西北工业大学自动控制原理 (1)

第一章：自动控制理论的一般概念
§1.1引言
§1.2自动控制理论发展概述 发展过程：
19世纪
−−−−−−−→−呼应
与西方工业革命发展相
⎪⎭
⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧频域复域时域 20世纪60年代初
−−−−−−→−与航天技术发展相呼应
⎪⎪⎭
⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧系统辩识等最佳估计最优控制线性系统 应用：深入到人民生产、生活的各个领域
日常生活：收音机、电视机、冰箱、空调、汽车、飞机… 工程：数控机床、合成塔、核反应堆… 军事:火炮群、导弹、特种炸弹、垂直起降飞机… 科技：航天飞机、卫星姿态控制、机器人… §1.3自动控制和自动控制系统的基本概念
◇ 自动控制: 在无人直接参与的情况下，使被控对象的一个物理
量（被控量）按预定规律（给定量）运行。

出）（单入古典控制理论/出）
（多入现（近）代控制理论/
◇自动控制系统：能对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。

举例：被控对象被控量C给定量R 炉温控制系统烘炉炉温T u r（T希望值）X-Y记录仪笔笔位移L u r（L希望值）液压控制系统水箱水箱水位H u r（H希望值）
1．开环（信号单向流动）
特点：简单、稳定、精度低。

2．闭环（信号有反向作用）
特点：复杂、抗干扰能力强、精度高、有稳定性问题。

3．复合（前向联系、反向作用）
特点：性能要求高时用之。

例如：炉温系统可以采用开环或闭环的。

闭环控制工作原理：
外部作用：
⎩
⎨
⎧
r
c
r
c
偏离
干扰量：使
跟踪
给定量：使
控制目的：排除干扰因素、影响、使被控量随给定量变化。

负反馈原理——构成闭环控制系统的核心
把系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。

负反馈控制系统的特点——按偏差控制的具有负反馈的闭环系统1）、有反馈，信号流动构成闭回路。

2）、按偏差进行控制。

§1.4控制系统的组成
组成（以X-Y记录仪为例）
控制器：
①测量元件：测量被控量
②比较元件：产生偏差信号
③放大元件：对偏差信号进行幅值、功率放大
④执行机构：对被控对象施加作用
⑤校正元件：改善系统性能
⑥给定元件：给出输入信号
二、外部作用：
1．给定量：使被控量跟随给定量。

2．干扰量：使被控量偏离给定量。

自控系统的目的在于：排除扰动量的影响，使被控量随给定量而变化。

例：液面控制系统：
介绍由原理图画方块图的步骤：（以角度随动系统为例）
①看懂工作原理图，找出被控量、被控对象、给定量。

②从两头来，先画出给定量、被控对象和被控量。

③依原理图补上中间部分。

§1.5 示例
§1.6 分类（按r形式）
⎩
⎨
⎧
记录仪）
随动系统（如
）
调节系统（如炉温系统
Y
-
X
按特性分：线性、非线性、定常或时变
◇负反馈（闭环）控制原理：——构成自控系统的核心
根据给定量与被控量之间的偏差，产生控制作用，并力
图减小偏差，使被控量趋于给定量。

◇闭环（负反馈）控制系统的特点：——用以区分开、闭环系统
⎭
⎬
⎫
、偏差信号起控制作用
路
、有反馈，能够成闭回
)2
)1
是按偏差控制的、具有负反馈的闭环系统
§1.7 控制系统的基本要求--是否只要构成负反馈就能正常工作?
一、控制过程分析：（加阶跃输入，以X-Y记录仪为例）
可见：控制过程有一个过渡过程：
振荡原因：
1、内部原因：系统有惯性，有储能元件。

2、外部原因：参数配置不当。

3、分类（按输入
信号的形式不同）
（1）稳定系统（调节系统）:r（t）是定常值（如炉温系统）
（2）随动系统（跟踪系统）：r（t）是时变量（如角度控制系统）
1、典型外作用:
作用名称表达式图形关系举例
常用于时域分析单位
脉冲
挑瓜、钉丁
打炮、踢球单位
阶跃
合闸
滴注、龙头单位
斜坡⎩
⎨
⎧
≥
<
=
,
,0
)(
t t
t
t f
匀速跟踪
频域分析正弦
函数
交流电压⎰∞
∞
-
=
⎩
⎨
⎧
=
∞
≠
=
1
)(
,
,0
)(
dt
t
t
t
t
δ
δ
⎩
⎨
⎧
≥
<
=
,1
,0
)(1
t
t
t
)
sin(
)(ϕ
ω-
⋅
=t
A
t f
2.对系统的阶跃响应性能要求：
我们要求被控量尽可能好地跟踪给定量，但常常不能完全符合。

例如角度系统。

⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
⎩
⎨
⎧
⎩
⎨
⎧
:
:
:
:
σ
超调量
调节时间
过渡过程要求
匀
快
稳态要求，稳态误差
准
基本要求，稳定性
稳
性能要求：
s
s
t
e
作业布置：第一章1-5题。