1.5 对自动控制系统的基本要求

眼睛－测量装置（浮子）手－气动阀门头脑－控制器，比较、计算
例题1-2
有一发电机-电动机调速系统如图1-7所示。其工作原理是操纵者转动操纵电位计的手柄，可使电位计的输出电压Ur改变大小和方向。经前置放大器和直流发电机两极放大，使加在伺服电机上的端电压也随之改变大小和方向。从而使负载具有所要求的转速。试说明该系统的给定值、被控量和干扰量，并画出方块图。
• 快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。 • 准确性：用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。
1.5 对自动控制系统的基本要求
对自动控制系统性能的基本要求 • 可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。
稳
• 稳定性：
准
快
1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。
例题1-1
图1-6（a）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。图 1-6（b）是该控制系统的方框图。试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图。
3
气动阀门控制器（比较、放大）注入
Q1 H
浮子 Q2 流出
（I）
原理图
控制器希（ II）控制系统方块图
控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件 Q2为系统的干扰量气动阀门：执行机构被控对象：水箱
希望液位
脑肌肉、手阀门水箱
实际液位
眼睛（ III）相对应的人工操纵系统方块图

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自动控制原理讲义1-3章

第一章自动控制原理的基本概念主要内容：自动控制的基本知识开环控制与闭环控制自动控制系统的分类及组成自动控制理论的发展§1.1 引言控制观念生产和科学实践中，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。

同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的状态。

例如：卫星运行轨道，导弹飞行轨道，加热炉出口温度，电机转速等控制控制：为了满足预期要求所进行的操作或调整的过程。

控制任务可由人工控制和自动控制来完成。

§ 1.2 自动控制的基本知识1.2.1 自动控制问题的提出一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。

当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。

当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。

所谓控制就是强制性地改变某些物理量(如上例中的进水量)，而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。

人工控制的例子。

这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。

1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件1. 自动控制的定义自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(或过程)的某些物理量(或状态)自动地按预先给定的规律去运行。

当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。

这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。

2. 自动控制的基本职能元件自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。

画出以上人工控制与动控制的功能方框图进行对照。

比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：测量元件与变送器（代替眼睛）自动控制器（代替大脑）执行元件（代替肌肉、手）这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。

下图是典型控制系统方框图。

自动控制原理电子教案,胡寿松

实验成绩20分，平时成绩10分，期中考试成绩15分，阶段测验10 分，期末考试45分。
其中平时成绩：作业5分、课堂笔记2分、表现3分九、教案书写说明：
1、带有下划线的为板书内容； 2、思考题一部分是作业题，一部分是课堂讨论题； 3、多媒体教学中，部分内容没有列入教案； 4、课堂讨论主要以习题课为主。
2、解决难点：将典型信号分析与系统实例有机结合。
授课方法
通过系统实例分析，阐述自动控制系统的基本要求
（现代化）教学手段
多媒体课件与板书结合
作业思考题师生互动
P17 1.2 1.5 思考题：评价系统性能的三大要素是什么？ 1、对控制系统设计有哪些要求？ 2、静态指标主要指什么？
1． 3自动控制系统的分类
2、本课主要内容自动控制系统的基本概念、控制系统的数学模型建立、介绍线性系统的时域分析、根轨迹分析、频域分析三大分析设计方法，并介绍校正的相关概念与系统校正的设计方法。 3、如何学好该课程要学好这门课程主要把握几个环节：
1、知识的连续性，一环扣一环，及时消化理解； 2、要掌握好电路、电机拖动及模拟电子技术方面的知识； 3、加强作业练习，作好课堂笔记； 4、利用好答疑时间，发现问题及时解决； 5、加强实践环节，上好实验课。四、参考书 1、卢京潮编著，自动控制原理，西北工业大学出版社，2004年 9月 2、蒋大明等编著，自动控制原理，清华大学出版社，2003年3
《自动控制原理》课程教案
前言
1、重要性 1、自动控制原理是自动化专业主干课程，是最重要的专业基础
课，该课程涉及到电路、电机拖动、电子技术等方面的知识，为学好专业课打下良好的基础。 2、自动控制原理课不仅是高校控制类专业必修课程，而且越

自动控制原理课件：自动控制系统概述

本章思考题：
• 自动控制的实质是什么？ • 闭环控制的结构使得其具有哪些优缺点？ • 对自动控制系统的基本要求有哪些？
随动系统与自动调整系统线性系统与非线性系统连续系统和离散系统单输入单输出系统和多输入多数出系统
1.5 自动控制系统的基本要求稳定性稳态性能指标暂态性能指标
经典控制理论的主要分析方法:时域分析，频域分析
1.6 控制系统数字仿真实践的必要性
进行数字仿真实验在某种意义上比理论和试验对问题的认识可以更为细致，不仅可以了解问题的结果而且可以通过设定仿真条件等方式连续动态、重复地显示控制系统发展演化的中间过程，方便了解直观试验不易观测到的整体与局部细节过程。
自动控制系统概述
目录
CONTENTS
1.1 引言 1.2 开环控制和闭环控制 1.3 闭环自动控制系统的基本组成 1.4 自动控制系统的分类 1.5 自动控制系统的基本要求 1.6 控制系统数字仿真实践的必要性
1.1 引言
自动控制的基本概念
自动控制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
闭环控制的特点
控制器与被控对象之间既有信号的正向作用，又有信号的反馈作用。
优点：抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。
缺点：设计不合理时，将出现不稳定。在开控制器 2-控制对象 3-检测装置
1.3 闭环自动控制系统的基本组成
1.4 自动控制系统的分类
工艺过程进行合理的调节，使期望的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。
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。
1.2 开环控制和闭环控制
图1-1 电炉加热系统 1-控制器（调压器） 2-被控对象（电炉箱）

机电控制工程基础作业答案

机电控制工程基础第1次作业第1章一、简答1．什么是自动控制？是相对于人工控制而言的，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使生产过程或被控对象的某一物理量(输出量)准确地按照给定的规律(输入量)运行或变化。

2．控制系统的基本要求有哪些？控制系统的基本要求：稳定性、快速性和准确性(稳态精度)，即稳、快、准3．什么是自动控制系统？指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。

它一般由控制装置和被控制对象组成。

4．反馈控制系统是指什么反馈？反馈控制系统是负反馈5．什么是反馈？什么是正反馈？什么是负反馈？从系统(或元件)输出端取出信号，经过变换后加到系统(或元件)输入端，这就是反馈。

当它与输入信号符号相同，即反馈结果有利于加强输入信号的作用时叫正反馈。

反之，符号相反抵消输入信号作用时叫负反馈。

6．什么叫做反馈控制系统？从系统(或元件)输出端取出信号，经过变换后加到系统(或元件)输入端，这样的系统称为反馈控制系统7．控制系统按其结构可分为哪3类？开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统8．举例说明什么是随动系统。

如雷达自动跟踪系统，火炮自动瞄准系统，各种电信号笔记录仪等9．自动控制技术具有什么优点？⑴极大地提高了劳动生产率；⑵提高了产品的质量；⑶减轻了人们的劳动强度，使人们从繁重的劳动中解放出来，去从事更有效的劳动；⑷由于近代科学技术的发展，许多生产过程依靠人们的脑力和体力直接操作是难以实现的，还有许多生产过程因人的生理所限而不能由人工操作，如原子能生产，深水作业以及火箭或导弹的制导等等。

在这种情况下，自动控制更加显示出其巨大的作用。

10．对于一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加某一给定值时，输出量的暂态过程可能有几种情况？单调过程、衰减振荡过程、持续振荡过程、发散振荡过程二、判断1．自动控制中的基本的控制方式有开环控制、闭环控制和复合控制。

正确2．系统的动态性能指标主要有调节时间和超调量，稳态性能指标为稳态误差。

自动控制理论概述

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8.1 传感器的选用
• 8.1.2 传感器选择的一般步骤选择传感器总的原则是：在满足对传感器所有要求的情况
下，力求成本低、工作可靠且便于维修的原则，即性能价格比要高的原则。一般可按下列步骤进行： 1 ．借助于传感器分类表。即按被测量的性质，从典型应用中可以初步确定几种可供选用的传感器的类别。 2 ．借助于常用传感器比较表。即按测量的范围、测量精度及环境要求等进一步确定传感器的类别。 3 ．借助于传感器的产品目录。根据所选的传感器的类别，借助产品目录，选出传感器的规格、型号、性能和尺寸。
图1-3 直流电动机转速闭环控制方框图
闭环控制特点
循环控制，路径闭合
系统精度高，抗干扰能力强
结构复杂，元件和参数配置要求较高
第一章自动控制的基本概念
1.4 自动控制系统的分类
定值、随动和程序控制系统
定值控制系统系统给定值（参考输入）为恒定常数，这种控制系统称为定值控制
系统，这种系统可通过反馈控制使系统的被控参数（输出）保持恒定、希望的数值。
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8.1 传感器的选用
由于传感器精度的高低、性能的好坏直接影响到检测的结果，影响到自动检测系统的品质和整个系统的运行状态，因此，选择合适的传感器是一个很重要环节。
• 8.1.1 传感器的选择要求传感器的选择要求是全面的、严格的，是选用传感器的依
据。具体要求主要有以下几点： 1)技术指标要求。
如绝缘电阻、耐压等级及接地保护等。
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8.1 传感器的选用
5）可靠性要求如抗干扰、使用寿命、无故障工作时间等。
6）维修及管理要求如结构简单、模块化、有自诊断能力、有故障显示等。上述要求又可分为两大类：一类是共同的要求，如线性度

程鹏《自动控制原理》课件讲义1

• 19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。
• 20世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。
• 从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。
• 控制装置（续）
• 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：直接推动被控对象，使其被控量发
生变化；
• 校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。
输入量
反馈控制系统的基本组成图
当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响。
车辆转弯
齿轮系车身
方向
木人
指南车
原理
• 18世纪， James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。
• 1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。
• 1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。
• 19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。
1.2 自动控制系统示例
The Boeing 777 fly-by-wire aircraft
The F-18 aircraft, one of the first production military fighters to use “fly-by-wire”

自动控制原理PPT课件

1.1 控制技术的发展及应用
控制概念的引入：
要求汽车沿道路中心线行驶（控制汽车的位置） 1 ）预期：道路中心位置 2 ）汽车当前位置相对预期位置的差 3 ）操纵方向盘改变汽车位置使差减小
某一装置代替人
汽车自动驾驶系统
1.1 控制技术的发展及应用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
控制概念的引入
•温度调节装置（控制房间的温度）
1 ）预期：要求的室内温度
闭环控制
1.3 开环控制和闭环控制
闭环控制
输入误差
实际输出
控制器对象
闭环控制
传感器
特点：系统的输出是由偏差控制的，被控量经过反馈影响偏差，产生一个相应的控制作用去减小或消除偏差，使被控量与期望值趋与一致。
结果：控制结构复杂，成本高；
抗元件参数变化和外界干扰的能力强
闭环系统可能不稳定
1.3 开环控制和闭环控制
2 ）室内当前温度相对预期温度的差
温度
3 ）打开或关闭加热开关改变室内温度使差减小
温度测量，比较功能，自动打开、关闭加热开关的装置
温度自动控制系统
1.1 控制技术的发展及应用
自动控制的概念
自动控制是指在没有人的直接参与的情况下，利用自动控制装置（控制器）使工作对象（被控对象）自动地按照预先规定的规律运行，或使它的某些物理量（被控量）按预定的要求变化。
第一章基本要求及作业
1-1 什么是随动系统？
这类系统的参考量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控制量以尽可能小的误差跟随参考量的变化。
系统中：被控对象为指针，被控量为指针位移，输入电压为给定输入量。
给定电压电位器
放大器
电动机

《自动控制原理》课程教学大纲

《自动控制原理》教学大纲课程名称：《自动控制原理》课程编号：课程学时：60学时课程学分： 4开设年级：大二第二学期教研室：电气教研室负责人：xxx目录第一部分：说明 (1)第二部分：《自动控制原理》的基本内容 (1)第三部分：附录 (6)《自动控制原理》教学大纲第一部分说明本课程是自动化、轨道交通、电气工程及其自动化的专业基础课，是该专业学生必修的重要专业理论课程。

主要讲授：自动控制的基本概念，控制系统的数学模型，时域分析法，根轨迹法，线性系统的频率响应法，控制系统的校正，非线性系统，离散控制系统。

第二部分《自动控制原理》的基本内容第一章自动控制的基本概念【教学目标】了解基础知识。

【教学重难点】明确控制系统的任务、组成及自动控制的基本概念(被控对象，被控量，给定量，干扰量等)。

侧重讲述开环控制和闭环控制的基本原理和特点，闭环（反馈）控制是本章的重要概念。

通过示例，建立起系统的基本概念，初步掌握由系统工作原理图画出系统方块图的方法。

正确理解对控制系统稳、准、快的要求。

【教学方法】课堂讲授【教学时数】4课时【教学内容】1．1 引言1．2 自动控制的基本知识1．3 自动控制系统的基本控制方式1．4 自动控制系统的分类及基本组成1．5 对控制系统的要求和分析设计1．6自动控制理论的发展概况【考核目标】每章布置作业，作业量1-2小时，主要针对通过示例，建立起系统的基本概念，初步掌握由系统工作原理图画出系统方块图的方法。

第二章控制系统的数学模型【教学目标】熟练掌握传递函数的概念、定义、性质及局限性。

【教学重难点】熟练掌握用拉氏变换方法求解线性常微分方程的方法；熟练掌握利用结构图等效变换和梅逊公式求系统传递函数的方法。

【教学方法】课堂讲授+实验【教学时数】8课时【教学内容】2．1 引言2．2 系统微分方程的建立2．3 非线性数学模型线性化2．4 线性系统的传递函数2．6 典型环节及其传递函数2．7 系统的结构图2．8 信号流图及梅逊公式【考核目标】每章布置作业，作业量2-4小时，主要针对结构图的等效变换、梅逊公式。

第1章自动控制系统简介

微积分（含微分方程）
课程学习要面临

数学基础宽而深控制原理抽象计算复杂且繁琐绘图困难
ax bx c d
2
计算机数学语言 MATLAB 数值解/解析解（数学运算）
控制理论的内容
二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论控制论：
经典控制理论现代控制理论（智能控制理论）
1.1.2 自动控制系统举例
一个自动运行的系统，就是指它的运行不需要人为的干预。

令人的体温保持在37℃的自动温控系统心跳控制系统眼球聚焦系统温控系统汽车自动导航控制系统电梯调度系统自动发送电梯搭载乘客
空调—自动调节房间温度：
以取暖为例，空调通过温度传感器检测房间的温度高低，空调控制器将检测的温度与设定值进行比较，若温度低于设定值的下限，则使压缩机运行，温度上升，温度上升到设定值的上限时则停止运行。空调运行基于反馈信息（温度测量值），属于 “反馈控制”，最为常见。
• 由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。
自动控制理论的开端
• 1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出： • 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定。 • 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。
1.2.3 闭环控制系统（核心）

把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制，称为闭环控制系统。
前/正向通道
反/负向通道
闭环控制系统的优缺点

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