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自动控制理论
教学参考书: 1.《自动控制理论》(第五版),胡寿松主编. 科学出版社 2.《现代控制系统》(第八版),Richard C.Dorf等著, 谢红卫等译.高等教育出版社 3.《现代控制系统》(第十一版),Richard C.Dorf等著. 电子工业出版社(英文原版教材) 4.《自动控制原理》孙虎章主编,中央广播电视大学
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控制方式:

按给定值 控制的原 理方框图 给定 值
按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定 的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系 统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性 参数的变化无法自动补偿。结构简单,成本低廉,多用 于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合,如自动售货 机,自动报警器,自动流水线等。
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例1-2 位置控制系统 控制要求: 输出量跟随输入量 工作原理:
i 0
→ uA
→ u D → 电动机 → 齿轮机构 → 负载 → 0 i ( 0) 负载是被控对象 输入量 i 输出量 0
负载及电网电压变化等为扰动量 电动机和传动机构是执行元件 电桥、电压放大器、功率放大器 等 为控制装置 系统中包含局部反馈--速度负反馈
3.比较元件 其职能是把测量元件检测的被控量实际值与 给定元件给出的输入值进行比较,求出它们之间的偏差。 常用的比较元件有差动放大器、机械差动装臵、电桥电路 等。 4.放大元件 其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放 大,用来推动执行元件去控制被控对象。 5.执行元件 其职能是直接推动被控对象,使其被控量发 生变化。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。

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1.3自动控制的基本方式
自动控制的基本方式 开环控制和闭环控制
开环控制:开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向作用 而没有反向联系的控制过程。 主要特点: 输出不影响输入,对输出不需要测量,通常容易实现;

组成系统的元部件精度高,系统的精度才能高; 系统的稳定性不是主要问题;
利用外加的设备或装臵(称控制装臵或控制器),使机器、
设备或生产过程(统称控制对象)的某个工作状态或参数 (即被控量)自动地按照预定的规律运行。

自动控制系统:完成自动控制的系统称为自动控制系统,它
是由控制器和被控对象构成的整体。
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例:
一个军士每天早上9点钟路过珠宝店时,都与橱窗里的精密时 钟对表。一天,这个军士走进店内,向店主恭维那只精密时 钟的准确性。 “它是不是按照安林顿的时间信号精确对时 的?”军士问。 “不,”店主说,“我每天下午5点按照城 堡的鸣炮来调钟。告诉我, 军士,为什么你每天都要停下对表呢?“ 军士答道:“我是城堡中的炮手!" 在这个故事中,是正反馈还是负正反馈占优势?若这 个钟表店的 "精密"时钟每24小时慢30秒,军士的表每24 慢2分钟,那么,6天 后城堡中鸣炮的时间误差是多少?
Leabharlann Baidu水门1
杠杆 水门2
控制任务:保持水位H为H0不变
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控制要求:水箱的水位 保持一定的高度 工作原理: 实际水位下降,浮子下 移,通过杠杆机构使控 制阀开度增大
实际水位上升,浮子 上移,推动杠杆机构 使控制阀开度减小
水箱是被控对象 控制阀是执行元件 要求的水位高度是给定量或称系统输入量 出水量、进水压力等为扰动量 浮子及杠杆机构起测量比较作用
包含被控对象和控制器两大部分,而控制器是由具有一定职 能的各种基本元件组成的。在不同系统中,结构完全不同的
元部件却可以具有相同的职能。因此,将组成系统的元部件
按职能分类主要由以下几种。 1.被控对象 被控制的机器、设备或生产过程。被控制 的物理量称为输出量或被控量。
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2.测量元件 其职能是检测被控制的物理量,如果这个 物理量是非电量,一般再转换为电量。
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6.校正元件 也叫补偿元件,它是结构或参数便于调整的元 件,用串联或反馈方式连接在系统中,以改善系统的性能。 测量元件、比较元件、放大元件、执行元件和校正元件的组 合构成系统的控制器。因而,一般认为自动控制系统是由控 制器和被控对象两部分组成。
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分析实际控制系统的步骤
明确控制系统的任务; 被控对象是什么?被控量(系统输出量)?有哪 些干扰? 参考输入?有谁提供? 什么是测量元件?测量哪些物理量? 信号的计较、计算、放大是如何实现的? 执行机构是什么? 画出控制系统的原理方框图,分析系统采用何种 控制方式。
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电动机调速系统

电动机
给定 电位计
ur
放大器
e
Ka
ua
M
if
m

TG
uT
控制任务:保持电动机恒速运行
测速机

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热压炉温度控制系统
控制要求:保持炉内温度为设定值
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机器人机械手的计算机控制
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1.2 自动控制系统的组成
自动控制系统的组成 自动控制系统是由各种结构不同的元
部件组成的。从完成自动控制这一职能来看,一个系统必然
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线性连续控制系统: 这类系统可用线性微分方程描述,其一般形式为:
dn d2 d dm d2 d an n c(t ) a2 2 c(t ) a1 c(t ) a0c(t ) bm m r (t ) b2 2 r (t ) b1 r (t ) b0 r (t ) dt dt dt dt dt dt
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自动化(Automation)
自动化是利用机器、设备或装置代替人或帮助人 自动地完成某个任务或实现某个过程。 涉及的理论基础:控制论、信息论、系统论。 自动化的基础是信息,核心是控制,立足在系统。

控制论 :利用信息进行调节和控制的科学 • 工程控制论 • 生物控制论 • 经济控制论 ……. 钱学森《工程控制论》1954年
连续系统和断续系统:如果系统中传递的信号都 是时间的连续函数,则称为连续系统,系统中只 要有一个传递的信号是时间上断续的信号,则称 为断续系统,或采样系统,或离散系统。例如, 图1-1和图1-2所示的系统一般可认为是连续系统, 而计算机控制系统一定是断续系统。 有差和无差系统:若系统在给定输入量或扰动输 入量的作用下,存在稳态误差则称为有差系统; 不存在稳态误差的系统,则称为无差系统。
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被普遍认为是最早应用于工业过程的反馈控制器
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液位控制系统(人工控制)
控制任务: 让液位H保持在H0不变 操作工
控制原理:若水位比要求的水位高,则操纵控制阀,使其开 度减小;若水位比要求的水位低,则使控制阀开 度增大
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液位控制系统(自动控制)
控制器
自动调节阀
Q1
浮子 H
水箱
Q2
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水位自动控制系统
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几乎所有人都有因生病而发烧的经历。发烧与你体内的温度调 节器的输入变化有关。在你脑内的温度调节器常会将你的体 温保持在华氏98°左右,而不管外界温度的变化范围可能是 在华氏0°到华氏100°甚至更大。发烧表明温度调节器的输 入或预期的温度已经增高。许多科学家都吃惊的发现,发烧 并不能说明某人的体温控制出了问题,而是表明在预期输入 温度升高时,温度调节器正在努力正在进行调节。 华氏温度-摄氏温度换算公式:T ℉ = 1.8t℃ + 32 人体的温度靠下丘脑的体温调节中区控制。人体的发热是由于 内热原激活下丘脑前列腺素合成酶,使前列腺素合成和释放 增加,而前列腺素E为极强的致热物质。 阿斯匹林的作用正 是通过抑制中区前列腺素的合成并增强散热过程,从而产生 解热作用。
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孔慧芳
konghuifang@163.com
逸夫楼806
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第一章 绪 论
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 自动控制与自动控制系统 自动控制系统的组成 自动控制的基本方式 自动控制系统的分类 对自动控制系统的基本要求
1.6 自动控制系统与控制理论 1.7 自动控制理论发展概况
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自动控制理论:
是工程控制论的一个分支。是研究控制系统的分 析与设计的一般理论。
经典控制理论
核心是反馈控制的思想 20世纪40 - 50年代发展起来形成体系 现代控制理论 20世纪60年代以后 大系统、复杂系统、智能控制系统
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1.1 自动控制与自动控制系统

自动控制:所谓自动控制,是指在没有人直接参与的情况下,
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按系统性能分类,主要 可分为以下三类:
定常系统和时变系统:控制系统的参数如果在工 作过程中不随时间而变化,那么这类系统称为定 常系统。如果系统在工作期间其参数变化不能忽 略其对系统工作的影响,则这种系统成为时变系 统。不包括非线性的时变系统称为线性时变系统。 线性系统的特点,可以应用叠加原理。用非线性 方程描述的时变系统成为非线性时变系统。
测量装置
扰动
控制器
被控制 对象 输出 量
按扰动补偿 的原理方框图
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闭环控制:是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向 联系的控制过程。系统中有测量元件测量输出量, 并将其反馈到系统输入端与输入量相减,形成误差信号,用 以控制输出量,使其达到希望值,这样的系统称为闭环控制 系统或负反馈控制系统. 主要特点: 输出影响输入,所以能削弱或抑制干扰;

低精度元件可组成高精度系统; 因为可能发生超调,振荡,所以稳定性很重要。
优点: (1) 减小前向通道元件参数变化对系统性能的影响。
(2)负反馈可以减小扰动信号对系统性能的影响。
(3)可以改善系统动态和稳态性能。
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控制方式: 反馈控制,反馈按反馈极性的不同分成两种形式:正反
馈,负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明, 一般都指负反馈。
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实际高度是被控制量或称输出量
将系统输出量与输入量进行比较的控制方式称为反馈控制方式
谷物湿度控制系统
控制任务:保持输出谷物湿度为给定值
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位置随动控制系统
减速器 手柄 桥式电位计
i
o
ia
E
o
JL
i
m
M
工作机械
uA K uD a
放大器
控制任务:要求工作机械的角位臵跟随给定角位臵
电动机
if
控制器
被控制 对象
输出 量
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为了改善开环控制系统性能,有 时采用基于补偿的控制方法:
a
基于扰动补偿的开环控制如图 b 基于输入补偿的开环控制如图 c
b
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按扰动补偿 。这种控制方式的原理是:利用对扰动信号的测量产生控制 作用,以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经测量装臵,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。对于不可测扰动 以及被控对象及各功能部件内部参数变化给输出量造成的影响,系统自身 无法控制。因此,控制精度有限,常用于工作机械的恒速控制(如稳定刀 具转速)以及电源系统的稳压,稳频控制。
闭环控制 典型方框图
扰动 被控制 对象 输出 量
控制器 输入 量
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1.4 自动控制系统的分类
自动控制系统有多种分类方法。 恒值系统:也称镇定系统。输出量以一定的精度 例如,按控制方式可分为开环控 等于给定值,而给定值一般不变化或变化很缓慢, 制、闭环控制、复合控制等; 按元件类型可分为机械系统、电 扰动可随时变化的系统称为恒值系统,在生产过 气系统、机电系统、液压系统、 程中,这类系统非常多。例如,冶金部门的恒温 气动系统生物系统等; 系统,石油部门的恒压系统等。 按系统功用可分为温度控制系统、 压力控制系统、位置控制系统; 随动系统:输出量能以一定精度跟随给定值变化 按系统性能可分为线性系统和非 的系统称随动系统,又称为跟踪系统。这类系统 线性系统、连续系统和离散系统、的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先 定常系统和时变系统、集总参数 不能确定的时间函数。例如,火炮系统,卫星控 系统和分布参数系统、确定系统 制系统等。 和不确定系统等; 按输入量变化规律可分为定值控 程序控制系统:自动控制系统的被控制量如果是 制系统(镇定系统)、随动系统 根据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制 和程序控制系统等。 系。例如,炼钢炉中的微机控制系统,洲际弹道 导弹的程序控制系统等。
式中,c(t)是被控量,r(t)是输入量。系数a0、a1、…,b0、b1、…为 常数时,系统称为线性定常系统,系数a0、a1、…,b0、b1、…随时间 而变时,系统称为线性时变系统。
线性定常离散系统:
离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式,因而 信号在时间上是离散的。这类系统可用差分方程描述,其一般形式为:
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