自动控制原理及应用总学时: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:V+直流电动机激磁电流If=constVr功率放电枢电压激磁回路大器ua转速表人所起的三个作用:(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.自动控制直流电动机转速示意图如下所示:V+直流电动机激磁电流If=constVr电枢电压激磁回路运算器uaue测速发电机基本概念:(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.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:e()tu()tr()t+控制器被控对象c()t±b()t反馈装置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r()tSc()t则:()()ct=Srt,当输入为r1()t时,输出为c()()t1=Sr1t当输入为r2()t时,输出为c()()2t=Sr2,当输入为tr()()()t=αr1t+β2r时,t输出为c()()()()tSr=t=S[α1r+βt2]rt=Srα()()()()t1+βSr2t=α1ct+2βct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:•()n(n−1)actac0()()+1t+L+actactn−()()1+n•()m(m−1)brtbr=0()()+1t+L+mbrtbrt−()()1+m上式中为不随时间