自动控制原理-第一章 控制系统导论(1)

2、自动控制理论
经典控制理论
现代控制理论
研究对象 单输入、单输出系统 （SISO）
数学模型 传递函数
多输入、多输出系统 （MIMO）
状态方程
研究手段 频域法、根轨迹法 状态空间方法
研究目的 系统综合、校正
最优控制、系统辨
识、最佳估计、自 适应控制
3、反馈控制原理
(1)反馈控制原理——按偏差控制的原理 利用被控量与输入量之间的偏差进行控制，从而实
(2)反馈控制实例 2)龙门刨床速度反馈控制系统
(2)反馈控制实例 2)龙门刨床速度反馈控制系统
4 反馈控制系统的基本组成
(1)基本组成结构方块图
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(2)基本元部件及其功能 1）给定元件: 设定被控量的给定值； 2）测量元件: 对系统被控量(输出置)进行测量； 3）比较元件: 对系统输出量与输入量进行代数运 算并给出偏差信号，起综合、比较变换作用。 4）放大元件: 对微弱的偏差信号进行放大，使其 有足够的幅但与功率。 5）执行元件: 根据放大后的偏差信号，对被控对 象执行控制任务，使输出量与希望值一致。
1、特点：输出量不会对系统的控制作用产生影响。
2、优点：结构简单，成本相对较低，容易控制。
3、缺点：没有自动修正偏差的能力，抗干扰能力 差，控制精度不高。
4、适用场合：一般适合于干扰影响小、控制精 度要求不高的场合。
2、闭环控制(反馈控制)
控制系统的输入端与输出端既有顺向作用又有反向 联系的控制方式称为闭环控制。
（3）自动控制系统(automatic control system)
指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它 由被控对象和控制装置组成。
（4）被控量(controlled variable)
表征被控对象运行情况且需要控制的物理量。被控量又 称输出量、输出信号。
（5）给定值(set value)
6）被控对象: 指自动控制系统需要进行控制的机器、 设备或生产过程。被控对象要求实现自动控制的物理
量称为被控量或输出量。
7）校正元件: 用以改善系统性能
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（8）执行元件
直接作用于被控对象，使其被控量发生变化的 元件称为执行元件（阀门） 。
4 反馈控制系统的基本组成 开环控制 闭环控制 复合控制
（7）反馈控制系统(feedback control system)
通过测量、比较而得到偏差，由偏差产控制作用而使 偏差消除或减少，使被控量趋近于要求值 。又称为反馈 控制系统。
（8）自动控制理论(automatic control theory)
研究自动控制系统共同规律的一门科学。
解决的基本问题： • 建立系统的数学模型（建模） • 分析控制系统的性能（分析） • 控制系统的综合与校正——控制器设计（综合）
3、缺点： （1）结构复杂，成本高。 （2）存在稳定性问题，如果系统设计不合理或参数选择不 合适，系统可能产生振荡，严重时不能正常工作。
4、适用场合：适合于干扰不可预测、控制精度要求高的 场合。
3、开环控制和闭环控制的比较
1、与开环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点是 检测偏差、纠正偏差 ； 2、从系统结构上看，闭环系统具有反馈通道；
作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。 给定值又称输入信号、参考输入。
（6）偏差(error)
参考输入信号与反馈信号之差称为偏差信号（e= r - y）。
（6）干扰量(disturbance)
除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干扰。 干扰又称扰动。干扰是一种对系统的输出产生不利影响的信号。 如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则 称为外扰。外扰是系统的输入量。
+
u0
+
uc
功率 放大
+
ua
+
n
SM 负载
R
i
电压
ub
+ 放大
按扰动控制的速度控制系统
给定 不变
电位器
电压 放大器
检测 电阻
负载 变化
+ +
功率 放大器
转速 电动机
把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生 的影响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端 传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。 有时我们称按扰动控制为顺馈控制。
指在没有人直接参与的情况下,利用控制器(控制装置), 使被控对象(或过程)的被控量(物理量或状态)自动地按照预 定的规律运行。
（2）被控对象(controlled object)
被控对象是指被控制的具体的机器设备、生产过程，是 系统的主体。例如火箭、锅炉、机器人、电冰箱等。控制装 置(控制器)指对被控对象起控制作用的设备总体，有测量变 换部件、放大部件和执行装置。
1、开环控制
控制系统的输入端与输出端只有顺向作用而没有反 向联系的控制方式称为开环控制。
开环控制系统方框图
a.按给定量控制的开环控制
+
ug
+
u 功
放
a
-
-
激 磁
n
M
负载扰动

ug
ua
n
电位器
功放
电动机
b.按干扰补偿的开环控制（又称顺馈控制）
计算
测量
执行
干扰
被控量 受控对象
*干扰→被控量 （单向、无反馈） *特点：抗扰动性好，控制精度较高。 *应用：只适合扰动量可测量的场合
自动控制原理
Automatic Control Theory
南华大学电气工程学院
目录
第一章 控制系统导论 1、自动控制系统的基本原理 2 、自动控制系统示例 3 、自动控制系统的分类 4 、自动控制系统的基本要求 5 、自动控制系统的分析与设计工具
1-1自动控制的基本原理
1、自动控制技术及其应用 1)自动控制基本术语 （1）自动控制(automatic control)
现对被控对象进行控制的任务。
反馈——把取出输出量送回到输入端，并与输入信 号相比较产生偏差信号的过程。
正反馈——反馈的信号是与输入信号相加，使产生 的偏差信号越来越大。
负反馈——反馈的信号是与输入信号相减，使产生 的偏差信号越来越小。
反馈控制——采用负反馈并利用偏差进行控制的过 程。
(2)反馈控制实例 1)人取书反馈控制系统
输入量
-
控制作用
输出量
控制装置
被控对象
测量装置
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+
+
u u g+ 电压 e 功
u - 放大器
放a
-
n
M
- uf
+
-
测速发电机
负载扰动
ug
u u e 电压 e 功放 a 电动机 n
- 放大器
uf
测速机
1、特点：输出量对系统的控制作用产生影响。
2、优点：具有自动修正偏差的能力，抗干扰能力强，控制 精度高。