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1、自动控制原理,彭司华,浙江大学 热工与动力系统研究所,第1章 序论,1.1自动控制系统 飞球调节器的发明进一步推 动了蒸汽机的应用，促进了 工业生产的发展。,例1.1 热力系统 如图1.2所示为一个热力系统。通 过调节蒸汽阀门，使流出的热水 保持一定的温度。如果由手工控 制，就要求控制者观测温度计的 指示值，调节阀门开关的开度。 调节方法为：如果温度计的指 示值高于期望值，则关小阀门， 降低热水温度；否则，开大阀门， 升高热水温度，从而使流出的热 水保持设定的温度。,例1.2 直流电动机速度控制系统 如图1.3所示直流电动机速度控制系统。控制目标是使电动机稳定在要求的转速上运行。从图中可见，对
2、应滑动电阻器的触点的某一位置，有一给定电压，经过放大器放大，即为电动机电枢电压。在没有任何扰动的情况下，对应滑动电阻器的触点的某一位置，则有一电机转速与之对应。,上述两个系统都是由人工控制的，可以看出，人在控制过程中起三个作用： （1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值； （2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量； （3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度、改变触点位置。,在自动控制中，用控制装置代替人来完成上述功能。例如，自动控制热力系统如图1.4所示。,直流电动机自动调速系统如图1.5所示。 因此所谓自动控制是在没有
3、人参与的情况下，系统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备或过程，使之具有一定的状态和性能。具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。,锅炉汽包水位控制系统,工业过程中的反馈控制系统例子-,调节器,汽包,变送器,主蒸汽,过热器,省煤器,执行器,给水调节阀,给水泵,给水,调节器,执行器,调节阀,汽包,变送器,+,-,例1.3 锅炉水位控制系统,1.2 自动控制系统的类型1.2.1开环、闭环与复合控制系统 1.开环控制系统 如果控制系统的被控量对系统没有控制作用，这种控制系统称为开环控制系统。开环控制系统的控制原理如图1.6所示。,2. 闭环控制系统或反馈控制系统 定义 如果系统的被控量直接或间接地
4、参与控制，这种系统称为闭环控制系统或更直接地称为反馈控制系统。 反馈控制系统的控制原理如图1.7所示。,3. 复合控制系统 人们在系统中同时引进开环控制和闭环控制，这种系统称为复合控制系统。复合控制系统的原理如图1.8所示。,1.2.2 线性系统与非线性系统 这是根据分析和设计系统的方法来分类的。 定义：如果一个系统具有下列性质： （1）输入x1(t) 产生输出 y1(t) ； （2）输入 x2(t) 产生输出 y2(t) ； （3）输入c1x1(t)+c2x2(t)产生输出c1y1(t)+c2y2(t) ； 其中，x1(t) 、x2(t) 是任意的输入信号，c1、c2是任意的常数，则该系统是
5、线性系统，否则是非线性系统。 从上面的叙述可以看出，“线性”性和叠加原理是等价的。,叠加原理 在线性系统中，由 n个输入xi(t) (i=1、2n）共同产生的输出y(t)，等于各个输入xi(t)单独产生的输出之yi (t)和，即： （1.1） 因此，线性系统满足叠加原理。反之，满足叠加原理的系统是线性系统。,1.2.3连续系统与离散系统 控制系统中存在各种形式的信号。按照时间变量取值的连续性与离散性，可将信号分为连续时间信号与离散时间信号，简称为连续信号与离散信号。 若系统中所有信号都是连续信号，则称为连续时间系统，简称为连续系统。如果系统中有一处或几处的信号是离散信号，则称为离散时间系统，简
6、称为离散系统。,1.2.4 定常系统与时变系统 如果控制系统的结构、参数在系统运行过程中不随时间变化，则称为定常系统或者时不变系统，否则，称为时变系统。1.2.5 SISO系统和MIMO系统 按照输入信号和输出信号的数目，可分为单输入单输出（SISO）系统和多输入多输出（MIMO）系统。,1.2.6 集中参数系统与分布参数系统 如果在系统分析与设计中，可以把一个系统看作有限多个理想的分立部件的总体，这类系统称为集中参数系统，例如：电阻、电容、电感、阻尼、弹簧、质量等。集中参数系统由常微分方程描述。如果系统只能看作由无穷多个无穷小的分立部件组成，则该系统为分布参数系统，它由偏微分方程描述。例如，
7、导线上的电压分布是时间和地点的函数，因此只能以偏微分方程描述，是一个分布参数系统。,1.3 对控制系统性能的基本要求,1.3.1 稳定性 稳定性是控制系统最基本的性质。所谓稳定性是指控制系统偏离平衡状态后，自动恢复到平衡状态的能力。 当系统受到扰动后，其状态偏离了平衡状态，在随后所有时间内，如果系统的输出响应能够最终回到原先的平衡状态，则系统是稳定的；反之，如果系统的输出响应逐渐增加趋于无穷，或者进入振荡状态，则系统是不稳定的。,1.3.2 暂态性能 对于稳定的系统，虽然理论上能够到达平衡状态，但还要求能够快速到达，而且，在调节过程中，要求系统输出超过给定的稳态值的最大偏差，即所谓的超调量不要
8、太大，要求调节的时间比较短。这些性能称为暂态性能1.3.3 稳态性能 系统给定值与系统稳态输出的误差称为稳态误差。 系统的暂态性能和稳态性能常常是矛盾的。由于控制 统的功能要求不同，所以对系统暂态性能和稳态性能的 要求往往有所侧重。,1.4 典型试验信号,典型试验信号阶跃信号斜坡信号抛物线信号脉冲信号正弦信号,阶跃信号（Step Function）,阶跃信号含宽频带谐波分量，产生容易，是最常用系统性能测试信号。,时间,r（t）,R,-单位阶跃 函 数,斜坡信号（Ramp Function）,斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。,时间 t,r（t）,R t,t g（）=R,-单位阶跃函数,抛物
9、线信号（Parabolic Function）,u（t）-单位阶跃函数抛物线信号为匀加速信号，适于测试匀加速系统。,时间 t,r（t）,0.5 R t 2,脉冲信号（Pulse Function）, t = 0 理想情况: r（t）= ( t ) = 0 t 0 A / h 0 h 可用于测试系统抗冲击能力,正弦信号（Sine Function）,r（t）=Asin( t + ) A - 幅值 - 频率 - 初相位 正弦信号为单频率信号，适于测试系统频率特性。,时间 t,r（t）,1.5 自动控制学科的特点,应用广泛小至电子表,大至人造卫星,几乎包括各个领域. 日益重要很难想象现代生活和生产过程没有自动控制装置如何能够继续? 你敢让大型发电机组用人工控制来运行吗? 你愿意使用不能自动控制温度的电冰箱吗？,控制科学与工程学科的内涵,控制科学与工程,控制理论与控制工程,检测技术与自动化装置,模式识别与智能系统,系统工程,导航、制导与控制,1.4 本课程内容的安排,1.序论2.第2章介绍连续系统的数学模型；3.Matlab 简介;4.第3章介绍时域分析法 ； 5.第4章介绍根轨迹法； 6.第5章介绍频域分析法 ； 7.第6章简单介绍控制系统的校正。,教材：自动控制原理参考书：自动控制原理学习指导姚佩阳 主编 清华大学出版社 北京交通大学出版社 联合出版 2005年版,
