自动控制原理课件 全分解

自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接 影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，抗干扰性 能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。
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二、闭环控制系统
+ _
ug
电位器
ue= ug-uf
+ 电 压 放大器 _ 功 率 放大器
+
_ a 电动机 负载
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自动控制系统的应用实例
一、蒸汽机转速自动控制系统
弹簧
杠杆 阀门
套筒
飞锤
蒸汽
n1
n 负载
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n 蒸汽机
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圆锥形齿轮
图1-9
蒸汽机转速自动控制系统
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自动控制学科
自动控制技术 自动控制理论
• 自动控制理论
经典控制理论： 现代控制理论： 20世纪40~50年代 20世纪60年代
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术语
• 随动系统 随动系统是一种反馈控制系统，在 这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加 速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或 速度或加速度）控制系统是同义语。在现代工 业中，广泛采用者随动系统。例如，采用程序 指令的机床的全自动化操作，就可以应用随动 系统来完成。 • 自动调整系统 自动调整系统是一种反馈控制系 统，在这种系统中，参考输入量或希望的输出 量，或者保持常值，或者随时间而缓慢变化， 而这种系统的基本任务，正是要在存在扰动的 情况下，将实际的输出量保持在希望的数值上。
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• 不论是人工控制还是自动控制它们都需要检测偏差，这 一偏差是由被控量的反馈值与给定值相比较产生的，它 们都需要利用检测到的偏差去纠正偏差，使偏差减小或 消除。这种通过检测、比较得到偏差，由偏差产生控制 作用，由控制作用使偏差减少或消除的原理就是我们所 研究的自动控制原理也称反馈控制原理。（一般均为负 反馈）。 • 为了便于了解系统的结构及作用原理，可将系统用功能 框图表示。
开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试 方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定， 且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素 可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。 开环控制的缺点——当控制过程中受到来自系统外部
的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来
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第1章——绪论
•1.1自动控制的基本原理及控制系统的分类
•1.2自动控制原理课程研究的内容
1.1.1自动控制的基本原理
所谓控制系统（Control System）就是通过执行 规定的功能来实现某一给定目标的一些相互关联 单元的组合。由人直接或间接操作执行装置的控 制方式称为手动控制（Manual Control）；而无需 人去直接或间接操纵执行机构，利用控制装置控 制被控制量自动地按预定的规律变化的过程则称 为自动控制（Automatic Control）。
这种通过检测、比较得到偏差，由偏差产生控制作用， 由控制作用使偏差减少或消除的原理就是我们所研究的 自动控制原理也称反馈控制原理。（负反馈） 自动控制系统按一定的原则分成各种类型：
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• 1.按输入信号的特征分 • 1）恒值调节系统：该类系统的输入信号为一 常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差， 利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或 接近理想值。上述的转速闭环控制系统、恒 温控制系统均属于此类系统。 • 2）随动系统：这类系统的给定量是时间的未 知函数，系统能使被控量准确、快速地跟随 给定量变化。随动系统又称伺服系统。火炮 自动瞄准系统、船舶自动舵均属此类系统。

自动控制系统的基本组成部分
被控对象（或过程）、给定元件、测量反馈元件、比较元件、放大 元件、校正元件、执行元件。 2018/10/27 17 《自动控制原理》第一章
1.1.2控制系统的分类
控制系统的类型很多，它们的结构类型 和所完成的任务也各不相同。控制系统从信 息传送的特点或系统的结构特点来看可分为 开环控制系统和闭环控制系统，以及同时具 有开环结构和闭环结构的复合控制系统。
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术语
• 扰动 扰动是一种对系统的输出产生不利影响 的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰； 扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系 统的输入量。 • 反馈控制 反馈控制是这样一种控制过程，它 能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输 出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意 变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作 正是基于这一偏差基础之上的。在这里，反馈 控制仅仅是对无法预计的扰动（既那些预先无 法知道的扰动）而设计的，因为对于可以预计 的或是已知的扰动来说，总是可以在系统加以 校正的，因而对于他们的测量是完全不必要的。
一、开环控制系统 示例——直流电动机开环调速系统
+
+
电位器
+ 功 率 放大器
ug
电 压 放大器 _
n
Mc
_
ua
电动机 负载
给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不 同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制 作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。
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Mc↑→n↓→uf↓→ue（ ue = ug - uf ）↑→ua↑→n↑
偏差始终存在 正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。
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闭环控制的优点 ——抑制扰动能力强，与开环控制 相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和 控制精度。 闭环控制的缺点——引入反馈增加了系统的复杂性，
_
u
n
Mc
uf
+ 测速发电机
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Mc 扰动 ug ＋ 输 入 量 － uf ue 电 压 放大器 功 率 放大器 测 速 发电机 直流电动机转速闭环控制系统方块图 ua 直 流 电动机 n 输 出 量
设上述系统原已在某个给定电压 ug相对于的转速 n状 态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大） 而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。
引言
自动控制是一个非常有吸引力的研究领域，在过 去的几十年中发展起来的理论和实践解决了大量的自 动化问题，使这个领域具有了通用的特点。正因如此， 各工程专业都对大学生和研究生开设了相关的课程。 在我们周围，确实存在着能实现自动控制的自然和 人造系统：人体的许多功能可以在不需要我们有意识 地干涉的情况下完成，从而维持我们的生命；在日常 生活中，我们每天都可以碰到自动运行的人造系统， 如电子的、机械的、化学的、水力的、金融的和经济 的。但大多数情况下，只有发生了故障，我们才意识 到它们是自动运行的。
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仿型铣床随动系统
e(t)
放大 功放
E
r(t) c(t) 减速器 电动机
模型
零件
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防空武器半实物仿真
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自动控制系统示例
船舶随动舵的控制
P1
－
+ E0
P2
+
uo
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简单的水位自动控制系统
连杆
浮子
进水阀 水池
出水
简单的水位自动控制系统
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历史回顾
18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器。是自 动控制领域的第一项重大成果。在控制理论发展初期，做出过 重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、黑曾和奈魁斯特。 1922年，Minorsky研制船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的 微分方程确定系统的稳定性。 1932年，Nyquist提出了一种相当简便的方法，根据对稳态正弦 输入的开环响应，确定闭环的稳定性。 1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念。讨 论了可以精确跟踪变化的输入信号的继电式伺服机构。 19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方 法，从20世纪40年代末到50年代初，伊凡思Evans提出并完善了 根轨迹法。
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术语
• 过程控制系统 当自动调整系统的输出量是温度、压 力、流量、液面或PH值（氢离子浓度）等这样一些 变量时，就叫过程控制系统。过程控制在工业中获 得广泛应用。像在加热炉的温度控制中，炉温是根 据预先制定的程序进行控制的，叫做程序控制。程 序控制是经常采用的一种过程控制系统。例如，预 先制定的程序可以是：炉温在一定的时间间隔内， 先上生到某一给定温度，然后在另一段时间间隔内 再下降到另一给定温度。在这类程序控制中，给定 量是按照预先制定的规律变化的。而控制器则保持 炉温紧紧地跟随给定量的变化。应当指出，大多数 程序控制系统都包含随动系统，作为系统的整体部 件。
如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，
甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系 统设计必须解决的重要问题。
自动控制理论主要研究闭环控制系统
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无论是人工控制还是自动控制，它们都需要检测偏差， 这一偏差是给定值与由被控量的反馈值相比较产生的， 它们都需要利用检测到的偏差去纠正偏差，使偏差减小 或消除。