下载文档原格式
自动控制系统名词
自动控制系统是一种能够自动调节和控制设备、过程或系统的机制。
它使用各种传感器、控制器和执行器来实现对被控对象的监测、分析和操作。
在自动控制系统中，传感器用于检测被控对象的状态或参数，如温度、压力、流量等，并将其转换为电信号或数字信号。
控制器接收这些信号，并使用预定的控制算法进行处理，以确定所需的控制动作。
执行器则根据控制器的指令，对被控对象进行实际的操作，如调节阀门开度、改变电机转速等。
自动控制系统的目标是实现被控对象的稳定运行、精确控制和优化性能。
它可以应用于各种领域，如工业生产、航空航天、交通运输、能源管理、环境保护等。
常见的自动控制系统包括反馈控制系统、前馈控制系统、比例积分微分（PID）控制系统等。
它们的设计和实现需要考虑到被控对象的特性、控制要求、传感器和执行器的性能以及控制算法的选择。
自动控制系统的优点包括提高生产效率、降低劳动强度、提高产品质量、增强安全性和可靠性等。
它的发展和应用对于现代工业和社会的进步起到了重要的推动作用。
上篇自动控制原理第一章自动控制系统概述本章要点本章简要介绍有关自动控制的基本概念、开环控制和闭环控制的特点、自动控制系统的基本组成和分类以及对自动控制系统的基本要求。
第一节自动控制的基本概念自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。
自动控制系统则是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。
在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。
扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。
给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。
通常情况下，系统有两种外作用信号：一是有效输入信号（以下简称输入信号），二是有害干扰信号（以下简称干扰信号）。
输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值，并作用于系统的输入端。
干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号，它不但可以作用于系统的任何部位，而且可能不止一个。
由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制，严重时必须加以抑制或补偿。
第二节开环控制和闭环控制自动控制有两种基本的控制方式：开环控制和闭环控制。
与这两种控制方式对应的系统分别称之为开环控制系统和闭环控制系统。
一、开环控制系统开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。
这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。
电加热系统的控制目标是，通过改变自耦变压器滑动端的位置，来改变电阻炉的温度，并使其恒定不变。
因为被控制的设备是电阻炉，被控量是电阻炉的温度，所以该系统可称为温度控制系统，如图1-1所示。
开环控制系统的优点是系统结构和控制过程简单，稳定性好，调试方便，成本低。
第1章 自动控制系统的基本概念1－1 水位控制装置如图1-12所示。
试分析它的控制原理，指出它是开环控制还是闭环控制系统？说出它的被控量及扰动输入量是什么？绘制出其系统框图。
在该液位控制系统中，水箱的进水量来自进水阀门，出水量由用户阀门确定。
该系统能在用户用水量随意变化的情况下，保持水箱水位在希望的高度上不变。
工作原理：当水箱水位低于设定值H 2时，浮子下移，通过杠杆使阀门开合度增大，从而加大进水量，使水箱水位提高；反之，当水箱水位高于设定值H 2时，浮子上移，通过杠杆使阀门开合度减小，从而减小进水量，使水箱水位降低。
最终调节液位在一个相对稳定的高度。
控制任务：保持水位H 1在设定值；被控制量：实际水位H 1；扰动量：出水量；被控对象：水箱；测量元件：浮子；执行元件：进水阀门。
根据上析分析，给出系统的原理方框图如图1-13所示。
1－2某生产机械的恒速控制系统原理图如图1-14所示。
系统中除了速度反馈外，还设置了电流正反馈以补偿负载变化的影响。
试标出速度负反馈、电流正反馈的信号的正、负号并画出框图。
被控对象：电动机；被控量：电动机转速n ；给定量：电位器的电压u 1；扰动量：负载力矩的变化。
工作原理：电位器电压u 1与转速设定值相对应。
当转速n 低于设定值时，测速发电机输出电压u 2减小，电压偏差信号 增大，电压放大器1的输出电压提高，经功率放大器放大后加到电机电枢两端电压u 4提高，从而使电动机的转速提高。
另一方面，当负载转矩增大时，电枢回路中的电流增大，电压放大器2的输出电压u 3增大，经功率放大器后加到电机上的电压u 4也提高，起到了扰动补偿作用。
由此可见，当转速低于设定值时，可通过反馈回路和扰动补偿两方面的共同作用使转速提高，从而达到了复合控制转速的目的。
反之亦然。
根据题意，可得系统原理方框图如图1-15所示。
21u u u -=∆1-3图1-16所示为一温度控制系统的原理图。
指出系统的输入量、被控量和控制原理，并画出系统框图。
第一讲 拉普拉斯变换及其应用1.1基本要求1,熟悉拉氏变换的基本法则2,熟练掌握典型函数的拉氏变换式。
3,掌握用拉氏变换求解微分方程初值问题的思路。
4,熟练掌握求有理分式函数拉氏反变换的方法 1.2.重点讲解1, 对于学习本课程而言，广义积分式(拉氏变换的定义)的收敛性以及复变量主值积分式(反变换定义式)的计算，与正确地熟练地运用拉氏变换的基本法则相比不是主要的，因为在工程计算中可以用查表的方式来完成拉氏变换和拉氏反变换的计算。
而拉氏变换的基本法则的运用则直接关系到是否真正掌握这种变换的工具。
2,拉氏变换的线性性质源自定积分的线性性质，这说明作为一种变换关系，拉氏变换是线性变换。
应当指出线性关系并非所有变换都具有的性质，例如以十为底的对数可以看成正半数轴到数轴的变换关系，但关系式g()g g l a b l a l b +≠+说明取对数的运算显然不满足线性关系。
3, 为了保证拉氏变换的一一对应关系，总假定拉氏变换的定义式中的原函数()f t 在t 时为零。
即原函数应写成0<()1()f t t ⋅,根据单位阶跃函数1(t)的定义，这里()1()f t ⋅t 为()0()1()00f t t f t t t > ⋅=<下面给出()f t 、()1()f t t ⋅、、0()1()f t t t ⋅−00()1(f t t t t )−⋅−、0(f t t )−的函数关系，以说明通常所说“将()f t 延迟t ” 的正确表示。
显然应当是图1-1中的(d) ，不是(c)或(e) 0()1()f t t ⋅0()1()f t t t ⋅−00()1()f t t t t −⋅− (d)(c)(b) (a) (e)图1-1 将()f t 延迟t基于上述认识，就能正确表达图形和用延迟定理求出某些图形的拉氏变换式。
例题1-2图1-2 波形图求图1-2中的波形的拉氏变换。
解 图1-2中的波形可以看成、()1()t t ⋅001(t t t t )−⋅−、t t 01()t 0⋅−这三个信号的代数和，读者可画出这三个信号的波形图以验证下式的正确性。
中北大学课程设计说明书学生姓名：xxx 学号：学院：中北大学专业：自动化题目：直流电机位置随动系统设计（第六组）职称: 副教授 2013 年 12 月 9 日中北大学信息商务学院课程设计任务书2013-2014 学年第一学期学院：xxx专业：自动化学生姓名：xxx 学号：课程设计题目：直流电机位置随动系统设计（第六组）起迄日期：12月9 日～12月20日课程设计地点：德怀楼七层实验室指导教师：姚舜才下达任务书日期: 2013年 12月 9日课程设计任务书课程设计任务书一、实验目的设计一个位置随动系统，使用工程设计方法，使其达到相应的技术指标要求二、实验设计要求1、计算并选择电动机型号及调节器的结构参数；2、画出系统的电气原理图（标明各环节参数，计算机制图，推荐使用Protell软件）；3、画出系统的动态结构图（标明各环节参数）；4、利用MATLAB软件对所设计的系统进行验证，给出仿真结果；5、利用Bode图近似画法，绘制系统的对数频域渐近特性；6、对比（4）、（5）的图形并说明其异同；7、提交设计说明书。
三、位置随动系统的概念位置随动系统也称伺服系统，是输出量对于给定输入量的跟踪系统，它实现的是执行机构对于位置指令的准确跟踪。
位置随动系统的被控量(输出量)是负载机械空间位置的线位移和角位移，当位置给定量(输入量)作任意变化时，该系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化，所以位置随动系统必定是一个反馈控制系统。
位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统。
它属于自动控制系统中的一类反馈闭环控制系统。
随着科学技术的发展，在实际中位置随动系统的应用领域非常广泛。
例如，数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方位的自动跟踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等。
随着机电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。
二．位置随动系统的基本组成1.电位器式位置随动系统的组成下面通过一个简单的例子说明位置随动系统的基本组成，其原理图如图1-1所示。
这是一个电位器式的小功率位置随动系统，有以下五个部分组成：图1-1 电位器式位置随动系统原理图（1）位置传感器 由电位器1RP 和2RP 组成位置传感器。
1RP 是给定位置传感器,其转轴与操纵轮连接，发出转角给定信号*m θ；2RP 是反馈位置传感器，其转轴通过传动机构与负载的转轴相连，得到转角反馈信号m θ。
两个电位器由同一个直流电源s U 供电，使电位器输出电压*U 和U ，直接将位置信号转换成电压量。
误差电压U U U -=∆*反映了给定与反馈的转角误差m mθθθ-=∆*，通过放大器等环节拖动负载，最终消灭误差。
（2）电压比较放大器（A ） 两个电位器输出的电压信号*U 和U 在放大器A 中进行比较与放大，发出控制信号c U 。
由于U ∆是可正可负的，放大器必须具有鉴别电压极性的能力。
输出的控制电压c U 也是可逆的。
(3)电力电子变换器（UPE ） 它主要起功率放大的作用（同时也放大了电压），而且必须是可逆的。
在小功率直流随动系统中多用P-MOSFET 或IGBT 桥式PWM 变换器。
对于大功率位置随动系统，会用到可逆的脉宽调制式PWM 变换器。
(4)伺服电机（SM ） 在小功率直流随动系统中多用永磁式直流伺服电机，在不同情况下也可采用其它直流或交流伺服电机。
大功率随动系统中也可采用永磁式直流伺服电机，由伺服电机和电力电子变换器构成可逆拖动系统是位置随动系统的执行机构。
(5)减速器与负载 在一般情况下负载的转速是很低的，在电机与负载之间必须设有传动比为i 的减速器。
在现代机器人、汽车电子机械等大功率设备中，为了减少机械装置，倾向于采用低速电机直接传动，可以取消减速器。
以上五个部分是各种位置随动系统都有的，在不同情况下，由于具体条件和性能要求的不同，所采用的具体元件、装置和控制方案可能有较大的差异。
四、三环随动系统的基本组成1.三环随动系统的基本组成：系统可分为以下八个部分：1．位置环我们只分析它的数学模型，不会把它作具体介绍。
可以近似为一阶惯性环节，传递函数为=)(s W j 1+s T K j j2．位置传感器模拟随动系统的位置传感器如前所述，大体可以分为两种，电位器和基于电磁感应原理的位置传感器。
基于电磁感应原理的位置传感器有自整角机、旋转变压器、感应同步器等，是应用比较广泛的模拟式位置传感器，可靠性和精度都比较高。
本次设计采用的位置传感器是自整角机。
自整角机是角位移传感器，在随动系统中总是成对应用的。
与指令轴相联的自整角机称为发送机，与执行轴相联的称作接收机。
按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两类。
力矩式自整角机可以不经中间放大环节，直接传递转角信息，一般用于微功率同步旋转系统。
对功率较大的负载，力矩式自整角机带动不了，可采用控制式自整角机，将自整角接收机接成变压器状态，其输出电压通过中间放大环节带动负载，组成自整角机随动系统。
下面简单分析本次设计使用的控制式自整角机的工作原理和使用。
先看单相自整角机的结构和工作原理。
它具有—个单相励磁绕组和一个三相整步绕组，单相励磁绕组安置在转子上，通过两个滑环引入交流励磁电流，励磁磁极通常做成隐极式。
这样可使输入阻抗不随转子位置而变化。
整步绕组是三相绕组，一般为分布绕组，安置在定子上，它们被此在空间相隔o 120，并接成Y 形。
BST 为自整角发送机，BSR 为自整角接收机。
本次模型中采用的自整角机的放大系数)(25.1o bs V K =。
自整角机本身的检测误差o d e 5.0=。
传递函数为式（4-2），是简单的线性函数在数学模型将不会出现，但在计算稳态误差时将会用到自整角机的参数。
自整角机还包括相敏整流器URP ，可以把它当作自整角机的一部分，相当于一个电压放大器，并反映m θ∆的极性，放大系数=rp K 2，当然它在数学模型中也不会出现。
3．电压比较放大器（A ）这是位置随动系统所必须有的装置。
它的作用是发出控制信号c U ，由于U ∆可正可负。
放大器必须具有鉴别电压极性的能力，输出的控制的电压c U 也是可逆的。
放大系数5=a K ，函数关系U K U a c ∆=。
这个简单的函数关系也不会在数学模型中出现。
4．电力电子变换器（UPE ）起功率放大作用，而且是可逆的。
PWM 变换器有可逆和不可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等。
在本次大功率随动系统中选取双极式控制的桥式可逆PWM 变换器，因为是大功率系统变换器采用可关断晶闸管。
采用PWM 的调速系统发展越来越成熟，用途也很广，与单纯的晶闸管调速系统相比有很多优点1）主电路线路简单，需用的功率器件少；2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； 3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
桥式可逆PWM 变换器的原理图本次设计采用的PWM 变换器的开关频率f =2500Hz ，即失控时间s T =0.4ms ，失控时间已经非常小，大大提高了系统的快速性，所以时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节（其中s T =1T ），传递函数为1)(111+=s T K s W 5．电流调节器（ACR ）按工程设计法选择典型I 型系统，PI 调节器。
传递函数为s T s T K s W i i piACR 1)(+= 6．转速调节器（ASR ） 按工程设计法选择典型I 型系统，选用PI 调节器。
传递函数为s T s T K s W n n pnASR 1)(+= 7．位置调节器（AWR ）按工程设计法和位置系统的校正，典型II 型系统，选用PID 调节器。
传递函数为 11)(21++=s T s T K s W w w pwAWR8．伺服电机（SM ）基于本次设计的大功率随动系统选择永磁式直流伺服电机，即直流他励电动机，型号为Z2-21，铭牌参数，W P n 400=，v U n 110=，A I n 59.5=，min 1000r n N =。
伺服电机可视为一个二阶系统，分为两个传递函数,，一部分为电机电枢近似成一阶惯性环节，传递函数为()122+=s T K s K l 一部分为传动装置近似为积分环节，传递函数为sT K s K m 33)(=9．负载负载就不做具体介绍，它也是系统是整个系统的被控位置对象，我们主要研究它的数学模型。
传递函数近似为积分环节s P s W i 602)(⨯= 随动系统功率大，采用低转速的直流伺服电机，所以本设计取消减速器。
五、三环随动系统的数学模型的建立三环随动系统结构图六、三环随动系统的稳态参数计算已知直流他励电动机，型号为Z2-21，铭牌参数，W P n 400=，v U n 110=，A I n 59.5=，min 1000r n N =。
电力电子变换器的增益201==K K s ，电压放大器的增益5=a K ，相敏整流器的放大系数由计算决定。
自整角机的放大系数)(50o bs v K =。
计算过程如下：电动机的额定效率为65.059.5110400=⨯==N N N N I U P η 电动机的电枢电阻为Ω=-⨯=-=4.359.5110)65.01(5.0)1(21N N N a I U R η 电动机的电动势系数为1min 091.010004.359.5110-⋅=⨯-=-=r v n R I U C N a N N e 电动机的转矩系数为A m N C C e m ⋅=⨯==87.0091.055.930π位置随动系统的静态结构框图（未考虑校正装置）七、三环随动系统电流调节器的设计1．电流环结构图的简化在图4-4中，在一般情况下，系统的电磁时间常数a T 远小于机电时间常数m T ，因此转速的变化往往比电流变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即0≈∆E 。
这样在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，可以证明，忽略反电动势对电流作用的近似条件是la ci T T 13≥ω 式中ci ω——电流环开环频率特性的截止频率。
由于1T 比m T 小的多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 1T T i =∑电流环简化的近似条件为s ci T 131≤ω2．电流调节器的结构选择首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。
