电子课件-《自动控制技术》-B02-4260 第一章 自动控制的基本概念
自动控制技术
第一章自动控制技术的概述§1.1 自动控制的基本概念所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（简称控制器）使整个生产或工作机械（称为被控对象）自动地按预先规定的规律运行，或使它的某些物理量（称为被控量）按预定的要求变化。
在工业生产过程或生产设备运行中，为了维持正常的工作条件，往往需要对某些物理量（如温度、压力、流量、液位、电压等）进行控制，使其尽量维持在某个数值附近或使其按一定规律变化。
要满足这种需要，就得对生产机械或设备进行及时的操作和控制，以抵消外界的扰动和影响。
这种操作和控制，既可用人工操作来完成，又可用自动装置的操作来实现，前者称为人工控制或手动控制，后者称为自动控制。
下面以水位控制为例来介绍人工控制和自动控制。
§1.1.1 人工控制人通过控制阀门的开度达到控制水位的目的。
这种人工调节过程可归纳为：（1）通过测量元件（刻度标尺），观测出水箱中的实际水位（被控量）；（2）将实际水位与要求的水位值（给定值）相比较，得出两者偏差；（3）根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度。
当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。
由此可见，人工控制的过程就是测量、求偏差、实施控制以纠正偏差的过程。
也就是检测偏差并用以纠正偏差的过程。
§1.1.2 自动控制对于这样简单的控制形式，如果能找到一个控制器代替人的大脑，那么这样一个人工控制系统就可变成一个自动控制系统了。
如图1.2所示就是一个自动控制系统。
浮子—测量作用；连杆—比较作用；放大器、伺服电机和减速器—调节作用；阀门—执行元件的作用阀门的开度由电位器电压控制，浮子为实际水位的测量装置，当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。
第1章自动控制的基本概念
第1章自动控制的基本概念在一般工业生产过程中，对压力、温度、流量、液位、功率和频率的控制，以及原料和燃料成分比例的控制等，如果单靠人工控制，许多情况下难于或根本不可能满足要求，因而自动控制成为生产过程中的重要组成部分。
所谓自动控制，是指在没有人参与的情况下，利用控制器的作用使生产过程或被控对象的一个或多个物理量，能维持在某一给定水平或按照期望的规律变化。
自动控制技术的广泛应用，不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了生产效率，同时也减轻了人们的劳动强度。
更重要的是一些对人有毒、有害的生产过程或由于各种原因人根本不能靠近的设备和对象采用了自动控制，解决了在这样的特殊环境下的控制难题。
例如，放射性对人体是有害的，核反应堆运行过程中，在其周围有强度很高的放射性，人们是不可能接近它的，所以反应堆运行过程中的所有物理参数的测量和控制都是靠自动控制系统自动完成的。
压水堆核电厂中主要的控制系统有：反应堆功率（中子通量密度水平）控制、一回路压力控制、稳压器液位控制、蒸汽发生器液位控制、蒸汽排放控制和核电厂负荷控制等等。
1.1 自动控制的基本术语为了便于理解有关控制的基本思想、理论基础，进一步掌握控制系统的组成、作用及功能等，本节将简要地介绍一些主要术语。
·手动控制被控量在运行中总要经常受到许多因素的影响而偏离所要求的值，因此运行人员就要根据观察随时加以控制为手动控制也称为人工控制。
·自动控制采用机械或电气等装置来代替人的控制，就是自动控制。
自动控制没有人的参与。
·控制对象被控制的设备或生产过程为控制对象或被控制过程。
在核电厂中，功率控制系统中的反应堆动力装置为控制对象。
·被控制量被控制量也称为被调量，为控制对象的输出量。
表征生产过程是否符合规定工况的物理量，例如反应堆的功率，稳压器的水位、压力等。
·给定值希望被控制量应该具有的量值称为给定值或目标值。
给定值可以是常量也可以是随时间任意变化的量。
自动控制的基本概念学习教材PPT课件
反馈 环节
图1.9 计算机控制系统
1.2.4 定常系统与时变系统
如果控制系统的结构、参数在系统运行过程中不随时 间变化，则称为定常系统或者时不变系统，否则，称 为时变系统。
1.2.5 SISO系统和MIMO系统
按照输入信号和输出信号的数目，可分为单输入单输 出（SISO）系统和多输入多输出（MIMO）系统。
1.3 对控制系统性能的基本要求
扰动 参考输入 控制器 控制量 被控 被控量 对象
图1.6 开环控制系统
2. 闭环控制系统或反馈控制系统
如果系统的被控量直接或间接地参与控制，这 种系统称为闭环控制系统或更直接地称为反馈控制系 统。 反馈控制系统的控制原理如图1.7所示。
扰动 参考输入 控制器 控制量 被控 被控量 对象
定义
反馈 环节 图1.7 反馈控制系统
叠加原理 在线性系统中，由 n个输入xi(t) (i=1、2……n）
共同产生的输出 y(t) ，等于各个输入 xi(t) 单独产生的输 出之yi (t)和，即：
y(t )
电子课件-《自动控制技术》-B02-4260 绪论
绪论
任何技术设备、工作机械或生产过程都必须按某种要求运行。例如，要想发 电机正常供电，其输出的电压和频率就必须基本保持恒定，尽量不受用电负荷变 化的影响；要使电动机转速恒定，就得根据电压和负载转矩的变化及时控制电动 机，使其转速尽量不受干扰；要使烘烤炉提供优质产品，就必须严格地控制炉温， 使温度保持恒定或按某种规律变化；要使火炮能自动跟踪并命中飞行目标，炮身 就必须按照指挥仪的命令而做相应的方位角和俯仰角的变动；要把数吨重的人造 卫星送入数百公里高空轨道，使其所携带的各种仪器能长期、准确地工作，就必 须保持卫星的正确姿态，使它的太阳能电池一直朝向太阳，无线电发射天线一直 指向地球。所有的这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。
自动控制理论_01自动控制的一般概念讲义
器
放
＋
ub
测速
G 发电
＋
机
－
水
q1(t)
活塞
水箱内部示意图
浮子
h(t)
阀门
q2(t)
水箱原来处于一个平衡状态，q1(t)=q2(t)=0。如果打开阀门， 冲水，冲好后关上阀门，h(t)发生变化，水位下降，△h变大，通 过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开， q1(t)变大，使 △h 变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。
原理：利用对干扰信号的测量产生控制作用，以补偿干 扰对输出量的影响。由于干扰信号经测量装置、控制器 至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控制方 式。常用于机械的恒速控制以及电源系统的稳压、稳频 控制。
按干扰补偿 的原理方框图
测量 控制器
被控 对象
干扰
被控 量
三、按偏差调节的闭环控制
输入
控制器
英国 J. Watt制造出第一台可调速蒸汽机(1788年)。
★经典控制（20世纪前半叶）
基于：战争需求 基本方法：传递函数，根轨迹法，频率特性法 代表人物：维纳、伯德、伊文思
*现代控制(20世纪50年代)
美国MITБайду номын сангаас的Servomechanism Laboratory 研制出第一台数控机床 (1952)；
自动控制的任务，是在没有人直接参与 下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量 等于给定值。
c(t) r(t)
2、自动控制的应用典范
人造地球卫星
无人驾驶飞机
制导导弹 现代的高新技术让导弹长上了 “眼睛”和“大脑”，利用负反馈 控制原理去紧紧盯住目标. 我 国研制的地空导弹 (如右图)
自动控制原理(全套课件)
自动控制原理（全套课件）一、引言自动控制原理是自动化领域的一门重要学科，它主要研究如何利用各种控制方法，使系统在受到扰动时，能够自动地、准确地、快速地恢复到平衡状态。
本课件将详细介绍自动控制的基本概念、控制系统的类型、数学模型、稳定性分析、控制器设计等内容，帮助学员全面掌握自动控制原理的基本理论和方法。
二、控制系统的基本概念1. 自动控制自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象按照预定规律运行的过程。
自动控制的核心在于控制器的设计，它能够根据被控对象的运行状态，自动地调整控制量，使系统达到预期的性能指标。
2. 控制系统控制系统是由被控对象、控制器、传感器和执行器等组成的闭环系统。
被控对象是指需要控制的物理过程或设备，控制器负责产生控制信号，传感器用于测量被控对象的运行状态，执行器则根据控制信号对被控对象进行操作。
三、控制系统的类型1. 按控制方式分类（1）开环控制系统：控制器不依赖于被控对象的运行状态，直接产生控制信号。
开环控制系统简单，但抗干扰能力较差。
（2）闭环控制系统：控制器依赖于被控对象的运行状态，通过反馈环节产生控制信号。
闭环控制系统抗干扰能力强，但设计复杂。
2. 按控制信号分类（1）连续控制系统：控制信号是连续变化的，如模拟控制系统。
（2）离散控制系统：控制信号是离散变化的，如数字控制系统。
四、控制系统的数学模型1. 微分方程模型微分方程模型是描述控制系统动态性能的一种数学模型，它反映了系统输入、输出之间的微分关系。
通过求解微分方程，可以得到系统在不同时刻的输出值。
2. 传递函数模型传递函数模型是描述控制系统稳态性能的一种数学模型，它反映了系统输入、输出之间的频率响应关系。
传递函数可以通过拉普拉斯变换得到，它是控制系统分析、设计的重要工具。
五、控制系统的稳定性分析1. 李雅普诺夫稳定性分析：通过构造李雅普诺夫函数，分析系统的稳定性。
2. 根轨迹分析：通过分析系统特征根的轨迹，判断系统的稳定性。
教学课件 自动控制原理(王春侠)
例如，在工业控制中，若要发电机正常供电，则其输出的电压和频 率必须保持恒定，尽量不受负荷变化的干扰； 若要数控机床加工出高精
度的工件，就必须保证其工作台或刀架的进给量准确地按照程序指令的 设定值变化； 若要使烘烤炉提供优质的产品，就必须严格地控制炉温。
空的轨道，使其所携带的各种仪 器能长期、准确地工作，就必须 保持卫星的正确姿态，使它的太 阳能帆板一直朝向太阳，无线电 发射天线一直指向地球……自动
加重还是减轻，转盘实际转速n总是维持在期望值n0附近。
• 图1-9 按扰动控制的直流电动机速度开环控制系统
这种按干扰补偿的开环控制 系统是直接从扰动取得信息并据 以改变被控量，因此它只适用于 扰动量是可测量的场合。而且一 个补偿装置只能补偿一个扰动因 素，对于不可测干扰以及被控对 象、各功能部件内部参数变化对 被控量的影响，系统自身是无法 控制的。按干扰补偿的开环控制 适用于存在强干扰且变化比较剧
• 图1-5 按给定值操纵的电炉炉温开环控制系统
控制器，直流电动机是执行器， 转速的给定值n0由电位器滑动端 给出，该系统方框图如图1-6(b) 所示。根据控制要求，把电位器 滑动端固定在对应于n0的位置， 闭合电源E，电位器就给出确定 的电压Ur，Ur经功率放大器输出
• 图1-6 按给定值操纵的转盘转速开环控制系统
2. 按偏差调节的闭环控制 1) 闭环控制系统的基本组成 闭环控制系统的原理方框图 如图1-10所示，从系统输入量到 输出量之间的通道称为前向通道；
从输出量到反馈量之间的通道称 为反馈通道。
• 图1-10 闭环控制系统原理方框图
环，并按偏差产生控制作用，用 以减小或消除偏差的控制系统称 为闭环控制系统或反馈控制系统。 ห้องสมุดไป่ตู้环控制可自动调节被控量因干 扰和内部参数变化而引起的变动。 在反馈控制系统中，如果反馈信 号的作用是加强输入信号的作用，
自动控制原理第一章自动控制的基本概念
为了解决生产实际中的问题，推动了控制论的形 成和发展。随着科技的进步，她所起的作用也越来越 大。
试问：没有自动控制，现在的社会会是一个什么样子？
《自动控制原理》课程的基本任务: 获得自动控制系统的基本理论 掌握系统的基本分析方法 为设计自动控制系统打下一定的基础 为进一步的学习和研究控制理论创造条件
水箱
h
流出
图1.2 液面人工控制
1.1.2 自动控制的定义及基本职能元件
1.自动控制的定义
自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象 （或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。
流入
h
控制器
浮子 水箱
当出水与进水的平衡被 破坏时，水箱水位下降 (或上升)，出现偏差。这 偏差由浮子检测出来， 自动控制器在偏差的作 用下，控制阀门开大(或 流出 关小)，对偏差进行修正， 从而保持液面高度不变。
1.2.3 开环与闭环控制系统的比较
闭环系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内 部系统的参数变化均相当不敏感。这样，对于给定的控制对象，有可能 采用不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统。在开环情况下， 就不可能做到这一点。
从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建造，因为对开环系 统来说，不存在稳定性的问题。但是在闭环系统中，稳定性则始终是一 个重要问题。因为闭环系统可能引起过调误差，从而导致系统做等幅振 荡或变幅振荡。
通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输
入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。
2.附加扰动输入补偿 该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起
到对扰动影响“防患未然”的效果。
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第一章 自动控制的基本概念
在直流电动机转速开环控制系统中，加入一台测速发电机，并对电路稍作改 变，便构成图示的直流电动机转速闭环控制系统。
测速发电机由电动机同轴带动，用于测量电动机的实际转速n（即系统的输出 量），然后转换成电压uf，再反送到系统的输入端，与给定值（即系统的输入量） 进行比较，从而得出电压ue = ugd - uf 。由于该电压能间接地反映出误差的性质 （即大小和正负方向），通常称之为偏差信号，简称为偏差。偏差ue经放大器放 大成ua后，作为电枢电压控制电动机转速n之用。
第一章 自动控制的基本概念
二、自动控制系统中常用的名词术语
系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式组合而成，以 完成某种自动控制任务的有机整体。
输入信号：系统的输入信号又称为参考输入，通常是指给定值，它是控制着 输出量变化规律的指令信号。
输出信号：系统的输出信号是指被控对象中要求按某种规律变化的物理量， 又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。
第一章 自动控制的基本概念
一、人工控制
如图所示为一个人工控制水位保持恒定的供水系统。
人工控制的水位系统
第一章 自动控制的基本概念
操作步骤是： （1）将水位的要求值（期望水位值）牢记在操作者的大脑中。 （2）通过眼睛和测量工具测量出水池的实际水位。 （3）将期望水位与实际水位进行比较、计算，从而得出误差值。 （4）按照误差的大小和正负性质由大脑指挥手去正确地调节进水阀门。所谓 正确调节，是要按减小误差的方向来调节进水阀门的开度。
方块图清楚表明：由于采用了反馈回路，致使信号的传送路径形成闭合环路， 使输出量反过来直接影响控制作用。这种通过反馈回路使系统形成闭合环路，并 按偏差ue的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差的控制系统，称为闭环控制 系统，或称为反馈控制系统。
第一章 自动控制的基本概念
直流电动机转速闭环控制系统方块图
第一章 自动控制的基本概念
自动控制系统的特征有： （1）在结构上，系统必须具有反馈装置，并按负反馈的原则组成系统。采用 反馈，就可不断检测被控制量，并将其变换成与输入量相同的物理量，再反馈到 输入端，以便与输入量进行比较。采用负反馈的目的是要求得偏差信号。 （2）由偏差产生控制作用。具体而言，系统必须按照偏差的性质（大小、方 向）进行正确的控制，故系统中必须具有执行纠偏任务的执行机构。 （3）控制的目的是力图减小或消除偏差，使被控量尽量接近期望值。
第一章 自动控制的基本概念
直流电动机转速闭环控制系统
第一章 自动控制的基本概念
直流电动机转速闭环控制系统可用图示的方块图来表示。通常将从系统输入 量至输出量之间的信号传输通道称为前向通道；从输出量至反馈信号之间的信号 传输通道称为反馈通道。方块图中用符号“ ”表示比较环节，其输出量等于 各个输入量的代数和。因此，各个输入量均须用正负号表明其极性。
第一章 自动控制的基本概念
较完善的水位自动控制系统
第一章 自动控制的基本概念
本控制系统的优点是无论出水量多或少，自动控制的结果总是使实际水位的
上述的自动控制和人工控制极为相似。自动控制系统只不过是把某些装置有 机地组合在一起，以代替人的职能。上图中的浮子相当于人的眼睛，连杆和电位 器相当于人的大脑，电动机相当于人的手等。由于这些装置负担着控制的职能， 通常称之为控制器。任何一个控制系统，都是由被控制对象和控制器两大部分所 组成。
第一章 自动控制的基本概念
简单的水位自动控制系统
第一章 自动控制的基本概念
自动控制的工作步骤可归纳为： （1）用连杆的长度标定好水位的期望值。 （2）当水位超过或低于期望值时，其水位误差被浮子检测出来，并通过杠杆 作用于进水阀，从而产生控制作用。 （3）按减小误差的方向控制进水阀门的开度。
第一章 自动控制的基本概念
如图所示的系统虽然可实现自动控制，但由于结构简单而存在较大的缺点， 主要表现在被控制的水位高度将随着出水量的变化而变化。出水量越多，水位就 越低，偏离期望值就越远，即误差越大。也就是说，控制的结果，总存在着一定 范围的误差值。产生这种现象的原因可解释如下：当出水量增加时，为了使水位 基本保持恒定不变，就得开大进水阀门，使较多的水流进水池以作补充。要开大 进水阀，唯一的途径是浮子要下降得更多，这就意味着控制的结果是水位要偏离 期望值而降低了。于是整个系统将在较低的水位建立起新的平衡状态。
闭环控制系统的调整过程： 控制的结果就是电动机的转速降落得到自动补偿，使被控量n基本保持恒定。
第一章 自动控制的基本概念
由于闭环控制系统采用了负反馈回路，故系统对来自外部的干扰（如电源电 压波动或变化）有自动补偿作用，而对来自内部的干扰（如元部件本身的参数变 动）的影响不甚敏感。这样就可以选用不太精密的元件去构成较为精密的控制系 统。但是，闭环控制系统也有它的缺点：由于采用反馈装置，导致设备增多，线 路复杂。此外，对于一些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制过程可能变得 很差，甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。
第一章 自动控制的基本概念
由于图中有人直接参与控制，故称为人工控制。在本例中水池中的水位是被 控制的物理量，简称被控量。水池这个设备是控制的对象，简称对象。
人工控制的过程是测量、求误差、控制、再测量、再求误差、再控制这样一 种不断循环的过程。其控制目的是要尽量减小误差，使被控量尽可能地保持在期 望值附近。
第一章 自动控制的基本概念
必须指出，对主反馈而言，只有按负反馈原理组成的闭环控制系统，才能实 现自动控制的功能。若采用正反馈（ 越来越大，最终导致系统无法工作。
由于闭环控制系统具有很强的自动纠偏能力，且控制精度较高，因而在工程 中获得广泛的应用。通常所说的自动调节（控制）系统，就是指带有反馈装置的 闭环控制系统。
扰动信号：简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、能破坏 系统输出规律的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前 者称内部扰动，后者称外部扰动。
§1—5 自动控制系统的分类
第一章 自动控制的基本概念
系统中，只有输入量ugd对输出量n的单向控制作用，而输出量n对输入量ugd却 没有任何影响和联系，即系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，故称这种 系统为开环控制系统。
开环直流电动机转速控制系统可用下图所示的方块图来表示。图中用方块代 表系统中具有相应职能的元件；用箭头表示元件之间信号的传递方向。电动机负 载转矩mfz的任何变动，均会构成对输出量n的影响。换言之对恒速控制系统来说， 作用于电动机轴上的阻力距mfz将对系统的输出起到破坏作用，这种作用称为干 扰或扰动,在图中用一个作用在电动机上的箭头来表示。
第一章 自动控制的基本概念
执行元件——根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期 望值变化。
控制对象——又称被控对象或受控对象，通常是指生产过程中需要进行控制 的工作机械或生产过程。出现在被控对象中需要控制的物理量称为被控量。
图中串联校正元件和并联校正元件是为了改善系统的控制性能而引入的校正 环节。
一个完善的自动控制系统通常是由测量反馈元件、比较元件、放大元件、校 正元件、执行元件以及被控对象等基本环节组成。通常还把图中除被控对象外的 所有元件合并在一起，称为控制器。
直流电动机转速闭环控制系统方块图
第一章 自动控制的基本概念
方块图中主要元件的职能如下： 测量反馈元件——用以测量被控制量，并将其转换成与输入量同类物理量后， 再反馈至输入端以作比较。 比较元件——用来比较输入信号与反馈信号，并产生反映两者差值的偏差信 号。 放大元件——将微弱的信号作线性放大。 校正元件——按某种函数规律变换控制信号，以利于改善系统的动态品质或 静态性能。
§1—2 开环控制
第一章 自动控制的基本概念
控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。 如图所示的他励直流电动机转速控制系统就是一种开环控制系统。它的任务
直流电动机转速开环控制系统
第一章 自动控制的基本概念
工作原理是：调节电位器Rw 的滑臂，使其给出某个给定电压ugd 。该电压经电 压放大和功率放大后成为ua ，再送往电动机的电枢，作为控制电动机转速之用。 由于他励直流电动机的转速n与电枢电压ua成正比（对同一负载而言），因此， 当负载转矩mfz不变时，只要改变给定电压ugd ，便可得到不同的电动机转速n。换 言之， ugd与n具有一一对应的函数关系。
§1—1 人工控制与自动控制 §1—2 开环控制 §1—3 闭环控制 §1—4 自动控制系统的组成 §1—5 自动控制系统的分类
§1—1 人工控制与自动控制
第一章 自动控制的基本概念
在工业生产过程或生产设备运行中，为了维持正常的工作条件，往往需要对 某些物理量（如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等）进行控制，使 其尽量维持在某个数值附近或使其按一定规律变化。要满足这种需要，就得对生 产机械或设备进行及时的操作和控制，以抵消外界的扰动和影响。这种操作和控 制，既可用人工操作来完成，又可用自动装置的操作来实现，前者称为人工控制 或手动控制，后者称为自动控制。
第一章 自动控制的基本概念
开环直流电动机转速控制系统方块图
第一章 自动控制的基本概念
开环控制系统的精度，主要取决于ugd的标定精度以及控制装置参数的稳定程 度,系统没有抵抗外部干扰的能力，故控制精度较低。但由于系统的结构简单、 造价较低，故在系统结构参数稳定、没有干扰作用或所受干扰较小的场合下，仍 会大量使用。
第一章 自动控制的基本概念
二、自动控制
如果找到某种装置可以完全代替人工控制中人所完成的全部职能，人就可以 不直接参与控制，这样的控制方案就称为自动控制。如图所示是水池水位自动控 制系统的一种简单形式。
图中用浮子代替人的眼睛，作为测量水位高低之用；另用一套杠杆机构代替 人的大脑和手，作为计算误差和执行控制操作之用。
反馈信号：取自系统（或元件）输出端并反向送回系统（或元件）输入端的 信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。