自动控制原理电子教案

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1、第一章自动控制原理的基本概念主要内容：Ø自动控制的基本知识Ø开环控制与闭环控制Ø自动控制系统的分类及组成Ø自动控制理论的发展§1.1引言控制观念生产和科学实践中，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的状态。例如：卫星运行轨道，导弹飞行轨道，加热炉出口温度，电机转速等控制控制：为了满足预期要求所进行的操作或调整的过程。控制任务可由人工控制和自动控制来完成。§1.2自动控制的基本知识1.2.1自动控制问题的提出一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液

2、面高度维持在预定的高度上。当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。所谓控制就是强制性地改变某些物理量(如上例中的进水量)，而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。1.2.2自动控制的定义及基本职能元件1.自动控制的定义自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(或过程)的某些物理量(或状态)自动地按预先给定的规律去运行。当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。这偏差由浮子

3、检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。2.自动控制的基本职能元件自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与动控制的功能方框图进行对照。比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：Ø测量元件与变送器（代替眼睛）Ø自动控制器（代替大脑）Ø执行元件（代替肌肉、手）这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。下图是典型控制系统方框图。1.2.3自动控制中的一些术语及方框图1.常用术语控制对象控制器

4、系统系统输出操作量参考输入扰动特性2.系统方框图将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。§1.3自动控制系统的基本控制方式控制方式：开环控制和闭环控制1.3.1开环控制定义:控制量与被控量之间只有顺向作用而没有反向联系。开环控制系统的典型方框图如图所示。例如：交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机1.按给定控制下图是一个直流电动机转速控制系统。工作原理：以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。2.按扰动控制图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。控制过程可

5、用方框图表示成如图示的形式。把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生的影响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。有时我们称按扰动控制为顺馈控制。开环控制的特点：Ø结构简单、调整方便、成本低。Ø给定一个输入，有相应的一个输出。Ø作用信号是单方向传递的，形成开环。Ø输出不影响输入。Ø若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差1.3.2闭环控制定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控制系统。常用术语：反馈控制系统闭合闭环控制系统u反馈控制原理：被控变

6、量作为反馈信号，与希望值比较得到偏差输入；根据输入偏差大小，调整控制信号；控制信号通过执行器的操作消除偏差，实现控制目标。反馈：输出量经测量后的信号回送到输入端。反馈连接方式有负反馈和正反馈。负反馈：反馈信号的极性与输入信号相反，使被控对象的输出趋向希望值。直流电动机转速闭环控制的例子。闭环控制的特点：Ø由负反馈构成闭环，利用偏差信号进行控制；Ø抗干扰能力强，精度高；Ø存在稳定性问题。系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常工作；Ø自动控制理论主要研究闭环系统。闭环控制系统的典型方框图如图所示。一、开环与闭环控制系统的比较二、复合控制方法常见的方

7、式有以下两种：1.附加给定输入补偿2.附加扰动输入补偿§1-4自动控制系统的分类基本组成1.4.1按给定信号的特征划分1.恒值控制系统：Ø系统任务：c(t)=r(t)r(t)常数Ø分析设计重点:研究干扰对被控对象的影响,克服扰动液位控制系统，直流电动机调速系统等等。2.随动控制系统：Ø系统任务：c(t)=r(t)r(t)随机变化Ø分析设计重点:系统跟踪的快速性，准确性跟踪卫星的雷达天线系统3.程序控制系统：Ø系统任务：c(t)=r(t)r(t)按预先规定时间函数变化Ø分析设计重点:输出按一定的规律变化机械加工中的程序控制机床等等。1.4.2按系统的数学描述

8、划分1.线性系统当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性