第一章自动控制原理

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1、教材：教材： 热工过程自动控制原理热工过程自动控制原理.陈绍炳，于向军编著陈绍炳，于向军编著.参考教材：参考教材： 自动控制原理自动控制原理，科学出版社，胡寿松主编，科学出版社，胡寿松主编，2007年年第第5版版 热工过程自动控制热工过程自动控制，清华大学出版社，杨献勇，清华大学出版社，杨献勇，2008年第年第2版版 自动控制原理自动控制原理，清华大学出版社，吴麒主编，清华大学出版社，吴麒主编，1990年年 本课程采用时域法、根轨迹法和频率特性法对热工过程本课程采用时域法、根轨迹法和频率特性法对热工过程自动控制系统的性能进行分析和设计，学完本课程应达到以自动控制系统的性能进行分析和设计，学完本

2、课程应达到以下基本要求。下基本要求。 1掌握负反馈控制原理掌握负反馈控制原理 2熟悉建立控制系统数学模型的方法熟悉建立控制系统数学模型的方法 3熟悉运用时域分析法分析系统性能的方法熟悉运用时域分析法分析系统性能的方法 4熟悉用根轨迹分析法分析控制系统性能的方法熟悉用根轨迹分析法分析控制系统性能的方法 5熟悉频率分析法分析控制系统性能的方法熟悉频率分析法分析控制系统性能的方法 6热工过程自动控制调节系统的分析和整定热工过程自动控制调节系统的分析和整定教学的基本要求教学的基本要求第一章第一章 绪论绪论51234自动控制的定义自动控制系统的方框图自动控制系统的分类自动控制系统的过渡过程自动控制理论的

3、发展自动控制理论自动控制理论电路理论电路理论电机与拖动电机与拖动大学物理大学物理信号与系统信号与系统复变函数复变函数拉氏变换拉氏变换模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数微积分微积分经典控制理论线性系统现代控制理论5 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门是一门古老的、已臻成熟的学科古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具，又是一门正在发展的、具有 强 大 生 命 力 的有 强 大 生 命 力 的 新 兴 学 科新 兴 学 科 。 从。 从 1 8 6 81 8 6 8 年 马 克 斯 威 尔年 马 克 斯 威 尔（J.C

4、.MaxwellJ.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展 和成熟和成熟第二阶段：第二阶段：现代控制理论的兴起和发展现代控制理论的兴起和发展第三阶段：第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段大系统控制兴起和发展阶段第四阶段：第四阶段：智能控制发展阶段。智能控制发展阶段。自动控制理论的发展自动控制理论的发展经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论研究对象研究

5、对象 单输入、单输出系统单输入、单输出系统（SISO） 多输入、多输出系统多输入、多输出系统（MIMO）数学模型数学模型 传递函数传递函数 状态方程状态方程研究手段研究手段 频域法、根轨迹法频域法、根轨迹法 状态空间方法状态空间方法研究目的研究目的 系统综合、校正系统综合、校正 最优控制、系统辨识、最优控制、系统辨识、最佳估计、自适应控制最佳估计、自适应控制 自动控制自动控制（automatic control）： 所谓自动控制就是在所谓自动控制就是在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备

6、或生产过程（控制对象）的产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自某个工作状态或参数（被控量）自动动地按照预定的规律运行。地按照预定的规律运行。 自动控制系统自动控制系统(automatic control system)：是指能够对是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控控制装置制装置和和被控对象被控对象组成。组成。自动控制的概念自动控制的概念u例：人工控制例：人工控制测量实际液面的高度测量实际液面的高度h1 -用眼用眼实际液面高度实际液面高度h1与希望液面高度与希望液面高度0相比较相比较 -用脑用脑按比较的结果，即

7、液面高度偏差的正负去决定控制动作按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作 -用手用手人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差。控制器控制器电动机电动机电位器电位器浮子浮子用水开关用水开关Q2Q1cifSMu自动控制自动控制自动控制实质：自动控制实质：偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。 被控对象被控对象(controlled object) : 被控制的工艺设备、机器或生产过程。被控对象是控制系统的主体，被控制的工艺设备、机器或生产过程。被控对象是控制系统的主体，例如火箭、锅炉、机器人、电冰箱等。控制装置则指对被控对象起控例如火箭、锅炉、机器人、

8、电冰箱等。控制装置则指对被控对象起控制作用的设备总体，有测量变换部件、放大部件和执行装置。在上述制作用的设备总体，有测量变换部件、放大部件和执行装置。在上述例子中，被控对象为水箱。例子中，被控对象为水箱。被控量(controlled variable) 表征被控对象运行情况且需要控制的物理量。被控量又称输出量、输表征被控对象运行情况且需要控制的物理量。被控量又称输出量、输出信号。出信号。给定值给定值(set value) 是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。给定值又称是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。给定值又称输入信号、参考输入。输入信号、参考输入。偏差偏差(

9、error) 参考输入信号与反馈信号之差称为偏差信号（参考输入信号与反馈信号之差称为偏差信号（e= r - y）。）。干扰量干扰量(disturbance) 除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干扰。干扰又称扰动。除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干扰。干扰又称扰动。干扰是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部干扰是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。控制量控制量(controlling variable) 控制

10、量是对被控参数产生影响的信号。控制量是对被控参数产生影响的信号。控制机构控制机构(control mechanism )：能改变控制量大小的设备。能改变控制量大小的设备。 如：如：挡板、阀门等。挡板、阀门等。12v方框图的概念 方框方框 控制装置和被控对象分别用方框表示控制装置和被控对象分别用方框表示 信号线信号线 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号线表示箭头的信号线表示 输入信号输入信号 进入方框的信号进入方框的信号 输出信号输出信号 离开方框的信号离开方框的信号信号线信号线方框方框信号线信号线输入信号输入信号输出信号输出信号自动控制系统的

11、方框图自动控制系统的方框图变送器变送器控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象给定值给定值被调量被调量被被调调量量u自动控制系统方框图的绘制步骤自动控制系统方框图的绘制步骤(重点掌握重点掌握)：（1）分析控制系统的工作原理，找出被控对象。 （2）分清系统的输入量、输出量。 （3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。（4）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连接起来控制器控制器电动机电动机电位器电位器浮子浮子用水开关用水开关Q2Q1cifSMu自动控制自动控制 3、若系统收到扰动使液面下降，则系统会自动加大阀门开度，使输入流量增加，液面恢复到给定高度。工作原理：工作原理： 1、电