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1、2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,自 动 控 制 原理,贺容波安徽工业大学电气信息学院,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,参考书,自动控制原理 国防工业出版社 李友善 自动控制原理学习与考研指导 科学出版社 梅晓榕 自动控制原理试题精选与答题技巧 哈尔滨工业大学出版社 王彤,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,讲课内容：第一章第五章，第七章。课时安排：一，3；二，8；三，10；四，6；五，10；七，8；学习方法：比较抽象的技术基础课，以数学、物理及有关学科为其理论基础，运用信息的传递、处理与反馈进行控制这一正确的思维方法与观点，在数理基础学科与专业课程之
2、间架起一道桥梁，将两者紧密结合起来。在学习本课程前，应有良好的数学、力学、电学的基础，有一定的机械等其它学科的知识。不必过分追求数学论证的严密性，但一定要充分注意数学结论的准确性与物理概念的明晰性。要重视实验，要重视习题，独立完成作业，有助于对基本概念的理解与基本方法的运用。作业：随堂布置，认真、及时地完成课后作业，检查所学内容； 考试：闭卷考试（13周）,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,第一章 概 论,本章要点：（1）反馈控制工作原理及相关概念（2）控制系统的类型（3）对控制系统的基本要求基本要求：（1）了解自动控制概念及研究对象与任务（2）掌握反馈的含义，学会分析动态系统内
3、信息流动的 过程，掌握系统或过程中存在的反馈。（3）了解正反馈、负反馈的概念。（4）了解控制系统中基本名词和基本变量。（5）了解对控制系统的基本要求。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,本课程与其它课程的关系：,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,1-1 自动控制的一般概念,一.自动控制系统 1 、自动控制的应用自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行 。自动控制系统：能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。包括被控对象和控制装
4、置。 自动控制的目的：提高产品质量；提高劳动生产率；改善劳动条件，减轻劳动强度；提高生活质量等。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,自动控制系统应用举例例1 工业加热炉的控制生产工艺过程要求控制炉温为设定值（例如600左右），并且在各种扰动（如电源电压波动、热负荷变化等）作用下只允许很下的偏差（例如1 ）。这时受控对象为热处理炉，被控量为炉温。如果不用自动控制而由人工操作，控制精度很难保证，产品质量也将受到影响。,1）开环控制,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,2）闭环控制,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,例2 液位控制系统,控制器,减速器,电动机,
5、电位器,浮子,用水开关,Q2,Q1,c,if,SM,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,问题的提出（1）受控系统的性能难合人意（2）存在各种扰动阻碍系统的被控量按照预定的规 律变化 系统的输入信号=有用的输入信号+扰动,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,2 自动控制理论自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，是理论性较强的工程学科。注重工程应用，在专业术语上不是非常严谨的理论。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,自动控制的发展史自动控制思想及其实践历史悠久。它是人类在认识世界和改造世界的过程中产生的，并随着社会的发展和科学水平的进步而不断发展。,1、一
6、千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,2、1769年J.Watt用离心式飞锤调速器构建了蒸汽机转速自动控制系统，在锅炉压力和负荷变化的条件下将蒸汽机转速维持在一定的范围内。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,3、1868年J.C.Maxwell基于线性常微分方程描述，从理论上给出了系统稳定的条件。此后劳斯（Routh）于1877年和赫尔维茨（Huiwitz）于1895年分别提出了用于高阶线性系统的稳定性判据。4、1892年Lyapunov发表了专著论运动稳定性的一般问题，用严格的数学分析方法全面论述了稳定性问题。5、193
7、2年顺应时代需要，Nyqiust提出了稳定性的频域方法。它不仅可以判断系统的稳定性，解决了Black负反馈放大器的稳定性问题；而且还可以用来分析系统的稳定裕量。6、1940年Bode引入了对数坐标系，使频率法更适合于工程运用。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,7、1942 年Harris引入了传递函数的概念。8、1848年Evans提出了根轨迹法。至此基于传递函数（或频率特性）在复数域或频率域进行讨论的方法（频域法）趋于成熟，从而形成了经典的控制理论9、1948年数学家维纳（N.Wiener）出版了专著控制论，它是经典控制论的辉煌总结。1954年钱学森出版了专著工程控制论，系统
8、的阐述了控制论与工程结合的理论和应用，揭示了控制论在自动化，航空、航天、电子和通信等工程技术领域的意义和深远影响，标志着控制论学科分支学科“工程控制论”的诞生。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,1-2 自动控制系统的基本形式,1 开环控制（开环控制有何特点）控制装置与被控制对象之间只有正向作用而没有反向联系的控制过程；每个输入量对应的有一输出量，在开环系统中，不需要对输出量进行测量。开环控制的特点：（1）输出不影响输入，对输出不需要测量，通常较容易实现；（2）组成系统的元、部件精度高，系统的精度才能高；（3）系统的稳定性不是主要问题。开环系统存在的问题：（1）要求元、部件的精度
9、要高；（2）当存在变化规律无法预测的干扰时，不容易实现。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,结论：如果系统中存在干扰, 或者由于控制元器件老化, 均会导致系统输出发生变化, 使输出值偏离预期值。开环控制系统一般适用于干扰不强或可预测、 并且控制精度要求不高的场合。2、闭环控制,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,在闭环控制系统中, 对系统输出量不断地进行测量并反馈到系统的输入端与输入量进行比较,产生偏差信号, 按偏差实现控制。 闭环控制又称为反馈控制。闭环控制的特点：（1）信号双向传递，既有正向控制作用，又有反馈作用，系统输出量对控制量有直接影响，所以能削弱或抑制干扰
10、；（2）低精度元件可组成高精度系统；（3）因为可能发生超调、振荡，所以稳定性问题很重要。系统的控制器和被控对象共同构成了前向通道, 而测量元件构成了系统的反馈通道。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,采用正反馈形式的系统一般不能改进系统性能, 而且容易使系统性能变坏; 而具有负反馈形式的系统, 它能抑制系统回路中存在的内扰和外扰的影响，使系统输出趋于给定输入量, 最终达到自动控制的目的。通常而言, 反馈控制就是指负反馈控制。 总结：采用闭环控制的系统，由于增加了反馈通道,可以较好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性，使系统的控制精度得到了极
11、大的提高。日常生活过程中的控制系统例子,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,水箱水位控制系统-,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,调节器(杠杆),执行器,调节阀,水箱,变送器(浮球),+,-,水箱水位控制系统框图,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,下图是一个阀门的人工控制系统原理示意图。操作员根据仪表显示的液体浓度来调节阀门，达到控制处理罐输出液体浓度的目的。（1）该系统是开环控制还是闭环控制系统。（2）指出什么是输入量，什么是输出量。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,1-3 自动控制系统的基本类型,2017/10/19,安徽工业大学电气
12、信息学院,线性控制系统 输入与输出成正比，可用叠加原理 用线性数学模型描述 非线性控制系统 输入与输出不成正比，不可用叠加原理 用非线性数学模型描述,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,非线性系统:在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节,典型非线性特性:饱和特性、死区性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,如果线性系统中的参数 不随时间变化, 则称为线性定常系统; 否则称为线性时变系统。 本书主要讨论线性定常系统。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,恒值控制系统（或称自动调节系统）特点：输入信号是一个恒定的数值。恒
13、值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰随动控制系统（或称伺服系统）特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量以一定的准确度跟随给定量变化。雷达天线控制系统就是典型的伺服控制系统。程序控制系统特点：输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,连续时间控制系统 系统各部分的信号是模拟的连续函数，例：工业中普遍采用的常规PID调节器控制的系统 离散时间控制系统系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传递的控制系统， 例：计算机控制的温度控制系统,2017/10/19,安徽工业大
14、学电气信息学院,1-4 自动控制系统的性能要求,对自动控制系统的要求，在时域中一般可归纳为三大性能指标：（1）稳定性稳定性是保证系统正常工作的先决条件。（2）快速性为了很好完成控制任务，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求。（3）准确性要求系统最终的响应准确度。上述要求，简称稳、快、准。不同的系统对稳、快、准的要求一般是不同的。对同一系统的稳、快、准是相互制约的。“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。 “准”是说明系统的稳态（静态）品质。,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,自动控制系统被控量变化的动态特性,(a)单调过程 (b)衰减振荡过程 (c)等幅振荡过程(d)渐扩
15、振荡过程,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,单位阶跃响应,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,自动控制系统性能要求:稳 准 快,2017/10/19,安徽工业大学电气信息学院,本章小结,自动控制理论中常用的术语：被控对象，参考输入信号（给定值信号），扰动、偏差信号、被控量、控制量和自动控制系统自动控制系统的组成及其方框图,自动控制系统的分类方法开环控制系统和闭环控制系统概念。注:实际生产过程的自动控制系统，绝大多数是闭环控制系统，即负反馈控制系统。对自动控制系统的性能要求，即稳定性、快速性和准确性。自动控制系统的最基本要求是稳，然后进一步要求快和准，当后两者存在矛盾时，设计自动控制系统要兼顾两方面的要求,
