自动控制原理鄢景华版第一章概要

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自动控制原理概述演示文稿

近年来，在非线性系统理论、离散事件系统、大系统和复杂系统理论以及专家系统、模糊控制和人工神经网络控制等方面均有不同程度的发展。
第32页，共33页。
第四节自动控制理论发展简述
总之，自动控制理论正随着技术和生产的发展而不断发展，而它反过来又成为高新技术发展的重要理论根据。本书所介绍的内容是该理论中最基本的也是最重要的内容，即古典控制理论部分。它在工程实践中用得最多，也是进一步学习自动控制理论的基础。
控制方式.
1．开环控制
开环控制控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系.
第10页，共33页。
第一节自动控制与自动控制系统
例转台速度开环控制系统由系图统可这组见种成转：：台在C 度D驱过转没动机由功速台有器、于率度反等计被放设电馈许算控大置机到多机制以信输现磁量后号入代盘速，通端与装提给电置供定源中给信和广电号放泛动比应机较用驱,.为动开电环源大控，装制电置系动统机。带动
制量
给定值
_
控制器
受控对象
检测元件
反馈控制
第18页，共33页。
第一章概述
第二节自动控制系统的分类
自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种
一、线性系统和非线性系统
线性系统：
由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统。
非线性系统：由非线性方程描述的系统。
第19页，共33页。
第二节自动控制系统的分类
随动系统：系统给定值按照事先不知道的时间函数变化
，并要求被控量跟随给定值变化。
如：火炮自动跟踪系统、轮舵位置控制系统等。
第23页，共33页。
第二节自动控制系统的分类
程序控制系统：

自动控制原理课件第一章

精品资料
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(yǐngxiǎng)的
系统，都叫做闭环控制系统。
输入
偏差
+-
控制装置
控制对象
输出
反馈元件
图1-13 闭环控制系统Байду номын сангаас框图
精品资料
室温(shì wēn)控制系统
r＋－
e 空调器
热传导室内空气等c
y
热敏电阻
图 1 - 1 室温控制系统元件(yuánjiàn)框图
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
当出水与进水的平衡被
控制器
破坏时，水箱水位下降(
流入
或上升)，出现偏差
浮子水箱
(piānchā)。这偏差 (piānchā)由浮子检测出来，自动控制器在偏差
h
流出 (piānchā)的作用下，控
制阀门开大(或关小)，对
图1.3 液面自动控制
偏差(piānchā)进行修正
精品资料
2. 自动控制的基本职能(zhínéng)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
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，则称为 (chēnɡ wéi)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。
精品资料
16
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。
比较元件：将被控量与给定值加以(jiāyǐ)比较，形成偏差信号；

《自动控制原理》鄢景华作业讲解

5
P44:2-5 (c)加题无源网络如下图所示，求传递函数U2/U1。
R1 L1
R2 u 2 t
u3 t
U 2 s L1s U 3 s L1s R2
U 3 s U1 s R L s R // 1 1 1 2 Cs 1 L1s R2 // Cs
s Rs 错误做法：
R s

s
G1G2G3G4
C s
H1 H 2 G4 H 2 G4 G1 H 4 G1G2
s 1 E Rs 1 GH
1 1 G3G4 H 4 G2G3 H 3 G1G2G3 H 2 G1G2G3G4 H1
3
第二章习题讲解
P44:2-5 (c) 无源网络如下图所示，求传递函数U2/U1。
R1 L1
u 2 t R2
u1 t
C
u3 t
U 2 s U1 s R L s R // 1 1 1 2 Cs
1 L1s R2 // Cs
U 3 s U 3 s U 2 s U 1 s U 2 s U 1 s
R s

s
G3
G1H1Βιβλιοθήκη G2 C s Y
G2
C s
G3
R s
1 s
G1
Y
H1
s
1 G3G2 H1 Rs 1 G1G2 H1
27

G1

G2
G3
H 3 G4
G4
C s
H 2 G4
H1
20
步骤三：并联和反馈

自动控制原理第一章自动控制原理

如图1－5所示。
给定量控制器
干扰量
被控量受控对象
自控系统
图1－5 自动控制系统
第一章自动控制概论
• 如水位自动控制系统：
比较元件
进水 + 连杆
测量元件
实际水位浮子
输出量
M 电机
干扰信号
出水
<
受控对象
图1－3 水位自动控制系统原理图
第一章自动控制概论
1.2.2 自动控制系统的基本组成
基本要求
通过学习本课程，获得自动控制
系统的基本概念和基本理论；掌握分析自动控制系统或过程控制系统的基本方法。
自动控制理论
经典控制理论线性控制系统
连续控制系统
第二章第三章第四章第五章
现代控制理论非线性控制系统
离散控制系统
第六章
第七章
第八章
第一章自动控制概论
控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制
系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，
由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武
器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统
自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其
被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被
控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足c(t) ≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。
输入量输出量
串联校正
放大
执行
受控对象

自动控制原理第一章PPT资料(正式版)

科学家们受到人脑神经系统处理信息的模式的启发，着眼研制人工神经网络计算机。
1经-4对细自动胞控制及系统其的基发本要生求的许多突起构成一个神经元。大脑中所有的神经元
控制系统在生物医学领域获得了广泛应用，出现了药物自动注射系统。
3相、给互定各紧变量密控制连要求接（设就计指构标）成了一个极其复杂的神经网络。神经网络计算机
故障介绍(补充)
1968年9月18日，德尔塔L(DSV-3L)运载火箭长纳维拉尔角发射场17A发射台进行第59次发射，有效载荷为国际通讯卫星3F1。
火箭起飞后，俯仰角速率控制系统出了故障，俯仰面内出现间歇振荡。起飞20秒后，振荡逐渐增大，108秒，火箭指令炸毁。
发射失败后，对失败原因进行了调查研究，发现故障是由于速率陀螺配电盒中俯仰速率线路内的一根导线松动造成的。
自动控制原理第一章
目录
第一章自动控制的一般概念 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
+
u0 + 功率 + +
n
SM 负载
放大 ua
电电动动机机速速度度开控环制控系制系统统(补充)
+
电动机速度复合控制系统
ur t
RQ RW
变换器
Δu
放大器
L
绳轮
电机测速机
减速器
函数记录仪原理示意图(P7)
函数记录仪方块图(P7)
飞机示意图
给定电位器
反馈电位器
飞机方块图
给 θ0 定
装置
放大
舵机
器
反馈电位器
扰动

自动控制原理第一章

2003.6
为克服上述的缺点，可在原系统中增加一些设备而组成较完善的自动控制系统，如图1－3所示。这里，浮子仍是测量元件，连杆起着比较作用，它将期望水位与实际水位两者进行比较，得出误差，并以运动的形式推动电位器的滑块作上下移动。电位器输出电压的高低和极性充分反映出误差的性质（大小和方向）。电位器输出的微弱电压经放大器放大后用以控制直流伺服电动机，其转轴经减速器降速后拖动进水阀门，作为施予系统的控制作用.
2003.6
二、自动控制系统中常用的名词术语
系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式连结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。输入信号：指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。输出信号：指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定函数关系。反馈信号：由系统输出端取出并反向送回系统输入端的信号。有主反馈和局部反馈之分。
2003.6
图1－1所示是人工控制水位保持恒定的供水系统。水池中的水源源不断地经出水管道流出，以供用户使用。随着用水量的增多，水池中的水位必然下降。这时，若要保持水位高度不变，就得开大进水阀门，增加进水量以作补充。在本例中，进水阀门的开启程度（简称开度）并非不是一成不变度，而是根据实际水位的多少（它发应出用水量的大小）进行操作的。
2003.6
二、开环控制系统控制系统从信号传送的特点或系统的结构形式来看，可分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。图1－4所示的他激直流电动机转速控制系统就是一种开控制系统。它的任务是控制直流电动机以恒定的转速带动负载工作。系统的工作原理是：调节电位器Rw的滑块，使其给定某个参考电压ur。该电压经电压放大和功率放大后成为ua，再送往电动机的电枢，作为控制电动机转速之用。由于他激直流电动机的转速n与电枢电压ua成正比（对同一负载而言），因此，当负载转矩Mc不变时，只要改变给定电压ur，便可得到不同的电动机转速n。换言之， ur与n具有一一对应的函数关系。

《自动控制原理》第一章-自动控制原理精选全文完整版

● 放大环节：由于经过计算机处理的信号通常是标准化的弱信号，不能驱动被控对象，因此需要加以放大。放大环节的输出必须有足够的能量，一般需要幅值的放大和功率的放大，才能实现驱动能力。
● 执行环节：其作用是产生控制量，直接推动被控对象的控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。
常用的名词术语
1.稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、发散振荡或单调增长运动。
2.动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为阶跃响应。
时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。
即若系统的输入为 r(t) 时，对应的输出为 y(t)，则
当输入量为 Kr(t)时，输出量为 Ky(t) 。
（2）非线性系统
● 特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 ● 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、
间隙特性等。
图1-5 典型的非线性特性
对被控对象的控制作用，实现控制任务。
图1-3 闭环控制系统原理框图
Hale Waihona Puke (3)复合控制系统工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信号进行补偿，以达到精确的控制效果。
图1-4 复合控制系统原理框图
2.按系统输入信号分类
（1）恒值控制系统系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。
举例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制系统。

自动控制原理概述 ppt课件

h(t)
阀门
水箱
浮球
8
第一节自动控制与自动控制系统
二、自动控制系统的基本构成及控制方式
不同的被控对象和不同的控制装置构成了不同的控制系统，所以自动控制系统的种类是很多的。自动控制系统一般有两种基本控制方式.
1．开环控制
开环控制控制装置与受控对象之间只
有顺向作用而无反向联系.
2020/12/27
例液位自动控制系统
工系作统原组理成：：水箱调节杆杠杠杆长杠浮杆度球机L 构，阀调通门节过阀进门水的开出度水，从杆而杠调长节度进水
L h
量被以7
7
第一节自动控制与自动控制系统
系统
结构框图
L h
hr(s) 杠杆
机构
2020/12/27
被控量
控制分通析过和对设各计类自机控动器制器控、制各系种受统物控对的理象性参能量。、工
自业动示生图控下意产制面过系通程统过等的一的基些控本实制概例直念来接检说造测明福元自件于动社控会制。和
2020/12/27
3
第一节自动控制与自动控制系统
例水温人工控制系统系工统作的过构程成：：受控手蒸对动汽象调通:水箱节被过阀热控门传制的导量开器:水温度件，把从热阀而量门调传节递热蒸给传汽水导的,水器流的件量温,度显来与示控蒸仪制汽表水的的蒸温流汽度量.成排正水比冷. 水但人工热难水以实现稳定的高质量控制.
怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。
2020/12/27
29
第一章概述
第四节自动控制理论发展简述
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。

自动控制原理各章知识精选全文完整版

⑴ 偏差、误差的概念
(s), (t) E(s), e(t) cdesired (t) c(t)
E(s) 1 (s)
H
G (s)
1
H
H
⑵ e(t) ets (t) ess (t)
暂态稳态
单位负反馈系统开环传函
r(t)
1 2
t2
时稳态误差
Ts 1 E(s) Ts 1 s3
e(t)
T
2. 运动方程式
确定输入量、输出量列写各元件运动方程消除中间变量化为标准形式
RL
u1
C u2
Fi
K
m
f
y
L
C
u1
u2
R
R1
u1
C
R2 u2
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
u1
m
d2y dt 2
f
dy dt
Ky
Fi
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
RC
du1 dt
tg1 1 2 cos1
p e 1 2 100 %
d. c(t) c() c() t ts
2%或5%
4 ts n
2%
3 ts n
5%
d. N : 振荡次数
N ts Td
Td
2 d
d n 1 2
tr , t p 评价响应速度
p , N 评价阻尼程度
ts
以分析，并将分析结果应用于工程系统的综合和自然界系统的改善。自动控制
毋需人直接参与，而是被控制量自动的按预定规律变化的控制过程。
4. 开环控制、闭环控制、反馈控制原理

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二、闭环控制
反馈
图示:
人工电动机转速闭环控制系统
控制任务：保持工作机械恒速运行.
控制过程：
n u f u ua n
典型闭环系统方框图
• 反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程 • 负反馈：反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小
Байду номын сангаас
闭环控制:
是指控制器与控制对象之间既有顺向
控制方式：按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合.
例:
直流电动机转速开环控制系统。

输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统
作用有反向联系的控制过程。
特点: 输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要
三、开环控制与反馈控制的比较
开环优点：结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。闭环优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
经典控制理论
主要研究对象:对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。现代控制理论主要研究对象:多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的分析和设计问题。
研究对象数学工具分析方法
局限性
对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力
经典控制理论
单I/O 线性定常系统
微分方程，传递函数
课程结构
• • • • • • 第一章第二章第三章第四章第五章第六章自动控制概论控制系统的数学模型控制系统的时域分析法根轨迹法频率法控制系统的校正
参考书目
• 《自动控制系统》，田玉平，电子工业出版社 • 《控制理论与机械系统控制》，竺长安，高等教育出版社
成绩构成 • 48学时（3学分）
• 考试（70%） • 作业（20%） • 平时（10%）
第一章自动控制概论
1-1 自动控制与自动控制系统的基本概念 1-2 自动控制的基本方式 1-3 典型控制系统 1-4 控制系统的组成和对控制系统的要求
1-1 自动控制基本概念
自动控制：
在没有人直接参与的情况下，采用控制装置或机械使被控制对象达到预期的目标。发展简史：
人工控制和自动控制
油汀暖气片的温度控制
TC
冷水
减温器
TT 温度测量
过热蒸汽温度控制系统
液位调 HC 节器执行器
储罐
HT 差压变送器
液位控制
1-2 自动控制的基本方式
开环控制闭环控制复合控制
一、开环控制
控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。
(a)
(c)
方框图中各符号的意义
元部件
方框（块）图
中的符号
信号（物理量）及传递方向
• 1765年，瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制蒸气机 • 1948年，维纳《控制论－或关于在动物和机器中控制和通信的科学》产生 • 40－60年代经典控制理论（频域法为主） • 60－70年代现代控制理论（时域法为主) • 70年代以后大系统控制理论
自动控制研究的内容：经典控制理论现代控制理论
时域法频域法根轨迹法
现代控制理论
多输入-多线性代数、输出变系矩阵理论数，非线性等系统
状态空间法
比较繁琐（但由于计算机技术的迅速发展，已克服)
举例说明控制系统概念
• 通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。
返回子目录
下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念
控制器气动阀门流入 Q1 浮子水箱 H 流出 Q2
水位自动控制系统
•控制任务：
维持水箱内水位恒定；
控制器
•控制装置：
气动阀门流入 Q1 浮子水箱
气动阀门、控制器；
•受控对象：水箱、供水系统； •被控量：水箱内水位的高度；
四、闭环控制系统的术语和定义
主反馈偏差控制单元扰动反馈环节
— — — — —
与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同；给定信号与主反馈信号之差的信号；接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量；对系统输出产生不利影响的信号；检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号。
10
H 流出 Q2
水位自动控制系统
•给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度； •测量装置：
气动阀门流入 Q1
控制器
浮子水箱 H 流出 Q2
浮子；
•比较装置：控制器刻度盘； •干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；
水位自动控制系统
由此可见：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。
温度计
k u
加热电阻丝
开关闭合后，不同的输入电压u对应于不同的温度t。
~220V
炉温开环控制系统
扰动量
输入量
加热电开关控制装置阻丝
电炉恒
输出量 (温度)
(电源 )
温箱
受控对象
炉温开环控制系统方框图
扰动控制器给定值被控制对象输出量
典型开环控制的方框图
开环控制系统特点：信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.
•闭环控制系统的方框图
扰动
给定
r(t)
e(t)
(-)偏差参考输入信号信号调节器(或控制器)
控制环节
放大元件
执行受控控制量机构对象受控系统
u(t)
c(t)
被控量
反馈信号
反馈装置 (测量元件)
•方框图的组成：
输入量
环节名称（或特性）输出量
r b (b)
e=r-b
(-)
c c
引出点 c