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1、关于自动控制原理第1页，讲稿共39张，创作于星期三 课程的性质和特点课程的性质和特点 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专业基础课，是自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。微积分（含微分方程微积分（含微分方程）电机与拖动电机与拖动模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数电路理论电路理论信号与系统信号与系统自动控制理论自动控制理论复变函数、拉普拉斯变换复变函数、拉普拉斯变换大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学）第2页，讲稿共39张，创作于星期三1-1 自动控制的基本原理与方式1-2 自动控制系统示例1-3 自动控制系
2、统的分类1-4 对控制系统的基本要求第一章 自动控制的一般概念第3页，讲稿共39张，创作于星期三第一章自动控制的一般概念第一章自动控制的一般概念第一节 自动控制的基本原理与方式一、自动控制技术与应用第4页，讲稿共39张，创作于星期三1969年7月20日，“阿波罗11号”飞船首次登陆月球时的珍贵图片 第一节 自动控制的基本原理与方式第5页，讲稿共39张，创作于星期三2008年9月25日至28日,中国成功实施了神舟七号载人航天飞行（新化社报道）第一节 自动控制的基本原理与方式第6页，讲稿共39张，创作于星期三图 一列CRH3“和谐号”动车组停靠在改扩建的新北京南站站台（中国政府网 陈涛 摄）第一节
3、 自动控制的基本原理与方式第7页，讲稿共39张，创作于星期三图 RH炼钢设备第一节 自动控制的基本原理与方式第8页，讲稿共39张，创作于星期三苏格兰科学家展示新近研制成功的高仿真仿生学假肢。第一节 自动控制的基本原理与方式第9页，讲稿共39张，创作于星期三图1-7 1989年，人工智能模糊控制全自动洗衣机在三洋研制成功（引自人民网）第一节 自动控制的基本原理与方式第10页，讲稿共39张，创作于星期三自动控制的基本概念现代科学技术中的现代科学技术中的自动控制技术得到自动控制技术得到 了广泛的应用了广泛的应用 航天器航天器 工业控制工业控制 机器人机器人 家用电器家用电器 自动控制：自动控制：在无
4、人直接参与下，利用控制装置（或控在无人直接参与下，利用控制装置（或控制器）操纵受控对象，使受控对象的被控量按制器）操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化规律去变化。给定信号变化规律去变化。第一节 自动控制的基本原理与方式第11页，讲稿共39张，创作于星期三控制量控制量:阀门开阀门开度（蒸汽流量）度（蒸汽流量）例例 水温人工控制系统水温人工控制系统 受控对象受控对象:水箱水箱系统的构成：系统的构成：被控制量被控制量:水温水温 蒸汽通过蒸汽通过热传导器件把热传导器件把热量传递给水热量传递给水,水的温度与水的温度与蒸汽的流量蒸汽的流量成正比成正比.手动调节手动调节阀门的开度，阀门的开度，从而
5、调节蒸汽从而调节蒸汽的流量的流量,来控制来控制水的温度水的温度.但人工难以实现稳定的高质量控制但人工难以实现稳定的高质量控制.第一节 自动控制的基本原理与方式第12页，讲稿共39张，创作于星期三例例 水温自动控制系统水温自动控制系统系统中增加了：系统中增加了：控制器控制器电机电机加入给定信号加入给定信号工作原理：工作原理：检测实际温度检测实际温度产生控制信号产生控制信号 通过电机调节通过电机调节阀门的开度阀门的开度 从而调节蒸从而调节蒸汽流入，控制汽流入，控制水的温度水的温度.实现实现没有人直接参没有人直接参入的自动水温入的自动水温控制控制.控制器控制器第一节 自动控制的基本原理与方式第13页
6、，讲稿共39张，创作于星期三第一节 自动控制的基本原理与方式二、反馈控制原理 反馈控制是这样的一种控制过程，它能构在存在扰动的反馈控制是这样的一种控制过程，它能构在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）之间的偏差，而其工作正是基于这一偏差基础之上的，这就之间的偏差，而其工作正是基于这一偏差基础之上的，这就是反馈控制的原理。是反馈控制的原理。如人取桌上书的过程（见下图）：如人取桌上书的过程（见下图）：第14页，讲稿共39张，创作于星期三第一节 自动控制的基本原理与方式系统方框图符号组成系统方框图符号组成：“”下图为反
7、馈控制原理方框图下图为反馈控制原理方框图第15页，讲稿共39张，创作于星期三第一节 自动控制的基本原理与方式龙门刨床速度控制系统原理图龙门刨床速度控制系统原理图 在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。当负载波动时，必然会引起速馈控制原理进行工作的。当负载波动时，必然会引起速度变化，由于龙门刨床不允许速度变化过大，因此必须度变化，由于龙门刨床不允许速度变化过大，因此必须对速度进行控制。对速度进行控制。第16页，讲稿共39张，创作于星期三 下图示为龙门刨床速度控制系统。当负载发生变化时，如和控制速度。例如：第一节 自动控制的基
8、本原理与方式第17页，讲稿共39张，创作于星期三第一节 自动控制的基本原理与方式下图为龙门刨床速度控制系统的方框图下图为龙门刨床速度控制系统的方框图第18页，讲稿共39张，创作于星期三第一节 自动控制的基本原理与方式三、反馈控制系统的基本组成典型的反馈控制系统基本组成框图：信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；系统输信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路。前出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路。只
9、包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两个或路。只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的两个以上反馈通路的 系统称为多回路系统。系统称为多回路系统。第19页，讲稿共39张，创作于星期三第一节 自动控制的基本原理与方式四、自动控制系统基本控制方式1、反馈控制方式q特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。q优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化 而引起而引起 的变动。的变动。计算比较计算比较给定值给定值E执行执行被控对象被控对象干扰干扰被控量被控量测量测量按偏差
10、调节的系统原理方框图按偏差调节的系统原理方框图第20页，讲稿共39张，创作于星期三第一节 自动控制的基本原理与方式如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，如上图所示，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，反之称即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。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。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控
11、量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。第21页，讲稿共39张，创作于星期三第一节 自动控制的基本原理与方式 飞机自动驾驶系统原理图第22页，讲稿共39张，创作于星期三控制任务控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象被控对象：飞机。被控量被控量：飞机的俯仰角 。俯仰角控制系统原理方框图第一节 自动控制的基本原理与方式第23页，讲稿共39张，创作于星期三第一节 自动控制的基本原理与方式2 2、开环控制方式、开环控制方式计算计算执行执行受控对象受控对象给定值给定值干扰干扰被控量被控量按给定值操纵的开环控制系统原理方框图按给定值操纵的开环
12、控制系统原理方框图开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。第24页，讲稿共39张，创作于星期三第一节 自动控制的基本原理与方式炉温控制系统炉温控制系统原理方框图定时开关炉子电阻丝第25页，讲稿共39张，创作于星期三第一节 自动控制的基本原理与方式特点：特点：控制装置只按给定值来控制受控对象控制装置只按给定值来控制受控对象优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：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。第26页，讲稿共39张，创作于星期三第一节 自动控制的基本原理与
13、方式q定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿定义：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。干扰对被控量的直接影响。计算计算测量测量受控对象受控对象执行执行干扰干扰被控量被控量特点特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各：只能对可测干扰进行补偿，对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。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。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。第27页，讲稿共39张，创作于星期三水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图第一节 自动控
14、制的基本原理与方式第28页，讲稿共39张，创作于星期三3 3、复合控制方式、复合控制方式 复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。通路，来提高系统的控制精度。复合控制系统n控制装置被控对象 CR补偿装置第一节 自动控制的基本原理与方式第29页，讲稿共39张，创作于星期三第一章自动控制的一般概念第一章自动控制的一般概念 第三节 自动控制系统的分类一、按变量的数学关系来分一、按
15、变量的数学关系来分 自动控制系统的分类方法较多，常见的有自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种以下几种 二、按控制系统的输入作用来分二、按控制系统的输入作用来分第30页，讲稿共39张，创作于星期三 第三节 自动控制系统的分类一、线性系统和非线性系统一、线性系统和非线性系统 由线性微分方程或线性差分方程所由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统。描述的系统。由非线性方程描述的系统。由非线性方程描述的系统。线性系统：线性系统：非线性系统：非线性系统：第31页，讲稿共39张，创作于星期三 第三节 自动控制系统的分类二、定常系统和时变系统定常系统定常系统:若系统微分方程的系数为常数，则称之为若系
16、统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。象。系统数学模型微分方程的系数不是时系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。间变量的函数。否则称为时变系统。否则称为时变系统。第32页，讲稿共39张，创作于星期三 第三节 自动控制系统的分类三、连续系统和离散系统连续系统：连续系统：系统中各部分的信号都是时间的连续函数系统中各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量。即模拟量。离散系统：离散系统：系统中有一处或多处信号为时间的离散系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。函数，如脉冲或数码信号。若系统中既有模拟量也有
17、离散信号，则若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。又可称之为采样系统。第33页，讲稿共39张，创作于星期三 第三节 自动控制系统的分类四、恒值系统、随动系统和四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统程序控制系统 (按控制系统的输入作用来分按控制系统的输入作用来分）系统的给定值为一定值，而控制任务就是系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。克服扰动，使被控量保持恒值。例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统等。等。恒值系统：恒值系统：随动系统：随动系统：系统给定值按照事先不知道的时间函数变系统给定值按照事先不知
18、道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。化，并要求被控量跟随给定值变化。第34页，讲稿共39张，创作于星期三 第三节 自动控制系统的分类程序控制系统 系统的参据量时按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不过前者是已知的时间函数，后者是未知的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。第35页，讲稿共39张，创作于星期三第四节 对自动控制系统的基本要求 常见的评价系统优劣的性能指标是从动态常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。
19、三个方面。第一章自动控制的一般概念第一章自动控制的一般概念工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。稳：稳：指动态过程的平稳性。指动态过程的平稳性。快：快：指动态过程的快速性。指动态过程的快速性。准：准：指动态过程的最终精度。指动态过程的最终精度。第36页，讲稿共39张，创作于星期三 第四节 对自动控制系统的基本要求稳：稳：指动态过程的平稳性指动态过程的平稳性控制系统动态过程曲线如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。第37页，讲稿共39张，创作于星期三 第四节 对自动控制系统的基本要求快：快：指动态过程的快速性指动态过程的快速性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，如曲线所示。稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。动态精度高。第38页，讲稿共39张，创作于星期三感感谢谢大大家家观观看看第39页，讲稿共39张，创作于星期三