电子科大考研自动控制原理课件1

d m m r (t ) d m-1m-1r (t ) dr (t ) = bm + b + L + b + b0 r (t ) m -1 1 m m -1 dt dt dt
式中：r(t)——系统输入量； c(t)——系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。
四、按描述系统的数学模型不同来分类
2、非线性系统 特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性 环节。 非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚 无通用的方法可以解决各类非线性系统。
3、随动系统（或称伺服系统） 特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输 出量跟随输入信号变化。 如：火炮自动跟踪系统。 该系统要求有较好的跟踪能力。
三、按系统传输信号的性质来分类
1、连续系统 特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中 普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。 2、离散系统 特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数字形式传 递的控制系统。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉 冲控制系统，离散信号以数字形式传递的系统又叫数字控制 系统。
§1.6 本课程所要研究的两大任务
• 1）对于一个具体的控制系统，如何
从理论上对它的动态性能和稳态精 度进行定性的分析和定量的计算。
•2）根据对系统性能的要求，如何
合理地设计校正装置，使系统的性 能能全面地满足技术上的要求。
总结
Ø 反馈控制原理 Ø 重要概念： 自动控制系统、给定、被控量、被控对象、开环、闭环控 制、反馈 Ø 控制系统的分类 Ø 自动控制系统的组成，并能够画出一个典型控制系统的框图
第一章 自动控制概述
本章主要内容
§1.1 引言 §1.2 自动控制系统示例 §1.3 控制系统分类 §1.4 自动控制系统的组成 §1.5 控制系统基本要求 §1.6 本课程任务
§1.1 引言
直流电动机速度控制系统 控制目标是使电动机稳定在要求的转速上运行
热力系统控制系统 控制目标是使流出的热水保持一定的温度
程序 图纸 指令 （步进电机） 微型计算机 放大器 执行机构 工作机床 切削刀具
闭环控制（反馈控制）
给定值 ＋ 偏差 r(t) － e(t) 控制量 控制器 u(t) 被控对象 测量元件 如果系统的被控量直接或间接地参与控制，这种系统称为 闭环控制系统或反馈控制系统。 “闭环” ，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输 入端，通过比较、控制来减小系统误差。
复合控制
在系统中同时引进开环控制和闭环控制，这种系统称 为复合控制系统。
控制器 参考 输入 控制量
扰动 被控 被控量 对象
控制器
反馈 环节
二、按系统的控制作用来分类
1、恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒 温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。 2、过程控制系统（或称程序控制系统） 特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程 按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入， 如化工中的压力、温度、流量控制。 恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。
名词术语
• 给定(控制量)：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。 • 被控制量：要求控制的一个物理量,也就是系统输出量。 • 测量元件：测量被控制量，其精确度直接影响系统的控制精 度。 • 比较元件：比较给定与反馈量以产生偏差信号。多数系统中， 比较元件常与测量元件或线路在一起 • 放大元件：放大微弱的偏差信号，使其具有足够大的幅值和 功率。 • 执行元件:驱动被控制对象以产生按控制信号变化规律而变 化的被控制信号. • 校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件， 用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能
输入 + _ AD 计算机 D A 放大器 执行器 被控对象 输出
反馈装置
四、按描述系统的数学模型不同来分类
1、线性系统 特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为 线性微分方程。运动方程一般形式：
d n n c(t ) d n-1n-1c(t ) dc(t ) an + an-1 + L + a1 + a0 c(t ) n n -1 dt dt dt
其他的分类方法：
按功能来分： 温度控制系统、速度控制系统、 位置控系统等。 按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。
• 分类小结
1. 开环系统 按传递路径 闭环系统
恒值控制系统 2. 按控制作用 程序控制系统 随动系统
连续系统 3. 按信号性质 离散系统
线性系统 4. 按数学模型 非线性系统
微型计算机 图纸 放大器 执行机构 工作机床 切削刀具 位移
被控量 y(t)
反馈测量元件
给定值 ＋ 偏差 r(t) － e(t)
控制量 控制器 u(t) 被控对象 测量元件
被控量 y(t)
若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小， 则称为负反馈；反之，则称为正反馈。 优点：抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好、稳定 裕度大等等。
• 自动控制： 自动控制是在没有人参与的情况下，系统的控制器自动 地按照人预定的要求控制设备或过程，使之具有一定的状态 和性能。 • 自动控制系统： 具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。 常见的控制系统可以是只控制一个物理量，也可以是包括一个 企业、机构全部过程的大系统，可以是一个具体的工程系统， 也可以是抽象的社会系统、生态系统或经济系统等。
希望液位
脑 肌肉、手 阀 门 水 箱
实际液位
眼 睛
控制目标：要求水池的水位恒定在期望的数值上。 气动阀门 控制器 （比较、放大）Leabharlann Q 1 H浮子 Q 2
？
1、分别指出该系统中的 被控对象、测量元件、 执行元件、给定、被控制 量 2、画出系统控制方框图
被控对象：水箱 浮子：液面高度的反馈元件 Q2为系统的干扰量 执行机构：气动阀门 给定： 期望液位 被控量（输出）：实际液位
自动控制原理
课程主要内容
• • • • • • • • 控制系统概述 控制系统的数学模型 控制系统的时域分析 根轨迹法 控制系统的频域分析 线性系统的校正方法 非线性系统分析 离散控制系统分析
参考书
1、自动控制原理（第四版） 自动控制原理（第四版） 胡寿松 国防工业出版社 2、自动控制原理（第三版） 李友善 国防工业出版社 3、自动控制原理 梅晓榕 科学出版社 4、现代控制系统（第十版） Richard C. Dorf 高等教育 出版社 5、现代控制工程（第四版） katsuhiko ogata 电子工业 出版社
火炮自动跟踪系统
+
• •
受信仪 _
+
放大器 _
电机 校正装置
减速器
检测装置
§1.5 控制系统的基本要求
• 稳定性：是指系统在外扰动力去掉后能够恢复到原平衡状 态的能力。即输出量偏离平衡状态后应该随时间收敛并且 最后回到初始的平衡状态。系统不稳定,系统就不能正常 运行，可能造成系统的彻底损坏，引起重大事故，稳定性 的要求是系统工作的首要条件。 • 快速性：在系统稳定的前提下，输出量与给定输入量之间 产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。 • 平稳性：是指过渡过程平稳 • 准确性：亦称静态精度，是指在调整过程结束后输出量与 给定的输入量之间的偏差，即稳态误差。
§1.4 控制系统的组成
控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。
从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系 统响应变化的问题； 从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。
一般的形式
输入信号 输出信号 比较 放大 执行 被控对象
测量
输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。 控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制 量，驱动执行机构完成控制功能。 输出信号——系统的控制结果，反映了被控对象的运行状况。
§1.2 自动控制系统示例
飞机俯仰角控制系统
§1.2 自动控制系统示例
电阻炉温度控制系统
§1.3 控制系统分类
一、 按信号的传递路径来分类 开环控制与闭环控制
开环控制
给定值 r(t) 控制器 控制量 u(t) 被控对象 被控量 y(t)
系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输 出量对系统的控制作用不发生影响的系统 称为开环控制系统。
为改善系统性能
+
输入
输出 串联 补偿元件 放大元件 执行元件 被控对象
局部反馈 反馈 补偿元件
主反馈 测量元件
反馈控制系统基本组成
用“○”号代表比较元件，“—”号代表符号相反，“+”号代表符号相同。
水箱水位的手动控制 控制目标：要求水池的水位恒定在期望的数值上 指出该系统中的 测量元件、 执行元件、给定、 被控对象、被控制量，比较元件