〔一〕課程定位本課程是電氣自動(dòng)化類專業(yè)一門必修的專業(yè)主干課程。本課程以自動(dòng)控制原理為理論根底，以自動(dòng)控制系統(tǒng)作為分析對(duì)象，在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的根底上，對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析與改進(jìn)，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的組成、工作原理作了分析。本課程的先修課為?高等數(shù)學(xué)?、?電路與磁路?、?電子電路分析與實(shí)踐?、?電機(jī)與電氣控制?和?電力電子變流技術(shù)?等，同時(shí)也為學(xué)習(xí)?變頻器原理與應(yīng)用?等后續(xù)課程奠定根底?！捕硨W(xué)習(xí)目標(biāo)通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生掌握分析企業(yè)典型自動(dòng)控制系統(tǒng)功能所必須的專業(yè)理論知識(shí)，具有安裝、調(diào)試和維護(hù)現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備等專業(yè)能力，具有良好的職業(yè)道德素養(yǎng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)以及學(xué)習(xí)能力，能夠適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)工作崗位的要求。第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述7/10/2023自動(dòng)控制是在沒(méi)有人的直接干預(yù)下，利用各種控制裝置對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工藝過(guò)程進(jìn)行合理的控制，使之到達(dá)人們所希望的狀態(tài)和性能。自動(dòng)控制學(xué)科由自動(dòng)控制技術(shù)和自動(dòng)控制理論兩局部組成。1.1引言自動(dòng)控制技術(shù)廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、電子、電力、交通運(yùn)輸、航天航空航海、生物工程及管理工程等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。如果生產(chǎn)過(guò)程十分簡(jiǎn)單，需要控制的物理量較少，變化也比較緩慢，此時(shí)采用人工操作，生產(chǎn)也可正常進(jìn)行。但是在龐大而復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程中，需要加以控制的物理量多，變化也快，非人工操作所能勝任，而且某些環(huán)節(jié)生產(chǎn)環(huán)境是高溫或有毒，如石油、化工、冶金生產(chǎn)是在密閉的罐、爐中進(jìn)行的，此時(shí)只有通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)完成。由此可見(jiàn)，自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，能使生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，更為重要的是，一些人們難以或者根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的操作，可以通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)來(lái)完成。自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中起著越來(lái)越重要的作用。自動(dòng)控制理論就是在解決各種自動(dòng)控制技術(shù)問(wèn)題的過(guò)程中逐步形成和開(kāi)展起來(lái)的研究自動(dòng)控制技術(shù)的一門根底理論。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所采用的技術(shù)手段是多種多樣的，可用機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，也可以用電氣方法、液壓方法、氣動(dòng)方法以及它們的組合方法等來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。其中以電氣控制法的應(yīng)用最為普遍，本課程將以電氣控制為主要研究對(duì)象進(jìn)行分析。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)認(rèn)識(shí)控制系統(tǒng)：通過(guò)執(zhí)行規(guī)定的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)給定目標(biāo)的一些關(guān)聯(lián)單元的組合。自動(dòng)控制系統(tǒng)：是在無(wú)人直接參與下可使生產(chǎn)設(shè)備和工藝過(guò)程按期望規(guī)律或預(yù)定程序運(yùn)行的控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)：本課程以自動(dòng)控制原理為理論根底，以自動(dòng)控制系統(tǒng)作為分析對(duì)象，在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的根底上，分析自動(dòng)控制系統(tǒng)(主要是交直流調(diào)速系統(tǒng))的組成、工作原理和自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程。按控制原理的不同，自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出端和輸入端不存在反響關(guān)系，系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制作用沒(méi)有任何影響。這種系統(tǒng)控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用，沒(méi)有反向聯(lián)系。一、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)例如系統(tǒng)的輸出端和輸入端不存在反響關(guān)系，系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制作用沒(méi)有任何影響.輸入量與輸出量之間只有順向作用，沒(méi)有反向聯(lián)系。恒溫箱用于對(duì)系統(tǒng)控制性能要求不高，系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系明確、干擾較小且相對(duì)穩(wěn)定的場(chǎng)合。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn):系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過(guò)程簡(jiǎn)單穩(wěn)定性好，本錢低廉沒(méi)有自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，抗干擾能力差適用范圍：系統(tǒng)的輸入量和輸出量不僅有順向作用，而且輸出端和輸入端之間存在反響關(guān)系，所以稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。二、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)例如n↓→ufn↓→ue＝〔ur—ufn〕↑→uc↑→ud↑→n↑恒溫閉環(huán)控制系統(tǒng)

溫度↑→ufT↑→Δu↓→產(chǎn)生電壓ud→電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)→帶動(dòng)調(diào)壓器滑動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)→ur↓→溫度↓液位自動(dòng)控制系統(tǒng)水位↑→浮子上浮→下觸點(diǎn)閉合→電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)→關(guān)小閥門→水位↓→下觸點(diǎn)斷開(kāi)→電動(dòng)機(jī)停止工作→水位恒定在規(guī)定的范圍內(nèi)。恒張力自動(dòng)控制系統(tǒng)張力↑→滾筒搖臂失去平衡而上移→產(chǎn)生偏角位移量→偏差電壓↑→電制動(dòng)器制動(dòng)力矩↓→張力↓→直到張力到達(dá)平衡。隨動(dòng)系統(tǒng)φ1↑→Δu↑→ud↑→電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)φ2↑→直到φ1

=φ2→Δu=0→ud=0→電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控制的設(shè)備或過(guò)程稱為被控對(duì)象或?qū)ο?；被控制的物理量稱為被控量或輸出量；決定被控量的物理量稱為控制量或給定量；阻礙控制量對(duì)被控量進(jìn)行正?？刂频乃幸蛩胤Q為擾動(dòng)量。給定量和擾動(dòng)量都是自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入量。穩(wěn)定性要求較高控制精度高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件較多，本錢較高抗擾能力強(qiáng)適用范圍廣閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn):總結(jié)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的輸入量和輸出量都存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，只有輸入量對(duì)輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出量不參與系統(tǒng)控制，因而開(kāi)環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有抗干擾能力閉環(huán)控制系統(tǒng)必須有檢測(cè)反響環(huán)節(jié)和比較環(huán)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)正是依靠放大的偏差信號(hào)來(lái)糾正偏差的1.3

自動(dòng)控制系統(tǒng)的根本組成一．系統(tǒng)的組成框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)總是由一些根本元件或單元組成。為了清楚地說(shuō)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成，說(shuō)明各個(gè)環(huán)節(jié)信號(hào)的傳遞情況，把系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)用框圖表示，構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖。二．各組成環(huán)節(jié)3．檢測(cè)反響環(huán)節(jié):用來(lái)檢測(cè)被控制量，并將其轉(zhuǎn)換為與給定量相同的物理量。1．被控對(duì)象:是指要進(jìn)行控制的設(shè)備或過(guò)程。2．執(zhí)行機(jī)構(gòu):直接作用于控制對(duì)象，使被控制量達(dá)到所要求的數(shù)值。執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由傳動(dòng)裝置和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。6．中間環(huán)節(jié):中間環(huán)節(jié)一般是放大元件，將偏差信號(hào)變換成適于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作的信號(hào)。

4．給定環(huán)節(jié):設(shè)定被控制量的給定值的裝置。5．比較環(huán)節(jié):比較環(huán)節(jié)將所檢測(cè)的被控制量與給定量進(jìn)行比較，確定兩者之間的偏差量。自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖,清楚地說(shuō)明了各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系和信號(hào)的傳遞方向。在框圖中各環(huán)節(jié)的信號(hào)傳遞是有方向性的,由輸入端到輸出端從左向右的信號(hào)傳遞通道稱為前向通道；由輸出端到輸入端從右向左的信號(hào)傳遞通道稱為反響通道。閉環(huán)控制系統(tǒng)就是由前向通道和反響通道組成的。1.4

自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類3、隨動(dòng)系統(tǒng)：輸入信號(hào)的變化規(guī)律是預(yù)先不能確定的，并要求被控量精確的跟隨輸入量變化。一、按輸入信號(hào)的變化規(guī)律：1、恒值控制系統(tǒng)：輸入信號(hào)在某種工作狀態(tài)下一經(jīng)給定就不再變化，控制的任務(wù)就是抑制各種干擾因素的影響，使被控量也維持恒定。2、程序控制系統(tǒng)：輸入信號(hào)按預(yù)定的規(guī)律變化，并要求被控量也按照同樣的規(guī)律變化。2、離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中至少有一處信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字量，因此系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律必須用差分方程來(lái)描述。如果用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)采樣和控制，那么稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。二、按系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)特征：1、連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中所有信號(hào)的變化均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)，因此系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用微分方程來(lái)描述。2、非線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中至少有一個(gè)元件的輸入－輸出關(guān)系是非線性的。三、按系統(tǒng)各環(huán)節(jié)輸入－輸出關(guān)系的特征：1、線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)或元件的輸入－輸出關(guān)系都是線性關(guān)系。四、按系統(tǒng)參數(shù)的變化特征：1、定常參數(shù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中所有參數(shù)都不會(huì)隨著時(shí)間推移而發(fā)生改變描述它的微分方程是常系數(shù)微分方程。只要實(shí)際系統(tǒng)的參數(shù)變化不太明顯，一般都視作該系統(tǒng)，絕對(duì)的定常系統(tǒng)是不存在的2、時(shí)變參數(shù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中局部或全部參數(shù)將會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。描述它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要用變系數(shù)微分方程，系統(tǒng)的性質(zhì)也會(huì)隨時(shí)間變化，不允許用此刻觀測(cè)的系統(tǒng)性能去代替另一時(shí)刻的系統(tǒng)性能1.5

對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求系統(tǒng)的穩(wěn)定性：系統(tǒng)在受到外部作用后，其振蕩傾向和能否恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定不穩(wěn)定一、系統(tǒng)的穩(wěn)定性不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無(wú)法進(jìn)行工作的；因此，對(duì)任何自動(dòng)控制系統(tǒng)，首要的條件便是系統(tǒng)能穩(wěn)定正常運(yùn)行。系統(tǒng)穩(wěn)定的重要性：二.系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能輸入量作用于系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)的輸出量不能立即跟隨輸入量發(fā)生變化,而是需要經(jīng)歷一個(gè)過(guò)渡過(guò)程,才能到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),這個(gè)過(guò)渡過(guò)程稱為動(dòng)態(tài)過(guò)程。突加給定信號(hào)系統(tǒng)輸出量的動(dòng)態(tài)過(guò)程用動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)來(lái)描述。控制系統(tǒng)突加給定信號(hào)輸出量的動(dòng)態(tài)過(guò)程〔1〕最大超調(diào)量σ％：最大超調(diào)量是輸出量c〔t〕與穩(wěn)態(tài)值C〔∞〕的最大偏差ΔCmax與穩(wěn)態(tài)值C〔∞〕之比。反映了系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，說(shuō)明系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程越平穩(wěn)?！?〕調(diào)整時(shí)間ts：〔又稱為調(diào)節(jié)時(shí)間〕指系統(tǒng)輸出量與其穩(wěn)態(tài)值之差到達(dá)并且不再超過(guò)規(guī)定的誤差范圍δ所需的時(shí)間，其誤差范圍一般定為δ=(±2％～±5％)C〔∞〕。它反映了系統(tǒng)的快速性能，調(diào)整時(shí)間越小，系統(tǒng)快速性越好。三.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)

系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用又重新進(jìn)入平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差ess。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小表征系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，即系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，那么系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。對(duì)于ess=0的系統(tǒng)，稱為無(wú)靜差系統(tǒng)；而ess≠0的系統(tǒng)，那么稱為有靜差系統(tǒng)。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)a)有靜差系統(tǒng)b)無(wú)靜差系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求σ%反映了系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，ts反映了系統(tǒng)的快速性，而ess反映了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。簡(jiǎn)而言之，我們希望控制系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)、準(zhǔn)、快。在同一控制系統(tǒng)中這些性能指標(biāo)往往是相互矛盾的。這就需要根據(jù)具體控制對(duì)象所提出的要求，對(duì)其中的某些指標(biāo)有所側(cè)重的同時(shí)，又要注意兼顧其它性能指標(biāo)。在考慮提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)的同時(shí)，還要考慮到系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。作業(yè)題答案：控制系統(tǒng)中，合上"開(kāi)門"開(kāi)關(guān)〔"關(guān)門"開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)斷開(kāi)〕，給定電位器便向放大器送出一個(gè)給定電壓信號(hào)。此時(shí)反映大門位置的檢測(cè)電位器向放大器送出一個(gè)反響電壓信號(hào)。這兩個(gè)電壓信號(hào)在