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2002-09-23 自动控制原理 2
自动控制原理程向红蔡体菁
2002-09-23 自动控制原理 3
第 1讲程向红自动控制的一般概念
2002-09-23 自动控制原理 4
第一章 自动控制的一般概念
1.1 引言
1.2自动控制系统示例
1.3闭环控制和开环控制
1.4自动控制系统的分类
1.5对自动控制系统的基本要求
1.6对本课程的基本要求
2002-09-23 自动控制原理 5
历史的回顾
18世纪,James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。
1922年,Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。
1932年,Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应 (对稳态正弦输入 )，确定闭环系统稳定性的方法。
1934年,Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。
2002-09-23 自动控制原理 6
19世纪 40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法,Evans提出并完善了根轨迹法。
19世纪 50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。
19世纪 60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。
从 1960年到 1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。
从 1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制,H∞控制及其相关课题。
2002-09-23 自动控制原理 7
古典控制理论以传递函数为基础研究单输入 -单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，
现已臻成熟。
现代控制以状态空间法为基础，
研究多输入 -多输出、
时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。
2002-09-23 自动控制原理 8
1.2 术语
自动控制
对象
过程
系统
扰动
反馈控制
反馈控制系统
随动系统
自动调整系统
过程控制系统
2002-09-23 自动控制原理 9
1 自动控制在无人直接参与的情况下，
通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求进行。 2 对象是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体
（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。
3 过程称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。
4 系统完成一定任务的一些元、
部件的组合。
2002-09-23 自动控制原理 10
5 扰动
6 反馈控制扰动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。
反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）
之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。
2002-09-23 自动控制原理 11
反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。
应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。
7 反馈控制系统
2002-09-23 自动控制原理 12
随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置
（或速度或加速度）控制系统是同义语。
在现代工业中，广泛采用着随动系统。
8 随动系统
9 过程控制在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。
2002-09-23 自动控制原理 13
热力系统的例子热力系统的人工反馈控制蒸 汽冷 水热 水温 度 计图 1 - 1 热 力 系 统 的 人 工 反 馈 控 制排 水
2002-09-23 自动控制原理 14
热力系统的自动反馈控制自 动 控 制 器热 水冷 水蒸 汽温 度 测量 装 置排 水图 1 - 2 热 力 系 统 的 自 动 反 馈 控 制控 制 阀
2002-09-23 自动控制原理 15
1.3 闭环控制与开环控制
反馈控制系统
开环控制系统
闭环与开环控制系统的比较
2002-09-23 自动控制原理 16
1.3.1 反馈控制 系统
1 反馈把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。
能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。
2 反馈控制系统
2002-09-23 自动控制原理 17
3 闭环控制凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。输入信号和反馈信号
（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说,,闭环,
这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。
2002-09-23 自动控制原理 18
控 制 器对 象或 过 程测 量 元 件输 入 量 输 出 量图 1-3 闭环控制系统
2002-09-23 自动控制原理 19
1.3.2 反馈控制系统的基本组成
被控对象
控制装置 (由具有一定职能的各种基本元件组成 )
测量元件：其职能是测量被控制的物理量 ;
给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量
（即参据量）。
比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。
放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。
执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。
校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，
用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。
2002-09-23 自动控制原理 20
输 入 量输 出 量串 联补 偿 元 件放 大 元 件 执 行 元 件 被 控 对 象反 馈补 偿 元 件图 1 － 4 反 馈 控 制 系 统 基 本 组 成测 量 元 件局 部 反 馈主 反 馈为 改 善 系 统 性 能
用,○,号代表比较元件,,—,号代表两者符号相反，
,+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。
2002-09-23 自动控制原理 21
1.3.3 开环控制系统
定义控 制 器对 象或 过 程输 入 量 输 出 量图 1 - 5 开 环 控 制 系 统如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，
这种控制方式称为开环控制系统。
2002-09-23 自动控制原理 22
现代化的工厂
2002-09-23 自动控制原理 23
1.3.4 闭环与开环控制系统的比较
闭环控制系统的特点偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。
开环控制系统的特点顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。
2002-09-23 自动控制原理 24
棉纺厂
2002-09-23 自动控制原理 25
1.4 自动控制系统的分类开环控制闭环控制 (反馈控制 )
复合控制
按控制方式分
2002-09-23 自动控制原理 26
机械系统 —— 恒张力系统电气系统机电系统 —— 全自动照相机，光机电结合液压系统 —— 伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台气动系统生物系统按元件类?
型分
2002-09-23 自动控制原理 27
按系统功用分
温度控制系统
压力控制系统
位置控制系统
2002-09-23 自动控制原理 28
线性系统
非线性系统
连续系统
定常系统
时变系统
确定性系统
不确定性系统按系统性能分
离散系统
2002-09-23 自动控制原理 29
恒值控制系统
随动系统
程序控制系统按参据量变化规律分
2002-09-23 自动控制原理 30
稳定性：
1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。
2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。
稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。
1.5 对自动控制系统的基本要求
1.5.1对自动控制系统性能的基本要求
可以归结为 稳 定性（长期稳定性）,准 确性
（精度）和 快 速性（相对稳定性）。
稳 准 快
2002-09-23 自动控制原理 31
准确性：
用稳态误差来表示。
在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。
快速性：
对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。
稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速,而炮身行动迟缓，
仍然抓不住目标 。
2002-09-23 自动控制原理 32
2）根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。
1.5.2本课程的任务
本课程所要研究的两大课题：
1）对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。
2002-09-23 自动控制原理 33
图 1-6（ a）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。
图 1-6（ b）是该控制系统的方框图。试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图。
例题 1-1
2002-09-23 自动控制原理 34
H
注 入控 制 器
（ 比 较,放 大 ）
Q 1 浮 子流 出
Q 2
（ I ） 原 理 图气 动 阀 门
2002-09-23 自动控制原理 35
希 望 液 位 实 际 液 位放 大 元 件 气 动 阀 门 水 箱浮 子控 制 器 注 入
（ I I ） 控 制 系 统 方 块 图控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件
Q2为系统的干扰量气动阀门：执行机构被控对象：水箱
2002-09-23 自动控制原理 36
眼 睛 － 测 量 装 置 （ 浮 子 ）
手 － 气 动 阀 门头 脑 － 控 制 器,比 较,计 算希 望 液 位 实 际 液 位肌 肉,手 阀 门 水 箱眼 睛
（ I I I ） 相 对 应 的 人 工 操 纵 系 统 方 块 图脑
2002-09-23 自动控制原理 37
有一发电机 -电动机调速系统如图 1-7所示。
其工作原理是操纵者转动操纵电位计的手柄，可使电位计的输出电压 Ur改变大小和方向。经前置放大器和直流发电机两极放大，使加在伺服电机上的端电压也随之改变大小和方向。从而使负载具有所要求的转速。试说明该系统的给定值、被控量和干扰量，并画出方块图。
例题 1-2
2002-09-23 自动控制原理 38
图 1 - 7 发 电 机 - 电 动 机 调 速 系 统操 纵 电位 计发 电 机伺 服 电机减 速 器 负 载
Θ r
给 定 值 U r
前 置 放 大 器 功 放 执 行 元 件被 控 量
W m
这 是 一 个 开 环 控 制 的 例 子
+ E - E
Θ r
U r
操 纵 电 位 计
R 1
R 2
R 3
R 4
放 大 器直 流 发 电 机伺 服 电 机
W d
W m
发 电 机 - 电 动 机 调 速 系 统减 速 器负 载
2002-09-23 自动控制原理 39
参考书
1、现代控制工程 [美 ]Katsuhiko Ogata著第三版
2、自动控制原理 清华 哈尔滨工业大学
每星期一交作业本
2002-09-23 自动控制原理 40
作业
1-1 1-4
谢谢！
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自动控制原理程向红蔡体菁
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第 1讲程向红自动控制的一般概念
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第一章 自动控制的一般概念
1.1 引言
1.2自动控制系统示例
1.3闭环控制和开环控制
1.4自动控制系统的分类
1.5对自动控制系统的基本要求
1.6对本课程的基本要求
2002-09-23 自动控制原理 5
历史的回顾
18世纪,James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。
1922年,Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。
1932年,Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应 (对稳态正弦输入 )，确定闭环系统稳定性的方法。
1934年,Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。
2002-09-23 自动控制原理 6
19世纪 40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法,Evans提出并完善了根轨迹法。
19世纪 50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。
19世纪 60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。
从 1960年到 1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。
从 1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制,H∞控制及其相关课题。
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古典控制理论以传递函数为基础研究单输入 -单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，
现已臻成熟。
现代控制以状态空间法为基础，
研究多输入 -多输出、
时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。
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1.2 术语
自动控制
对象
过程
系统
扰动
反馈控制
反馈控制系统
随动系统
自动调整系统
过程控制系统
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1 自动控制在无人直接参与的情况下，
通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求进行。 2 对象是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体
（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。
3 过程称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。
4 系统完成一定任务的一些元、
部件的组合。
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5 扰动
6 反馈控制扰动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。
反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）
之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。
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反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。
应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。
7 反馈控制系统
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随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置
（或速度或加速度）控制系统是同义语。
在现代工业中，广泛采用着随动系统。
8 随动系统
9 过程控制在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。
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热力系统的例子热力系统的人工反馈控制蒸 汽冷 水热 水温 度 计图 1 - 1 热 力 系 统 的 人 工 反 馈 控 制排 水
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热力系统的自动反馈控制自 动 控 制 器热 水冷 水蒸 汽温 度 测量 装 置排 水图 1 - 2 热 力 系 统 的 自 动 反 馈 控 制控 制 阀
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1.3 闭环控制与开环控制
反馈控制系统
开环控制系统
闭环与开环控制系统的比较
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1.3.1 反馈控制 系统
1 反馈把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。
能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。
2 反馈控制系统
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3 闭环控制凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。输入信号和反馈信号
（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说,,闭环,
这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。
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控 制 器对 象或 过 程测 量 元 件输 入 量 输 出 量图 1-3 闭环控制系统
2002-09-23 自动控制原理 19
1.3.2 反馈控制系统的基本组成
被控对象
控制装置 (由具有一定职能的各种基本元件组成 )
测量元件：其职能是测量被控制的物理量 ;
给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量
（即参据量）。
比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。
放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。
执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。
校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，
用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。
2002-09-23 自动控制原理 20
输 入 量输 出 量串 联补 偿 元 件放 大 元 件 执 行 元 件 被 控 对 象反 馈补 偿 元 件图 1 － 4 反 馈 控 制 系 统 基 本 组 成测 量 元 件局 部 反 馈主 反 馈为 改 善 系 统 性 能
用,○,号代表比较元件,,—,号代表两者符号相反，
,+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。
2002-09-23 自动控制原理 21
1.3.3 开环控制系统
定义控 制 器对 象或 过 程输 入 量 输 出 量图 1 - 5 开 环 控 制 系 统如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，
这种控制方式称为开环控制系统。
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现代化的工厂
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1.3.4 闭环与开环控制系统的比较
闭环控制系统的特点偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。
开环控制系统的特点顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。
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棉纺厂
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1.4 自动控制系统的分类开环控制闭环控制 (反馈控制 )
复合控制
按控制方式分
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机械系统 —— 恒张力系统电气系统机电系统 —— 全自动照相机，光机电结合液压系统 —— 伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台气动系统生物系统按元件类?
型分
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按系统功用分
温度控制系统
压力控制系统
位置控制系统
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线性系统
非线性系统
连续系统
定常系统
时变系统
确定性系统
不确定性系统按系统性能分
离散系统
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恒值控制系统
随动系统
程序控制系统按参据量变化规律分
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稳定性：
1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。
2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。
稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。
1.5 对自动控制系统的基本要求
1.5.1对自动控制系统性能的基本要求
可以归结为 稳 定性（长期稳定性）,准 确性
（精度）和 快 速性（相对稳定性）。
稳 准 快
2002-09-23 自动控制原理 31
准确性：
用稳态误差来表示。
在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。
快速性：
对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。
稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速,而炮身行动迟缓，
仍然抓不住目标 。
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2）根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。
1.5.2本课程的任务
本课程所要研究的两大课题：
1）对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。
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图 1-6（ a）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。
图 1-6（ b）是该控制系统的方框图。试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图。
例题 1-1
2002-09-23 自动控制原理 34
H
注 入控 制 器
（ 比 较,放 大 ）
Q 1 浮 子流 出
Q 2
（ I ） 原 理 图气 动 阀 门
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希 望 液 位 实 际 液 位放 大 元 件 气 动 阀 门 水 箱浮 子控 制 器 注 入
（ I I ） 控 制 系 统 方 块 图控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件
Q2为系统的干扰量气动阀门：执行机构被控对象：水箱
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眼 睛 － 测 量 装 置 （ 浮 子 ）
手 － 气 动 阀 门头 脑 － 控 制 器,比 较,计 算希 望 液 位 实 际 液 位肌 肉,手 阀 门 水 箱眼 睛
（ I I I ） 相 对 应 的 人 工 操 纵 系 统 方 块 图脑
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有一发电机 -电动机调速系统如图 1-7所示。
其工作原理是操纵者转动操纵电位计的手柄，可使电位计的输出电压 Ur改变大小和方向。经前置放大器和直流发电机两极放大，使加在伺服电机上的端电压也随之改变大小和方向。从而使负载具有所要求的转速。试说明该系统的给定值、被控量和干扰量，并画出方块图。
例题 1-2
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图 1 - 7 发 电 机 - 电 动 机 调 速 系 统操 纵 电位 计发 电 机伺 服 电机减 速 器 负 载
Θ r
给 定 值 U r
前 置 放 大 器 功 放 执 行 元 件被 控 量
W m
这 是 一 个 开 环 控 制 的 例 子
+ E - E
Θ r
U r
操 纵 电 位 计
R 1
R 2
R 3
R 4
放 大 器直 流 发 电 机伺 服 电 机
W d
W m
发 电 机 - 电 动 机 调 速 系 统减 速 器负 载
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参考书
1、现代控制工程 [美 ]Katsuhiko Ogata著第三版
2、自动控制原理 清华 哈尔滨工业大学
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作业
1-1 1-4
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