自动控制原理 李明富 第1章 序论

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1、第1章绪论1.1引言1.1.1自动控制技术及应用自动控制:在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备（称为控制器）操作被控对象（如机器、设备或生产过程）的某个状态或参数（称为被控量），使其按预先设定的规律自动运行。自动控制理论就是研究自动控制共同规律的科学技术，它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，随着工业生产和科学技术的发展，现已发展成为一门独立的学科——控制论。控制论包括工程控制论、生物控制论和经济控制论。工程控制论主要研究自动控制系统中的信息变换和传送的一般理论及其在工程设计中的应用。自动控制原理则仅仅是工程控制论的一个分支，它只研究控制系统分析和设计的一般理论。1.1.

2、2自动控制理论的发展（1）第一个阶段。时间为20世纪40～60年代，称为“经典控制理论”时期。经典控制理论主要是解决单输入单输出问题，主要采用以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。（2）第二个阶段。时间为20世纪60～70年代，称为“现代控制理论”时期。这个时期，由于计算机的飞速发展，推动了空间技术的发展。经典控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间法。（3）第三个阶段。时间为20世纪70年代末至今。20世纪70年代末,控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展。前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖

3、掘。1.2自动控制技术中的基本控制方式在具体介绍自动控制技术中的基本控制方式之前，先介绍几个相关的基本术语（1）系统。即为达到某一目的，由相互制约的各个部分按一定规律组成的、具有一定功能的整体。（2）自动控制系统。指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它一般由控制装置（控制器）和被控对象组成。（3）控制装置。指对被控对象起控制作用的设备总体。（4）被控对象。指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。例如，汽车、飞机、炼钢、化工生产的锅炉等。自动控制系统的性能，在很大程度上取决于系统中的控制器为了产生控制作用而必须接收的信息。这个信息有两个可能的来源：①来自系统外部，即由系统输

4、入端输入的参考输入信号；②来自被控对象的输出端，即反映被控对象的行为或状态的信息。把从被控对象输出端获得的信息通过中间环节（称为反馈环节）再送回控制器的输入端的过程，称为反馈。传送反馈信息的载体，称为反馈信号。是否采用反馈，对控制系统的各个指标（即稳定性、快速性、准确性）影响很大。因此，系统的基本控制方式也按有无反馈分为3大类：开环控制、闭环控制、复合控制。1.2.1开环控制开环控制是一种最简单的控制方式，其特点是在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响。开环控制系统的示意图如图1-1所示。图1-1开环控制系统设有一个直流电动机D，用它

5、来带动一个需要以恒定转速转动的负载，它的电枢上加有由可控硅功率放大器供给的整流电压，而可控硅功率放大器输出的整流电压的大小由电位器RW来调节，其原理示意图如图1-2所示。图1-2中，E—输入量，Mfz—负载力矩，n—负载转速，Ua—电动机电枢电压，ia—电动机电枢电流，if—电动机励磁电流，UV—电位器给定电压，L—电抗器，i—减速器。图1-2电动机开环控制系统电动机D的工作原理是：当电位器Rw给出一定电压UV后，可控硅功率放大器的触发电路便产生一串与电压UV相对应的、具有一定相位的触发脉冲去触发可控硅，从而控制可控硅功率放大器的输出电压Ua。1.2.2闭环控制闭环控制是指控制装置与

6、被控对象之间既有正向作用，又有反向联系的控制过程，即如果控制器的信息来源中包含来自被控对象输出的反馈信息，则称为闭环控制系统，或称为反馈控制系统，如图1-3所示。图1-3闭环控制系统图1-4所示为无人直接参与自动控制转速，并使其保持恒定的控制原理图。在图中，CF为测速发电机，其输出电压正比于负载的转速n，即UCF=KC·n，测速发电机完成测量转速并把转速转换为电压信号的任务，称为测量转换环元件。图1-4电动机转速自动控制系统原理图电压Ur为给定的基准电压，其初始值与电动机转速的期望值相对应。反馈量UCF和控制量Ur比较后得到的电压差U=Ur−UCF叫做偏差量（或偏差信号）。为了对电

7、动机转速通过反馈形式进行自动控制，对控制系统提出下列要求。（1）必须对被控制量进行测量并将它反馈到系统的输入端与控制量相减（即负反馈），得到偏差信号。（2）必须对偏差信号进行适当的变换和放大，从而产生对被控制对象的控制作用。（3）上述控制作用应使被控制量作消除偏差保持期望值的相应变化。（4）这种利用负反馈得到的偏差产生的控制作用，又去消除偏差的控制原理叫做反馈控制原理。就整个系统来说，控制量通过控制器去控制被控制量，而被控制量又被反馈到输入端和控制量进行相