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东北大学自动控制原理第一章ws_图文

东北大学自动控制原理第一章ws_图文

全国高等学校自动化专业系列教材 普通高等教育“十一五” 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
东北大学 王建辉 顾树生 主编 杨自厚 主审

清华大学出版社

自动控制原理
Principle of Automatic Control
东北大学 《自动控制原理》课程组 自动控制原理》 负责人 顾树生 王建辉

自动控制原理
教材及参考书
王建辉,顾树生.自动控制原理 自动控制原理.北 教 材:王建辉,顾树生 自动控制原理 北 清华大学出版社. 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 北京: 参考书:吴麒主编 《自动控制原理》.北京: 清华大学出版社. 清华大学出版社 李友善主编.《自动控制原理》 李友善主编 《自动控制原理》. 北 机械工业出版社. 京:机械工业出版社
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自动控制原理
课程基本信息
课程编号 :130100020 自动化、 适用专业 :自动化、测控技术及仪器 /电子信息工程、通信工程 电子信息工程、 电子信息工程 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) )
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自动控制原理
课程的主要内容(讲课 实验 实验) 课程的主要内容(讲课/实验)
第 1章 第 2章 第 3章 第 4章 第 5章 第 6章 第 7章 第 8章
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自动控制系统的基本概念(4/0) 自动控制系统的基本概念(4/0) 自动控制系统的数学模型(10/0) 自动控制系统的数学模型(10/0) 自动控制系统的时域分析(12/4) 自动控制系统的时域分析(12/4) 根轨迹法(8/0) 根轨迹法(8/0) 频率法(12/4) 频率法(12/4) 控制系统的校正及综合(8/0) 控制系统的校正及综合(8/0) 非线性系统分析(6/2) 非线性系统分析(6/2) 线性离散系统的理论基础(8/2) 线性离散系统的理论基础(8/2)
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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, 自动控制是一门技术学科,从方法论的 技术学科 角度来研究系统的建立、分析与设计, 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。 动控制原理》是本学科的技术基础课。

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自动控制原理
本课程与其它课程的关系
信号与系统 电路理论 电机与拖动 大学物理 复变函数 拉氏变换 模拟电子技术 线性代数

自动控制原理
现代控 制理论

微积分

各 类 专业课
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线性系统

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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( 世纪 世纪40~ 年代 年代) 第一阶段:古典控制理论(20世纪 ~60年代) SISO、线性定常、频域法 、线性定常、 第二阶段:现代控制理论( 世纪 世纪60~ 年代 年代) 第二阶段:现代控制理论(20世纪 ~70年代) MIMO、非线性、时变、状态空间法 、非线性、时变、 第三阶段:智能控制理论(20世纪 年代~ 今) 第三阶段:智能控制理论( 世纪70年代~ 世纪 年代 非模型

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1947年美国出版了当时世界上第一本控制方面的教材《伺服机原理》; 20世纪40年代,频域响应法为工程技术人员设计满足性能要求的线性闭环控制系统提供 了一种可行的方法; 20世纪40年代末,埃文斯(W.R.Evans)根据反馈控制系统的开环传递函数与其闭环特征 方程间的内在联系,提出了根轨迹法; N.Wiener 当时,数学家维纳(N.Wiener)把那时发表的 有关控制方面的理论与方法称为“控制 论”。 ===================================================== 1954年钱学森在美国出版了专著《工程控制论》,成为当时控制科学技术的经典著作之 一,曾获中国科学院1956年度科学一等奖; 1954年天津大学刘豹教授编著了我国第一本用中文撰写的控制理论专著《自动控制原 理》; 卢伯英等翻译了美国学者的《现代控制工程》等

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自动控制原理
第1章 自动控制系统的基本概念

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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

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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; 其工作原理; 了解闭环控制系统的组成和基本环节; 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; 制系统的作用; 学会分析自动控制系统的类型及本质特 征。
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1.1 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, 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, 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, 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 律变化,例如矿井提升机的速度控制、 热炉温度的控制等等。 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。 的所有物理部件的有机组合体。

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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
1.开环控制系统 1.开环控制系统
例1-1 温度控制系统
~220 0V

uc
2

1

性能指标 工作过程
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
被控对象(对象):被控制的设备或过程 被控对象(对象):被控制的设备或过程 ): 被控量(输出量): ):被控制的物理量 被控量(输出量):被控制的物理量 控制量(给定量): ):决定被控量的物理量 控制量(给定量):决定被控量的物理量 扰动量: 扰动量:妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有 因素

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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
扰动量 给定量 输出量

1

2

图中: 图中: 1 – 控制器(自耦变压器) 2 - 被控对象(电阻炉)

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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
2.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

1
~220V

uc

2

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1.1 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
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1.1 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
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1.1 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 输出不参与控制 系统没有抗干扰能力
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
① 反馈控制
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 反馈控制特点
输入控制输出; 输出参与控制; 检测与纠正偏差; 具有抗干扰能力。
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
闭环控制系统中的基本术语
(1) 被控对象 (2) 被控量或输出量 (3) 控制量 (4) 扰动量 (5) 反馈量 (6) 偏差量 (7) 前向通道或正向通道 (8) 反馈通道或反向通道 (9) 理想输出 (10) 实际输出

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1.2 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.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; 给定环节; 比较环节 比较环节; 校正环节 校正环节; 放大环节 放大环节; 给定环节 5-执行机构;6-被控对象;7-检测装置 执行机构; 被控对象 被控对象; 检测装置 执行机构
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1.2 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 闭环控制系统的基本环节 (1)被控对象或调节对象 ) 要进行控制的设备或过程。 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。 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, 构直接作用于控制对象,使被控制量达到所要 求的数值。 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 该装置用来检测被控制量, 与给定量相同的物理量。
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1.2 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。 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, 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。 确定两者之间的偏差量。 (6)中间环节 ) 一般包括放大环节和校正环节。 一般包括放大环节和校正环节。

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1.3 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。
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1.3 自动控制系统类型
2.按照信号传递方式划分 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。

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1.3 自动控制系统类型
3.按照输入量的变化规律划分 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。

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1.4 自动控制系统的性能指标
对自动控制系统的基本要求
稳(稳定性)、快(快速性)、准(准确性) 稳定性)、快 快速性)、准 准确性) )、 )、 描述系统的动态(过渡过程) “稳”与“快”描述系统的动态(过渡过程) 品质。 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。 元件的能量不可能突变。 描述系统的稳态(静态)品质。 “准”描述系统的稳态(静态)品质。

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1.4 自动控制系统的性能指标
1. 稳定性
当扰动作用(或给定值发生变化) 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, 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) 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, ),称这样的系统为稳定系统 (如图 ),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。 输出如图 。稳定性是保证控制系统正常工作的必备条件。

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1.4 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, 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 稳态误差。 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。 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。 误差越小,则系统的控制精度越高。
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1.4 自动控制系统的性能指标
有差系统( ) 有差系统(图a)
若稳态误差不为零,则系统称为有差系统。 若稳态误差不为零,则系统称为有差系统。 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。 若稳态误差为零,则系统称为无差系统。 无差系统

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(a)

(b)
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1.4 自动控制系统的性能指标
3. 暂态性能指标

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1.4 自动控制系统的性能指标
(1)最大超调量 δ % = )
x max ? xc ( ∞ ) × 100% xc ( ∞ )

输出最大值与输出稳态值的相对误差。 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, 平稳性。 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。 则说明系统过渡过程越平稳。 (2)上升时间 ) tr 指系统的输出量第一次到达输出稳态值 所对应的时刻。 所对应的时刻。
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1.4 自动控制系统的性能指标
(3)过渡过程时间(调节时间) ts )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。 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%。? 或 。 调节时间的长短反映了系统的快速性 快速性。 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。 调节时间越小,系统的快速性越好。
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1.4 自动控制系统的性能指标
(4)振荡次数 ? ) 在调节时间内, 在调节时间内,输出量在稳态值附近上 下波动的次数。 下波动的次数。 它也反映系统的平稳性 振荡次数越少, 平稳性。 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。 说明系统的平稳性越好。

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小 结
1. 开环控制系统结构简单、稳定性好,但 开环控制系统结构简单、稳定性好, 不能自动补偿扰动对输出量的影响。 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, 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。 不到预期要求时,则应采用闭环控制。
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小 结
2. 闭环控制系统具有反馈环节,它能依靠 闭环控制系统具有反馈环节, 反馈环节进行自动调节, 反馈环节进行自动调节,以克服扰动对 系统的影响。 系统的影响。闭环控制极大地提高了系 统的精度。 统的精度。但是闭环使系统的稳定性变 需要重视并加以解决。 差,需要重视并加以解决。

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小 结
3.自动控制系统通常由给定环节、检测环节、 自动控制系统通常由给定环节、检测环节、 自动控制系统通常由给定环节 比较环节、放大元件、被控对象、 比较环节、放大元件、被控对象、和反馈 环节等部件组成。 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 给定量、反馈量、扰动量、 各中间变量。 各中间变量。

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小 结
4.结构图(又简称框图) 4.结构图(又简称框图)可直观地表达系 结构图 统各环节(或各部件)间因果关系, 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。

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小 结
5.在不同输入量作用下, 5.在不同输入量作用下,对系统的输出量 在不同输入量作用下 的要求, 的要求,揭示出反馈控制系统的本质特 输出跟随输入。 征:输出跟随输入。 6.对自动控制系统的性能指标要求有 对自动控制系统的性能指标要求有: 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; 系统能工作的首要条件; 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 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。 用稳态误差来衡量。 准确性 用稳态误差来衡量
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第1章 自动控制系统的基本概念

END

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液位控制系统
Q1 浮子

控制器

电位器

c
用水开关 SM

减速器 电动机

Q2

if

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