自動控制原理鄢景華版第一章概要成績構成48學時（3學分）考試（70%）作業（20%）平時（10%）第一章自動控制概論1-1自動控制與自動控制系統的基本概念1-2自動控制的基本方式1-3典型控制系統1-4控制系統的組成和對控制系統的要求1765年，瓦特發明蒸汽機，用離心式調速器控制蒸氣機1948年，維納《控制論－或關于在動物和機器中控制和通信的科學》產生40－60年代經典控制理論（頻域法為主）60－70年代現代控制理論（時域法為主)70年代以后大系統控制理論自動控制：

在沒有人直接參與的情況下，采用控制裝置或機械使被控制對象達到預期的目標。1-1自動控制基本概念發展簡史：自動控制研究的內容：經典控制理論現代控制理論經典控制理論主要研究對象:對單輸入單輸出線性定常系統的分析和設計問題。現代控制理論主要研究對象:多輸入、多輸出、時變參數、高精度復雜系統的分析和設計問題。研究對象數學工具分析方法局限性經典控制理論單I/O線性定常系統微分方程，傳遞函數時域法頻域法根軌跡法對復雜多變量系統、時變和非線性系統無能為力現代控制理論多輸入-多輸出變系數，非線性等系統線性代數、矩陣理論狀態空間法比較繁瑣（但由于計算機技術的迅速發展，已克服)通常，在自動控制技術中，把工作的機器設備稱為被控對象，把表征這些機器設備工作狀態的物理參量稱為被控量，而對這些物理參量的要求值稱為給定值或希望值（或參考輸入）。則控制的任務可概括為：使被控對象的被控量等于給定值。返回子目錄舉例說明控制系統概念下面通過具體例子來說明自動控制和自動控制系統的概念控制器氣動閥門流入Q1浮子水箱流出Q2H水位自動控制系統控制任務：維持水箱內水位恒定；控制裝置：氣動閥門、控制器；受控對象：水箱、供水系統；被控量：水箱內水位的高度；9給定值：控制器刻度盤指針標定的預定水位高度；測量裝置：浮子；比較裝置：控制器刻度盤；干擾：水的流出量和流入量的變化都將破壞水位保持恒定；自動控制即沒有人直接參與的控制，其基本任務是：在無人直接參與的情況下，只利用控制裝置操縱被控對象，使被控制量等于給定值。自動控制系統：指能夠完成自動控制任務的設備，一般由控制裝置和被控對象組成。由此可見：人工控制和自動控制油汀暖氣片的溫度控制TCTT減溫器溫度測量冷水過熱蒸汽溫度控制系統HTHC差壓變送器液位調節器執行器儲罐液位控制閉環控制1-2自動控制的基本方式開環控制復合控制一、開環控制控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯系的控制。溫度計

加熱電阻絲u~220Vk爐溫開環控制系統開關閉合后，不同的輸入電壓u對應于不同的溫度t。給定值輸出量典型開環控制的方框圖控制器被控制對象擾動輸出量

受控對象控制裝置

(電源)輸入量(溫度)擾動量開關電爐恒溫箱加熱電阻絲爐溫開環控制系統方框圖控制方式：按給定值操縱。信號由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對應一定的輸出量。系統的控制精度取決于系統事先的調整精度。對于工作過程中受到的擾動或特性參數的變化無法自動補償。結構簡單，成本低廉，多用于系統結構參數穩定和擾動信號較弱的場合.開環控制系統特點：信號從輸入到輸出無反饋,單向傳遞.

結構簡單.

控制精度不高,無法抑制擾動.例:

直流電動機轉速開環控制系統。

輸出量對輸入量沒有影響的系統稱為開環系統

二、閉環控制圖示:人工電動機轉速閉環控制系統反饋控制任務：保持工作機械恒速運行.控制過程：反饋：

輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程負反饋：

反饋的信號與輸入信號相減而使偏差越來越小典型閉環系統方框圖閉環控制:

是指控制器與控制對象之間既有順向作用有反向聯系的控制過程。特點:

輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統；因為可能發生超調，振蕩，所以穩定性很重要開環優點：結構簡單，成本低廉，工作穩定，當輸入信號和擾動能預先知道時，控制效果較好。缺點：不能自動修正被控制量的偏離，系統的元件參數變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大。閉環優點：具有自動修正被控制量出現偏離的能力，可以修正元件參數變化及外界擾動引起的誤差，控制精度高。

缺點：被控量可能出現振蕩，甚至發散。三、開環控制與反饋控制的比較主反饋

—與輸出成正比或某種函數關系，但量綱與給定信號相同；偏差

—給定信號與主反饋信號之差的信號；控制單元

—接受偏差信號，通過轉換與運算，產生期望的控制量；擾動

—對系統輸出產生不利影響的信號；反饋環節

—檢測輸出信號并轉換與給定輸入信號相同量綱的信號。四、閉環控制系統的術語和定義輸出量環節名稱（或特性）輸入量(a)(b)(c)c引出點cc閉環控制系統的方框圖

方框圖的組成：

擾動

(-)re=r-b

b被控量偏差信號

(-)

參考輸入信號r(t)

調節器(或控制器)u(t)受控系統e(t)

c(t)反饋信號

控制量給定

控制環節

放大

元件

執行

機構

受控

對象

反饋裝置

(測量元件)方框圖中各符號的意義

元部件方框（塊）圖信號（物理量）及傳遞方向中的符號比較點引出點表示負反饋擾動(b)方框圖(-)utug給定裝置放大器電動機轉速反饋裝置觸發器晶闡管可控整流器控制裝置受控對象nueudo五、復合控制

它是把按偏差控制與按擾動控制結合起來，對于主要擾動采用適當的補償裝置實現按擾動控制，同時再組成反饋控制系統實現按偏差控制，以消除其余擾動產生的偏差。電動機速度復合控制系統方框圖按擾動補償輸入信號

(-)

電壓放大器功率放大器

電動機測速發電機電壓放大器電阻RugueutMCn控制系統的組成(1)

被控對象控制系統測量元件比較元件

控制裝置

放大元件執行機構校正裝置給定元件控制系統的組成(2)

也稱定值系統。反饋控制系統的參考輸入信號為恒定的常量。在實際工程中給定值一般不變化或變化很緩慢，而擾動可隨時變化的系統稱為恒值系統，在生產過程中，這類系統非常多。例如，冶金部門的恒溫系統，石油部門的恒壓系統等。1-3典型控制系統恒值系統：例1爐溫控制系統

爐溫控制系統方框圖爐溫控制系統方框圖(-)utug擾動

給定裝置

放大器

電動機

轉速反饋裝置

觸發器

晶闡管可控整流器控制裝置受控對象n(b)方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc(a)原理圖+

電動機轉速控制系統方框圖例2轉速控制系統例3水溫調節系統水溫調節系統工作原理圖水溫調節系統水溫調節系統方框圖系統的給定值變化規律完全取決于事先不能確定的時間函數。例如，火炮系統，衛星控制系統等。隨動系統：例:一位置隨動系統的工作原理圖。控制任務：要求工作機械能夠跟隨指令機構同步轉動,即要使工作機械的角位置跟隨給定指令轉角，亦即使：

首先確定以下基本問題：（1）受控對象:工作機械；（2）被控量:角位置；（3）指令轉角:給定值；（4）測量元件:通過兩個相同的電位計測量轉角，并轉換為相應的電壓；（5）計算比較:兩個測量電位計的橋式連接，即完成了減法運算，兩電刷之間的電壓代表了被控量對給定量的誤差；（6）執行機械:電機減速裝置。系統的工作原理：

如果工作機械轉角等于指令轉角，則經事先整定，即電機不動，系統處于平衡狀態。當指令轉角改變，隨之改變，而工作機械仍處于原位，則從而使電動機拖動工作機械朝所要求的方向快速偏轉，直至電機停轉，此時系統在新的位置上處于與指令同步的平衡工作狀態，即完成了跟隨的任務。穩定性

被控制信號能跟蹤已變化的輸入信號，從一種狀態到另一種狀態，如果能做到，我們就認為該系統是穩定的，這是對反饋控制系統提出的最基本要求。在單位階躍信號作用下，控制系統的過渡過程曲線如下圖所示。將那些輸出最后趨于穩定值的，稱為穩定系統；而那些不能達到平衡狀態的，稱為不穩定系統。1-4對自動控制系統系統的要求.穩定性：是保證控制系統正常工作的先決條件。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)

(a)、(b)單調收斂；(c)振蕩發散；(d)、(e)振蕩收斂；(f)等幅振蕩。穩定性

系統在受到擾動作用后自動返回原來的平衡狀態的能力。如果系統受到擾動作用（系統內或系統外）后，能自動返回到原來的平衡狀態，則該系統是穩定的。穩定系統的數學特征是其輸出量具有非發散性；反之，系統是不穩定系統。1-4對自動控制系統系統的要求快速性

對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態性能。

動態過程進行的時間長短，過程時間持續很長，將使系統長時間出現大偏差，同時也說明系統響應很遲鈍，難以復現快速變化的信號過程2過程1準確性

用穩態誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當系統達到穩態后，其穩態輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩態誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統的輸出跟隨參考輸入的精度越高。自動控制原理研究的內容本章小結1-1自動控制的相關概念1-2自動控制的基本方式開環控制閉環控制復合控制1-3典型控制系統恒值系統隨動系統程序控制系統1-4對于自動控系統的要求穩定性快速性準確性1.日常生活中有許多開環和閉環控制系統，試舉幾個具體例子，并說明它們的工作原理。？2．如題圖1-2（a）、（b）所示兩水位控制系統，要求

畫出方塊圖（包括給定輸入量和擾動輸入量）；

分析工作原理，討論誤差和擾動的關系。