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自动控制原理 自控控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备或工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。 反馈的输出量与输入量相减，称为负反馈；反之，则称为正反馈。

自动控制原理系统基本组成示意图  测量元件：测量被控对象的需要控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般需要转化为电量。  给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。  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输入量进行比较，求出它们之间的偏差。  放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。  执行元件：直接作用于被控对象，使其被控量发生变化，达到预期的控制目的。  校正元件：也称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件。 对自动控制系统性能的基本要求：稳定性、快速性、准确性

系统的传递函数：线性系统，在零初始条件下，输出信号的拉普拉斯变换与输入信号的拉普拉斯变化之比。 典型环节：

比率环节：()GsK

惯性环节：()1KGsTs 积分环节：1()GsTs 微分环节：()GsTs 一阶微分环节：()1Gss

振荡环节：22222()212nnnKKGsTsTsss 延迟环节：()sGse 数学模型：微分方程、传递函数、结构图、信号流图、频率特性等 结构图的等效变换：（例）

无源电气网络的传递函数：P46习题2.7 用梅森公式求系统的闭环传递函数：P38例2.9

第三章： 典型输入信号：

h(t)t时间tr

上升

峰值时间tp

AB超调量σ% =AB100%

调节时间ts

h(t)t上升时间tr

调节时间ts

动态性能指标：  1．延迟时间td：响应曲线第一次达到稳态值的一半所需的时间，叫延迟时间。  2．上升时间tr：响应曲线从稳态值的10%上升到90%所需的时间。对于有振荡的系

1 G 2 G 3 G 1 H 3 2 H H 

) ( s R ) ( s C

1 G

1 H

) ( s R

) ( s C

) ( 1 3 2 3 2 3 2 H H G G G G

  

 

) ( s R ) ( s C

1 3 2 1 3 2 3 2 3 2 1 ) ( 1 H G G G H H G G

G G G

  

1

G

1 H ) ( s R ) ( s C

) ( 1 3 2 3 2 3 2 1 H H G G G G G

  统，也可定义为响应从零第一次上升到稳态值所需的时间。  3. 峰值时间tp：响应曲线超过其稳态值达到第一个峰值所需要的时间。  4. 调节时间ts：指响应到达并保持在稳态值5%或2%内所需的时间。  5. 超调量：指响应的最大偏离量h(tp)与稳态值的差与稳态值的比，用百分号来表示，

即()()%100%()phthh  6．振荡次数: ：是指在调节时间ts内，h(t)波动的次数。 稳态性能指标：稳态误差

图3-4指数响应曲线1063.2%86.5

%

95

%

98.2

%

99.3%

T2T3T4T5T

0.632t

c(t)=1-ec

(t)

一阶系统单位阶跃相应曲线 二阶系统在不同值得瞬态相应曲线 二阶系统阶跃响应的性能指标： 1临界阻尼 ；1过阻尼；01欠阻尼

21()()%100%100%()phtheh





超调量%只是的函数，阻尼比越小超调量%越大

左图为：阻尼比与超调量%之间的关系 调节时间的计算： 3(0.05)4(0.02)SnSntt

 劳斯判据：系统特征方程式的根全部都再s左半平面的充分必要条件是劳斯表的第一列系数全部为正数。如果劳斯表第一列出现小于零的数值，系统就不稳定，且第一列各系数符号的改变次数，代表特征方程式的正实部根的数目。（P66）

掌握绘制系统根轨迹的基本法则 对于稳定的系统，闭环主导极点越远离虚轴，即闭环主导极点的实部绝对值越大，系统振荡越严重，从而系统超调量增大，振荡次数增多，引起系统的调整时间增加。 常见的开环零极点分布及相应的根轨迹图（P101） 作业4-4（P120）答案：

] 惯性环节的伯德图 Nyquist图绘制方法： ① 写出A(ω) 和(ω) 的表达式； ② 分别求出ω = 0和ω =+∞ 时的G(jω)； ③ 求Nyquist图与实轴的交点； ④ 如果有必要，可求Nyquist图与虚轴的交点，交点可利用G(jω)的实部Re[G(jω)]=0的关系式求出，也可利用∠G(jω) = n·90°(其中n为正整数)求出； ⑤ 必要时画出Nyquist图中间几点； ⑥ 勾画出大致曲线。 系统各频段的作用： 低频段：系统的稳定性能 中频段：系统的动态性能 高频段：系统的抗干扰能力 例题5-4（P139） 例题5-8（P152） 重要

串联超前校正和串联滞后校正方法的适用范围和特点： （1）超前校正是利用超前网络的相角超前特性对系统进行校正，而滞后校正则是利用滞后网络的幅值在高频衰减特性。 （2）用频率法进行超前校正，旨在提高开环对数幅频渐进线在截止频率处的斜率(-40dB/dec提高到-20dB/dec)，和相位裕度，并增大系统的频带宽度。频带的变宽意味着校正后的系统响应变快，调整时间缩短。 （3）对同一系统超前校正系统的频带宽度一般总大于滞后校正系统，因此，如果要求校正后的系统具有宽的频带和良好的瞬态响应，则采用超前校正。当噪声电平较高时，显然频带越宽的系统抗噪声干扰的能力也越差。对于这种情况，宜对系统采用滞后校正。 （4）超前校正需要增加一个附加的放大器，以补偿超前校正网络对系统增益的衰减。 （5）滞后校正虽然能改善系统的静态精度，但它促使系统的频带变窄，瞬态响应速度变慢。如果要求校正后的系统既有快速的瞬态响应，又有高的静态精度，则应采用滞后-超前校正。 工程最佳系统：二阶工程最佳系统、三阶工程最佳系统、四阶工程最阶系统。 采样定理： 若已知连续信号()et的最大角频谱为max，采样周期为T，则当采样周期满足maxT时，

采样信号()et才能较好地复现连续函数的()et形式。 离散系统的数学模型：差分方程、脉冲传递函数（差分方程通过Z变换得到脉冲传递函数）

非线性系统的分析方法：描述函数法、相平面法 自动控制系统 忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的简化运动方程式： memmddtL

dJTTdt

 生产机械的负载转矩特性：恒转矩负载，恒功率负载，风机、泵类负载 直流调速系统的可控直流电源： ①晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）； ②PWM变换器-电动机系统。 为了避免或减轻电流脉动的影响，需采用抑制电流脉动的措施，主要有： ①增加整流电路相数，或采用多重化技术； ②设置电感量足够大的平波电抗器。 V-M系统机械特性：

与V-M系统相比，直流PWM调速系统在很多方面有较大的优越性： ①主电路简单，需要的电力电子器件少； ②开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小； ③低速性能好，稳速精度高，调速范围宽； ④若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； ⑤电力电子开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高； ⑥直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 转速控制的要求和稳态调速性能指标：

1.调速范围：maxminnDn

2.静差率：0Nnsn 3.调速范围、静差率和额定速降之间的关系：(1)NNnsDns 例题2-2（重要） 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18Ω，电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。如果要求调速范围D=20，静差率s≤5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降ΔnN

最多能有多少？

解:当电流连续时，V-M系统的额定速降为

3050.18=275r/min0.2dNNeIRnC

开环系统在额定转速时的静差率为 2750.21621.6%1000275NNNNnsnn



如要求20D，5%s，即要求 10000.052.63/min(1)20(10.05)NNnsnrDs



图2-19 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图 图2-22 直流电动机动态结构框图的变换