北京航空航天大學自動控制理論課件和習題

課程名稱:自動控制原理B

先修課程:高等數學,大學物理A,電路分析B

教材:自動控制原理(高教版)參考教材:[1]

孫虎章主編.自動控制原理(修訂版).北京:中央廣播電視大學出版社,1994[2]

李友善主編.自動控制原理.北京:國防工業(yè)出版社,1981[4]胡壽松主編.自動控制原理.北京:國防工業(yè)出版社,1994[3]程鵬主編.自動控制原理.北京:高等教育出版社,2003一、課程目標課程的目標是獲得自動控制方面的基本理論,掌握控制系統(tǒng)的基本分析方法和設計方法,特別是對機械制造自動化系統(tǒng)中有關控制問題的分析研究方法,為將來研究設計這類系統(tǒng)奠定基礎。二、課程內容

第一章緒論－控制系統(tǒng)的一般概念第二章控制系統(tǒng)的數學模型第三章時域分析法

第五章頻域分析法－頻率法第六章控制系統(tǒng)的校正第四章、復域分析法－根軌跡法(自控(二))第七章、采樣數據控制系統(tǒng)分析(自控(二))第八章、狀態(tài)空間分析法(自控(二))三、實驗課程內容

課程開設三個實驗,包括:(1)自動控制系統(tǒng)及其穩(wěn)定性實驗;(2)自動控制系統(tǒng)元件頻率特性測定實驗;(3)自動控制系統(tǒng)的動態(tài)校正實驗。學時：6學分：0.5四、考核方式課程考核采用百分制,其中平時成績占20%,期末考試成績占80%。期末考試采用閉卷筆試的方式進行考核。

1.1自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置(稱為控制器或控制裝置)，使機器、設備或生產過程(統(tǒng)稱被控對象)的某個工作狀態(tài)或參數(統(tǒng)稱被控量)自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng)，能夠對被控制對象的工作狀態(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。第一章緒論水位自動控制系統(tǒng)一、技術術語1.被控對象:是指要求實現自動控制的機器、設備或生產過程。3.控制器：又稱調節(jié)器、控制裝置，由控制元件組成，它接受指令信號，輸出控制作用信號于被控對象。2.被控量：表征被控對象工作狀態(tài)的的物理參量(或狀態(tài)參量)，如轉速、壓力、溫度、電壓、位移等。4.給定值或指令信號r(t)：要求控制系統(tǒng)按一定規(guī)律變化的信號，是系統(tǒng)的輸入信號。5.干擾信號n(t)：又稱擾動值，是一種對系統(tǒng)的被控量起破壞作用的信號。6.反饋信號b(t)：是指被控量經測量元件檢測后回饋送到系統(tǒng)輸入端的信號。7.偏差信號e(t)：是指給定值與被控量的差值，或指令信號與反饋信號的差值。二、自動控制的任務在沒有人直接參與下，利用控制裝置操縱被控對象，使被控量按照給定值的規(guī)律變化?；蛏鲜绞亲詣涌刂迫蝿盏臄祵W表達式。三、反饋控制原理在自動控制系統(tǒng)中，被控量是要求嚴格加以控制的物理量；而作為對被控對象施加控制作用的控制裝置，可以采用不同的原理和方式完成賦予的任務。其中，最基本的控制原理就是反饋控制原理?；诜答伩刂圃斫M成的控制系統(tǒng)被稱為反饋控制系統(tǒng)。

在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加控制作用，而控制裝置接受的信號是取自被控量的反饋信息，與給定值相比較生成的偏差，從而根據偏差值的大小產生控制作用，實現控制任務。

汽車駕駛控制原理框圖四、控制系統(tǒng)的職能方框圖

控制系統(tǒng)職能方框圖控制器應具有三種基本職能，即測量、比較和執(zhí)行。

1.測量元件:用以測量被控量或干擾量

。

2.比較元件將測量元件檢測到的被控量的實際值與給定值相比較，計算求出二者間的偏差。4.執(zhí)行元件直接推動被控對象，使被控量發(fā)生變化。3.放大元件將比較元件給出的偏差信號放大，以驅動執(zhí)行元件去控制被控對象。參與控制的信號來自三條通道:即給定值、干擾量、被控量。1.2自動控制的基本方式

一、閉環(huán)控制

閉環(huán)控制框圖閉環(huán)控制有三大特點：信號按箭頭傳遞是封閉的（閉環(huán)），負反饋和按偏差控制。因此閉環(huán)控制也被稱作反饋控制、偏差控制。

主要優(yōu)點：控制精度高，抗干擾能力強。二、開環(huán)控制

1.按給定值控制

開環(huán)控制框圖特點：控制裝置只接受給定值來控制受控對象的被控量。優(yōu)點：控制系統(tǒng)結構簡單，相對來說成本低。缺點：對可能出現的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。2.按干擾補償

按干擾補償框圖3.復合控制復合控制框圖1.3對控制系統(tǒng)的性能要求

一、穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。對于穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，被控量偏離期望值后，經過一段過渡時間后，被控量應恢復到原來狀態(tài)。對于不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的偏差將會越來越大，最終發(fā)散?？刂葡到y(tǒng)動態(tài)過程曲線二、快速性

快速性即動態(tài)過程進行的時間長短。過程時間越短，說明系統(tǒng)的快速性越好，過程時間持續(xù)越長，說明系統(tǒng)響應遲鈍，難以實現快速變化的指令信號。穩(wěn)定性和快速性反映了系統(tǒng)的過渡過程的性能。

控制系統(tǒng)的動態(tài)過程三、準確性

當系統(tǒng)結束過渡過程后，被控量達到穩(wěn)定值（平衡狀態(tài)），這個穩(wěn)定值與期望值的誤差，就是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的指標，反映了動態(tài)過程后期的性能。1.4自動控制系統(tǒng)示例

在分析自動控制系統(tǒng)時，首先應明確下面的一些問題:

1.被控對象是什么？被控量是什么？作用在被控對象上的主要干擾信號有哪些？

2.通過操縱哪個機構來改變被控量？即確定執(zhí)行元件。

3.有哪些測量元件，測量的是被控量還是干擾信號？測量元件的確定對分析系統(tǒng)起關鍵作用。

4.指令信號或給定值是由哪個裝置提供的？

5.如何實現各信號的綜合比較、計算和判斷偏差？

一、渦輪噴氣發(fā)動機轉速控制系統(tǒng)

首先應明確：1.被控對象：渦輪噴氣發(fā)動機2.被控量：渦輪轉速nc3.執(zhí)行元件：即是改變供油量的機構，系統(tǒng)中與柱塞泵的斜盤以及和斜盤相聯接的油缸活塞。斜盤傾角不同，泵在同樣轉速下供油量就不同。4.轉速測量：靠離心塊（轉速傳感器）來完成轉速不同，離心塊產生的離心力不同，作用在滑閥上（分油活門）的力的大小就代表了轉速的大小。5.轉速給定：由油門的位置給定，油門位置不同，作用在