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