾補(bǔ)償?shù)幕舅枷搿?在完全補(bǔ)償?shù)那闆r下，若保持ur等于某一與希望值相對(duì)應(yīng)的數(shù)值，那么系統(tǒng)的輸出uG 也能維持為期望值。 在小型發(fā)電機(jī)上，單純的按補(bǔ)償原理構(gòu)成的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器已有應(yīng)用。 按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)，仍屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，原因是：控制器的輸入中雖然包含了干擾變量，但仍不包含系統(tǒng)的輸出變量。 系統(tǒng)的干擾量往往是很多的，對(duì)其一一補(bǔ)償是困難的，甚至是不可能的。因此無法使系統(tǒng)輸出達(dá)到接近期望值的滿意程度。 二、閉環(huán)控制系統(tǒng)1、定義具有反饋的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。根據(jù)反饋性質(zhì)（正或負(fù)），對(duì)應(yīng)著正反饋系統(tǒng)與負(fù)反饋系統(tǒng)；正反饋系統(tǒng)是不能穩(wěn)定工

7、作的（只含局部正反饋的負(fù)反饋系統(tǒng)例外）. 具體來說，一個(gè)控制系統(tǒng)如果其控制器的信息來源中包含有來自被控對(duì)象輸出端的反饋信息，則稱該系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。2、方框圖3、各部分的作用4、特點(diǎn)5、舉例: 構(gòu)成閉環(huán)的自動(dòng)勵(lì)磁控制系統(tǒng) 圖1-6 構(gòu)成閉環(huán)的自動(dòng)勵(lì)磁控制系統(tǒng)（a）電氣接線圖 (b)系統(tǒng)方框圖（2）自動(dòng)控制(2)控制規(guī)律控制器輸入變量（偏差電壓）：ue=ur-ub 式中ub是與輸出電壓uG成比例的直流電壓，經(jīng)電壓互感器與整流器得到，設(shè)ub=c uG 控制器輸出變量（控制量）：uf控制規(guī)律：uf=f(ue)=f(ur-ub) (3)控制過程設(shè)發(fā)電機(jī)外接負(fù)載電流變化（如iG）則uG ，即： 調(diào)節(jié)的

8、結(jié)果是使誤差uG 不斷減少。(4)系統(tǒng)方框圖 如圖1-6（b）所示。（5）結(jié)論設(shè)控制器為比例型的，即uf=kue而ub與uG 成比例，即ub=c uG (1-7)又設(shè)參考輸入信號(hào)ur 與期望值具有(1-7)相同的比例: ur=c (1-8)以上各式中，k, c為比例系數(shù)。在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)端電壓（輸出電壓）uG 應(yīng)等于或接近期望值，其偏差為: uG =- uG (1-9)根據(jù)式(1-7)，(1-8)的關(guān)系有: ue=ur-ub=c-cuG=cuG (1-10)故可借助于控制器的輸入偏差電壓ue 來評(píng)價(jià)發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出電壓偏差uG的大小 三、閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)的比較1、性能比較 如表1

9、-1所示。2、原因3、進(jìn)一步提高性能的措施采用帶補(bǔ)償環(huán)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)。 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型一、按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)單變量與多變量系統(tǒng) 二、按系統(tǒng)功能分類自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（自鎮(zhèn)定系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服跟蹤系統(tǒng)） 程序控制系統(tǒng) 自適應(yīng)控制系統(tǒng) 三、按系統(tǒng)的物理現(xiàn)象與數(shù)學(xué)模型分類線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)確定型系統(tǒng)與隨機(jī)型系統(tǒng)四、按控制器的實(shí)現(xiàn)方式分類連續(xù)模擬式控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：將控制器用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求一、穩(wěn)：抗干擾能力二、快：反應(yīng)速度 這是指動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短，過渡過程持續(xù)很長(zhǎng)，將使系統(tǒng)長(zhǎng)久地出現(xiàn)大偏差，同時(shí)說明系統(tǒng)響應(yīng)很遲鈍（如圖曲線），既快又穩(wěn)，則過渡過程中被控量偏離給定值小，偏離時(shí)間短，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度高（如曲線）。 三、準(zhǔn)：跟綜能力 圖1-7控制系統(tǒng)的隨動(dòng)動(dòng)過程和抗擾過程 （a）隨動(dòng)動(dòng)過程 (b) 抗擾過程 本章小結(jié) 1、自動(dòng)控