1、第一章第一章 绪绪 论论自动控制：自动控制：在没有人直接参与的情况下，采用控制装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置或机械使被控制对象达到预期的目标 。自动控制研究的内容：自动控制研究的内容：研究对象研究对象数学工具数学工具分析方法分析方法局限性局限性经典控经典控制理论制理论单单I/OI/O线性定常线性定常系统系统微分方程，微分方程，传递函数传递函数时域法时域法频域法频域法根轨迹法根轨迹法对复杂多变量对复杂多变量系统、时变和系统、时变和非线性系统无非线性系统无能为力能为力现代控现代控制理论制理论多输入多输入-多多输出变系输出变系数，非线数，非线性等系统性等系
2、统线性代数、线性代数、矩阵理论矩阵理论状态状态空间法空间法比较繁琐比较繁琐（但由于计（但由于计算机技术的算机技术的 迅速发展，迅速发展，已克服已克服)2.2.自动控制系统的概念自动控制系统的概念转速表转速表直流电动机直流电动机人工控制直流电动机转速示意图如下所示人工控制直流电动机转速示意图如下所示:功率放功率放大大 器器激磁回路激磁回路constIf激磁电流激磁电流au电枢电压电枢电压人所起的三个人所起的三个作用作用:(1)观察电机的转速观察电机的转速;(2)将观察到的转速与需要保持的转速在头脑中进行比较将观察到的转速与需要保持的转速在头脑中进行比较;(3)根据比较得出的结论去调整电位器的输出
3、电压根据比较得出的结论去调整电位器的输出电压.VrV实际行驶方向预期行驶方向 汽车驾驶控制原理框图汽车驾驶控制原理框图测量测量预期预期路线路线大脑大脑方向盘方向盘汽车汽车实际实际路线路线眼睛和其他眼睛和其他感觉器官感觉器官手手汽车驾驶控制原理框图汽车驾驶控制原理框图 根据以上例子自动控制的概念总结如下：根据以上例子自动控制的概念总结如下：自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利用控制装置（称控制器），使整个生产过程或用控制装置（称控制器），使整个生产过程或工作机械（称被控对象）的某个工作状态或参工作机械（称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地
4、按照预定的规律运行。数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制器与控制对象组成。由控制器与控制对象组成。控制对象控制对象控制器控制器输入量输入量输出量输出量扰动量扰动量?3、技术术语、技术术语1）被控对象）被控对象:是指要求实现自动控制的机是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。器、设备或生产过程。3）控制器：又称调节器、控制装置，由）控制器：又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。控制作用信号于被控对象。2）被控量：表征被控对
5、象工作状态的物）被控量：表征被控对象工作状态的物理参量理参量(或状态参量或状态参量)，如，如转速、转速、压力、压力、温温度、度、电压、位移等。电压、位移等。4）给定值或指令信号给定值或指令信号r(t)：要求控制系统要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。号。5）干扰信号干扰信号n(t)：又称扰动值，是一种对又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。系统的被控量起破坏作用的信号。6）反馈信号反馈信号b(t)：是指被控量经测量元件是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。检测后回馈送到系统输入端的信号。7）偏差信号）偏差信号e(t)
6、：是指给定值与被控量的是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。差值，或指令信号与反馈信号的差值。4 4、控制系统的职能方框图、控制系统的职能方框图（重点）（重点）执行被控对象比较、放大给定值测量测量被控量干扰+-控制系统职能方框图控制系统职能方框图 控制器控制器应具有三种基本职能，即应具有三种基本职能，即测量测量、比比较较和和执行执行。1）测量元件测量元件的职能是检测被控制的物理的职能是检测被控制的物理量，如果所测量的物理量为非电量，一般量，如果所测量的物理量为非电量，一般要将其转换为电量。要将其转换为电量。2）比较元件比较元件的职能的职能是将测量元件检测到的是将测量元件检测到的
7、被控量的实际值与给定值相比较，计算求被控量的实际值与给定值相比较，计算求出二者间的偏差。出二者间的偏差。4）执行元件执行元件的职能是的职能是直接推动被控对象，直接推动被控对象，使被控量发生变化使被控量发生变化。3）放大元件放大元件的职能是的职能是将比较元件给出的将比较元件给出的偏差信号放大，以驱动执行元件去控制被偏差信号放大，以驱动执行元件去控制被控对象。控对象。1.2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式 一、闭环控制一、闭环控制 闭环控制框图闭环控制框图 执行被控对象比较、计算给定值测量被控量干扰+-反馈反馈：控制的核心思想：控制的核心思想闭环控制特点：信息的双向流动闭环控制特点：信息的双
8、向流动控制器被控对象预期输出r(t)实际输出y(t)比较器测量装置误差e(t)控制量u(t)被测变量测量值二、开环控制二、开环控制 按给定值控制按给定值控制 开环控制系统：开环控制系统：1.1.结构简单经济结构简单经济 2.2.调试方便调试方便 3.3.抗干扰能力差，控制精度不高。抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统：闭环控制系统：1.1.系统具有纠正偏差的能力。系统具有纠正偏差的能力。2.2.抗扰性好，控制精度高。抗扰性好，控制精度高。3.3.包含元件多，结构复杂，价格高。包含元件多，结构复杂，价格高。4.4.参数应选择适当参数应选择适当。开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）
9、开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）开环与闭环系统的比较开环与闭环系统的比较2.按干扰补偿按干扰补偿 按干扰补偿框图按干扰补偿框图 执行被控对象计算被控量干扰+测量3.3.复合控制复合控制 执行被控对象计算给定值测量被控量干扰+-测量计算复合控制框图复合控制框图 1.3 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求 1.1.稳：稳：（基本要求）（基本要求）被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的。该系统是稳定的。2.2.准：准：（稳态要求）（稳态要求）系
10、统响应达到稳态时，系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高输出跟踪精度要高3.3.快：快：（动态要求）（动态要求）系统阶跃响应的过渡过程系统阶跃响应的过渡过程 要平稳，快速要平稳，快速 稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。快速性：动态性能，有指标。快速性：动态性能，有指标。准确性：稳态（过度结束后的）值应尽量与期望值一致。准确性：稳态（过度结束后的）值应尽量与期望值一致。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)1.4 自动控制系统示例自动控制系统示例 例 1 炉温控制系统例例2 2、涡轮喷气发动
11、机转速控制系统、涡轮喷气发动机转速控制系统 涡轮喷气发动机转速控制系统原理图涡轮喷气发动机转速控制系统原理图首先应明确：首先应明确：1.被控对象：涡轮喷气发动机被控对象：涡轮喷气发动机2.被控量：涡轮转速被控量：涡轮转速nc3.执行元件：即是改变供油量的机构，系统执行元件：即是改变供油量的机构，系统中与柱塞泵的斜盘以及和斜盘相连接的油缸中与柱塞泵的斜盘以及和斜盘相连接的油缸活塞。斜盘倾角不同，泵在同样转速下供油活塞。斜盘倾角不同，泵在同样转速下供油量就不同。量就不同。4.转速测量：靠离心块（转速传感器）来完转速测量：靠离心块（转速传感器）来完成转速测量，离心块产生的离心力不同，作成转速测量，离
12、心块产生的离心力不同，作用在滑阀上（分油活门）的力的大小就代表用在滑阀上（分油活门）的力的大小就代表了转速的大小。了转速的大小。5.转速给定：由油门的位置给定，油门位转速给定：由油门的位置给定，油门位置不同，作用在滑阀上的起始弹簧力也不置不同，作用在滑阀上的起始弹簧力也不同，起始弹簧力的大小就代表了给定转速同，起始弹簧力的大小就代表了给定转速的大小。的大小。6.比较元件：就是滑阀，离心力和弹簧力比较元件：就是滑阀，离心力和弹簧力在阀芯上进行比较，若两个作用力不相等，在阀芯上进行比较，若两个作用力不相等，则推动阀芯打开油路，输出高压燃油到燃则推动阀芯打开油路，输出高压燃油到燃烧室。烧室。柱塞泵发
13、动机滑阀离心块干扰+-油缸油门nrnc比较、放大执行给定对象测量 涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机转速控制系统职能框图转速控制系统职能框图 水箱原来处于一个平衡状态，水箱原来处于一个平衡状态，q1(t)=q2(t)=0q1(t)=q2(t)=0。如果打开阀门，冲水，如果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，冲好后关上阀门，h(t)h(t)发生变化，水位下降，发生变化，水位下降，h h变大，通过浮子反变大，通过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开，馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开，q1(t)q1(t)变大，使变大，使h h 变小，变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。浮子上浮，活塞也上升，直
14、至达到新的平衡。阀阀门门活活塞塞浮浮子子水水h h(t t)q q1 1(t t)q q2 2(t t)原理方框图：原理方框图：机械杠杆活塞水箱浮子执行机构被控对象检测机构调节器比较器h0-h(t)q1(t)这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调节，使偏差减小，最后直至消除偏差。节，使偏差减小，最后直至消除偏差。按偏按偏差控制。差控制。本章小结本章小结1正确理解自动控制的三种基本控制方正确理解自动控制的三种基本控制方式，尤其闭环负反馈按偏差控制的原理式，尤其闭环负反馈按偏差控制的原理更要清楚。更要清楚。2在已知自动控制系统工作原理图的条在已知自动控制系统工作原理图的条件下，熟练地给出该系统的职能方框图，件下，熟练地给出该系统的职能方框图，正确标示出系统各职能元件的名称和信号正确标示出系统各职能元件的名称和信号的名称。的名称。
