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
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
c o n stI f ?激磁电流
au
电枢电压
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
rV
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
c o n stI f ?激磁电流
au
电枢电压 运算器
?V
rV
eu
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
控制器
)(tr
)(te )(tu
)(tc
)(tb
?
?
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
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(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,
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,
S)(tr )(tc
)()( tSrtc ?,当输入为 )(1 tr 时,输出为 )()( 11 tSrtc ?
当输入为 )(
2 tr
时,输出为 )()(
22 tSrtc ?
,当输入为
)()()( 21 trtrtr ?? ?? 时,输出为
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2121
21
tctctSrtSr
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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,
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1
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1
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上式中
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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,
)(tu
)(tr
线性部分 )(tr )(tu )(tc
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,
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
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
c o n stI f ?激磁电流
au
电枢电压
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,
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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
c o n stI f ?激磁电流
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电枢电压 运算器
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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
控制器
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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
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(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,
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,
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当输入为 )(
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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,
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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,
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线性部分 )(tr )(tu )(tc
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,
