自动控制原理第1章

信阳师范学院物理电子工程学院教案自动控制原理第页1电子信息工程专业课程教案课程名称：自动控制原理讲授人：余大庆信阳师范学院物理电子工程学院2006年6月信阳师范学院物理电子工程学院教案自动控制原理第页2《自动控制原理》课程基本信息（一）课程名称：自动控制原理（二）学时学分：周4学时，4学分（三）预修课程：高等数学、函数变换、电路原理。（四）使用教材：程鹏.自动控制原理[M].北京：高等教育出版社，2003.（五）教学参考书：[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2001.[2]蒋大明等.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社/北方交通大学出版社，2003.[3]翁思义等.自动控制原理[M].北京：中国电力出版社，2001.[4]周其节等.自动控制原理[M].广州：华南理工大学出版社，1996.[5][美]KatsuhikoOgata著卢伯英,于海勋等译.现代控制工程(第四版)[M].北京：电子工业出版社，2003.（六）教学方法：课堂讲授，启发式教学。（七）教学手段：传统讲授。（八）考核方式：闭卷考试。（九）学生创新精神与实践能力的培养方法：课堂讲授，启发式教学；配合课堂教授适时完成试验任务，理论联系实际加强学生对所学知识的理解。（十）其它要求：严格考勤，注重学生的课堂表现及课堂参与情况，当堂测试，课下完成作业。平时考勤成绩占期末总成绩的30%。信阳师范学院物理电子工程学院教案自动控制原理第页3总目录第一章自动控制的一般概念················································41-1自动控制的任务······················································41-２自动控制的基本方式··················································51-３对控制系统的性能要求················································8第二章自动控制系统的数学模型·············································92-1控制系统微分方程的建立··············································92-2非线性微分方程的线性化·············································112-3传递函数··························································122-4动态结构图························································142-5系统的脉冲响应函数·················································382-6典型反馈系统传递函数···············································39第三章时域分析法·······················································433－1时域分析基础······················································433－2一、二阶系统分析与计算············································463－3系统稳定性分析····················································583－4稳态误差分析计算··················································66第四章根轨迹法·························································734-1根轨迹与根轨迹方程·················································734-2绘制根轨迹的基本法则···············································784-3广义根轨迹·························································884-4系统闭环零、极点分布与阶跃响应的关系································914-5系统阶跃响应的根轨迹···············································95第五章频率域方法·······················································995－1频率特性·························································995－2典型环节的频率特性··············································1025－3系统的开环频率特性··············································1085－4频率稳定判据····················································1115－5系统闭环频率特性与阶跃响应的关系································1155－6开环频率特性与系统阶跃响应的关系································118第六章控制系统的校正··················································1206－1系统校正设计基础·················································1206－2串联校正·························································1216－3串联校正的理论设计方法···········································1246－4反馈校正·························································1286－5复合校正·························································130信阳师范学院物理电子工程学院教案自动控制原理第页4第一章自动控制的一般概念教学时数：2学时教学目的与要求：掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。教学重点：自动控制的任务、自动控制的基本方式、对控制系统的性能要求。教学难点：透彻分析自动控制系统的反馈原理。§1-1自动控制的任务通常，在自动控制技术中，把工作的机器的设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念。图1-1水位自动控制系统水位自动控制系统：控制任务：维持水箱内水位恒定；控制装置：气动阀门、控制器；受控对象：水箱、供水系统；被控量：水箱内水位的高度；给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；测量装置：浮子；比较装置：控制器刻度盘；干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；由此可见：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。信阳师范学院物理电子工程学院教案自动控制原理第页5§1-２自动控制的基本方式图1-2自动控制方框图在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，其必须具备以下三种职能部件。测量元件：用以测量被控量或干扰量。比较元件：将被控量与给定值进行比较。执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象。参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式：按给定值操纵的开环控制；按干扰补偿的开环控制；按偏差调节的闭环控制。一、按给定值操纵的开环控制开环控制——系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。图1-3按给定值操纵的系统原理方块图图1-4炉温控制系统的原理图图1-5炉温控制系统的原理方框图信阳师范学院物理电子工程学院教案自动控制原理第页6按给定值操纵的开环控制：特点：控制装置只接受给定值来控制受控对象的被控量。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。二、按干扰补偿的开环控制定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。图1-6按干扰补偿的系统原理方框图特点：只能对可测干扰进行补偿，不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。图1-7水位高度控制系统原理图图1-8水位高度控制系统原理方框图三、按偏差调节的闭式控制特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起的变动。图1-9按偏差调节的系统原理方块图信阳师范学院物理电子工程学院教案自动控制原理第页7如上图，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统如果参数匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。图1-10飞机自动驾驶仪系统原理图控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象：飞机。被控量：飞机的俯仰角。图1-11俯仰角控制系统原理方框图四、复合控制图1-12a.按输入作用补偿图1-12b.按扰动作用补偿信阳师范学院物理电子工程学院教案自动控制原理第页8§1-３对控制系统的性能要求定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。稳：指动态过程的平稳性快：指动态过程的快速性准：指动态过程的最终精度稳----指动态过程的平稳性图1-13控制系统动态过程曲线如上图，系统在外作用作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统稳定的，如曲线１所示；反之，输出如曲线２所示，则系统是不稳定的。快----指动态过程的快速性图1-14系统快速响应曲线快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝。如曲线２所示。稳和快反映了系统过渡过程的性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高；准----是指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）对给定值的偏差而言，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。以上分析的稳、快、准三方面的性能指标由于被控对象的具体情况不同，各系统要求有所侧重。而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。