东北大学自动控制原理第一章

自动控制原理东北大学王建辉顾树生主编杨自厚主审清华大学出版社全国高等学校自动化专业系列教材普通高等教育“十一五”国家级规划教材国家精品课程教材自动控制原理PrincipleofAutomaticControl东北大学《自动控制原理》课程组负责人顾树生王建辉东北大学《自动控制原理》课程组3自动控制原理教材及参考书教材：王建辉，顾树生.自动控制原理.北京:清华大学出版社.2007.4参考书：吴麒主编.《自动控制原理》.北京：清华大学出版社.李友善主编.《自动控制原理》.北京：机械工业出版社.东北大学《自动控制原理》课程组4自动控制原理课程基本信息课程编号：130100020适用专业：自动化、测控技术及仪器/电子信息工程、通信工程课程性质：技术基础课课程类型：必修课学时：讲课学时（68/42）实验学时（12/6）东北大学《自动控制原理》课程组5自动控制原理课程的主要内容（讲课/实验）第1章自动控制系统的基本概念(4/0)第2章自动控制系统的数学模型(10/0)第3章自动控制系统的时域分析(12/4)第4章根轨迹法(8/0)第5章频率法(12/4)第6章控制系统的校正及综合(8/0)第7章非线性系统分析(6/2)第8章线性离散系统的理论基础(8/2)东北大学《自动控制原理》课程组6自动控制原理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。东北大学《自动控制原理》课程组7自动控制原理自动控制原理电路理论电机与拖动大学物理信号与系统复变函数拉氏变换模拟电子技术线性代数微积分各类专业课线性系统现代控制理论本课程与其它课程的关系东北大学《自动控制原理》课程组8自动控制原理自动控制理论的发展历程第一阶段：古典控制理论（20世纪40～60年代）SISO、线性定常、频域法第二阶段：现代控制理论（20世纪60～70年代）MIMO、非线性、时变、状态空间法第三阶段：智能控制理论（20世纪70年代～今）非模型第1章自动控制系统的基本概念自动控制原理东北大学《自动控制原理》课程组东北大学《自动控制原理》课程组10第1章自动控制系统的基本概念主要内容开环控制系统与闭环控制系统闭环控制系统的组成和基本环节自动控制系统的类型自动控制系统的性能指标小结东北大学《自动控制原理》课程组11第1章自动控制系统的基本概念学习重点了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理；了解闭环控制系统的组成和基本环节；掌握反馈控制系统的基本要求及反馈控制系统的作用；学会分析自动控制系统的类型及本质特征。东北大学《自动控制原理》课程组121.1开环控制系统和闭环控制系统自动控制自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化，例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制等等。自动控制系统自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。东北大学《自动控制原理》课程组131.1开环控制系统和闭环控制系统1.开环控制系统例1-1温度控制系统性能指标工作过程～220Vuc21东北大学《自动控制原理》课程组141.1开环控制系统和闭环控制系统12扰动量给定量输出量1-执行器(自耦变压器)2-被控对象(电阻炉)图中：东北大学《自动控制原理》课程组151.1开环控制系统和闭环控制系统（1）开环控制只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。（2）开环控制特点输入控制输出——输入和输出一一对应；输出不参与控制——信号单方向传递；不能检测与纠正偏差——系统没有抗干扰能力。东北大学《自动控制原理》课程组161.1开环控制系统和闭环控制系统2.闭环控制系统例1-2温度闭环控制系统（1）人工闭环控制~220V12uc东北大学《自动控制原理》课程组171.1开环控制系统和闭环控制系统（2）自动闭环控制温度闭环控制系统图1-热电偶2-加热器东北大学《自动控制原理》课程组181.1开环控制系统和闭环控制系统给定量闭环控制结构图1-控制器2-控制对象3-检测装置东北大学《自动控制原理》课程组191.1开环控制系统和闭环控制系统①闭环控制把输出量的一部分检测出来,反馈到输入端,与给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使输出量按照要求的规律变化。反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为正反馈。②闭环控制特点输入控制输出——输入和输出一一对应；输出参与控制——信号双方向传递；检测与纠正偏差——具有抗干扰能力。东北大学《自动控制原理》课程组201.1开环控制系统和闭环控制系统(1)被控对象(2)被控量或输出量(3)控制量(4)设定量或输入量(5)扰动量(6)反馈量(7)偏差量3.自动控制系统中的基本术语(8)前向通道或正向通道(9)反馈通道或反向通道(10)理想输出(11)实际输出(12)开环(13)闭环东北大学《自动控制原理》课程组211.2闭环控制系统的组成和基本环节1.闭环控制系统的结构图1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节；5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置东北大学《自动控制原理》课程组221.2闭环控制系统的组成和基本环节2.闭环控制系统的基本环节（1）控制对象或调节对象要进行控制的设备或过程。（2）执行机构一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。（3）检测装置或传感器该装置用来检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量。东北大学《自动控制原理》课程组231.2闭环控制系统的组成和基本环节（4）给定环节设定被控制量的给定值的装置。（5）比较环节将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量。（6）中间环节一般包括比较环节和校正环节。东北大学《自动控制原理》课程组241.3自动控制系统类型1.按照主要元件的输入输出特性划分1）线性系统由线性元件组成的系统，其微分方程中输出量及其各阶导数都是一次的，并且各系数与输入量（自变量）无关。2）非线性系统存在非线性元件的系统，其微分方程式的系数与自变量有关。东北大学《自动控制原理》课程组251.3自动控制系统类型2.按照信号传递方式划分1）连续数据系统系统各部分的信号都是连续的模拟量。2）离散数据系统系统的一处或几处，信号是以脉冲序列或数码的形式传递。东北大学《自动控制原理》课程组261.3自动控制系统类型3.按照输入量的变化规律划分1）恒值系统给定量是恒定不变的。2）程序控制系统给定量是按照一定的时间函数变化的。3）随动系统给定量按照事先未知的时间函数变化。东北大学《自动控制原理》课程组271.4自动控制系统的性能指标稳（稳定性）、快（快速性）、准（准确性）“稳”与“快”描述系统的动态（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”描述系统的稳态（静态）品质。对自动控制系统的基本要求东北大学《自动控制原理》课程组281.4自动控制系统的性能指标当扰动作用（或给定值发生变化）时，输出量将偏离原来的稳态值，这时由于反馈的作用，通过系统内部的自动调节，系统可能回到或接近原来的稳态值（或跟随给定值）稳定下来（如图a），称这样的系统为稳定系统，反之，不稳定系统的输出如图b。稳定性是保证控制系统正常工作的必备条件。1.稳定性东北大学《自动控制原理》课程组291.4自动控制系统的性能指标2.稳态性能指标稳态误差当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。系统稳态误差的大小反映了系统的控制精度，它表明了系统控制的准确程度。稳态误差越小，则系统的控制精度越高。东北大学《自动控制原理》课程组301.4自动控制系统的性能指标有差系统（图a）若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。无差系统（图b）若稳态误差为零，则系统称为无差系统。(a)(b)东北大学《自动控制原理》课程组311.4自动控制系统的性能指标3.暂态性能指标东北大学《自动控制原理》课程组32（1）最大超调量输出最大值与输出稳态值的相对误差。反映系统的平稳性。最大超调量越小，则说明系统过渡过程越平稳。（2）上升时间指系统的输出量第一次到达输出稳态值所对应的时刻。1.4自动控制系统的性能指标max()%100%()ccxxxrt东北大学《自动控制原理》课程组33（3）过渡过程时间（调节时间）系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一般取稳态输出值的2%或5%。调节时间的长短反映了系统的快速性。调节时间越小，系统的快速性越好。1.4自动控制系统的性能指标st东北大学《自动控制原理》课程组34（4）振荡次数在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。它也反映系统的平稳性。振荡次数越少，说明系统的平稳性越好。1.4自动控制系统的性能指标东北大学《自动控制原理》课程组35小结1.开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。东北大学《自动控制原理》课程组36小结2.闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制极大地提高了系统的精度。但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。东北大学《自动控制原理》课程组373.自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较环节、放大元件、被控对象、和反馈环节等部件组成。系统的作用量和被控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。小结东北大学《自动控制原理》课程组384.结构图（又简称框图）可直观地表达系统各环节（或各部件）间因果关系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和信号传递情况以及它们对输出量的影响。小结东北大学《自动控制原理》课程组395.在不同输入量作用下，对系统的输出量的要求，揭示出反馈控制系统的本质特征：输出跟随输入。6.对自动控制系统的性能指标要求有：稳定性——系统能工作的首要条件；快速性——用系统在暂态过程中的响应速度和被控量的波动程度描述；准确性——用稳态误差来衡量。小结东北大学《自动控制原理》课程组40END第1章自动控制系统的基本概念