第5章 自动控制系统的基本元件与设备
自动控制原理简明教程 第五章 频率响应法
这时，求扰动输入下的误差传递函数 en(s) ，
先求 E(s) 0 C(s) 1GG（（s）s） N（s）
而
e（n s）
NE（（ss））
1
G（s） G（s）
则 ess（2 t） An e（n j）sin(t en( j))
幅频特性
相频特性
二.频率特性的物理意义及求解方法
R
ur
C uc
RC网络微分方程为:
优点:
(1).可以根据系统的开环频率特性判断闭环系 统的稳定性,而不必求解特征方程。
(2).很容易研究系统的结构,参数变化对系统性 能的影响,并可指出改善系统性能的途径,便于
对系统进行校正。
(3).提供了一种通过实验建立元件或系统数 学模型的方法。
(4).可以方便地设计出使系统噪声小到规定 程度的系统。
一.比例环节
传递函数为G(s)=k
频率特性为 G( jw) ke j 0
幅频特性为 A(w)=k
相频特性为 (w) 0
极坐标图和伯德图为：
L(w)(dB)
20lgk
(w)(度) 0.1 1 10 100
w
0
w
-30
Bode图
j
w=0
w
0k
w
极坐标图
二.积分环节和微分环节
积分环节: G(s) C(s) R(s) 1/ s
w? ?
450 W=1/T
1 W=0 w
对数幅频特性：L(w) 20lg 1 T 2w2 1
20lg T 2w2 1
当wT≥1时,L(w)≈-20lgwT
当wT≥1时,L(w)可用一条斜率为-20dB/dec的渐近 直线来表示。
当wT≤1时,L(w)≈0,是一条与0分贝线重合的直线。 两直线交于横坐标w=1/T的地方。
第5章 自动驾驶仪系统《民航飞机自动飞行控制系统》
4.2 稳定回路
➢ 如果测量部件测量的是飞机的飞行姿态信息，则姿态测量部件和舵回路就构成了自动驾 驶仪；自动驾驶仪和被控对象（飞机）又构成了稳定回路。稳定回路的主要作用是稳定 和控制飞机的姿态角。
自动驾驶仪的稳定回路
4.3 控制回 路
➢ 稳定回路加上测量飞机重心位置信号的元件以及表征飞机空间位置几何关系的运动学环 节，就组成了控制飞机质心运动的回路，称为控制回路，或称制导回路。控制回路的功 用是控制飞机的轨迹和速度。
➢ 控制升降舵的回路，称为升降舵通道或俯仰 通道；控制副翼的回路，称为副翼通道或横 滚通道；控制方向舵的回路，称为方向舵通 道或航向通道。3 个通道既独立，又相互联 系，相互响应，共同完成对飞机的控制。
三通道自动驾驶仪的组成
3.1→3.3
测量装置
➢ 各种敏感元件，用于测量飞机的运动参数，反映飞机的实际状态，包括主测装置和辅助测量 装置。
➢ 为了实现同步，在自动驾
驶仪中需对应的两个监控
器来监控自动驾驶仪的性 能。分别是自动驾驶仪舵 机位置监控器和舵面位置
监控器。
自动驾驶仪的控制（制导）回路
第5节
自动驾驶仪的控制通道
5.1 副翼控制通 道
➢ 单通道自动驾驶仪只提 供横滚控制（ 绕纵轴的 控制），即只控制飞机 的副翼。
➢ 由于它们的局限性，这 些系统通常被称为 “Wings Leveler（机翼改 平器）”。
信号处理元件
➢ 信号处理元件亦称计算装置，其功用是把各种敏感元件的输出信号和从控制装置输入的给定 信号进行比较，处理为符合控制规律要求的信号。包括综合装置、微分器、积分器、限幅器 及滤波器等，同时还可兼顾机内检测（BIT），甚至故障检测与报警等任务。
胡寿松自动控制原理第五版_图文
• 程序控制系统 输入信号是已知的、预先设定好的时间的函数。
26
1-3 自动控制系统的分类
2.线性定常离散控制系统 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码 形式，因而信号在时间上是离散的。连续系统经过采样开 关的采样就可以转换成离散信号。离散系统用差分方程描 述。
1954年第一台工业机器人 3
1-1 自动控制的基本原理与方式
汽车自动焊接生产线
月球车（月面巡视器）
4
1-1 自动控制的基本原理与方式
自动控制定义：在无人直接参与的情况下，利用外加的 设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生 产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控 量）自动地按预定的规律（给定量）运行。（强调控制的 目的，自动的含义）
性的、时变的。这一时期的主要代表人物有庞特里亚
金、贝尔曼（Bellman），及卡尔曼（R.E.Kalman，
1930～）等人。庞特里亚金于1961年发表了极大值原
理；贝尔曼在1957年提出了动态规划原则；1959年，卡
尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即
所谓著名的卡尔曼滤波
7
1-1 自动控制的基本原理与方式
15
1-1 自动控制的基本原理与方式
闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性 质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误 差)的控制系统。 闭环控制系统的特点： 1. 系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚
敏感。 2. 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。 3. 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于
（完整版）自动控制原理试题答案
（完整版）⾃动控制原理试题答案∑??=i i i s s Q s H )()(1)(zidpngkongzhi1 闭环系统（或反馈系统）的特征：采⽤负反馈，系统的被控变量对控制作⽤有直接影响，即被控变量对⾃⼰有控制作⽤。
2 典型闭环系统的功能框图。
⾃动控制在没有⼈直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程按照预定的规律运⾏。
⾃动控制系统由控制器和被控对象组成，能够实现⾃动控制任务的系统。
被控制量在控制系统中．按规定的任务需要加以控制的物理量。
控制量作为被控制量的控制指令⽽加给系统的输⼊星．也称控制输⼊。
扰动量⼲扰或破坏系统按预定规律运⾏的输⼊量，也称扰动输⼊或⼲扰掐⼊。
反馈通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输⼊端，与输⼊信号相⽐较。
反送到输⼊端的信号称为反馈信号。
负反馈反馈信号与输⼈信号相减，其差为偏差信号。
负反馈控制原理检测偏差⽤以消除偏差。
将系统的输出信号引回插⼊端，与输⼊信号相减，形成偏差信号。
然后根据偏差信号产⽣相应的控制作⽤，⼒图消除或减少偏差的过程。
开环控制系统系统的输⼊和输出之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作⽤没有影响，这样的系统称为开环控制系统。
开环控制⼜分为⽆扰动补偿和有扰动补偿两种。
闭环控制系统凡是系统输出端与输⼊端存在反馈回路，即输出量对控制作⽤有直接影响的系统，叫作闭环控制系统。
⾃动控制原理课程中所讨论的主要是闭环负反馈控制系统。
复合控制系统复合控制系统是⼀种将开环控制和闭环控制结合在⼀起的控制系统。
它在闭环控制的基础上，⽤开环⽅式提供⼀个控制输⼊信号或扰动输⼊信号的顺馈通道，⽤以提⾼系统的精度。
⾃动控制系统组成闭环负反馈控制系统的典型结构如图1．2所⽰。
组成⼀个⾃动控制系统通常包括以下基本元件．给定元件给出与被控制量希望位相对应的控制输⼊信号(给定信号)，这个控制输⼊信号的量纲要与主反馈信号的量纲相同。
给定元件通常不在闭环回路中。
2．测量元件测量元件也叫传感器，⽤于测量被控制量，产⽣与被控制量有⼀定函数关系的信号。
自动控制原理第一章自动控制原理
如图1－5所示。
给定量 控制器
干扰量
被控量 受控对象
自控系统
图1－5 自动控制系统
第一章 自动控制概论
• 如水位自动控制系统：
比较元件
进 水 + 连 杆
测量 元件
实 际 水 位 浮 子
输出量
M 电 机
干扰 信号
出 水
<
受控对象
图1－3 水位自动控制系统原理图
第一章 自动控制概论
1.2.2 自动控制系统的基本组成
基 本 要 求
通过学习本课程，获得自动控制
系统的基本概念和基本理论；掌握分 析自动控制系统或过程控制系统的基 本方法。
自动控制理论
经典控制理论 线性控制系统
连续控制系统
第 二 章 第 三 章 第 四 章 第 五 章
现代控制理论 非线性控制系统
离散控制系统
第 六 章
第 七 章
第 八 章
第一章 自动控制概论
控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制
系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可 以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，
由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武
器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统
自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其
被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被
控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满 足c(t) ≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。
输入量 输出量
串 联 校 正
放 大
执 行
受 控 对 象
自动控制原理总结
⾃动控制原理总结⾃动控制原理1. ⾃动控制的⼀般概念反馈系统的基本组成测量元件给定元件⽐较元件放⼤元件执⾏元件校正元件⾃动控制系统的基本控制⽅式反馈控制⽅式⽆论什么原因使被控量偏离期望值⽽出现偏差时，必定会产⽣⼀个相应的控制作⽤去降低或消除这个偏差。
开环控制⽅式特点是控制装置与被控对象之间只有顺向作⽤⽽没有反向联系，系统的输出量不会对系统的控制作⽤产⽣影响。
⾃动控制系统的分类线性连续控制系统线性定常离散控制系统⾮线性控制系统系统只要有⼀个元部件的输⼊-输出特性是⾮线性的，这类系统就称之为⾮线性控制系统。
对⾃动控制系统的基本要求稳定性我们先讨论为什么控制系统会不稳定。
由于⼀般的控制系统都含有⼀个储能元件或者惯性元件，这类元件的能量不可能发⽣突变。
因此从被控量偏离期望值，到控制量做出反应，需要⼀定的延缓时间，这个过程称为过渡过程。
当控制量已经回到期望值⽽使偏差为零时，执⾏机构本应⽴刻停⽌，但是由于过渡过程的存在，使得控制量反⽽向反向变化，如此反复进⾏，使得被控量在期望值附近来回摆动，这个过程呈现振荡形式。
如果这个振荡是逐渐减弱的，即控制量最终会回到期望值，我们称这个系统是稳定的；如果振荡逐渐增强，我们称这个系统是不稳定的。
快速性前⾯提到，虽然稳定系统最终会回到稳定状态，但是这个回到稳定状态的快慢对于⼀些系统来说是⾮常关键的。
⼀般从控制开始，到系统的输出量在期望值的⼀定误差范围内来回摆动的时间，我们称之为调节时间。
这个时间⼀般可以⽤来反映系统调节的快慢。
⽽在调节过程，⼀般振荡都会有个最⼤振幅，最⼤振幅⼀般也对于⼀些系统来说也⾮常重要，我们⽤来这个最⼤振幅与期望值的差与期望值的⽐值来反映系统的这个性质，称之为超调量。
准确性尽管前⾯我们提到稳定系统最终会趋于稳定，但是是在期望值的允许误差范围内，即使在很⼤的时间长度上，最终输出量也难以与期望值完全⼀致。
我们将⽆穷的时间尺度下，最终输出量与期望值之差成为稳态误差，稳态误差为⽆穷⼤的系统说明不稳定。
(完整版)自动控制原理课后习题答案
第1章控制系统概述【课后自测】1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统，说明它们的工作原理并比较开环控制和闭环控制的优缺点。
解：开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。
工作原理：被控制量为衣服的干净度。
洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验，设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。
系统输出量（即衣服的干净度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。
闭环控制——卫生间蓄水箱的蓄水量控制系统和空调、冰箱的温度控制系统。
工作原理：以卫生间蓄水箱蓄水量控制为例，系统的被控制量（输出量）为蓄水箱水位（反应蓄水量）。
水位由浮子测量，并通过杠杆作用于供水阀门（即反馈至输入端），控制供水量，形成闭环控制。
当水位达到蓄水量上限高度时，阀门全关（按要求事先设计好杠杆比例），系统处于平衡状态。
一旦用水，水位降低，浮子随之下沉，通过杠杆打开供水阀门，下沉越深，阀门开度越大，供水量越大，直到水位升至蓄水量上限高度，阀门全关，系统再次处于平衡状态。
开环控制和闭环控制的优缺点如下表1-2 自动控制系统通常有哪些环节组成？各个环节分别的作用是什么？解：自动控制系统包括被控对象、给定元件、检测反馈元件、比较元件、放大元件和执行元件。
各个基本单元的功能如下：（1）被控对象—又称受控对象或对象，指在控制过程中受到操纵控制的机器设备或过程。
（2）给定元件—可以设置系统控制指令的装置，可用于给出与期望输出量相对应的系统输入量。
（3）检测反馈元件—测量被控量的实际值并将其转换为与输入信号同类的物理量，再反馈到系统输入端作比较，一般为各类传感器。
（4）比较元件—把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的给定值进行比较，分析计算并产生反应两者差值的偏差信号。
常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。
（5）放大元件—当比较元件产生的偏差信号比较微弱不足以驱动执行元件动作时，可通过放大元件将微弱信号作线性放大。
机械控制基础习题
经拉氏变换，求得其传递函数为：
X o ( s) f 2 s k2 G( s) X i ( s) Ms 2 ( f1 f 2 ) s (k1 k2 )
22 22
2.9 试求图E2.2所示无源网络的数学模型和传递函数。
ui (t ) R1[i1 (t ) i2 (t )] 1 i1 (t )dt C1 1 1 R2i2 (t ) i ( t )d t i1 (t )dt 2 C2 C1
解： （ 1）一阶、二阶系统的单位阶跃响应函数的稳态值 xo(∞) 不一定等于 1。
例如:下列一阶传递函数：
此时它的单位阶跃响应为: 此处, K不一定等于1。
因
1 , 2 n 1
2 n
，所以得：
阻尼比
0.5
，无阻尼固有频率
n 1
2017/2/25
28
超调量
Mp e
tan
1
/ 1 2
100% 16.3%
2
1 2
1.047 rad d n 1
0.866
上升时间
3.13 已知一个环节的传递函数为 ，现采用图E3.13的负反 馈结构，使系统调整时间减少为原来的0.1倍，并保证系统 总的放大倍数不变。求参数 K h 和K0 的数值。
解： 由题意，系统的闭环传递函数应为
GB (s)
由方框图知
10 0.02 s 1
10 K 0 K 0G ( s ) 10 K 0 1 10 K h 10 GB ( s) 0.2 1 K hG ( s) 0.2s 1 10 K h s 1 0.02s 1 1 10 K h