1、教学目的：掌握自动控制系统的基本概念、系统组成、了解自动控制原理研究的内容 教学重点：开环控制系统、闭环控制系统的概念 教学难点：闭环控制系统的控制过程 本章授课学时：4,第一章 引 论,第一节 自动控制系统的一般概念,第二节 开环控制和闭环控制,第三节 自动控制系统的类型,第四节 控制系统性能的基本要求和本课程的主要任务,本 章 研 究 内 容,第一章 引 论,第五节 自动控制系统实例,返回,自动控制系统,自动控制,本 章 返 回,1.1 自动控制系统的一般概念,相关概念,举例：对路灯的控制有两种方式：,依靠肉眼观察路面亮度对开关进行控制 依靠检测元件自动检测路面亮度对开关进行控制,两者控制
2、目的相同，但控制手段不同,本 章 返 回,1.1 自动控制系统的一般概念, 自动控制就是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器 使被控对象(如机器、设备和生产过程)的某些物理量 (或工作状态)能自动地按照预定的规律变化(或运行), 自动控制系统完成自动控制过程的所有元件与装置组成的整体 就称为自动控制系统。,1.1 自动控制系统的一般概念,图1.1 直流电动机转速控制系统(V-M系统),给定装置,被控对象,控制器,给定量或输入量,n,被控量 输出量,控制量,扰动量,TL,直流电动机转速控制系统结构框图,输出量与输入量之间没有直接的联系，对扰动所引起的输出的变化，系统没有调节或控制作用。,干扰,
3、输入量 输出量,单方向控制,图1.3 有人直接参与调节时的方块图,1.1 自动控制系统的一般概念,干扰,手动调节,测速发电机,放大器,给定装置,图1.4 无人直接参与的电机调速系统,自动调节,反馈量,偏差,n,图1.5 闭环控制的电机调速系统方块图,输入量 输出量,控制,影响,负反馈,反馈量,干扰,偏差,反馈控制系统,1.2 开环控制和闭环控制,闭环控制,闭环控制系统的基本组成,开环控制,1.2.1 开环控制,220V,电阻炉（受控对象）,自偶变压器（控制器）,温度 Tc(被控量）,uc,控制量,控制目标 uc Tc,自耦变压器,电阻炉,控制量uc,输出量 Tc,电阻炉温度控制系统, 开环控制
4、只有输入量对输出量产生控制作用，而没有输出量参 与对系统的控制；当出现扰动时，如果没有人工干预，给 定量与输出量之间的对应将被改变，即系统输出量（实际 输出）将偏离给定量所要求的数值（理想输出）。,单方向控制,开环控制的特点：结构简单、成本低、工作易稳定、抗干扰能力差（精度不高）。 开环控制适用范围：精度要求不高的场合。,1.2.2 闭环控制,M,-,+,- +,- +,ug,uf,u,uc,给定量,偏差,炉温闭环控制系统,自偶变压器,变速器,被控量炉温Tc,热电偶 检测装置,可逆伺服 电动机,比例积分调节器,图1.7 实现比例积分控制规律的电机调速系统,U0,n,Un,Ud0,图1.8 闭环
5、控制系统方块图,前向通道,反向通道,对反馈环内前向通道上的各种扰动都具有控制作用,反馈环,反馈量, 闭环控制（又称反馈控制或偏差控制）不仅存在输入到输出的控制，也存在输出经 检测装置反馈到输入端形成闭环，参与系统的控 制，称此系统为闭环控制系统。, 闭环控制的实质：控制的过程不断地进行检测偏差、纠正偏差的过程, 自动控制系统的任务：克服各种扰动的影响，使系统按照给定量所 设定的规律运行。,闭环控制的特点：精度高、抗干扰能力强结构复杂、成本高 闭环控制的适用范围：高精度控制系统中,1.2.3 闭环控制系统的基本组成,本 章 返 回,第三节 自动控制系统的类型,连续系统和离散系统,单输入单输出系统
6、与多输入多输出系统,线性系统和非线性系统,定常系统和时变系统,第三节 自动控制系统的类型,按信号流向分 开环系统闭环系统恒值系统按输入量变化规律分 随动系统程序控制系统按系统输入量和输出量的关系分 线性系统非线性系统,本 章 返 回,本 节 返 回,按系统传输信号与时间的关系分 连续系统离散系统 按系统参数随时间的变化情况分 定常系统时变系统 按系统输入输出信号个数分 单输入单输出系统多输入多输出系统,第三节 自动控制系统的类型,本 章 返 回,本 节 返 回,本 章 返 回,本 节 返 回,同时满足叠加性与均匀性的系统。,一、线性系统和非线性系统 线性系统,叠加性：是指当几个输入信号共同作用
7、于系统时，总的 输出等于每个输入单独作用时产生的输出之和。 均匀性：是指当输入信号增大若干倍时，输出也相应增 大同样的倍数。,线性系统 T(),r(t) c(t),均匀性和叠加性：,叠加性：,均匀性：,式中：r(t) 系统的输入量 an(t) 系统参数c(t) 系统的输出量 bm(t) 系统参数,线性系统运动规律用线性微分方程描述：,本 章 返 回,本 节 返 回,线性定常系统：线性微分方程各项系数为常数的系统。,2、非线性控制系统不满足叠加性与均匀性的系统。,继电器特性 饱和特性 不灵敏区特性,输入,输入,输入,输出,输出,输出,本 章 返 回,本 节 返 回,系统中只要有一个元件的特性是非
8、线性的，该系统即为非线性的控制系统,系统中含有非线性元件,二、 定常系统和时变系统,定常系统：系统的参数不随时间的变化而变化,时变系统：系统的参数随时间的变化而变化,性质：在同样的起始状态下，系统的输出(响应) 与输入信号作用于系统的时刻无关,性质：在同样的起始状态下，系统的输出(响应) 与输入信号作用于系统的时刻有关,本 章 返 回,本 节 返 回,三、连续数据系统和离散数据系统,连续信号：时间上连续。,离散信号：时间上离散。,模拟信号：时间连续，幅值连续。,采样信号：时间离散，幅值连续。 数字信号：时间离散，幅值也离散。,连续系统: 系统中的各变量都是连续信号。,离散系统：系统中一处或几处
9、存在离散信号。,四、单输入单输出系统与多输入多输出系统,单输入单输出系统(SISO)：单变量系统系统的输入量与输出量各为一个 理论基础：古典控制理论,多输入多输出系统(MIMO)：多变量系统系统的输入量与输出量多于一个 理论基础：现代控制理论,本课程的主要任务,控制系统性能的基本要求,本 章 返 回,第四节 控制系统性能的基本要求和本课程的主要任务,稳 性能好的自动控制系统应该具备 准 特点快,稳稳定性自动控制系统首要考虑的问题 准准确性反映系统的稳态性能（精度） 快快速性反映系统过渡过程的暂态性能,一、控制系统性能的基本要求,扰动,c(t）,t,c(t）,t,稳定系统,不稳定系统,本 章 返
10、 回,本 节 返 回, 稳定性,本 章 返 回,本 节 返 回,控制系统稳定是系统正常工作的首要条件,稳定性还包含有过渡过程的平稳性的含义,相对稳定性,扰动,c(t）,t,稳定系统,相对稳定性高,本 章 返 回,本 节 返 回,负载扰动,负载扰动,ess 0 ess = 0,有差系统,无差系统,t,t,c(t), 准确性（稳态性能）,用稳态误差ess衡量,c(t),系统的暂态过程有以下几种情况：,o t o t,给定突然变化 负载突然变化, 单调过程,本 章 返 回,本 节 返 回, 快速性（暂态性能）,c(t),c(t),c2(t),c1(t),给定突然变化 负载突然变化, 持续振荡状态,n
11、 n,o t o t,给定突然变化 负载突然变化,n2,n1,本 章 返 回,本 节 返 回,o t o t, 衰减振荡过程,c(t),c(t),c2(t),c1(t),c0(t), 发散振荡状态,给定突然变化 负载突然变化,系统的暂态性能指标,系统的暂态性能由暂态性能指标衡量,最大超调量 上升时间 过渡过程时间(或调节时间) 振荡次数。,本 章 返 回,本 节 返 回,5%或2%,c(),r(t),ts,tr,t,系统对突加给定信号的动态响应曲线,0,阶跃输入,阶跃响应,本 章 返 回,本 节 返 回,cmax,cmax- c(),c(t),1、建立数学模型：时域微分方程复域、频域传递函数z
12、域差分方程 2、系统分析 稳定性分析、动态分析、稳态性能分析 3、系统综合（设计、校正）, 自动控制原理研究的主要内容,基础,目的,第五节 自动控制系统实例,例：烘烤炉温度控制系统的原理图,烘烤炉温度控制系统的结构图,阀门开度,给定环节开环控制系统 比较环节 基本概念 闭环控制系统 基本组成 放大环节复合控制系统 校正环节执行机构稳定性稳 受控对象性能指标 稳态性能准 检测装置暂态性能快线性系统、非线性系统分 类 连续系统、离散系统恒值系统、程控系统、随动系统,本章小结,本 章 返 回,本章作业,1-1,干扰量,液位给定,液位输出H,偏差,Q1,干扰量Q2,0V,1-5 判断下列系统是否是线性的、定常的？,判断叠加性：,(1),设：,判断均匀性：,设：,非线性,
