石群自动控制原理(第1章)

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自动控制原理第一章课件

自动控制ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ论已经成为现代工程技术人员和科学工作者不可缺少的重要理论基础之一。自动控制原理》从《自动控制原理》课程的内容上看侧重于方法论，于方法论，本课程的教学目的是使学生能学好当前和近期我国工业部门所需的自动化理论和技术，论和技术，使学生深刻理解线性控制理论的数学原理和方法，掌握自动控制的基本理论、数学原理和方法，掌握自动控制的基本理论、基本计算方法，基本计算方法，为自动控制系统的分析与设计打下一定的基础。计打下一定的基础。
3.程序控制系统 3.程序控制系统输入量按照给定的程序变化。输入量按照给定的程序变化。任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作。任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作。二、按使用的数学方法分类 1.线性系统 1.线性系统 2.非线性系统 2.非线性系统 3.连续控制系统 3.连续控制系统 4.离散控制系统 4.离散控制系统
1-3
闭环控制系统的基本组成
1-4
对控制系统的基本要求
一、对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求可以归纳为三个字：对控制系统的基本要求可以归纳为三个字：稳、快、准。
二、典型外作用典型外作用的函数应具备以下条件：典型外作用的函数应具备以下条件：这些函数在现场或实验室中容易得到； ①这些函数在现场或实验室中容易得到； ②控制系统在这些函数作用下的性能应代表在实际工作条件下的性能；作条件下的性能； ③这些函数数学表达式简单，便于理论分析与计算。这些函数数学表达式简单，便于理论分析与计算。 1.阶跃函数 1.阶跃函数数学表达式为：数学表达式为：
1.按输入作用补偿 1.按输入作用补偿按输入作用补偿的补偿装置可提供一个输入信号的微分作用，的微分作用，并作为顺馈控制信号与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。 2.按扰动作用补偿 2.按扰动作用补偿按扰动作用补偿的补偿装置能够在可测量的扰动对系统产生不利影响之前，提供一个控制作用，对系统产生不利影响之前，提供一个控制作用，以抵消扰动对系统输出的影响。消扰动对系统输出的影响。

石群自动控制原理

石群自动控制原理石群自动控制原理是一种基于石群行为特性和自动控制理论的研究方法，通过对石群行为规律的分析和建模，利用自动控制理论中的控制算法和方法，实现对石群行为的有效控制和调节。

石群自动控制原理在人工智能、智能机器人、智能交通等领域具有重要的理论和应用价值。

石群自动控制原理的研究对象是一群具有自主移动能力的石块，这些石块之间通过一定的规则和方式进行交互和协作，形成一种具有集体智能的石群行为。

石群自动控制原理的研究目的是通过对石群行为规律的深入分析，揭示其中的规律和特性，为实现对石群行为的控制和调节提供理论支持和技术手段。

石群自动控制原理的核心思想是将石群视为一个动态系统，通过对石群行为规律的建模和分析，发现其中的规律和特性，并设计相应的控制算法和方法，实现对石群行为的控制和调节。

石群自动控制原理的研究内容包括石群行为规律的分析与建模、石群控制算法与方法的设计与实现、石群自动控制系统的构建与优化等方面。

石群自动控制原理的研究方法主要包括以下几个步骤，首先，对石群行为进行观测和数据采集，获取石群行为的原始数据；其次，对石群行为数据进行分析和建模，揭示其中的规律和特性；然后，设计相应的控制算法和方法，实现对石群行为的控制和调节；最后，构建石群自动控制系统，并进行实验验证和性能优化。

石群自动控制原理的研究成果将在人工智能、智能机器人、智能交通等领域得到广泛应用。

在人工智能领域，石群自动控制原理可以应用于智能算法的设计与优化，提高人工智能系统的性能和稳定性；在智能机器人领域，石群自动控制原理可以应用于多机器人协作控制，实现多机器人之间的协同作业和协作控制；在智能交通领域，石群自动控制原理可以应用于交通流的优化调度，提高交通系统的效率和安全性。

总之，石群自动控制原理是一种基于石群行为特性和自动控制理论的研究方法，具有重要的理论和应用价值。

通过对石群行为规律的分析和建模，利用自动控制理论中的控制算法和方法，可以实现对石群行为的有效控制和调节，为人工智能、智能机器人、智能交通等领域的发展提供重要的理论支持和技术手段。

自动控制原理石群

自动控制原理石群自动控制原理是一种控制系统的基础理论，它研究如何通过设备和技术手段来实现对特定系统的自动控制。

自动控制原理广泛应用于各个领域，如工业制造、交通运输、航空航天、农业等。

下面我将从控制系统的基本组成、反馈原理、控制器和稳定性等方面来详细讨论自动控制原理。

一、控制系统的基本组成一个典型的自动控制系统通常由以下组成部分构成：被控对象（也称为过程）、传感器、比较器、执行器、控制器和反馈回路。

被控对象是需要被控制的系统，可以是一个物理过程或者是一个机电设备。

传感器用于感知被控对象的状态，将被感知数据转化为电信号传送给比较器。

比较器接收传感器传来的信号与设定值进行比较，并计算出偏差量。

控制器接收偏差量，经过运算处理，输出控制信号给执行器。

执行器接收控制信号，并根据控制信号来调节被控对象的状态。

反馈回路将执行器对被控对象的调节结果反馈给传感器，形成一个闭环控制系统。

二、反馈原理自动控制系统中的反馈原理是实现控制的基础。

反馈是指将系统的输出信号与设定值进行比较，并按照误差大小来控制系统的行为。

通过不断地对输出进行测量和比较，可以对系统进行实时调整，使系统输出与设定值尽量一致。

反馈分为正反馈和负反馈两种类型。

正反馈会使系统产生波动和不稳定，不利于控制；负反馈则可以实现系统的稳定和精确控制。

在自动控制系统中，采用负反馈原理可以使系统的输出更加精确地接近设定值。

三、控制器控制器是自动控制系统的核心部件，它负责对被控对象进行控制。

控制器的作用是根据输入信号和反馈信号进行运算处理，并产生相应的控制信号。

常见的控制器有比例控制器、积分控制器和微分控制器等。

比例控制器根据偏差信号的大小来确定控制信号的幅度；积分控制器通过对偏差信号的积分来实现控制信号的调节；微分控制器根据偏差信号的变化率来调整控制信号的变化速率。

四、稳定性自动控制系统的稳定性是指在受到干扰或初始条件改变的情况下，系统能够保持稳定的状态。

稳定性是判断控制系统是否能够正常工作的重要指标之一。

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

自动控制原理第一章

2003.6
为克服上述的缺点，可在原系统中增加一些设备而组成较完善的自动控制系统，如图1－3所示。这里，浮子仍是测量元件，连杆起着比较作用，它将期望水位与实际水位两者进行比较，得出误差，并以运动的形式推动电位器的滑块作上下移动。电位器输出电压的高低和极性充分反映出误差的性质（大小和方向）。电位器输出的微弱电压经放大器放大后用以控制直流伺服电动机，其转轴经减速器降速后拖动进水阀门，作为施予系统的控制作用.
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二、自动控制系统中常用的名词术语
系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式连结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。输入信号：指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。输出信号：指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定函数关系。反馈信号：由系统输出端取出并反向送回系统输入端的信号。有主反馈和局部反馈之分。
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图1－1所示是人工控制水位保持恒定的供水系统。水池中的水源源不断地经出水管道流出，以供用户使用。随着用水量的增多，水池中的水位必然下降。这时，若要保持水位高度不变，就得开大进水阀门，增加进水量以作补充。在本例中，进水阀门的开启程度（简称开度）并非不是一成不变度，而是根据实际水位的多少（它发应出用水量的大小）进行操作的。
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二、开环控制系统控制系统从信号传送的特点或系统的结构形式来看，可分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。图1－4所示的他激直流电动机转速控制系统就是一种开控制系统。它的任务是控制直流电动机以恒定的转速带动负载工作。系统的工作原理是：调节电位器Rw的滑块，使其给定某个参考电压ur。该电压经电压放大和功率放大后成为ua，再送往电动机的电枢，作为控制电动机转速之用。由于他激直流电动机的转速n与电枢电压ua成正比（对同一负载而言），因此，当负载转矩Mc不变时，只要改变给定电压ur，便可得到不同的电动机转速n。换言之， ur与n具有一一对应的函数关系。

《自动控制原理》第一章-自动控制原理精选全文完整版

● 放大环节：由于经过计算机处理的信号通常是标准化的弱信号，不能驱动被控对象，因此需要加以放大。放大环节的输出必须有足够的能量，一般需要幅值的放大和功率的放大，才能实现驱动能力。
● 执行环节：其作用是产生控制量，直接推动被控对象的控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。
常用的名词术语
1.稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、发散振荡或单调增长运动。
2.动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为阶跃响应。
时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。
即若系统的输入为 r(t) 时，对应的输出为 y(t)，则
当输入量为 Kr(t)时，输出量为 Ky(t) 。
（2）非线性系统
● 特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 ● 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、
间隙特性等。
图1-5 典型的非线性特性
对被控对象的控制作用，实现控制任务。
图1-3 闭环控制系统原理框图
Hale Waihona Puke (3)复合控制系统工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信号进行补偿，以达到精确的控制效果。
图1-4 复合控制系统原理框图
2.按系统输入信号分类
（1）恒值控制系统系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。
举例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制系统。

自动控制原理各章知识精选全文完整版

⑴ 偏差、误差的概念
(s), (t) E(s), e(t) cdesired (t) c(t)
E(s) 1 (s)
H
G (s)
1
H
H
⑵ e(t) ets (t) ess (t)
暂态稳态
单位负反馈系统开环传函
r(t)
1 2
t2
时稳态误差
Ts 1 E(s) Ts 1 s3
e(t)
T
2. 运动方程式
确定输入量、输出量列写各元件运动方程消除中间变量化为标准形式
RL
u1
C u2
Fi
K
m
f
y
L
C
u1
u2
R
R1
u1
C
R2 u2
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
u1
m
d2y dt 2
f
dy dt
Ky
Fi
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
RC
du1 dt
tg1 1 2 cos1
p e 1 2 100 %
d. c(t) c() c() t ts
2%或5%
4 ts n
2%
3 ts n
5%
d. N : 振荡次数
N ts Td
Td
2 d
d n 1 2
tr , t p 评价响应速度
p , N 评价阻尼程度
ts
以分析，并将分析结果应用于工程系统的综合和自然界系统的改善。自动控制
毋需人直接参与，而是被控制量自动的按预定规律变化的控制过程。
4. 开环控制、闭环控制、反馈控制原理

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1-4 对自动控制系统的基本要求稳定性由系统结构决定。由系统结构决定。快速性动态（暂态）特性。动态（暂态）特性。准确性静态（稳态）特性。静态（稳态）特性。
典型外作用（信号）典型外作用（信号）
（1）阶跃信号）（2）斜坡信号）（3）脉冲信号）（4）正弦信号）
回顾：回顾：
r：输入采样序列。：输入采样序列。 c：输出采样序列：总结：（）、（）线性系统具有齐次性、叠加性。：（1）、（）、（2）线性系统具有齐次性、叠加性。具有齐次性（3）非线性控制系统（系数与变量有关））非线性控制系统（系数与变量有关）
d 2 y (t ) dy (t ) + y (t ) + y 2 (t ) = r (t ) dt 2 dt
线性时变系统
c(t ) = r (t ) cos ωt + 5
非线性时变系统
t dr (t ) + 5∫ r (τ )dτ c(t ) = 3r (t ) + 6 −∞ dt
线性定常系统
c(t ) = r (t )
2
非线性定常系统
0 c(t ) = r (t )
t<6 t≥6
第一章
自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理基本原理与方式 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的分析与设计工具自动控制系统的分析与设计分析与设计工具
1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理基本原理与方式无人直接参与机器、机器、设备或生产过程的工作状态或参数自动实现某种规律运行
线性延迟系统
• 反馈控制又称为闭环控制反馈控制又称为闭环控制又称为
• 测量元件 • 给定元件 • 比较元件
• 放大元件 • 执行元件 • 校正元件
基本控制方式
反馈控制系统（闭环控制系统）开环控制系统（按给定控制、按扰动控制）复合控制系统
常用术语
• 控制系统（Control system）控制系统（） • 参考输入、给定输入、希望输入（Desired 参考输入、给定输入、希望输入（ Input）） • 偏差信号（Error signal）偏差信号（） • 控制器（Controller）控制器（） • 控制量，也称操作量（Control signal）控制量，） • 控制对象（Control plant）控制对象（） • 扰动（Interaction）扰动（） • 系统输出，也称被控量（System output）系统输出，也称被控量（）
经典控制：单输入、经典控制：单输入、单输出现代控制：多输入、现代控制：多输入、多输出
反馈（控制思想的精髓，知己知彼）反馈（控制思想的精髓，知己知彼）
数控车床按照规定程序自动地切削工数控车床按照规定程序自动地切削工自动地切削件；化学反应炉自动地维持温度或压力的化学反应炉自动地维持温度或压力的恒定；恒定；导弹发射和制导系统制导系统自动地把导弹引导弹发射和制导系统自动地把导弹引向敌方目标；向敌方目标；人造地球卫星准确地进入预定轨道并人造地球卫星准确地进入预定轨道并回收 ……
（1）阶跃响应）（2）冲激响应）（3）正弦响应）（4）八一拆分）
1-5 自动控制系统的分析与设计工具 Matlab 草稿纸式编程语言良好的人机界面结论可做一定等级的理论论据 Simulink工具箱工具箱
第一章作业
1.思考题（1-1）讨论液位自动控制系统原理图，方框图 2.判断系统类型（1-10）
d 2 r (t ) c(t ) = 5 + r 2 (t ) + t dt 2
d 3c(t ) d 2 c(t ) dc(t ) +3 +6 + 8c(t ) = r (t ) 3 2 dt dt dt
非线性时变系统
线性定常系统
dc(t ) dr (t ) t + c(t ) = r (t ) + 3 dt dt
复合控制系统偏差扰动
1-2 自动控制系统示例
函数记录仪原理图
函数记录仪方框图
飞机自动驾驶仪系统原理图
反馈电位器
给定电位器
飞机自动驾驶仪系统方框图 θ0
给定装置
舵
飞机
放大器
机
θc
器
电阻炉温度微机控制系统
锅炉液位控制系统原理图
锅炉液位控制系统方框图
1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类
线性定常连续系统包括：线性定常连续系统包括：恒值控制系统恒值控制系统随动系统，随动系统，包括伺服系统程序控制系统
（2）线性定常离散控制系统（m≤n））线性定常离散控制系统（）
a 0 c(k + n) + a1 c(k + n − 1) + L + a n −1 c(k + 1) + a n c(k ) =b 0 r (k + m) +b1 r (k + m − 1) + L +b m−1 r (k + 1) +b m r (k )
1.思考题原理图、方框图（1-1）思考题原理图、方框图（）
控制器
Q1
浮子电位器
减速器 c
用水开关 SM
电动机
Q2
if
液位自动控制系统
Q2
给定液位
浮子杠杆电位器伺服电动机与减速器阀门
Q1
水箱
实际液位
2.判断系统类型（1-10）r入、c出判断系统类型（判断系统类型）入出