自动控制理论第一章ppt课件.ppt

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1、第一章绪论1.1引言自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，控制技术的广泛应用，不仅将人们从繁重的体力劳动和大量重复性的操作中解放出来，而且也极大的提高了生产劳动率和产品质量。在科学技术发展的历史上控制技术始终起着重要的作用。因此，对于工程技术人员和科学工作者来说，掌握一定的控制技术是十分必要的。1.2自动控制的概念及应用一.控制：在自动控制原理中，控制是指为了克服各种扰动的影响，达到预期的目标，对生产机械或过程中的某一个或某一些物理量进行的操作。例如：日常生活中，对房屋的室内温度、汽车的方向和速度、洗衣机的控制；工业生产过程中，对电网电压、电机转速、锅炉的温度和压力、机器人的控制；航空

2、航天工业中，对航天飞机的发射、飞行器的姿态控制等。房屋、汽车、电网、电机、锅炉、航天飞机等被称为被控对象，室内温度、汽车方向和速度、电网的电压、电机的转速、航天飞机发射时的角度和速度等被称为被控变量。二.在对被控量进行控制时，按照系统中是否有人参与，可分为人工控制和自动控制（例1）人工控制：由人来完成对被控量的控制。自动控制：由自动控制装置代替人来完成对被控量的控制。三.自动控制系统：是指由被控对象和控制器按一定方式连接起来，完成某种自动控制任务的有机整体。例：交通控制、水位控制、经济控制、人体控制在本例中，若由人工控制来完成对水位的控制，需要操作者根据实际水位的多少（它反映出用水量大小）来调

3、节进水阀门的开启程度（简称开度）。具体操作步骤如下：首先，操作者用眼睛测量实际水位，与期望水位进行比较，得到误差值；然后根据误差的大小和正负，由大脑指挥手去正确地调节进水阀门的开度。其控制目的是要尽量减小误差，使被控量尽可能地保持在期望值附近。例：人工控制的恒值水位系统若用杠杆机构代替人工来进行操作，就成为自动控制，如图所示。图中用浮子代替人的眼睛来测量水位的高低；另用一套杠杆机构代替人的大脑和手来计算误差和调节阀门开度。具体操作步骤如下：杠杆的一端由浮子带动，另一端则连向进水阀门。当用水量增大时，水位开始下降，浮子也随之降低，通过杠杆的作用，进水阀门上提，开度增大，进水量增加，使水位回至期望

4、值附近。反之，若用水量变小，水位及浮子上升，进水阀门关小，减少进水量，使水位自动下降至期望值附近。其结果是，无论出水量多还是少，实际水位的高度总是在期望值附近。1.3自动控制系统的基本形式一、开环控制系统1.定义：若系统的输出量（即被控量）不返回到系统的输入端，则称之为开环控制系统。如图所示的汽车带速控制系统就属于开环控制系统。在带速控制系统中，风门角度和发动机转速分别是系统的输入量和输出量，它们之间存在着一一对应的关系。负载力矩TL称为扰动（或干扰），它包括空调的使用、加油和刹车等动作引起的力矩变化。扰动是不希望的系统输入量。在这个系统中它的存在将使发动机的转速偏离期望值。通常，发动机转速处

5、于期望值附近。当负载力矩TL增加时，发动机转速将下降。对于这样的开环控制系统，发动机转速的下降是无法反映到系统输入端的，因此对风门角度不产生影响，也就无法消除负载力矩TL的变化对被控量发动机转速的影响。这就是开环控制系统的缺陷，它无法消除由于系统内部参数变化或外部扰动对系统被控量的影响。2、开环控制系统结构图由于在开环控制系统中，控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系，系统的被控变量对控制作用没有任何影响，系统的控制精度完全取决于所用元器件的精度和特性调整的准确度。因此开环系统只有在输出量难于测量且要求控制精度不高以及扰动的影响较小或扰动的作用可以预先加以补偿的场合，才得以广泛应用。二、

6、闭环控制系统在实际控制系统中，扰动是不可避免的。为了克服开环控制系统的缺陷，提高系统的控制精度以及在扰动作用下系统的性能，人们在控制系统中将被控量反馈到系统输入端，对控制作用产生影响，这就构成了闭环控制系统。如图所示为汽车闭环带速控制系统的原理方块图。其中参考输入r给出了系统的期望带速。系统的输出量（即被控量）汽车的带速，通过速度传感器反馈到系统输入端。理想情况下，汽车带速维持在较低的期望值附近。如果负载力矩TL变化引起发动机转速发生变化，则这种转速的变化将通过转速传感器反馈到系统输入端，与参考输入比较，产生误差信号e。控制器将根据误差信号对风门角度进行调节，以消除发动机转速与期望值之

7、间的误差，使发动机转速维持在期望值附近。这种通过负反馈产生偏差，并根据偏差的信息进行控制，以达到最终消除偏差或使偏差减小到容许范围内的控制原理，称为负反馈控制原理，简称反馈控制原理。因此闭环控制系统又称为反馈控制系统或偏差控制系统。通常，在闭环控制系统中，从系统输入量到系统被控量之间的通道称为前向通道，从被控量到输入端的反馈信号（用以减少或增加输入量的作用）之间的通道称为反馈通道。闭环控制系统的组