自动控制原理与系统

二、系统的稳态性能： 系统从一个稳定状态过渡到新的稳定状态后，会 出现偏差，称为稳态误差ess。ess=0,系统称为无静差 系统。否则称为有静差系统。稳态误差的大小反映了 系统的稳态精度，表征系统的准确程度。
t
0
1
输入r(t)
t
0
1
输入c(t)
1
2
理想的
实际
ess
01
任何实际系统从原平衡状态到达新的平衡状
03
入端，以增强或减弱输入信号的效应。
04
闭环控制系统：
例2.引入闭环控制后的直流电机转速控制系统
电
压
放
大
器
可
控
硅
功
放
负载
△u
k
u
a
u
n
+
M
R
Us
uf
G
方框图
电位器
电压 放大器
可控硅 放大器
直流 电动机
测速机
us
uf
uk
-
n
扰动
ua
转速负反馈的作用：引入测速发电机后，当外来 的电网电压波动使电机的转速发生变化时，测速发电 机会将变化的情况反馈到比较环节，系统作出相应调 节，最终控制转速稳定。
振荡次数 N：指在调整时间内，输出量在稳
性能指标是衡量自动控制系统技术品质的客
01
观标准，也是定货、验收的基本依据。对性能指
02
标的要求，在同一系统中往往相互矛盾；性能指
03
标要求过高，成本会大幅增加；因此要统筹兼顾。
04
建立数学模型
定性分析：弄清工作原理
1-6 研究自动控制系统的方法
定量分析：静、动态指标
2
1-2 开环控制和闭环控制
3
1-3 自动控制系统的组成
1
1-1 引言
6
1-6 研究自动控制系统的方法
5
1-5 自动控制系统的性能指标
4
1-4 自动控制系统的分类
第一章 自动控制系统概述
控制：是使某些物理量按指定的规律变化（包 括保持恒定），以保证生产的安全性， 经济性及 产品质量等要求的技术手段。
线性系统：系统全部由线性元件组成。具有叠 加性和齐次性，可以用线性微分方程来描述。 非线性系统：系统中存在非线性元件。不适用 叠加原理，通常用非线性微分方程来描述。
按系统的输出量和输入量间的关系分类：
定常系统：系统的全部参数不随时间变化。 时变系统：系统中有的参数是时间的函数，它 随时间变化而改变。
*元件排列从左至右，给定元件在最左端，控 制对象在最右端。从左至右的通道称为顺馈通道， 或前向通道。将输出信号引回输入端的通道称为 反馈通道，或反馈回路。 （二）.系统中的各个量： 1.输入量（控制量、给定量）：通常通过给 定元件给出或其他元件转换而来。 2.输出量（被控制量）：自动控制的目标。 3.反馈量：通过检测元件将输出量转变成与 给定信号性质相同数量级相同的信号。
现代控制理论
多输入-多输出变系数，非线性等系统
线性代数、矩阵理论
状态空间法
比较繁琐（但由于计算机技术的的迅速发展，这一局限性已克服)
§1-2 开环控制和闭环控制
一、开环控制系统： 1.定义：输出量与输入量之间没有反向联系， 只靠输入量对输出量单向控制的系统叫开环 控制系统。
控制装置
电压放大器的输入：
1
2
01
负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏
02
差起。——按偏差控制
03
反馈分为正反馈和负反馈。
04
起增强输入信号作用——正反馈。
05
起减弱输入信号作用——负反馈。
06
正反馈不能进行控制，只会使系统的偏差越来越
07
大。
08
只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。
三、开环与闭环系统的比较：
自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之达到预期的状态或性能要求。
基本概念：
1-1 引言
3.自动控制系统：自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的 一些物理量进行自动控制的一个有机整体。 二、自动控制的应用： 锅炉设备的压力和温度自动保持恒定 数控机床按照预定的程序自动地切削工件 导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌 方目标 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收
02
态都要经历一个过渡过程，表征这个过渡过程的
03
指标为动态指标。动态指标有最大超调量 、调
04
整时间ts、振荡次数 N。
05
最大超调量:输出量与稳态值的最大偏差，
06
与稳态值之比。
07
最大超调量反映了系统的动态精度。
08
不同的控制系统，对最大超调量的要求也不
09
同：一般系统， 可为10%-35%；轧钢机初扎，
04
控制理论日趋完善。60年代后控制理论出现分枝，
05
即：经典控制理论和现代控制理论。
06
经典控制理论和现代控制理论比较：
自动控制理论的发展：
研究对象
数学 工具
常用分析方法
局限性
经典控制理论
单输入-单输出线性定常系统
微分方程，传递函数
时域分析法，频域分析法,根轨迹分析法
对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力
1
扰动量（干扰、噪声）：引起输出量发生变化
2
的各种因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫
3
做外扰动，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数
4
的变化，称为内扰动。 中间变量：系统各环节之间的作用量。
按输入量变化的规律分类：
1-4 自动控制系统的分类
一、按输入量变化的规律分类： 1.恒值控制系统：特点：系统的输入量是恒 量，并且系统的输出量响应地保持恒定。如恒温、 水位、恒压控制系统。 2.随动系统：（也叫伺服系统，跟踪系统） 特点：输入量是变化的或是随机的，并且 输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化。 比如：飞机和舰船的操舵ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ统，雷达自动跟踪 系统。 3.过程控制系统：在生产过程中，要求自动
按系统中的参数对时间的变化情况分类：
1-5 自动控制系统的性能指标
自动控制系统的性能 系统的稳定性 稳态性能 动态性能 系统的稳定性： 对任何自动控制系统，首要的条件便是系统 稳定正常运行。 当输入信号突然发生跳变或有扰动时，系统 原有的平衡状态被破坏，通过系统内部的自动调 节，能重新稳定下来的为稳定系统。否则为不稳 定系统。
电
压
放
大
器
可
控
硅
功
放
负载
us
k
u
a
u
n
+
M
R
电位器电压 us 0~10V
转速0~1000rpm
方 框 图
电位器
电压 放大器
可控硅 功放
直流 电动机
us
uk
n
扰动
ua
定义：输出量与输入量之间有反向联系，靠输
01
入量与反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系
02
统叫闭环控制系统。 反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输
开环控制系统： 1. 结构简单经济 2.调试方便 3.抗干扰能力差，控制精度不高。 闭环控制系统： 1.系统具有纠正偏差的能力。 2.抗扰性好，控制精度高。 3.包含元件多，结构复杂，价格高。 4.参数应选择适当。 开环＋闭环＝复合控制系统 （兼有两者的优点，精度很高）
自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合
制的一个有机整体。
小。 检测元件：检测输出量的大小，并反馈到输入
起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控
硬件部分： 给定元件：调节给定信号，以调节输出量的大
端。
自动控制系统的组成：
1-3 自动控制系统的组成
3.比较环节：反馈信号与给定信号在此迭加， 信号的极性以“+”或“-”表示。极性相同为正反馈， 极性相反为负反馈。 4. 控制器（放大元件）：比较环节输出的信 号，经控制器成为合适的信号，输出给执行元件。 5.执行元件：驱动被控对象的环节。 6.控制对象(被调对象)：要求实现自动控制的 机器设备或生产过程。 7.反馈环节：将输出量引出，再回送到控制 部分。
提供一定的外界条件，如压力、温度、流量等在 一定的时间内保持恒值或按一定的程序变化。如： 化工、石油等原料的生产。 二、按系统传输入信号对时间的关系分类： 1.连续控制系统：特点：系统的输入量与输出 量都是连续量或模拟量。连续系统的运动规律通常 可用微分方程来描述。 2.离散控制系统：又称采样控制系统。特点： 系统中的信号是脉冲序列、采样数据或数字量。离 散系统的运动规律通常可用差分方程来描述。
校正、设计
被控对象
控制量
扰动
被控制量
01
02
由输入信号直接向前输送，而不是由输出信号回馈 到输入信号来进行控制的，故称为前馈控制。
开环控制又可称为前馈控制，因为控制作用是
目前比较常见的开环控制系统有自动售货机， 自动洗衣机，自动流水线，包装机等。
应用：
例1.下面是一个具体的开环控制系统的例子 直流电机转速控制系统
10
小于10%；连轧机， 小于2%-5%.
系统的动态性能指标：
调整时间反映了系统的快速性。 s；造纸机的调 整时间为0.3s。
调整时间ts:表征系统的过渡过程时间。
态值上下摆动的次数。 振荡次数反映了系统的稳定性能。 普通机床允许振荡2-3次；龙门刨床、轧钢 机允许振荡1次；造纸机不允许有振荡。 我们总是希望系统能达到稳、准、快。
近年来，随着相关技术的发展，自动控制技术
的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理
和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代
社会活动中不可缺少的重要组成部分。
01
02
03
04
01
自动控制理论诞生于40年代，是自动控制、电
02
子技术、计算机等多学科相互交叉、相互渗透的产
03
物。50年代后期，由于军事、航空等领域的需求，