自动控制原理(梅晓榕)1-2.ppt

自动控制原理电子教案 柏桂珍 梅晓榕 科学出版社 2005 北京 第一章自动控制概述1.1引言 被控量：机械转速、位移，温度，压力，流量，物位，姿态，航向…… 装置：航天器，飞机，导弹，船舶，机床，机器人，化工生产过程…… 自动控制原理：自动控制的基本理论和分析、设计控制系统的基本方法。 经典控制理论与现代控制理论。 1.2自动控制的初步概念 控制：使装置或过程（对象）按给定规律运行，使被控变量按给定规律变化。 系统：能完成一定任务的物体（元件）的组合。 室温控制系统元件框图 控制对象：被控制的装置、物理系统或过程。 控制器：对控制对象产生控制作用的装置。 执行元件：直接改变被控变量的元件。 传感器或测量元件：检测物理量并转换成另一种量。 室温控制系统功能框图 输入信号：外加变量。 输出信号：系统或元件产生的变量。 控制变量：控制器输出的信号，作用在对象上。 反馈信号: 被控量经传感器变换并返回到输入端的信号，要与输入信号比较，产生偏差信号。 指令输入、给定值：被控量的希望值。 参考输入信号：代表指令输入与反馈信号比较的基准信号。 偏差信号：参考输入信号与反馈信号之差。 扰动信号：不希望的外加信号。 1.3自动控制系统的分类1.3.1开环控制与闭环控制 闭环控制：输出信号受到输入信号和输出信号自身（反馈信号）的作用。信号流线形成闭合回路。又称反馈控制。输出信号受偏差量控制。 优点：精度高，抗干扰能力强。 缺点：系统结构、设计和调试复杂，可能产生失控——不稳定。 开环控制：输出信号只取决与输入信号，与输出无关。 优点：系统结构和调试简单。 缺点：抗干扰能力差。 1.3.2伺服系统、定值控制系统和程序控制系统 定值控制系统：输入是固定值。 伺服系统：输入是时间的函数，变化规律常常未知。 程序控制系统：输入信号按已知规律变化。 1.3.3控制系统的其它类型 线性系统与非线性系统。 计算机控制系统与模拟控制系统。 运动控制系统与过程控制系统。 定常系统与时变系统。 1.4 控制系统的组成及基本要求1.4.1控制系统的基本组成 控制对象与控制元件 1.执行元件 直接带动控制对象和改变被控量。 2.放大元件 放大信号。前置放大器与功率放大器。 3.测量元件 检测一种物理量并按某种规律转换成另一种量。传感器，变送器，敏感元件，检测元件。 4.补偿元件（校正元件） 补充的元件。 典型功能框图 1.4.2对控制系统的基本要求 1.稳定性 受控，正常运行。最基本、最重要的要求。 2.准确性 误差小。稳态精度，稳态性能。 3.快速性与平稳性 过渡过程快速、平稳。动态性能。 第二章 系统的数学模型 描述系统中各变量关系的数学形式与方法。经典控制与现代控制理论的基础。 静态关系：对时间的导数可忽略不计。由输入可确定输出。 动态关系：对时间的导数不可忽略，由输入和初始条件共同确定输出。 动态系统数学模型的基础是微分方程。 建模方法：分析法（理论建模）和实验法（系统辨识）。 定常系统和集总参数系统。 不同的系统可能有相同的数学模型。 2.1控制系统微分方程的建立 单变量线性定常系统 输出在左，输入在右，降阶排列。 列写步骤： 1）确定输出与输入量。 2）列写原始方程组，方程个数比中间变量多1。 3）消去中间变量。 4）标准化整理。 简单的电气系统与机械系统举例。 1.电气系统 常用关系式 例2-1-1 列写微分方程式。 解 设回路电流为中间变量。 例 2-1-2 列写微分方程式。 解 运算放大器的正、反相 输入端电位相同，输入电流 为零。 2.机械系统 遵循力学定律。 例 2-1-3 列写系统的运动方程式。 解 例 2-1-4 列写系统的运动方程式。 解 例 2-1-5 列写系统的运 动方程。 解 2.2 传递函数2.2.1传递函数的定义 传递函数把输出和输入的关系表示得简单明了。 传递函数的定义：初始条件为零时，输出信号的拉氏变换式与输入信号的拉氏变换式之比。 例 2-2-1 求例2-1-1的传递函数。 解 例 2-2-2 求例2-1-2的传递函数。 解 例 2-2-3 求例2-1-3的传递函数。 解 2.2.2关于传递函数的几点说明 1.传递函数的概念适用于线性定常系统，与输入信号的具体形式和大小无关。 谈到传递函数，必须指明输入量和输出量。 传递函数的概念主要适用于单输入、单输出的情况。 2.传递函数不能反映系统或元件的学科属性和物理性质。物理性质和学科类别截然不同的系统可能具有完全相同的传递函数。 3.对于实际的元件和系统，传递函数是复变量s的有理分式。 传递函数的有理分式