自動(dòng)控制原理鄢景華版第一章概要成績(jī)構(gòu)成48學(xué)時(shí)（3學(xué)分）考試（70%）作業(yè)（20%）平時(shí)（10%）第一章自動(dòng)控制概論1-1自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1-2自動(dòng)控制的基本方式1-3典型控制系統(tǒng)1-4控制系統(tǒng)的組成和對(duì)控制系統(tǒng)的要求1765年，瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，用離心式調(diào)速器控制蒸氣機(jī)1948年，維納《控制論－或關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)》產(chǎn)生40－60年代經(jīng)典控制理論（頻域法為主）60－70年代現(xiàn)代控制理論（時(shí)域法為主)70年代以后大系統(tǒng)控制理論自動(dòng)控制：

在沒有人直接參與的情況下，采用控制裝置或機(jī)械使被控制對(duì)象達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。1-1自動(dòng)控制基本概念發(fā)展簡(jiǎn)史：自動(dòng)控制研究的內(nèi)容：經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論主要研究對(duì)象:對(duì)單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題?，F(xiàn)代控制理論主要研究對(duì)象:多輸入、多輸出、時(shí)變參數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。研究對(duì)象數(shù)學(xué)工具分析方法局限性經(jīng)典控制理論單I/O線性定常系統(tǒng)微分方程，傳遞函數(shù)時(shí)域法頻域法根軌跡法對(duì)復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時(shí)變和非線性系統(tǒng)無(wú)能為力現(xiàn)代控制理論多輸入-多輸出變系數(shù)，非線性等系統(tǒng)線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摖顟B(tài)空間法比較繁瑣（但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，已克服)通常，在自動(dòng)控制技術(shù)中，把工作的機(jī)器設(shè)備稱為被控對(duì)象，把表征這些機(jī)器設(shè)備工作狀態(tài)的物理參量稱為被控量，而對(duì)這些物理參量的要求值稱為給定值或希望值（或參考輸入）。則控制的任務(wù)可概括為：使被控對(duì)象的被控量等于給定值。返回子目錄舉例說(shuō)明控制系統(tǒng)概念下面通過具體例子來(lái)說(shuō)明自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念控制器氣動(dòng)閥門流入Q1浮子水箱流出Q2H水位自動(dòng)控制系統(tǒng)控制任務(wù)：維持水箱內(nèi)水位恒定；控制裝置：氣動(dòng)閥門、控制器；受控對(duì)象：水箱、供水系統(tǒng)；被控量：水箱內(nèi)水位的高度；9給定值：控制器刻度盤指針標(biāo)定的預(yù)定水位高度；測(cè)量裝置：浮子；比較裝置：控制器刻度盤；干擾：水的流出量和流入量的變化都將破壞水位保持恒定；自動(dòng)控制即沒有人直接參與的控制，其基本任務(wù)是：在無(wú)人直接參與的情況下，只利用控制裝置操縱被控對(duì)象，使被控制量等于給定值。自動(dòng)控制系統(tǒng)：指能夠完成自動(dòng)控制任務(wù)的設(shè)備，一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。由此可見：人工控制和自動(dòng)控制油汀暖氣片的溫度控制TCTT減溫器溫度測(cè)量冷水過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)HTHC差壓變送器液位調(diào)節(jié)器執(zhí)行器儲(chǔ)罐液位控制閉環(huán)控制1-2自動(dòng)控制的基本方式開環(huán)控制復(fù)合控制一、開環(huán)控制控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。溫度計(jì)

加熱電阻絲u~220Vk爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)開關(guān)閉合后，不同的輸入電壓u對(duì)應(yīng)于不同的溫度t。給定值輸出量典型開環(huán)控制的方框圖控制器被控制對(duì)象擾動(dòng)輸出量

受控對(duì)象控制裝置

(電源)輸入量(溫度)擾動(dòng)量開關(guān)電爐恒溫箱加熱電阻絲爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖控制方式：按給定值操縱。信號(hào)由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對(duì)應(yīng)一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。對(duì)于工作過程中受到的擾動(dòng)或特性參數(shù)的變化無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動(dòng)信號(hào)較弱的場(chǎng)合.開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：信號(hào)從輸入到輸出無(wú)反饋,單向傳遞.

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.

控制精度不高,無(wú)法抑制擾動(dòng).例:

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)。

輸出量對(duì)輸入量沒有影響的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)

二、閉環(huán)控制圖示:人工電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋控制任務(wù)：保持工作機(jī)械恒速運(yùn)行.控制過程：反饋：

輸出量送回至輸入端并與輸入信號(hào)比較的過程負(fù)反饋：

反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減而使偏差越來(lái)越小典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖閉環(huán)控制:

是指控制器與控制對(duì)象之間既有順向作用有反向聯(lián)系的控制過程。特點(diǎn):

輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要開環(huán)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當(dāng)輸入信號(hào)和擾動(dòng)能預(yù)先知道時(shí)，控制效果較好。缺點(diǎn)：不能自動(dòng)修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來(lái)的未知擾動(dòng)對(duì)控制精度影響較大。閉環(huán)優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差，控制精度高。

缺點(diǎn)：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。三、開環(huán)控制與反饋控制的比較主反饋

—與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系，但量綱與給定信號(hào)相同；偏差

—給定信號(hào)與主反饋信號(hào)之差的信號(hào)；控制單元

—接受偏差信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換與運(yùn)算，產(chǎn)生期望的控制量；擾動(dòng)

—對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)；反饋環(huán)節(jié)

—檢測(cè)輸出信號(hào)并轉(zhuǎn)換與給定輸入信號(hào)相同量綱的信號(hào)。四、閉環(huán)控制系統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)和定義輸出量環(huán)節(jié)名稱（或特性）輸入量(a)(b)(c)c引出點(diǎn)cc閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

方框圖的組成：

擾動(dòng)

(-)re=r-b

b被控量偏差信號(hào)

(-)

參考輸入信號(hào)r(t)

調(diào)節(jié)器(或控制器)u(t)受控系統(tǒng)e(t)

c(t)反饋信號(hào)

控制量給定

控制環(huán)節(jié)

放大

元件

執(zhí)行

機(jī)構(gòu)

受控

對(duì)象

反饋裝置

(測(cè)量元件)方框圖中各符號(hào)的意義

元部件方框（塊）圖信號(hào)（物理量）及傳遞方向中的符號(hào)比較點(diǎn)引出點(diǎn)表示負(fù)反饋擾動(dòng)(b)方框圖(-)utug給定裝置放大器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋裝置觸發(fā)器晶闡管可控整流器控制裝置受控對(duì)象nueudo五、復(fù)合控制

它是把按偏差控制與按擾動(dòng)控制結(jié)合起來(lái)，對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制，同時(shí)再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差。電動(dòng)機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖按擾動(dòng)補(bǔ)償輸入信號(hào)

(-)

電壓放大器功率放大器

電動(dòng)機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓放大器電阻RugueutMCn控制系統(tǒng)的組成(1)

被控對(duì)象控制系統(tǒng)測(cè)量元件比較元件

控制裝置

放大元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)校正裝置給定元件控制系統(tǒng)的組成(2)

也稱定值系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)的參考輸入信號(hào)為恒定的常量。在實(shí)際工程中給定值一般不變化或變化很緩慢，而擾動(dòng)可隨時(shí)變化的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中，這類系統(tǒng)非常多。例如，冶金部門的恒溫系統(tǒng)，石油部門的恒壓系統(tǒng)等。1-3典型控制系統(tǒng)恒值系統(tǒng)：例1爐溫控制系統(tǒng)

爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖(-)utug擾動(dòng)

給定裝置

放大器

電動(dòng)機(jī)

轉(zhuǎn)速反饋裝置

觸發(fā)器

晶闡管可控整流器控制裝置受控對(duì)象n(b)方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc(a)原理圖+

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)方框圖例2轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)例3水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)的給定值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定的時(shí)間函數(shù)。例如，火炮系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)等。隨動(dòng)系統(tǒng)：例:一位置隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理圖?？刂迫蝿?wù)：要求工作機(jī)械能夠跟隨指令機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動(dòng),即要使工作機(jī)械的角位置跟隨給定指令轉(zhuǎn)角，亦即使：

首先確定以下基本問題：（1）受控對(duì)象:工作機(jī)械；（2）被控量:角位置；（3）指令轉(zhuǎn)角:給定值；（4）測(cè)量元件:通過兩個(gè)相同的電位計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)角，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓；（5）計(jì)算比較:兩個(gè)測(cè)量電位計(jì)的橋式連接，即完成了減法運(yùn)算，兩電刷之間的電壓代表了被控量對(duì)給定量的誤差；（6）執(zhí)行機(jī)械:電機(jī)減速裝置。系統(tǒng)的工作原理：

如果工作機(jī)械轉(zhuǎn)角等于指令轉(zhuǎn)角，則經(jīng)事先整定，即電機(jī)不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)指令轉(zhuǎn)角改變，隨之改變，而工作機(jī)械仍處于原位，則從而使電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)工作機(jī)械朝所要求的方向快速偏轉(zhuǎn)，直至電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時(shí)系統(tǒng)在新的位置上處于與指令同步的平衡工作狀態(tài)，即完成了跟隨的任務(wù)。穩(wěn)定性

被控制信號(hào)能跟蹤已變化的輸入信號(hào)，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)，如果能做到，我們就認(rèn)為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這是對(duì)反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求。在單位階躍信號(hào)作用下，控制系統(tǒng)的過渡過程曲線如下圖所示。將那些輸出最后趨于穩(wěn)定值的，稱為穩(wěn)定系統(tǒng)；而那些不能達(dá)到平衡狀態(tài)的，稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求.穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)

(a)、(b)單調(diào)收斂；(c)振蕩發(fā)散；(d)、(e)振蕩收斂；(f)等幅振蕩。穩(wěn)定性

系統(tǒng)在受到擾動(dòng)作用后自動(dòng)返回原來(lái)的平衡狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用（系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外）后，能自動(dòng)返回到原來(lái)的平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)特征是其輸出量具有非發(fā)散性；反之，系統(tǒng)是不穩(wěn)定系統(tǒng)。1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求快速性

對(duì)過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。

動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短，過程時(shí)間持續(xù)很長(zhǎng)，將使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)大偏差，同時(shí)也說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)很遲鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的信號(hào)過程2過程1準(zhǔn)確性

用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。自動(dòng)控制原理研究的內(nèi)容本章小結(jié)1-1自動(dòng)控制的相關(guān)概念1-2自動(dòng)控制的基本方式開環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制1-3典型控制系統(tǒng)恒值系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)1-4對(duì)于自動(dòng)控系統(tǒng)的要求穩(wěn)定性快速性準(zhǔn)確性1.日常生活中有許多開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，試舉幾個(gè)具體例子，并說(shuō)明它們的工作原理。？2．如題圖1-2（a）、（b）所示兩水位控制系統(tǒng)，要求

畫出方塊圖（包括給定輸入量和擾動(dòng)輸入量）；

分析工作原理，討論誤差和擾動(dòng)的關(guān)系。