《自动控制原理》_胡_课件

2015年1月22日
EXIT
第1章第17页
飞机导航系统
制导导弹 现代的高新技术 让导弹长上了“眼睛” 和“大脑”，利用负反 馈控制原理去紧紧盯住 目标
2015年1月22日 第1章第18页
人造地球卫星 控制其准确地进入预定轨道运行并回收
哈勃望远镜－特殊地卫星
中巴资源卫星
2015年1月22日 第1章第19页
2015年1月22日 第1章第39页
开环控制系统与闭环控制系统比较
开环控制系统结构简单，成本较低； 开环控制系统缺点是控制精度不高，抑制干扰能力差，且对系 统参数变化比较敏感； 适用于不考虑外界影响或精度要求不高场合，如洗衣机、步进 电机控制等。 闭环控制抑制干扰能力强，系统对参数变化不敏感，可以选用 不太精密的元件构成较为精密的控制系统，从而获得较满意的动 态特性和控制精度； 采用负反馈装置，元部件较多，造价较高，增加系统复杂性。 如果系统结构参数选取不适当，控制过程可能变得很差，甚至出 现振荡或发散等不稳定情况; 如何分析系统，合理选择系统结构参数，获得满意的系统性能 ，是自动控制理论必须研究解决的问题
在的信息转换、传递和反馈。 2.学习目的：
① 自动化发展的需要
② 与信息科学、系统科学关系紧密
③ 掌握控制系统分析与设计的基本方法
2015年1月22日 第1章第5页
1.1 引言
1.2 自动控制系统的组成
1.3 开环控制系统和闭环控制系统
1.4 自动控制系统的应用实例
1.5 自动控制系统的分类
1.6 对自动控制系统的基本要求
（Feedback Control System），是在闭环控制系统中，把输出量检测出来， 经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定值（参考输入）进行比较（相 减），并利用比较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制内 部或外部扰动对输出量的影响，逐步减小以至消除这一偏差，从而实现要求 的控制性能。
这种控制方式,无论是由于干扰造成,还是由于结 构参数的变化引起被控量出现偏差,系统就利用偏 差去纠正偏差,故这种控制方式为按偏差调节。 闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏 差,使系统达到较高的控制精度。但与开环控制系 统比较,闭环系统的结构比较复杂,构造比较困难。 需要指出的是,由于闭环控制存在反馈信号,利用偏 差进行控制,如果设计得不好,将会使系统无法正常 和稳定地工作。另外,控制系统的精度与系统的稳 定性之间也常常存在矛盾。
第1章第14页
控制过程：测量（测量反馈机构）—浮子 比较（比较机构）—电位计+连杆 执行（执行机构）—电动机
2015年1月22日
第1章第15页
自动控制和人工控制比较
（1）基本原理相同：都是建立在“测量偏差,修正偏差”的基础 上,并且为了测量偏差,必须把系统的实际输出连接（反馈）到输
入端。自动控制的基本原理因此有时也称为反馈控制原理。
的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来
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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第1章第35页
1.3.1.2闭环控制（反馈控制 ）系统
闭环控制系统（ Close-Loop Control System ）又称反馈控制系统
控制装置
只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来
影响输入量的控制作用，因而，将它称为开环控制系统
（Open-Loop Control System）。
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第1章第34页
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
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。
Mc↑→n↓→uf↓→ue（ ue = ug - uf ）↑→ua↑→n↑
偏差始终存在
2015年1月22日
第1章第38页
1.7 自动控制理论发展简史
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第1章第6页
1.1
引言
2015年1月22日
EXIT
第1章第7页
一、控制系统基本概念
1. 控制（Control ）：根据某种原理或方法，使特定对象 （被控对象）的某些物理量（被控量）按照预期规律变化 的操纵过程。 2.人工控制（Manual Control）：由人直接或间接操作执 行装置的控制方式。
第1章第21页
炉温自动控制系统方框图
扰动 Tr 给定装置 ur + ue 放大器 ua 电机减速器 调压器 电炉 Tc
uf
热电偶
原理：即当恒温箱内温度偏高时，使调压器降压，反之升压， 直到温度达到给定值为止。此时偏差电压ue=0，电机停转。
温度Tc下降， Tc↓→ uf ↓→ ue=ur- uf ↑→ ua↑→ 电机向增 大调压器输出电压的方向加速旋转→Tc↑→uf ↑，直到Tc = Tr， ue=0。
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第1章第36页
1.3.1.2闭环控制系统
偏差 ue= ug-uf
+ _
ug
电位器
+
+
电 压 放大器 _
功 率 放大器
_ a
电动机
u
n
Mc
负载
_
uf
+ 测速发电机
uf Kf
2015年1月22日
第1章第37页
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
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自动控制实例实例3（示意图）炉温控制系统
炉温控制系统的理想温度由电压 ur给出，热电偶检测箱温输出 电压uf，偏差电压ue= ur- uf，经电压和功率放大后控制电机的速度 和转向，从而改变调压器滑动触头的位置，改变炉温控制系统的 外施电压达到恒定炉温的目的。
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第1章第10页
•人脑：记住水位的期望值； •人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构） •人脑：比较水池的期望值-实际值；（比较机构）、控制 •人手：调节进水阀门的开度，执行控制作用。执行（执行机构）
是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实
际值之间的差值减为0。
反馈控制原理：在自动控制系统中，通过控制装置对 被控对象施加的控制作用，利用被控量的反馈信息，不断 修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进 行控制的任务，这就是反馈控制的原理。
（2）两种控制的区别：自动控制用控制器代替人完成控制。
2015年1月22日 第1章第16页
1.2
自动控制系统示例
ua
直 流 电动机
减速器
导弹发射架方位控制系统ຫໍສະໝຸດ Baidu块图
2015年1月22日 第1章第23页
自动控制实例实例5（示意图） 钢铁轧制控制系统示例
• 钢铁轧制：轧出厚度一致的高精度铁板
（厚度控制，张力控制）
2015年1月22日
第1章第24页
自动控制实例实例5（示意图）钢铁轧制计算机控制系统
轧钢机计算机控制系统示意图
电位器
+ _
+ 功 率 u 放大器 _ a
电动机
ug
电 压 放大器 _
n
Mc
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。
2015年1月22日
第1章第33页
控制 信号 给定电压 ug
扰动 Mc 电压 放大器 功率 放大器 直流 电动机 被控对象 被控 制量 转速n
雷达技术
雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是 把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去， 并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起 的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个 天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使 天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行 “搜索”。
全书整体知识结构
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第1章 控制系统导论
2015年1月22日
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第1章第4页
本门课程的性质:
1. 重要的专业基础课，阐述有关自动控制技术的基础理 论——经典控制论，研究“控制论”在工程中的应用。 基本内容 —— 控制论的基本理论、方法、特点、综合 设计方法。
研究对象 —— 自动控制系统，揭示自动控制系统中存
自动控制原理
2015年1月22日
EXIT
第1章第1页
教材介绍
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•自动控制原理简明教程 第2版 •作者：胡寿松 •科学出版社 本教材的特点： •注重数学推导
2015年1月22日
第1章第2页
课时安排：
每周2次课，共76课时 拉普拉斯变换、高等数学、大学物理、积分变换、电路、数字电子技术、模拟 电子技术
重要
1.3.5 按信号的传递是否连续分
2015年1月22日
第1章第27页
1.3.1 按控制方式来分 1. 开环控制系统 2. 反馈控制系统 3. 复合控制系统
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第1章第28页
自动控制系统的基本控制方式
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第1章第29页
1.3.1 .1 开环控制系统
开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统,即 需要控制的是被控对象的某一量(被控量),而测量的 只是给定信号,被控量对于控制作用没有任何影响的 系统。结构如图所示。
2015年1月22日
EXIT
第1章第30页
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第1章第31页
扰动
给定值
输出量
控制器
控制对象
按给定值操纵的开环 控制原理方框图
扰动 测量装置 输出量 按扰动补偿的开环 控制原理方框图
控制器
控制对象
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第1章第32页
1.3.1 .1 开环控制系统
示例——直流电动机转速开环控制系统 + +
人工控制精度不高，人的反应不够快，不少恶劣的场合人无法参与 直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。
2015年1月22日
第1章第11页
3.自动控制（Automatic Control）：是指在没有人直接
参与的情况下，利用自动控制装置（或称为控制装置或控
制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的 某个工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规
2015年1月22日
第1章第8页
人工控制的例子
• 人手取书
2015年1月22日
第1章第9页
人工控制的例子
示例——水池水位控制 人工控制
被控对象：水池 被控量：水池的水位
观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者 之差为误差。根据误差的大小和方向调节进水阀门的开度， 即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大 阀门开度以改变进水量，从而改变水池水位，使之与要求值 保持一致。
律运行。
What
生活中的例子
2015年1月22日
第1章第12页
自动控制的例子
期望水位
当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正， 且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出 信号将有正的变化，电动机带动减速器使进水阀门开度增加， 直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。
2015年1月22日
第1章第13页
电位计+连杆—人脑：记住水位的期望值；
浮子—人眼：观察水池的实际水位； 电位计+连杆—人脑： 反映误差（=水位的期望值-实际值）； 电动机—人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。 是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望 值与实际值间的差值减为0，即误差为0。
2015年1月22日
先修基础：
课程特点：
1 2 3 很抽象 难度高 很繁琐 计算量大 不好学 不好记
4
与大学物理和电机拖动联系紧密
应对办法： 1 从宏观上弄清楚原理 2 不要求推导复杂的计算，记住结论即可。 3 注重学习与电子信息学科关系密切的章节 上课要求： 1 2 按时上课，认真听讲 独立完成作业
2015年1月22日 第1章第3页
2015年1月22日
第1章第22页
自动控制实例实例4（示意图） 导弹发射架方位控制系统
给定装置 手轮 输入轴 Ⅰ
ur
反馈装置 发射架 + 放大器
ua
+
ue
Ⅱ
u0
r
E0
_
_
+ _
0
E0
输出轴
随 动 系 统
0 导 弹 发射架
导弹发射架方位控制系统原理图
r
－ 0
e
电位器 u e Ⅰ、Ⅱ
放大器
轧钢机计算机控制系统方块图
2015年1月22日 第1章第25页
1.3
自动控制系统的分类
2015年1月22日
EXIT
第1章第26页
自动控制系统的分类
下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。
1.3.1 按控制方式来分 1.3.2 按描述系统的动态方程分 1.3.3 按系统参数是否随时间变化而分 1.3.4 按系统输入信号的变化规律不同来分