北京航空航天大學(xué)自動(dòng)控制理論課件和習(xí)題

課程名稱(chēng):自動(dòng)控制原理B

先修課程:高等數(shù)學(xué),大學(xué)物理A,電路分析B

教材:自動(dòng)控制原理(高教版)參考教材:[1]

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

李友善主編.自動(dòng)控制原理.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1981[4]胡壽松主編.自動(dòng)控制原理.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1994[3]程鵬主編.自動(dòng)控制原理.北京:高等教育出版社,2003一、課程目標(biāo)課程的目標(biāo)是獲得自動(dòng)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(shè)計(jì)方法,特別是對(duì)機(jī)械制造自動(dòng)化系統(tǒng)中有關(guān)控制問(wèn)題的分析研究方法,為將來(lái)研究設(shè)計(jì)這類(lèi)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。二、課程內(nèi)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(shù)學(xué)模型第三章時(shí)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(fù)域分析法－根軌跡法(自控(二))第七章、采樣數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容

課程開(kāi)設(shè)三個(gè)實(shí)驗(yàn),包括:(1)自動(dòng)控制系統(tǒng)及其穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn);(2)自動(dòng)控制系統(tǒng)元件頻率特性測(cè)定實(shí)驗(yàn);(3)自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正實(shí)驗(yàn)。學(xué)時(shí)：6學(xué)分：0.5四、考核方式課程考核采用百分制,其中平時(shí)成績(jī)占20%,期末考試成績(jī)占80%。期末考試采用閉卷筆試的方式進(jìn)行考核。

1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制，是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置(稱(chēng)為控制器或控制裝置)，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程(統(tǒng)稱(chēng)被控對(duì)象)的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)(統(tǒng)稱(chēng)被控量)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)Ρ豢刂茖?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。第一章緒論水位自動(dòng)控制系統(tǒng)一、技術(shù)術(shù)語(yǔ)1.被控對(duì)象:是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。3.控制器：又稱(chēng)調(diào)節(jié)器、控制裝置，由控制元件組成，它接受指令信號(hào)，輸出控制作用信號(hào)于被控對(duì)象。2.被控量：表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的的物理參量(或狀態(tài)參量)，如轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、電壓、位移等。4.給定值或指令信號(hào)r(t)：要求控制系統(tǒng)按一定規(guī)律變化的信號(hào)，是系統(tǒng)的輸入信號(hào)。5.干擾信號(hào)n(t)：又稱(chēng)擾動(dòng)值，是一種對(duì)系統(tǒng)的被控量起破壞作用的信號(hào)。6.反饋信號(hào)b(t)：是指被控量經(jīng)測(cè)量元件檢測(cè)后回饋送到系統(tǒng)輸入端的信號(hào)。7.偏差信號(hào)e(t)：是指給定值與被控量的差值，或指令信號(hào)與反饋信號(hào)的差值。二、自動(dòng)控制的任務(wù)在沒(méi)有人直接參與下，利用控制裝置操縱被控對(duì)象，使被控量按照給定值的規(guī)律變化。或上式是自動(dòng)控制任務(wù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。三、反饋控制原理在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控量是要求嚴(yán)格加以控制的物理量；而作為對(duì)被控對(duì)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(wù)。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(chēng)為反饋控制系統(tǒng)。

在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加控制作用，而控制裝置接受的信號(hào)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(jù)偏差值的大小產(chǎn)生控制作用，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。

汽車(chē)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(yīng)具有三種基本職能，即測(cè)量、比較和執(zhí)行。

1.測(cè)量元件:用以測(cè)量被控量或干擾量

。

2.比較元件將測(cè)量元件檢測(cè)到的被控量的實(shí)際值與給定值相比較，計(jì)算求出二者間的偏差。4.執(zhí)行元件直接推動(dòng)被控對(duì)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(hào)放大，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。參與控制的信號(hào)來(lái)自三條通道:即給定值、干擾量、被控量。1.2自動(dòng)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(diǎn)：信號(hào)按箭頭傳遞是封閉的（閉環(huán)），負(fù)反饋和按偏差控制。因此閉環(huán)控制也被稱(chēng)作反饋控制、偏差控制。

主要優(yōu)點(diǎn)：控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)。二、開(kāi)環(huán)控制

1.按給定值控制

開(kāi)環(huán)控制框圖特點(diǎn)：控制裝置只接受給定值來(lái)控制受控對(duì)象的被控量。優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本低。缺點(diǎn)：對(duì)可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒(méi)有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。2.按干擾補(bǔ)償

按干擾補(bǔ)償框圖3.復(fù)合控制復(fù)合控制框圖1.3對(duì)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(duì)于穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，被控量偏離期望值后，經(jīng)過(guò)一段過(guò)渡時(shí)間后，被控量應(yīng)恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。對(duì)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(huì)越來(lái)越大，最終發(fā)散?？刂葡到y(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線(xiàn)二、快速性

快速性即動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間長(zhǎng)短。過(guò)程時(shí)間越短，說(shuō)明系統(tǒng)的快速性越好，過(guò)程時(shí)間持續(xù)越長(zhǎng)，說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以實(shí)現(xiàn)快速變化的指令信號(hào)。穩(wěn)定性和快速性反映了系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程的性能。

控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程三、準(zhǔn)確性

當(dāng)系統(tǒng)結(jié)束過(guò)渡過(guò)程后，被控量達(dá)到穩(wěn)定值（平衡狀態(tài)），這個(gè)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(biāo)，反映了動(dòng)態(tài)過(guò)程后期的性能。1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

在分析自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)明確下面的一些問(wèn)題:

1.被控對(duì)象是什么？被控量是什么？作用在被控對(duì)象上的主要干擾信號(hào)有哪些？

2.通過(guò)操縱哪個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)改變被控量？即確定執(zhí)行元件。

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

4.指令信號(hào)或給定值是由哪個(gè)裝置提供的？

5.如何實(shí)現(xiàn)各信號(hào)的綜合比較、計(jì)算和判斷偏差？

一、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

首先應(yīng)明確：1.被控對(duì)象：渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)2.被控量：渦輪轉(zhuǎn)速nc3.執(zhí)行元件：即是改變供油量的機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)中與柱塞泵的斜盤(pán)以及和斜盤(pán)相聯(lián)接的油缸活塞。斜盤(pán)傾角不同，泵在同樣轉(zhuǎn)速下供油量就不同。4.轉(zhuǎn)速測(cè)量：靠離心塊（轉(zhuǎn)速傳感器）來(lái)完成轉(zhuǎn)速不同，離心塊產(chǎn)生的離心力不同，作用在滑閥上（分油活門(mén)）的力的大小就代表了轉(zhuǎn)速的大小。5.轉(zhuǎn)速給定：由油門(mén)的位置給定，油門(mén)位置不同，作用在