自动控制原理电子教案1第1页为适应我国对高等学校自动化专业人才培为适应我国对高等学校自动化专业人才培养需要，充分、合理利用先进教育教学技养需要，充分、合理利用先进教育教学技术，我们依据东北大学自动化专业教学纲术，我们依据东北大学自动化专业教学纲领制作了本电子教案。领制作了本电子教案。因为时间和水平有限，这里只提供了满足因为时间和水平有限，这里只提供了满足课堂教学要求基本信息。课堂教学要求基本信息。希望本教案能够为使用相关教材教师提供希望本教案能够为使用相关教材教师提供方便，并欢迎提出批评和意见。方便，并欢迎提出批评和意见。2第2页自动控制原理东北大学王建辉 顾树生 主编杨自厚 主审清华大学出版社全国高等学校自动化专业系列教材普通高等教育“十一五”国家级规划教材国家精品课程教材3第3页第1章 自动控制系统基本概念自动控制原理4第4页第第1章章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念主要内容主要内容开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统闭环控制系统组成和基本步骤闭环控制系统组成和基本步骤自动控制系统类型自动控制系统类型自动控制系统性能指标自动控制系统性能指标小结小结5第5页第第1章章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念学习重点学习重点v了解自动控制系统基本结构和特点及其工作了解自动控制系统基本结构和特点及其工作原理原理 v了解闭环控制系统组成和基本步骤了解闭环控制系统组成和基本步骤 v掌握反馈控制系统基本要求及反馈控制系统掌握反馈控制系统基本要求及反馈控制系统作用作用v学会分析自动控制系统类型及本质特征学会分析自动控制系统类型及本质特征6第6页第第1章章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念 课程性质和特点课程性质和特点 自动控制是一门技术学科，从方法论角度自动控制是一门技术学科，从方法论角度来研究系统建立、分析与设计问题。来研究系统建立、分析与设计问题。自动控制原理是本学科技术基础课。自动控制原理是本学科技术基础课。7第7页第第1章章 自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念本课程与其它课程关系本课程与其它课程关系自动控制原理自动控制原理电路理论电路理论电机与拖动电机与拖动大学物理大学物理信号与系统信号与系统复变函数复变函数拉氏变换拉氏变换模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数微积分微积分各各 类类专业课专业课线性系统线性系统当代控当代控制理论制理论8第8页1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统自动控制自动控制自动控制是在没有些人直接干预下，利用物自动控制是在没有些人直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理控制，使理装置对生产设备和工艺过程进行合理控制，使被控制物理量保持恒定，或者按照一定规律改变，被控制物理量保持恒定，或者按照一定规律改变，比如矿井提升机速度控制、轧钢厂加热炉温度控比如矿井提升机速度控制、轧钢厂加热炉温度控制等等。制等等。自动控制系统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自动控制系统是为实现某一控制目标所需要全部物理部件有机组合体。全部物理部件有机组合体。9第9页1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统1.1.开环控制系统开环控制系统例1-1 温度控制系统 性能指标性能指标 工作过程工作过程10第10页1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统12扰动量扰动量给定量给定量输出量输出量 1-执行器执行器(自耦变压器自耦变压器)2-被控对象被控对象(电阻炉电阻炉)图中：图中：11第11页1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统（1 1）开环控制）开环控制 只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参加对系统控制。（2 2）开环控制特点）开环控制特点输入量与输出量一一对应输出量不参加控制没有抗干扰能力12第12页1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统2.2.闭环控制系统闭环控制系统例1-2 温度闭环控制系统（1 1）人工闭环控制220V12uc13第13页1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统（2 2）自动闭环控制）自动闭环控制闭环控制系统图 1-热电偶 2-加热器14第14页1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统给定量给定量 闭环控制结构图 1-控制器 2-控制对象 3-检测装置15第15页1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统 闭环控制闭环控制把输出量一部分检测出来,反馈到输入端,与给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使输出量按照要求规律改变。反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为正反馈。闭环闭环控制特点控制特点输入量与输出量一一对应输出量参加控制含有抗干扰能力16第16页1.2 闭环控制系统组成和基本步骤闭环控制系统组成和基本步骤1.1.闭环控制系统结构图闭环控制系统结构图 1-给定步骤；给定步骤；2-比较步骤；比较步骤；3-校正步骤；校正步骤；4-放大步骤；放大步骤；5-执行机构；执行机构；6-被控对象；被控对象；7-检测装置检测装置17第17页1.2 闭环控制系统组成和基本步骤闭环控制系统组成和基本步骤2.2.闭环控制系统基本步骤闭环控制系统基本步骤（1 1）控制对象或调整对象 要进行控制设备或过程。（2 2）执行机构 普通由传动装置和调整机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量到达所要求数值。（3 3）检测装置或传感器 该装置用来检测被控制量，并将其转换为与给定量相同物理量。18第18页1.2 闭环控制系统组成和基本步骤闭环控制系统组成和基本步骤（4）给定步骤设定被控制量给定值装置。（5）比较步骤将所检测被控制量与给定量进行比较，确定二者之间偏差量。（6）中间步骤普通包含比较步骤和校正步骤。19第19页1.2 闭环控制系统组成和基本步骤闭环控制系统组成和基本步骤 (1)被控对象 (2)被控量或输出量 (3)控制量 (4)设定量或输入量 (5)扰动量 (6)反馈量 (7)偏差量3.3.闭环控制系统中基本术语闭环控制系统中基本术语 (8)前向通道或正向通道 (9)反馈通道或反向通道 (10)理想输出 (11)实际输出20第20页1.3 自动控制系统类型自动控制系统类型1.线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统 按照主要元件输入输出特征划分按照主要元件输入输出特征划分1 1）线性系统）线性系统由线性元件组成系统，其微分方程中输出量及其各阶导数都是一次，而且各系数与输入量（自变量）无关。2 2）非线性系统）非线性系统存在非线性元件系统，其微分方程式系数与自变量相关。21第21页1.3 自动控制系统类型自动控制系统类型2.连续系统与离散系统连续系统与离散系统 按照信号传递方式划分按照信号传递方式划分1 1）连续系统）连续系统系统各部分信号都是连续模拟量。2 2）离散系统）离散系统系统一处或几处，信号是以脉冲序列或数码形式传递。22第22页1.3 自动控制系统类型自动控制系统类型3.恒值系统、随动系统和程序控制系统恒值系统、随动系统和程序控制系统 按照输入量改变规律划分按照输入量改变规律划分1 1）恒值系统）恒值系统给定量是恒定不变。2 2）程序控制系统）程序控制系统 给定量是按照一定时间函数改变。3 3）随动系统）随动系统 给定量按照事先未知时间函数改变。23第23页1.4 自动控制系统性能指标自动控制系统性能指标 稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）系统过渡过程产生原因系统过渡过程产生原因：系统中储能元件能量系统中储能元件能量不可能突变。不可能突变。“稳稳”与与“快快”描述系统动态（过渡过程）品质。描述系统动态（过渡过程）品质。“准准”描述系统稳态（静态）品质。描述系统稳态（静态）品质。对自动控制系统基本要求对自动控制系统基本要求24第24页1.4 自动控制系统性能指标自动控制系统性能指标 稳定性稳定性 是确保控制系统正常工作先决条件。是确保控制系统正常工作先决条件。线性控制系统稳定性由系统本身结构与参线性控制系统稳定性由系统本身结构与参 数决定，与外部条件和初始状态无关。数决定，与外部条件和初始状态无关。1.稳定性稳定性25第25页1.4 自动控制系统性能指标自动控制系统性能指标2.稳态性能指标稳态性能指标稳态误差稳态误差 当系统从一个稳态过渡到新稳态，或系统受扰当系统从一个稳态过渡到新稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为偏差称为稳态误差稳态误差。系统稳态误差大小反应了系统稳态系统稳态误差大小反应了系统稳态精度精度，它表，它表明了系统控制准确程度。稳态误差越小，则系统稳明了系统控制准确程度。稳态误差越小，则系统稳态精度越高态精度越高。26第26页1.4 自动控制系统性能指标自动控制系统性能指标有差系统（有差系统（图图a a）若稳态误差不为零，则系统称为若稳态误差不为零，则系统称为有差系统有差系统。无差系统无差系统（图（图b b）若稳态误差为零，则系统称为若稳态误差为零，则系统称为无差系统无差系统。(a a)(b b)27第27页1.4 自动控制系统性能指标自动控制系统性能指标3.暂态性能指标暂态性能指标28第28页（1 1）最大超调量）最大超调量输出最大值与输出稳态值相对误差。输出最大值与输出稳态值相对误差。反应了系统反应了系统平稳性平稳性。最大超调量越小，则说。最大超调量越小，则说明系统过渡过程越平稳。明系统过渡过程越平稳。（2 2）上升时间）上升时间 指系统输出量第一次抵达输出稳态值所对应时指系统输出量第一次抵达输出稳态值所对应时刻。刻。1.4 自动控制系统性能指标自动控制系统性能指标29第29页（3 3）过渡过程时间（调整时间）过渡过程时间（调整时间）系统输出量进入并一直保持在稳态输出值附系统输出量进入并一直保持在稳态输出值附近允许误差带内所需时间。允许误差带宽度近允许误差带内所需时间。允许误差带宽度普通取稳态输出值普通取稳态输出值2%2%或或5%5%。调整时间长短反应了系统调整时间长短反应了系统快速性快速性。调整时间。调整时间越小，系统快速性越好。越小，系统快速性越好。（4 4）振荡次数）振荡次数在调整时间内，输出量在稳态值附近上下波在调整时间内，输出量在稳态值附近上下波动次数。动次数。它也反应系统它也反应系统平稳性平稳性。振荡次数越少，说明。振荡次数越少，说明系统平稳性越好。系统平稳性越好。1.4 自动控制系统性能指标自动控制系统性能指标30第30页小小 结结1.1.开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动赔偿扰动对输出量影响。当系统扰动量产生动赔偿扰动对输出量影响。当系统扰动量产生偏差能够预先进行赔偿或影响不大时，采取开偏差能够预先进行赔偿或影响不大时，采取开环控制是有利。当扰动量无法预计或控制系统环控制是有利。当扰动量无法预计或控制系统精度达不到预期要求时，则应采取闭环控制。精度达不到预期要求时，则应采取闭环控制。2.2.闭环控制系统含有反馈步骤，它能依靠反馈步闭环控制系统含有反馈步骤，它能依靠反馈步骤进行自动调整，以克服扰动对系统影响。闭骤进行自动调整，以克服扰动对系统影响。闭环控制极大地提升了系统精度。不过闭环使系环控制极大地提升了系统精度。不过闭环使系统稳定性变差，需要重视并加以处理。统稳定性变差，需要重视并加以处理。31第31页3.3.自动控制系统通常由给定步骤、检测步骤、自动控制系统通常由给定步骤、检测步骤、比较步骤、放大元件、被控对象、和反馈步比较步骤、放大元件、被控对象、和反馈步骤等部件组成。系统作用量和被控量有：给骤等部件组成。系统作用量和被控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。量。4.4.结构图（又简称框图）可直观地表示系统