自动控制系统的工作原理

大一 公共基础课：英语 数学 物理 政治 大二 技术基础课：电路 电子 电机 计算机编程 大三 专业基础课：自控 供电 微机 电力电子技术 大四 专业课、设计：调速 计算机控制 毕业设计 自动控制原理是电气工程及其自动化专业的主干课 程，也是信电学院平台课程。同时也是一些硕士点考
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研必修课。
3．课程学时安排
自动控制的定义：是指在没有人直接参与的情况下，利用控 制装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象） 的某一工作状态或参数（被控量）自动按照预定的规律运行。
◆ 被控对象：控制系统要进行控制的受控客体 ◆ 被控量：控制对象要实现的物理量
如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态 角、船的航 迹 、电网的电压 、生产过程中的压力、流量 、温度 、 湿度等。
输入量
控制器
对象或过程
输出量 （被控量）
图1.1 开环控制系统方块图 13 （按输入量控制方式）
+
u0 +
++
功率
n
SM 负载
放大 ua
图1-2电动机速度控制系统
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•前馈控制(开环)
+
ug
+ u- i
udo R
放大 器
i
(a) 原理图
M 负载
ui
n
ug
给定信号
电压 放大
触发 器
(参考输入量)
换都由机器来完成，在人类活动所见的空间， 只要需要用“力”的地方，都会给它配上一个 小的脑袋－－单片机或微处理器之类的小脑袋。 不仅工业生产自动化了，农业生产、家务劳动、 交通运输、人居环境……凡是已知的规律，都 可以用自动化技术来完成。
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4
2．自动控制原理课程性质与地位
自动控制原理（自动控制理论 自动调节原理 反馈 控制理论，简称自控）是研究自动控制系统的共同规 律的技术科学。它是一门技术基础理论课，主要研究 自动控制系统的组成、分析和设计的理论。
闭环控制系统框图
输入量
干扰量
控制器
控制对象
输出量 被控量
测量元件
反馈回路
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给定装置
－＋
给定电压
放大器
e
电机
M
减速器
－＋
热电偶 电阻丝
热电偶 输出电压
调压器 220～
给定电压 e 放 大 -器
电
减
动
速
机
器
热电偶
调
恒 期望炉温
压
温
器
炉
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工作原理：
当炉内实际温度与给定电位计表征的希望高度 一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电 动机不转动，系统相对平衡。当炉温因扰动出 现偏差时（如炉温低于希望值），偏差电压经 放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移 动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高， 趋于希望值。
还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。
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给定装置：产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值） 测量元件：测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号
各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。 比较元件：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件
给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。 如差动放大器、自整角机。 放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件 去控制被控对象，如放大器、晶闸管。 执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 如步进电机，继电器开关。 补偿（校正）元件：结构或参数便于调整的元件或机构，用串联 或反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。
蒸汽
温度计
热水
冷水 排水
热力系统的人工反馈控制
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热力系统的自动反馈控制
自动控制器
温度测 量装置
热水
控制阀 蒸汽 冷水
排水 热力系统的自动反馈控制
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闭环控制的优缺点
优点： 抑制干扰能力强 对参数变化不敏感 能获得满意的动态特性和控制精度
缺点： 增加了系统的复杂性，如果参数选取 不恰当，系统可能会振荡。
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复合控制系统 Compound Control System
定义：开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。 是构成高精度控制系统的一种有效控制方式， 使控制系统具有良好的控制性能。
复合控制的两种基本形式 按输入前馈补偿的复合控制 按干扰前馈补偿的复合控制
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按干扰前馈补偿的复合控制
前馈补偿
机械化时代
当蒸汽机、发电机出现之后，既使用九牛二虎也不够形容 一台电动机之巨大威力了，而且可以不间断地保持着“精力 充沛”的状态工作着。人类的“力气”不知被放大多少亿倍！ 人类的力臂不知不觉被延长到几千公里之外！物质丰富了， 农民被改造成为工人，进入资本主义社会。
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自动化时代 在这个时代中，不仅能量变换、而且信息变
负反馈——把取出的输出量送回输入端，并与输入 信号相比较产生偏差信号的过程，称为负反馈 。
反馈控制——采用负反馈(正反馈较少)并利用偏差 进行控制的过程 （利用偏差修正偏差）。
由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成 为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制 。
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热力系统的人工反馈控制
干扰量
输入量
控制器
控制对象
输出量 被控量
测量元件
反馈回路
图1.3 干扰补偿的复合控制系统方块图
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按输入前馈补偿的复合控制
前馈补偿
干扰量
输入量
控制器
控制对象
输出量 被控量
测量元件
反馈回路源自文库
图1.4 输入补偿的复合控制系统方块图
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1.3 闭环控制系统的基本组成
给定装置
输入量
串联校正
— （补偿）元件
所以，参数选取是控制理论和系统设计必 须解决的重要问题。
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反馈控制系统是自动控制原理的主要研究对象
反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入 量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的 系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。
应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各 种非工程范畴内，诸如社会学、经济学和生物学 中，也存在着反馈控制系统。
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第一章 绪 论
1-1 自动控制的基本概念 1-2 自动控制系统工作原理 1-3 闭环控制系统的基本组成 1-4 自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的分类 1-6 控制系统举例 1-7 自动控制理论的发展史 1-8 控制系统的计算机辅助设计
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1.1 自动控制的基本概念
应用领域：冰箱、空调、洗衣机、电梯、汽车、电厂锅炉、 酿酒过程、航空航天等各种机器或生产过程控制以及军事 领域。
第六章 控制系统补偿与综合
8学时
6
10学时5个实验，各班课代表去联系。 联系方式：汪宁老师 实验内容：
1.典型环节（比例、积分、惯性）测试 2.二阶系统单位阶跃响应及性能指标 3.高阶系统阶跃响应、根轨迹图绘制 4.频率特性（Nyquist图、Bode图）绘制 5.校正环节特性及系统阶跃响应
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4．成绩评定
负反馈 比较元件
放大元件 —
执行机构
反馈校正元件
被控量 被控对象
测量元件
图1.5 闭环控系统基本组成
用“○”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反。
信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通
路；系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主
反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，
电阻 R
晶阐管可 控整流器
扰动
i
电动 n
机 被控量
(b) 方块图
（按扰动量控制方式）
这种控制方式的前提条件：是干扰能够被测量 应用：交通红绿灯、自动洗衣机、生产流水线
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闭环（反馈）控制系统 Closed-loop Control System
闭环控制系统又称反馈控制系统，是应用最广泛的 控制方式。
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开环控制系统 Open-loop Control System
◆定义：系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统 ◆特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，
这种控制方式称为开环控制 在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不 需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此， 开环控制系统又称无反馈控制系统。
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1-4 自动控制系统的基本要求
自动控制系统性能的基本要求（三个方面） 稳定性（先决条件）
系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到 原来平衡状态的能力。一切自动控制系统必须满足的最基本 要求。由系统的结构参数决定与外界因素无关。
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稳定的控制系统在阶跃信号或扰动信号的作用下，其 响应的暂态过程应该是收敛的。如果系统设计不当，则在阶 跃信号下或扰动信号的作用下，相应的幅值振荡可能成为等 幅振荡，甚至成为振幅逐渐增大的发散振荡，发生这种情况 的系统称为不稳定系统。
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1.2 自动控制系统的工作原理
系统：为了达到某一目的，由一些对象相互作用，相互制 约，组成一个具有一 定运动规律的整体。
控制系统：指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系 统，由被控对象和控制器构成的整体。
自动控制系统的性能，在很大程度上取决于系统中的控制器 为了产生控制作用而必须接收的信息，这个信息有两个可能 的来源： 1）来自系统外部，即由系统输入端输入的参考输入信号。 2）来自被控对象的输出端，即反映被控对象的行为或状态 的信息。
系统稳定性包括两个方面的含义。 （1）系统稳定，称为绝对稳定，即通常所说的稳定性。 （2）输出响应振荡的强烈程度，称为相对稳定性。 例如系统是绝对稳定的，但是在阶跃信号作用下，响应振荡 很强烈，而且振荡的衰减很慢，则该系统虽然属于稳定系统， 但相对稳定性差。
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过渡过程性能（快速性要求）：系统受到短暂的扰动
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把从被控对象输出端获得的信息通过中间环节（称为 反馈环节）再送回控制器的输入端的过程，称为反馈。 传送反馈信息的载体，称为反馈信号。是否采用反馈， 对控制系统的各个指标（即稳定性、快速性、准确性） 影响很大。
按控制方式
开环控制 闭环控制 （反馈控制） 复合控制
按对象方式
运动控制 （电机调速、机器人） 过程控制 （锅炉过程、化工过程）
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反馈在系统可以分正反馈和负反馈
负反馈主要通过输入、输出之间的差值作用于系统的其他部 分。这个差值反映了我们要求的输出和实际的输出之间的差别。 控制器的控制策略是不停减小这个差值，以使差值变小。例如， 人打算拿桌上的盒子。目测距离，确定方向，移动，不断测距 离，脑判断以消除偏差
正反馈在自动控制系统中主要是用来对小的变化进行放大， 从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反馈可以与 负反馈配合使用，以使系统的性能更优。 例如，铀－235在中 子轰击下，通常会产生两个中等质子数的核，并放出2－3个中 子和大量能量。放出的中子有的则继续引起重核裂变。这样就 会使系统中的作用越来越剧烈。所以一般在核反应堆中通过控 制反应堆中铅棒与反应物接触的面积来控制核反应的剧烈程度21
后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力，由 系统的结构参数决定与外界因素无关。
描述过渡过程性能可以用平稳性和快速性加以衡量， 一般称为动态性能。如：上升时间、峰值时间、调整时间、 超调量。
自动控制原理
Automatic Control Theory 刘明俊
国防科技大学出版社
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1. 人类社会发展的三个时代
人力时代
人类主要依靠自身的肌体来完成能量变换和信息变换，但 是人类自身转换的功率和范围都极其有限，纵有九牛二虎之 力，也不能昼夜不停地工作着，因此创造的财富有限，最高 文明只达到封建社会。
上课时间：一共14周，每周2次
星期一 1～2 星期三 3～4
答疑时间、地点：待定
一共64学时，讲课52学时， 习题2学时，实验10学时
讲课地点：教一南408，402
每章学时安排：
第一章 绪论
3学时
第二章 控制系统的数学描述
8学时
第三章 时域分析法
11学时
第四章 根轨迹法
8学时
第五章 频率响应法
14学时
出勤 5％
作业 10％
实验 15％
缺一次扣5分
允许补齐
考试 70％ 但是卷面成绩不得低于55分，否则按不及格
处理。作业缺一半不允许参加考试。
5．参考书目
１. 刘明俊 《自动控制原理》 国防科技大学出版社 2. 胡寿松 《自动控制原理简明教程》 科学出版社 3. 鄢景华 《自动控制原理》 哈尔滨工业大学出版社 4. 吴 麒 《自动控制原理》 清华大学出版社 5. 李友善 《自动控制原理》 国防工业出版社 6. 侯夔龙 《自动控制原理》 西安交通大学出版社
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闭环与开环控制系统的比较
开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正 偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、 成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合， 这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水 泵，风扇）。
闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变 化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响， 因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格 成倍增加，车床、洗衣机、小轿车）；系统设计、 分析麻烦。