自动控制原理第一章解析

放大元件：将偏差信号进行前置或功率放大，从而推 动执行机构去控制被控对象；
执行元件：直接推动被控对象，以改变被控量；
校正元件(补偿元件）：改善系统的性能。
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1.1.5 自动控制系统基本控制方式：开环控制方式、闭环控制（反 馈控制）方式、复合控制方式
一 .开环控制
定义：若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称
对，惯性。所以当输出量发生跳变时，任何实 际系统从原平衡状态到达新的平衡状态都要经 历一个过渡过程，过渡过程的曲线形状随系统 的不同而有所差异，有的是单调增长到稳定值 （曲线1），有的是衰减到稳定值（曲线2） 。
整个调节过程分为两个阶段: a.过渡过程 反映系统的动态特性。（输出量处于 激烈变化之中） b.稳态过程 反映系统的稳态特性。（输出量稳定 在新的平衡状态，并保持不变。） 阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程 的差异，差异越小，系统的调节质量越高。
1.稳定性：稳定性是保证控制系统正常工作的先 决条件, 是控制系统的重要特性。 所谓稳定性是 指控制系统偏离平衡状态后, 自动恢复到平衡状态 的能力。 1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过 一定时间的调整能够回到原来的期望值。 2 对随动系统，被控制量始终跟踪输入量的变 化。 3 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统 不能实现预定任务。线性系统的稳定性由系统的结 构决定，与外界因素无关。
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1.4.2 典型外作用
阶跃、斜坡、脉冲、正弦函数
⑴ 阶跃函数 其数学表达式为
0 f (t ) R
t0 t0
f (t )
R
0
当R=1时为单位阶跃函数， 用1(t) 表示
t
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⑵ 斜坡函数
其数学表达式为
f (t )
R
t
0 t 0 f (t ) Rt t 0
0
程序控制系统:给定值按预先给定的规律 变化的控制系统－－跟踪预定规律.最典 型的就是数控车床和机器人控制系统。
1.4 对自动控制系统的基本要求
1.4.1对自动控制系统性能的基本要求 可以归结为稳定性（长期稳定性）、 准确性（精度）和快速性（相对稳定性） 简言之：☆稳 ☆准 ☆快
前面我们已经讲过，输入信号和扰动是一个系统典型 的外作用，但我们希望系统只受输入信号的控制，而丝 毫不受扰动的影响，所以我们只研究在输入信号作用下 ，对系统性能的要求。
输入
+
偏差
输出 控制装置 控制对象
-
反馈元件
图1-13 闭环控制系统方框图
室温控制系统
图 1 - 1 室温控制系统元件框图
闭环控制的特点： ① 控制作用不是直接来自给定输入，而是 系统的偏差信号，由偏差产生对系统被控量的控 制；
② 信息的传递路径为一个闭合的环路，称为闭环。 ③ 控制精度高，抗干扰能力强。 缺点：元件多，结构复杂，系统的性能分析与 设计较麻烦。
扰动输入 参考输入 输出
控制器
执 行元 件
对象
测量变送元件
图1－5 控制系统典型方框图
3.自动控制的优点：① 节省人力；
② 提高系统的精度； ③ 可以完成人工控制系统无法完 成的工作。 4. 应用：工业、农业、交通、国防、宇航、社会。
自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的 重要组成部分
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1.1.3 反馈控制原理
自控理论：① 是自动控制技术的基础理论； ② 分析或设计自动控制系统的主要方法和依据。 发展: ① 经典控制理论（二十世纪四十年代开始）
以拉氏变换和传递函数为基础，在复频域内研究单输入-单 输出(SISO)线性定常系统的分析设计方法。 ② 现代控制理论（二十世纪六十年代开始） 以状态空间法为基础，在时域内研究多输入-多输出 （MIMO）系统的分析和设计方法。
输入信号 给定值
去掉扰动后的自动控制系统原理图
偏差
-
控制器
执行机构 测量变送器
被控对象
输出量
当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原 有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出 量达到新的平衡，这就是一个调节过程。
输入r(t)
输入c(t)
实际
1
1
2
1
理想的 调节过程
0
t
0
t
理想的调节过程是：出现偏差后，执行机 构突然动作，使输出量立即达到新的平衡状态 ，调节过程瞬时完成，实际上这是不可能的， 因为什么呢？
齐次性、叠加性
采样时间间隔
系统随时间变化
随机系统
系统的统计特性
恒值控制系统:给定输入维持不变，希望 输出维持在某一特定值上.如恒温、水位、 恒压控制系统
按输入量 变化规律 分
随动系统:给定信号是预先不知道的随机 信号。要求系统的输出快速、准确地跟随 给定值的变化.比如：飞机和舰船的操舵 系统，雷达自动跟踪系统。
所谓控制就是强制性地改变某些物理量（如上例中的进水量），而 使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。 下面是人工控制的例子。
这种人为 地强制性地改 变进水量，而 使液面高度维 持恒定的过程， 即是人工控制 过程。
流入
不能满足 复杂、快速和 精确的要求， 不利于减轻劳 动强度。
式中,A为正弦函数的振幅, 2f 为正弦函数角频率, 为初始角.
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1.5 自动控制系统的分析与设计工具
MATLAB
1.按给定控制
控制精度取决 于所用元件性能的优 劣及校准的精度！系 统本身无法保证。任 何的干扰都会使输出 改变。
2.按扰动控制（顺馈控制） 如果扰动可量测， 可把它作为一种输入， 施加相应的控制，对 系统的输出产生影响。 “防患未然”，起到 抗干扰的作用。 18
开环控制的特点：
（1）结构简单、调整方便、成本低。
为开环控制系统。 特点是：控制量与被控制量之间只有前向通道而没有反向 通道,信息的传递路径不是闭合的，故称开环。
开环控制系统的典型方框图如图所示。
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输入量
控制器
被制对象
输出量
例子：交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品 自动生产线，数控车床等等。 按输入信号的不同，可分为按给定控制和按扰动控制两种 常见形式。
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三、复合控制方式
定义：按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式。复 合控制实质上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入
信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行加强或补
偿，以达到精确的控制效果。常见的方式有以下两种：
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1.附加给定输入补偿
微分环节，超前控 制，快速控制
补偿装置 输出
输入
+
-
控制器
控制对象
图1-14 附加输入给定补偿
通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入信 号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。
2.附加扰动输入补偿 该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起到对扰 动影响“防患未然”的效果。
补偿装置
扰动
输入
+
+
-
控制器
控制对象
输出
图1-15
③ 智能控制理论（二十世纪七十年代开始）
以模糊控制和神经网络为基础，研究多变量复杂大系统的 分析设计方法。
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第一章
自动控制的一般概念
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• 1.1 自动控制的基本原理与方式 • 1.2自动控制系统示例
• 1.3自动控制系统的分类
• 1.4对自动控制系统的基本要求 • 1.5 自动控制系统的分析与设计工具
2. 自动控制的基本职能元件 自动控制,实际上就是由自动控制装置代替人的基本功 能来实现的。
控制器
流入
流入 浮子 水箱 水箱
h
流出
h
流出
眼睛 大脑 肌肉、手


浮子 自动控制器 执行元件
画出以上人工控制与自动控制的功能方框图进行对照。
希望液位
大脑
肌肉和阀门
水箱
实际液位
眼睛
(a)
希望液位
控制器
输入信号
（书位置）
眼睛
大脑
手臂、手
眼睛
输出量
（手位置）
图1-6
人取书的反馈控制系统方块图
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1.1.4 反馈控制系统的基本组成
比较 输入量 元件
给定值
-
串联 校正元件
放大元件 局部反馈
执行元件
被控 输出量 对象 被控量
反馈 校正元件
主反馈
测量元件
图1-4
反馈控制系统基本组成
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• 用“ ”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反，即 负反馈；“+”号代表两者符号相同，即正反馈。
气 动阀 门
水箱
实际液位
浮 子（测量元件）
图1－4 控制功能框图 （a）人工控制 (b) 自动控制
比较两图可以看出，用自动控制实现人工控制的功能，存在必不可 少的三种代替人的职能基本元件：
测量元件与变送器（代替眼睛）； 自动控制器（代替大脑）； 执行元件（代替肌肉、手）。

控制装置
为了实现各种复杂的控制任务，将控制装置与被控对象按照一定的 方式相连接，一起构成一个有机总体称作自动控制系统。
反馈：把取出的输出量送回到输入端，并与输入信号 相比较产生偏差信号的过程。分为负反馈（反 馈信号与输入信号相减使偏差越来越小）和正 反馈 反馈控制: 在自动控制系统中将被控量以负反馈的形式 与输入量进行比较得出偏差,并利用偏差来
不断减少乃至消除偏差的控制过程.
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人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统
表示在 t=0 时刻开始,以恒定速率R随 时间而变化的函数,即斜坡函数. 40
⑶ 脉冲函数
其数学定义为
A 1(t ) 1(t t0 ) t0 0 t 0
(t )
f (t ) lim
A t0
0
t
0 A t0
t0
t
A t0
0
t0
t
0
t
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⑷ 正弦函数
其数学表达式为
f (t ) Asin(t )
2. 快速性 控制系统不仅要稳定,还必须对其过渡过程的 形式和快慢提出要求,一般称为动态性能,其中包括 过渡过程时间(即快速性)和最大振荡幅度(即超调 量).
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3. 准确性 准确性就是要求被控量和设定值之间的误差 达到所要求的精度范围。准确性反映了系统的稳 态精度, 通常控制系统的稳态精度可以用稳态误 差来表示
• 1.1 自动控制的基本原理与方式
1.1.1 自动控制问题的提出
例如：下面的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h 维持 恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高 度上。
流入Fra Baidu bibliotek
当水的流出量增
大或流入量减小，
水箱
平衡则被破坏，液
面的高度不能自然
流出
h
图1.1 水箱液面
地维持恒定。
水箱
h
流出
图1.2
液面人工控制
1.1.2 自动控制的定义及基本职能元件 1.自动控制的定义 自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象 （或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。
控制器 流入 浮子 水箱
h
图1.3 液面自动控制
当出水与进水的平衡 被破坏时，水箱水位下 降 ( 或上升 ) ，出现偏差。 这偏差由浮子检测出来， 自动控制器在偏差的作 用下，控制阀门开大 ( 或 流出 关小 ) ，对偏差进行修正， 从而保持液面高度不变。
附加扰动输入补偿
附加的顺馈回路相当于开环控制，对补偿装置稳定性的要求较高，否则会减弱补偿效果。 但对闭环性能影响不大，特别对稳定性无影响，却能大大提供控制精度，获得广泛应用。
1.2 自动控制系统示例
说明工作原理，画出系统的方块图
习题1-1
元素：
（ 1）
（ 2）
：元件
：信号（物理量）的传递方向
（ 3）
（ 4）
：比较点（信号叠加）
：引出点（分支、信号强度）
（5）+/- ：符号的意义（正、负反馈）
1.3 自动控制系统的分类
开环控制 • 控制方式分
闭环控制(反馈控制)
复合控制 温度控制系统
• 按系统功用分
压力控制系统
位置控制系统 ………
线性系统 非线性系统 连续系统
按系统 性能分 离散系统 定常系统 时变系统 确定性系统
（2）给定一个输入，有相应的一个输出。
（3）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形
成开环。
（4）输出不影响输入。
（5）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确
的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差。“致命”
缺点！
二、 闭环控制（反馈控制）
定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控 制系统。
•
：信号（物理量）的传递方向。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；
• 输出量经测量元件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，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。 14
测量元件：测量被控量并转换成相应的电量，如速度、 位移、压力传感器； 给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系 统输入量（即参考量）； 比较元件：将被控量与给定值加以比较，形成偏差信号；