第一章自动控制系统的基本概念资料

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1、自动控制原理 讲授 程曼 河北农业大学 机电工程学院 一、课程简介 自动控制原理是电气类专业的一门重 要的专业技术基础课。该课程主要讲授 经典控制理论的三大分析方法（时域分 析法，根轨迹分析法和频域分析法）、 自动控制系统综合与校正的一般方法和 非线性系统等内容。 通过对本课程的学习，要求学生系 统地掌握自动控制的基本原理和基本方 法，并能对控制系统进行定性分析、定 量计算和综合设计。 二、课程体系设置 （一）结构体系：理清“三纵三横”。 这里讲的“三纵”：指系统在三域（时 域、复域、频域）中的数学模型；“三横 ”：指系统特性（稳定性、稳态特性、动 态特性）的三分析。 1、“三纵”： 结合系统

2、的数学模型，讲清工程上实际 求解与数学上理论计算之间的内在联系与 区别。具体地说，就是要搞清楚几种数学 模型之间的相互关系。 2、“三横”： 掌握系统分析的三要素：稳定性、静 态特性和动态特性。 性能指标是衡量一个系统好坏的重要 标志，也是对系统进行校正的主要依据 ，抓住这条线，就是抓住了系统分析改 造的关键，有利于学生建立一个“横向 ”的思路。 （二）内容体系 ： 三、课程内容（共48学时） 第一章 自动控制系统的基本概念 学时数: 4 第二章 线性连续系统的数学模型 学时数： 第三章 控制系统的时域分析法 学时数：10 第四章 控制系统的根轨迹分析法 学时数： 第五章 控制系统的频率特性分

3、析法 学时数： 1 第六章 频率校正方法 学时数：3 第七章 非线性系统分析 学 时数：3 总复习及小测验 学时数： 专业的培养目标 对高级工程技术人才的要求 如何学习才能成为人才 该课程的学习方法与要求 四、课程的学习目的、方法与要求 （一）专业的培养目标 明确学习目的 电气工程及其自动化专业 培养具有创新意识和创新能力、综合素质 高、适应能力强的，能够从事与电气工程有 关的系统运行、自动控制、电力电子技术、 信息处理、试验分析、研制开发、经济管理 以及电子与计算机技术应用等领域工作的宽 口径“复合型”高级工程技术人才。 工程技术人员（包括其他技术家）和科学 家的职责不同。 科学家的任务是如

4、何认识，因而他可以选 择自己感兴趣的研究课题； 工程师的任务是如何实现，所以他必须解 决面临的实际问题。工程问题受到多方面因素 的制约，工程师必须在多种可能方案中做出选 择，谋求最可靠、最经济、最实用的解决方法 。 工程技术人员的任务 将来我们做什么 （ 二）对工程技术人才的要求 合格人才是什么样的 一个工程师接受任务的时候总会问自己这样的问题： 会不会做是否在科学技术上掌握了必须的知识和技 能，能够解决工程上的难题。 可不可以做是否在政策法规和社会公德允许的条 件下的工程。 该不该做是否拥有了良好的生态可行性和工程持 续性，并且能在人、才、物和时空约束条件下经济合 理地完成任务。 如何去做拿

5、出切实可行的解决方案。 （三）如何学习才能成为人才 第一境界： 总结知识的能力 自我学习的能力 综合知识的能力 第二境界： 发现问题的能力 解决问题的能力 第三境界： 创造思维的能力 n课程重要性 自动控制原理是工科的技术基础课，该 课程与其它课程的关系承上启下的课程。 （四）该课程的学习方法与要求 了解课程特点明确学习方法与要求 自动控制理论 电路理论 电机与拖动 大学物理 信号与系统 复变函数 拉氏变换 模拟电子技术 线性代数 微积分 各 类 专业课 线性系统 现代控 制理论 实际 系统 物理 模型 数学 模型 方法（系统组成 分析、设计） 自动控制是一门技术学科，从方法论的角 度来研究系

6、统的建立、分析与设计。研究控 制系统的共性问题。 提供了研究思想与研究方法 n课程特点及性质 自动控制技术是应用非常广泛的技术 本课程学习方法 打好基础复习学过的基础课 认真听课掌握基本理论和基本方法 做好习题锻炼解决实际问题的能力 本课程学习要求 学会分析、解决工程问题的基本思路和方法 五、教学方法 突出教学中的重点与难点问题，采用启发与 讨论的方式，多列举实际工程中的应用示例 ，力求理论联系实际； 采用传统与现代教学手段相结合，将实际控 制系统与控制原理相结合，把抽象的系统动 态过程与系统结构、参数关系形象化，以便 于学生理解； 加强实践教学环节，在加深对理论知识理解 的基础上，提高学生动

7、手解决问题的能力。 五、选用教材 自动控制原理（第二版） 孙炳达 主编 机械工业出版社出版 该书基本概念清楚，数学推导严谨， 理论系统性强，例题具有代表性，图解 说明性强，习题丰富，文字简洁。 几点要求： 其它。 关于出勤 课堂纪律 关于作业 第一章 自动控制系统的基本概念 n1-1 引言 n1-2 自动控制的基本方式 n1-3 自动控制系统的组成 n1-4 自动控制系统的分类 n1-5 对控制系统的基本要求 n1-6 自动控制系统的发展简史 一、自动控制的基本概念 现代科学技术中的 自动控制技术得到 了广泛的应用 航天器 工业控制 机器人 家用电器 自动控制的特征： 通过对各类机器、各种物理

8、参量、工 业生产过程等的控制直接造福于社会。 自动控制： 在无人直接参与下，利用控制装置操 纵受控对象，使受控对象的被控量按给定 信号变化规律去变化。 自动 控制 示意 图 控制器 给定值 检测元件 受控对象 被控量 自动控制系统 控制装置: 受控对象: 机器、设备、 生产过程等 控制器、检 测元件等 分析和设计自动控制系统的性能。 自动控制原理的主要任务： 下面通过一些实例来说明自动控制和 自动控制系统的基本概念 1-1 引言 例 水温人工控制系统 受控对象:水箱 热传导器件 系统的构成： 被控制量:水温 阀门 显示仪表 蒸汽排水 冷水热水 工作过程： 蒸汽通 过热传导器 件把热量传 递给水

9、,水的 温度与蒸汽 的流量成正 比. 手动调 节阀门的开 度，从而调 节蒸汽的流 量,来控制水 的温度. 但人工难以实现稳定的高质量控制. 例 水温自动控制系统 系统中增加了： 控制器 电机 加入给定信号 工作原理： 检测实际温度 产生控制信号 通过电机调 节阀门的开度 从而调节蒸 汽流入，控制 水的温度. 实 现没有人直接 参入的自动水 温控制. 为了方便地分析系统性能，一般用 框图来表示系统的结构，水温自动控制系 统可用框图表示为： 要使自动控制系统满足工程实际的需 要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与 系统性能之间的关系。 实际 温度 偏差 反馈量 预期 温度 _ 控制器执行机构 阀

10、门水箱 例：人工控制与自动控制：水箱水位控制问题 人工控制 人工控制过程归纳： 用眼观察水位，目测出实 际水位高度并反馈到大脑中 （测量过程） 在脑中与要求水位进行比 较，得出偏差大小，决定手 的操作动作（决策过程） 手执行大脑决定的动作， 打开或关闭阀门（执行过程 ） 传感器代替眼看测量出实 际水位高度并反馈到控制器 在控制器中将实际水位与 设定水位进行比较得出偏差 值，对偏差信号进行放大送 到执行器 执行器执行开关阀门动作 自动控制 共同特点：通过检测被控量，得到与给定值的偏差，并去纠 正偏差，进而减小偏差。 在人工控制中偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决 策得出的； 在自动控制系统中偏

11、差则是通过反馈，由控制器 进行比较、计算产生的。 自动控制过程归纳： 杆杠长度 例 液位自动控制系统 h 水箱杆杠 浮球 阀门 进水 系统组成： 出水 被控制量： 水位高度 工作原理： 调节杠杆 长度 L ，通过 杠杆机构调节 阀门的开度， 从而调节进水 量以控制液位 的高度。 L 系统的结构框图如图所示: 杠 杆 浮球 hr(s) h(t) 阀门水箱 机 构 分析控制系统的工作原理分析人要做 这个事情的思路 分析控制系统的结构设计与组成系统 分析控制系统的性能指标是否能够完 成任务 自动控制理论 研究和分析控制系统共性的理论 自动控制就是利用控制装置代替人去 自动地完成人要完成的事情 1开环

12、控制 有顺向作用而无反向联系. 自动控制系统从控制的基本方式看，可分 为开环控制、闭环控制和复合控制。 开环控制 控制装置与受控对象之间只 n1-2 自动控制的基本方式 例 转台速度开环控制系统 这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器 等现代装置中广泛应用. 转台 电机 电源和放 大装置 速度设置 系统组成： 由图可见： 被控制量速 度没有反馈到 输入端与给定 信号比较,为开 环控制系统。 预期速度实际转速 直流电动机转台放大器 系统结构和控制过程均很简单，但抗 扰能力差，控制精度不高，故一般只能用 于对控制性能要求较低的场合。 转台速度开环控制系统结构图: 开环控制的特点： 2闭环控制 有顺向作

13、用，而且还有反向联系. 闭环控制: 闭环控制又称为反馈控制或偏差控制。 控制装置与受控对象之间，不但 例 转台速度闭环控制系统 实现对速度的闭环控制。 测速发电 机是一种传 感器 测出电动 机的速度与 给定信号比 较产生偏差 电压. 测速机 偏差 反馈量 预期速度 实际转速 直流电动机转台放大器 _ 当实际速度受扰动的影响发生变化时， 通过系统的调节，从而消除扰动对速度的 影响。 转台速度闭环控制系统结构图 放大装置 例 位置随动系统 环型电位器 电机 电源 齿轮 系统组成： 负载 给定转角 r 输出转角 c 工作过程： r=cUd= 0 Ud rcUd0 电动机带动 齿轮转动,系 统闭环调节

14、. 电动机静止 m r _ cueud 放大器电位器电动机减速器 位置随动系统结构图 例 转速负反馈直流电动机调速系统 直流电机 测速发电机 电源和放 大装置 负载 系统组成： Un Uf 给定电压 反馈电压 e=Un-Uf 转速取决 于给定电压 与反馈电压 的差值。 调速系统结构图 un uf e ud n _ 直流电动机 放大器 测速机 由电网电压波动，负载变化以及其他部 分的参数变化所引起的转速变化，都可以通 过系统的自动调整加以抑制。 nUf eUd n 减小或消除由于扰动所形成的偏差值， 具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。 闭环控制系统具有的特点： 输入量 控制器 被控对象 输出量 干扰 执行机构 应用：多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。 如：自动化流水线、自动洗衣机 应用：对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭 环控制方式。 输入量 控制器 被控对象 输出量 干扰 执行机构 检测装置 ug uf n no uf 三、复合控制 1。按输入信号补偿的复合控制 输入量 控制器 被控对象 输出量 干扰 执行机构 检测装置 补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置 no ug 输入量 补