1、自動控制原理東北大學王建輝 顧樹生 主編楊自厚 主審清華大學出版社全國高等學校自動化專業系列教材普通高等教育“十一五”國家級規劃教材國家精品課程教材1東北大學自動控制原理課程組自動控制原理 Principle of Automatic Control 東北大學自動控制原理課程組負責人 顧樹生 王建輝 2東北大學自動控制原理課程組自動控制原理教材及參考書 教材：王建輝，顧樹生.自動控制原理.北 京: 清華大學出版社. 2007.4 參考書：吳麒主編.自動控制原理.北京：清華大學出版社.李友善主編.自動控制原理. 北京：機械工業出版社. 3東北大學自動控制原理課程組自動控制原理課程基本信息課程編號

2、 ：130100020 適用專業 ：自動化、測控技術及儀器 /電子信息工程、通信工程 課程性質 ：技術基礎課 課程類型 ：必修課 學 時 ：講課學時 （68/42） 實驗學時 （12/6）4東北大學自動控制原理課程組自動控制原理課程的主要內容（講課/實驗）第1章 自動控制系統的基本概念(4/0)第2章 自動控制系統的數學模型(10/0)第3章 自動控制系統的時域分析(12/4)第4章 根軌跡法(8/0)第5章 頻率法(12/4)第6章 控制系統的校正及綜合(8/0)第7章 非線性系統分析(6/2)第8章 線性離散系統的理論基礎(8/2)5東北大學自動控制原理課程組 自動控制原理課程的性質和特點

3、 自動控制是一門技術學科，從方法論的角度來研究系統的建立、分析與設計自動控制原理是本學科的技術基礎課。6東北大學自動控制原理課程組自動控制原理自動控制原理電路理論電機與拖動大學物理信號與系統復變函數拉氏變換模擬電子技術線性代數微積分各 類專業課線性系統現代控制理論本課程與其它課程的關系7東北大學自動控制原理課程組 自動控制原理自動控制理論的發展歷程第一階段：古典控制理論（20世紀4060年代） SISO、線性定常、頻域法第二階段：現代控制理論（20世紀6070年代） MIMO、非線性、時變、狀態空間法第三階段：智能控制理論（20世紀70年代 今） 非模型 8東北大學自動控制原理課程組第1章 自

4、動控制系統的基本概念自動控制原理東北大學自動控制原理課程組9東北大學自動控制原理課程組第1章 自動控制系統的基本概念主要內容開環控制系統與閉環控制系統閉環控制系統的組成和基本環節自動控制系統的類型自動控制系統的性能指標小結10東北大學自動控制原理課程組第1章 自動控制系統的基本概念學習重點了解自動控制系統的基本結構和特點及其工作原理； 了解閉環控制系統的組成和基本環節； 掌握反饋控制系統的基本要求及反饋控制系統的作用；學會分析自動控制系統的類型及本質特征。11東北大學自動控制原理課程組1.1 開環控制系統和閉環控制系統自動控制自動控制是在沒有人的直接干預下，利用物理裝置對生產設備和工藝過程進行

5、合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規律變化，例如礦井提升機的速度控制、軋鋼廠加熱爐溫度的控制等等。自動控制系統自動控制系統是為實現某一控制目標所需要的所有物理部件的有機組合體。12東北大學自動控制原理課程組1.1 開環控制系統和閉環控制系統1.開環控制系統例1-1 溫度控制系統 性能指標 工作過程13東北大學自動控制原理課程組1.1 開環控制系統和閉環控制系統12擾動量給定量輸出量 1 - 執行器(自耦變壓器) 2 - 被控對象(電阻爐)圖中：14東北大學自動控制原理課程組1.1 開環控制系統和閉環控制系統（1）開環控制 只有輸入量對輸出量產生控制作用，輸出量不參與對系統的控

6、制。（2）開環控制特點輸入控制輸出輸入和輸出一一對應；輸出不參與控制信號單方向傳遞；不能檢測與糾正偏差系統沒有抗干擾能力。15東北大學自動控制原理課程組1.1 開環控制系統和閉環控制系統2.閉環控制系統例1-2 溫度閉環控制系統（1）人工閉環控制220V12uc16東北大學自動控制原理課程組1.1 開環控制系統和閉環控制系統（2）自動閉環控制溫度閉環控制系統圖 1-熱電偶 2-加熱器17東北大學自動控制原理課程組1.1 開環控制系統和閉環控制系統給定量 閉環控制結構圖 1-控制器 2-控制對象 3-檢測裝置18東北大學自動控制原理課程組1.1 開環控制系統和閉環控制系統 閉環控制把輸出量的一部

7、分檢測出來,反饋到輸入端,與給定信號進行比較，產生偏差,此偏差經過控制器產生控制作用,使輸出量按照要求的規律變化。反饋信號與給定信號極性相反為負反饋,反之為正反饋。 閉環控制特點輸入控制輸出輸入和輸出一一對應；輸出參與控制信號雙方向傳遞；檢測與糾正偏差具有抗干擾能力。19東北大學自動控制原理課程組1.1 開環控制系統和閉環控制系統 (1) 被控對象 (2) 被控量或輸出量 (3) 控制量 (4) 設定量或輸入量 (5) 擾動量 (6) 反饋量 (7) 偏差量3.自動控制系統中的基本術語 (8) 前向通道或正向通道 (9) 反饋通道或反向通道 (10) 理想輸出 (11) 實際輸出 (12) 開

8、環 (13) 閉環20東北大學自動控制原理課程組1.2 閉環控制系統的組成和基本環節1.閉環控制系統的結構圖 1-給定環節；2-比較環節；3-校正環節；4-放大環節；5-執行機構；6-被控對象；7-檢測裝置21東北大學自動控制原理課程組1.2 閉環控制系統的組成和基本環節2.閉環控制系統的基本環節（1）控制對象或調節對象 要進行控制的設備或過程。（2）執行機構 一般由傳動裝置和調節機構組成。執行機構直接作用于控制對象，使被控制量達到所要求的數值。 （3）檢測裝置或傳感器 該裝置用來檢測被控制量，并將其轉換為與給定量相同的物理量。22東北大學自動控制原理課程組1.2 閉環控制系統的組成和基本環節

9、（4）給定環節設定被控制量的給定值的裝置。（5）比較環節將所檢測的被控制量與給定量進行比較，確定兩者之間的偏差量。（6）中間環節一般包括比較環節和校正環節。23東北大學自動控制原理課程組1.3 自動控制系統類型1.按照主要元件的輸入輸出特性劃分1）線性系統由線性元件組成的系統，其微分方程中輸出量及其各階導數都是一次的，并且各系數與輸入量（自變量）無關。 2）非線性系統存在非線性元件的系統，其微分方程式的系數與自變量有關。24東北大學自動控制原理課程組1.3 自動控制系統類型2.按照信號傳遞方式劃分1）連續數據系統系統各部分的信號都是連續的模擬量。 2）離散數據系統系統的一處或幾處，信號是以脈沖

10、序列或數碼的形式傳遞。 25東北大學自動控制原理課程組1.3 自動控制系統類型3.按照輸入量的變化規律劃分1）恒值系統給定量是恒定不變的。2）程序控制系統給定量是按照一定的時間函數變化的。 3）隨動系統給定量按照事先未知的時間函數變化。26東北大學自動控制原理課程組1.4 自動控制系統的性能指標穩（穩定性）、快（快速性）、準（準確性） “穩”與“快”描述系統的動態（過渡過程）品質。 系統的過渡過程產生的原因 ： 系統中儲能元件的能量不可能突變。 “準”描述系統的穩態（靜態）品質。 對自動控制系統的基本要求27東北大學自動控制原理課程組1.4 自動控制系統的性能指標 當擾動作用（或給定值發生變化

11、）時，輸出量將偏離原來的穩態值，這時由于反饋的作用，通過系統內部的自動調節，系統可能回到或接近原來的穩態值（或跟隨給定值）穩定下來（如圖a），稱這樣的系統為穩定系統，反之，不穩定系統的輸出如圖b 。穩定性是保證控制系統正常工作的必備條件。1. 穩定性28東北大學自動控制原理課程組1.4 自動控制系統的性能指標2. 穩態性能指標穩態誤差 當系統從一個穩態過渡到新的穩態，或系統受擾動作用又重新平衡后，系統可能會出現偏差，這種偏差稱為穩態誤差。 系統穩態誤差的大小反映了系統的控制精度，它表明了系統控制的準確程度。穩態誤差越小，則系統的控制精度越高。 29東北大學自動控制原理課程組1.4 自動控制系統

12、的性能指標有差系統（圖a） 若穩態誤差不為零，則系統稱為有差系統。無差系統（圖b） 若穩態誤差為零，則系統稱為無差系統。(a)(b)30東北大學自動控制原理課程組1.4 自動控制系統的性能指標3. 暫態性能指標31東北大學自動控制原理課程組（1）最大超調量輸出最大值與輸出穩態值的相對誤差。反映系統的平穩性。最大超調量越小，則說明系統過渡過程越平穩。 （2）上升時間 指系統的輸出量第一次到達輸出穩態值所對應的時刻。 1.4 自動控制系統的性能指標32東北大學自動控制原理課程組（3）過渡過程時間（調節時間）系統的輸出量進入并一直保持在穩態輸出值附近的允許誤差帶內所需的時間。允許誤差帶寬度一般取穩態

13、輸出值的2%或5%。調節時間的長短反映了系統的快速性。調節時間越小，系統的快速性越好。1.4 自動控制系統的性能指標33東北大學自動控制原理課程組（4）振蕩次數在調節時間內，輸出量在穩態值附近上下波動的次數。它也反映系統的平穩性。振蕩次數越少，說明系統的平穩性越好。 1.4 自動控制系統的性能指標34東北大學自動控制原理課程組小 結1. 開環控制系統結構簡單、穩定性好，但不能自動補償擾動對輸出量的影響。當系統擾動量產生的偏差可以預先進行補償或影響不大時，采用開環控制是有利的。當擾動量無法預計或控制系統的精度達不到預期要求時，則應采用閉環控制。35東北大學自動控制原理課程組小 結2. 閉環控制系統具有反饋環節，它能依靠反饋環節進行自動調節，以克服擾動對系統的影響。閉環控制極大地提高了系統的精度。但是閉環使系統的穩定性變差，需要重視并加以解決。36東北大學自動控制原理課程組3.自動控制系統通常由給定環節、檢測環節、比較環節、放大元件、被控對象、和反饋環節等部件組成。系統的作用量和被控量有：給定量、反饋量、擾動量、輸出量和各中間變量。 小 結37東北大學自動控制原理課程組4.結構圖（又簡稱框圖）可直觀地表達系統各環節（或各部件）間因果關系，可以表達各種作用量和中間