自动控制原理的基本概念

本章主要内容本章介绍了自动控制理论的应用领域、发展过程和分类。通过一些控制系统实例讨论了手动控制、自动控制、自动控制系统的工作原理、方框图、系统分类等相关基本概念。最后介绍了本课程将要介绍的主要内容，以利于读者从总体上把握本课程的相关知识。本章重点要求掌握手动控制与自动控制、自动控制系统及其工作原理与组成、方框图、开环控制与闭环控制、系统输入量与输出量的相关基本概念。了解本课程将要学习的内容。课程的性质和特点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，（1）自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系。自动控制理论电机与拖动模拟电子技术线性代数微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换电路理论大学物理（力学、热力学）信号与系统（2）自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制讨论的对象：因果系统、工程系统系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学课程特点：研究系统的共性问题实际系统物理模型数学模型方法（系统组成分析、设计1-1自动控制的基本原理人工控制与自动控制：水箱水位控制问题水位测量与变送执行器控制器给定眼手脑水位控制工作原理人工控制：眼、脑、手、水箱+阀门自动控制：传感器、控制器、执行器、水箱+阀门人脑手水箱系统眼h控制器执行器水箱系统传感器h反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈负反馈：输入信号—反馈信号（输出信号）输出偏差减小正反馈：输入信号+反馈信号反馈控制、闭环控制按偏差进行控制一、反馈控制原理龙门刨床速度控制系统n要求：工件加工过程中不允许刨床速度波动过大措施：利用速度反馈对刨床速度进行自动控制龙门刨床速度控制系统原理图uSMTG-kFDKZCFuKuauaI龙门刨床速度控制系统原理：（详见P3图1-2）系统基本部件及功能：主（拖动）电动机SM输入：电枢端电压ua输出：电动机速度n测速发电机TG+电位器输入：n输出：ut触发器CF+晶闸管整流器KZ输入：uk输出：ua给定电位器输出：uo放大器FD输入：工作原理：设直流电动机SM的励磁恒定、外部负载Mt系统方框图tuuu0比较电路整流器放大器测速发电机触发器电动机nauukutu0u一些基本概念前向通路：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通路主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路主回路：前向通路+主反馈通路内回路：局部前向通路+局部反馈通路单回路系统、多回路系统反馈控制系统受到的外部作用参考（有用）输入：决定系统被控量的变化规律扰动：系统外部扰动、系统内部扰动自动控制系统的基本控制方式反馈控制方式：按偏差进行控制，较高的动静态控制性能；结构、线路复杂，系统分析与设计较复杂。开环控制（顺序控制）：系统输出量对系统的输入量不产生影响，结构简单、调整方便、成本低有两种方式：按给定量控制如龙门刨床速度控制系统将测速发电机的输出断开，调节CF的输入电压来调节电机速度按扰动量控制利用可测量的扰动量，产生补偿作用复合控制方式：（1）按偏差控制+按扰动补偿控制（2）按偏差控制+按给定补偿控制电压放大电压放大功率放大SMTG负载•其它新控制方式：最优控制、预测控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。电压放大器功率放大器电阻R电动机测速发电机电压放大器MC1-2自动控制系统示例–函数记录仪–飞机-自动驾驶仪系统–电阻炉微机温度控制系统–飞行模拟器的视景系统1-3自动控制系统分类分类方法1.按控制方式：开环控制、闭环控制、复合控制2.按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。3.按系统功能：温度、压力、位置4.按系统性能：线性与非线性、连续与离散、定常与时变5.按参考量变化规律：恒值、随动、程序控制一、线性连续控制系统由系数判定线性时变系统、线性定常系统线性定常系统根据参考输入量又可分为：恒值控制系统、随动系统、程序控制系统)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn系统主要特点：（1）恒值控制系统参考输入是个常值，要求被控量也等于常值。外部扰动的存在，被控量偏离参考量而出现偏差，控制系统根据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常值。（2）随动系统参考输入是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参考输入量变化。)()()()(2trytytyty&&&（3）程序控制系统参考输入是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地复现。线性定常离散系统)()1()1()()()1()1()(110110krbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn二、非线性控制系统非线性系统的线性化1-4对自动控制系统的基本要求1.对自动控制系统基本要求稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。系统的过渡过程产生的原因：系统中储能元件的能量不可能突变。“准”是说明系统的稳态（静态）品质稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。–快速性是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢，通常称为“系统动态性能”。过渡过程时间、超调量–准确性是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出（被控量）达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。稳态误差2.典型外部输入信号（1）阶跃函数（信号）（2）斜坡函数（信号）（3）脉冲函数（信号）（4）正弦函数（信号）000)(tRttf000)(ttRttf)](1)(1[lim)(0000ttttAtft)sin()(tAtf)()(tAtf)()(0ttAtf