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1、自动控制原理东北大学 王建辉 顾树生 主编杨自厚 主审 清华大学出版社全国高等学校自动化专业系列教材 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 国家精品课程教材各 类 专业课自动控制原理电路理论电机与拖动大学物理电力电子技术复变函数 拉氏变换模拟电子技术线性代数微积分数字电子技术该课程与其它课程的关系过程控制自动控制系统现代控制理论计算机控制系统自适应控制线性系统最优化理论及方法第1章 自动控制系统的基本概念自动控制原理东北大学自动控制原理课程组第1章 自动控制原理的基本概念主要内容n开环控制系统与闭环控制系统n闭环控制系统的组成和基本环节n自动控制系统的类型n自动控制系统的性能指标n小结第1章
2、自动控制原理的基本概念学习重点v了解自动控制系统的基本结 构和特点及其工作原理； v了解闭环控制系统的组成和 基本环节； v掌握反馈控制系统的基本要 求稳定性、暂态和稳态性 能指标的基本定义； v学会自动控制系统的类型及 本质特征。自动控制是一门技术学科，从方法 论的角度来研究系统的建立、分析与 设计自动控制原理,是本学科的技 术基础课。课程的性质和特点控制理论发展的几个阶段1. 古典控制理论（20世纪40年代 ）n以传递函数为基础；n研究单输入单输出（ SISO）线性定常（时不变） 系统；n主要为频域法。控制理论发展的几个阶段2. 现代控制理论（20世纪60年代 ）n以状态空间法为基础；n研
3、究多输入多输出（ MIMO）非线性，时变系统；n主要为时域法。控制理论发展的几个阶段3. 智能控制理论（20世纪70年代 ）n模仿人的智能对不确定 性进行有效的控制。可以可以 脱离模型脱离模型。三个主要分支：v模糊控制 Fuzzy Controlv专家系统 Expert Systemv神经网络 Neural Network自动控制自动控制 自动控制是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，例如矿井提升机的速 度控制、轧钢厂加热炉温度的控制 等等。 自动控制系统自动控制系统 自动控制系统是为实现某一控制 目标
4、所需要的所有物理部件的有机 组合体。1.1 开环控制系统和闭环控制系统几个基本概念n被控对象（控制对象） 需要进行控制的机器设备或 生产过程n被控量（输出量） 被控对象内要求被控的参数n输入量 给定量（控制量）：保证扰动量：妨碍1.1 开环控制系统和闭环控制系统1.1.开环控制系统开环控制系统例1-1 炉温控制系统1-自耦变压器 2-加热器 被控对象 输出量 输入量 扰动量功能框图 (结构示意图)1.1 开环控制系统和闭环控制系统例1-2 转速控制系统 被控对象 输出量 输入量 扰动量功能框图 (结构示意图)1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统结构示意图1-控制器 2-被控对象1.1
5、 开环控制系统和闭环控制系统n开环控制控制系统的输出量对系统没有控制 作用。n开环控制系统的特点 输入量与输出量一一对应。 信号传递是单方向的，即只 有输入量对输出量产生控制作 用。 系统没有抗干扰能力。1.1 开环控制系统和闭环控制系统2.2.闭环控制系统闭环控制系统例1-3 炉温闭环控制系统1-热电偶 2-加热器工作过程 调节过程 （过渡过程 ） 功能框图1.1 开环控制系统和闭环控制系统例1-4 闭环调速系统工作过程 调节过程 功能框图1-控制器 2-控制对对象 3-检测检测 装置正向通道反向通道1.1 1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统闭环控制系统结构示意图反
6、馈/偏差控制系统1.1 开环控制系统和闭环控制系统n闭环控制闭环控制是把系统的输出量检测出来，经过 物理量的转换，再反馈到系统的输入端去与给定 量进行比较（形成偏差），利用偏差量作为控制 信号来纠正偏差。n闭环控制系统的特点 输入量与输出量一一对应。 信号传递是双方向的：既有输入 量对输出量的作用，又有输出量对 输入量的作用。 系统具有抗干扰能力。1.1 开环控制系统和闭环控制系统n 开环系统与闭环系统的主要区别 开环：只有从输入端到输出端的信号 传递通道（单向） 闭环：既有从输入端到输出端的信号 传递通道又有从输出端到输入端的信号 传递通道（双向）1.2 闭环控制系统的组成和基本环节闭环控制
7、系统的结构图1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节； 5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置中间环节控制器1.3 自动控制系统类型1. 1. 按照系统结构分按照系统结构分n开环n闭环 2. 2. 按照信号传递方式分按照信号传递方式分 连续数据系统 离散数据系统1.3 自动控制系统类型3. 3. 给定量变化规律分给定量变化规律分n恒值系统 给定量恒定n随动系统 给定量随时间变化，预先未知n程序控制系统 给定量有规律地随时间变化， 预先已知1.3 自动控制系统类型4.4.按照主要元件的特性方程的输入输出按照主要元件的特性方程的输入输出 特征分特征分 线性系统 系统由线性元件组成，
8、其运动方 程式可以用线性微分方程式描述。 方程中的输出量及其导数均为一次 ，且各项系数与输入量无关。 齐次性 叠加性1.3 自动控制系统类型非线性系统 系统微分方程式的系数与自 变量有关（a）继电器特性 （b）饱和特性 （c）不灵敏区特性1.4 自动控制系统的性能指标反馈控制系统存在两种状态：n暂态（动态） 输出量处于变化状态的过 程n稳态（静态） 输出量处于相对稳定的状 态1.4 自动控制系统的性能指标1. 稳定性稳定性是自动控制系统能工作的 首要条件，对于一个闭环控制系统， 如果其暂态过程不稳定，系统是根本 无法工作的。1.4 自动控制系统的性能指标2. 2. 稳态性能指标稳态性能指标 稳
9、态误差系统达到稳态时，输出量的实际值 和期望值之间的误差。系统稳态误差的大小反映了系统的 稳态精度，它表明了系统控制的准确 程度。稳态误差越小，则系统的稳态 精度越高。 1.4 自动控制系统的性能指标3. 暂态性能指标n闭环系统的暂态过程单调过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程1.4 自动控制系统的性能指标n 暂态性能指标n最大超调量 输出最大值与输出稳态值 的相对误差。 反映了系统的平稳性。最 大超调量越小，则说明系统过 渡过程越平稳。n上升时间指系统的输出量第一次到达输出稳态值 所对应的时刻。 1.4 自动控制系统的性能指标n过渡过程时间（调节时间） 系统的输出量进入并一直保持在 稳态
10、输出值附近的允许误差带内所 需的时间。允许误差带宽度一般取 稳态输出值的2%或5%。 调节时间的长短反映了系统的快 速性。调节时间越小，系统的快速 性越好。n振荡次数 在调节时间内，输出量在稳态值 附近上下波动的次数。 它也反映系统的平稳性。振荡次 数越少，说明系统的平稳性越好。 1.4 自动控制系统的性能指标小 结1. 开环控制系统结构简单、稳定性好，但不 能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统 扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影 响不大时，采用开环控制是有利的。当扰 动量无法预计或控制系统的精度达不到预 期要求时，则应采用闭环控制。 2. 闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反 馈环节进行自
11、动调节，以克服扰动对系统 的影响。闭环控制极大地提高了系统的精 度。但是闭环使系统的稳定性变差，需要 重视并加以解决。3.自动控制系统通常由给定环节、检测 环节、比较环节、放大元件、被控对象 、和反馈环节等部件组成。系统的作用 量和被控量有：给定量、反馈量、扰动 量、输出量和各中间变量。 4.结构图（又简称框图）可直观地表达 系统各环节（或各部件）间因果关系， 可以表达各种作用量和中间变量的作用 点和信号传递情况以及它们对输出量的 影响。小 结5.在不同输入量作用下，对系统的输 出量的要求，揭示出反馈控制系统 的本质特征：输出跟随输入。 6.对自动控制系统的性能指标要求有 ： 稳定性系统能工作的首要条 件； 快速性用系统在暂态过程 中的 响应速度和被控量的波动程 度描述； 准确性用稳态误差来 衡量。 小 结END
