自动控制理论 总学时:64 理论学时:64 采用教材 《自动控制原理》 第四版 胡寿松主编 科学出版社
自动控制理论 总学时: 64 理论学时：64 采用 教材: 《自动控制原理》 第四版 胡寿松 主编 科学出版社
第一章自动控制的一般概念 1-1自动控制和自动控制系统 人工控制直流电动机转速示意图如下所示: 直流电动机 激磁电流l=cOnt 功率放 大器[电枢电压l 激磁回路 转速表 人所起的三个作用: (1)观察电机的转速; (2)将观察到的转速与需要保持的转速在头脑中进行比较; (3)根据比较得出的结论去调整电位器的输出电压
转速表 直流电动机 第一章 自动控制的一般概念 1-1 自动控制和自动控制系统 人工控制直流电动机转速示意图如下所示: 功率放 大 器 激磁回路 I const 激磁电流 f = a 电枢电压 u 人所起的三个作用: (1) 观察电机的转速; (2) 将观察到的转速与需要保持的转速在头脑中进行比较; (3) 根据比较得出的结论去调整电位器的输出电压. V+ V r
自动控制直流电动机转速示意图如下所示: 直流电动机 激磁电流Ⅰ= const Ll运算器电枢电压l 激磁回路 测速发电机 基本概念: 1)自动控制就是应用控制装置自动地有目的地控制或操 纵机器设备或过程,使之具有一定的状态和性能 (2)被控制的机器设备或物体,叫被控对象,如直流电动 机 (3)所用的控制装置常称为控制器,如运算器 (4)控制器和被控对象的组合称为自动控制系统
测速发电机 自动控制直流电动机转速示意图如下所示: 基本概念: (1) 自动控制就是应用控制装置自动地有目的地控制或操 纵机器设备或过程, 使之具有一定的状态和性能. (2) 被控制的机器设备或物体, 叫被控对象, 如直流电动 机. (3) 所用的控制装置常称为控制器, 如运算器. (4) 控制器和被控对象的组合称为自动控制系统. 直流电动机 激磁回路 I const 激磁电流 f = a 运算器 电枢电压 u V+ V r e u
自动控制系统可有各种各样的形式.但总的来说,可分 为两种,一种叫闭环自动控制系统,一种叫开环自动控制系 统.先以上面所介绍的直流电动机转速自动控制系统为例来 说明什么叫闭环自动控制系统 为清楚说明系统中各装置或元件间的作用关系,或者说 各装置或元件间的信号传递关系,常用方框图表示系统,直 流电动机转速自动控制系统可画成如下方框图: e(t) r 控制器14( a(t) 被控对象 c(t) b(r) 反馈装置 图中每一个方框表示系统中的一个元件或几个元件组合 而成的一个装置;带箭头的直线表示系统中信号流通的方向 小圆圈符号表示比较器,正负号表示信号在比较器中是被相 加还是被相减,需特别提请注意的是:在比较器中进行比较
自动控制系统可有各种各样的形式. 但总的来说, 可分 为两种, 一种叫闭环自动控制系统, 一种叫开环自动控制系 统. 先以上面所介绍的直流电动机转速自动控制系统为例来 说明什么叫闭环自动控制系统. 为清楚说明系统中各装置或元件间的作用关系, 或者说 各装置或元件间的信号传递关系, 常用方框图表示系统, 直 流电动机转速自动控制系统可画成如下方框图: 被控对象 反馈装置 r(t) 控制器 e(t) u(t) c(t) b(t) + 图中每一个方框表示系统中的一个元件或几个元件组合 而成的一个装置; 带箭头的直线表示系统中信号流通的方向 小圆圈符号表示比较器, 正负号表示信号在比较器中是被相 加还是被相减, 需特别提请注意的是: 在比较器中进行比较
的信号必须是同一种物理量,否则不能进行比较.在直流 电动机转速自动控制系统中,需要进行比较的二个物理量 个是电压,一个是转速,所以要把转速通过测速发电机 的转换,变成电压后再比较 方框图中信号的常用名称 r(t):系统的输入信号,其中使系统具有预定性能或预 定输出的,又可称为给定输入信号或参考输入信号,如电 位器的输出电压 c(t):系统的输出信号,或叫输出量,又常叫做系统对 输入的响应,如电动机的转速 b(:叫反馈信号.而把系统中输出信号转换成反馈信 号的元件或装置,称为反馈元件或反馈装置,如测速发电 机 e(t):叫偏差信号.是r(t)与b(t)比较的结果
的信号必须是同一种物理量, 否则不能进行比较. 在直流 电动机转速自动控制系统中, 需要进行比较的二个物理量 一个是电压, 一个是转速, 所以要把转速通过测速发电机 的转换, 变成电压后再比较. 方框图中信号的常用名称: r(t): 系统的输入信号, 其中使系统具有预定性能或预 定输出的, 又可称为给定输入信号或参考输入信号, 如电 位器的输出电压. c(t): 系统的输出信号, 或叫输出量, 又常叫做系统对 输入的响应, 如电动机的转速. b(t): 叫反馈信号. 而把系统中输出信号转换成反馈信 号的元件或装置, 称为反馈元件或反馈装置, 如测速发电 机. e(t): 叫偏差信号. 是r(t)与b(t)比较的结果
u(t):是控制器的输出信号,叫控制信号. 需特别指出的是:以上所有信号都是时间t的函数 还有一种信号,叫干扰信号,它的作用是破坏系统具有预 定性能或预定输出,也是时间t的函数.干扰信号根据具 体情况,在系统中可有不同的作用点 闭环系统的特点:系统的输出信号经反馈与输入信号 进行比较,系统按比较的结果e(进行控制,凡具有这一特 点的系统叫闭环控制系统,也常叫做反馈控制系统 在反馈控制系统中,如果反馈信号的作用是加强输入 信号的作用,则称为正反馈控制系统;如果反馈信号的作 用是减弱输入信号的作用,则称为负反馈控制系统.自控 理论中主要研究的是负反馈控制系统 假如系统的输出信号不反馈到系统的输入端与输入信 号进行比较,则这类系统叫开环控制系统
u(t): 是控制器的输出信号, 叫控制信号. 需特别指出的是: 以上所有信号都是时间t 的函数. 还有一种信号, 叫干扰信号, 它的作用是破坏系统具有预 定性能或预定输出, 也是时间 t 的函数. 干扰信号根据具 体情况, 在系统中可有不同的作用点. 闭环系统的特点: 系统的输出信号经反馈与输入信号 进行比较, 系统按比较的结果e(t)进行控制, 凡具有这一特 点的系统叫闭环控制系统, 也常叫做反馈控制系统. 在反馈控制系统中, 如果反馈信号的作用是加强输入 信号的作用, 则称为正反馈控制系统; 如果反馈信号的作 用是减弱输入信号的作用, 则称为负反馈控制系统. 自控 理论中主要研究的是负反馈控制系统. 假如系统的输出信号不反馈到系统的输入端与输入信 号进行比较, 则这类系统叫开环控制系统
1-2自动控制系统的类型 为便于研究自动控制系统的基本实质及确定正确的研 究方法和所应采用的数学工具,在自控理论中,将各种系 统划分成以下几个基本类型 单输入、单输出线性连续定常系统 单输入、单输出:系统只有一个输入信号,一个输出信号 连续:系统中各元件的输入、输出信号均是时间t的连续 函数.但对于整个系统的输入信号r(t)而言,允许有 间断点,即分段连续 定常:系统中各元件的特性参数不随时间而变化 线性:系统中各元件的静特性必须是直线.凡线性元件或 系统,必满足叠加原理,用数学语言可作如下表述 设一系统(或元件)的输入为r(t),输出为c(t)
1-2 自动控制系统的类型 为便于研究自动控制系统的基本实质及确定正确的研 究方法和所应采用的数学工具, 在自控理论中, 将各种系 统划分成以下几个基本类型. 一﹑单输入﹑单输出线性连续定常系统 单输入﹑单输出: 系统只有一个输入信号, 一个输出信号 连续: 系统中各元件的输入﹑输出信号均是时间t 的连续 函数. 但对于整个系统的输入信号r(t)而言, 允许有 间断点, 即分段连续. 定常: 系统中各元件的特性参数不随时间而变化. 线性: 系统中各元件的静特性必须是直线. 凡线性元件或 系统, 必满足叠加原理, 用数学语言可作如下表述 设一系统(或元件) 的输入为r(t), 输出为c(t)
当系统静止时,输入与输出的关系如下图所示,S是运算子 则:C(t)=Sr(),当输入为(t)时,输出为c1(t)=S7:() 当输入为z2(1)时,输出为c2(1)=S2(),当输入为 r()=a()+B2(D)时,输出为 c(t)=S7(t)=S[ar(t)+2() a sr(t)+ Bsr (t)=ac(t)+ Bc,(t) 对于线性连续定常系统,可用线性常系数微分方程来描述其 运动特性,一般可写成如下形式的微分方程: aoc(t)+a,c(t)+.+anc(t)+a c(t) -bor(m(t)+b r(m-l(t)+.+bmr(t)+br(t) 上式中an2…,a0bn2…b为不随时间而变化的确定的常数
当系统静止时, 输入与输出的关系如下图所示, S是运算子 则: r(t) S c(t) c(t) = Sr(t) , 当输入为 ( ) 1 r t 时, 输出为 ( ) ( ) 1 1 c t = Sr t 当输入为 ( ) 2 r t 时, 输出为 ( ) ( ) 2 2 c t = Sr t , 当输入为 ( ) ( ) ( ) 1 2 r t = r t + r t 时, 输出为 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 2 1 2 1 2 S r t S r t c t c t c t S r t S r t r t = + = + = = + 对于线性连续定常系统, 可用线性常系数微分方程来描述其 运动特性, 一般可写成如下形式的微分方程: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( 1) 1 ( ) 0 1 ( 1) 1 ( ) 0 b r t b r t b r t b r t a c t a c t a c t a c t m m m m n n n n = + + + + + + + + • − − • − − 上式中 0 0 a n , ,a ; b m , ,b 为不随时间t而变化的确定的常数
二、非线性系统 当系统中只要有一个元件具有非线性特性时,就叫 做非线性系统,如下图所示: u(t rlt u(t c() 线性部分 r(t) 非线性系统要有非线性微分方程来描述其运动特性 三、离散系统 系统中只要有一个地方的信号是时间t离散信号时,系 统就叫做离散系统,离散系统的运动特性要用差分方程来 描述
二﹑非线性系统 当系统中只要有一个元件具有非线性特性时, 就叫 做非线性系统, 如下图所示: u(t) r(t) 线性部分 r(t) u(t) c(t) 非线性系统要有非线性微分方程来描述其运动特性. 三﹑离散系统 系统中只要有一个地方的信号是时间t的离散信号时,系 统就叫做离散系统, 离散系统的运动特性要用差分方程来 描述