自动控制原理教案自控学习与解题指导1.doc

>>vv自动控制理论课程学习指导与解题指导理工学院自动化系二零零三年七月第一章自控理论基本概念本章作为绪论，已较全面地展示了控制理论课程的全貌，叙述了今后 在课程的学习中要进行研究的各个环节内容和要点，为了今后的深入学习 和理解，要特别注意本章给出的一些专业术语及定义1基本要求（1） 明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、被控量、控制装置和 自控系统等概念2） 正确理解三种控制方式，特别是闭环控制3 ）初步掌握由系统工作原理图画方框图的方法，并能正确判别系统 的控制方式4） 明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别 是按数学模型分类的方式5） 明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义2. 内容提要及小结（1） 几个重要概念自动控制 在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象的被 控量自动地按预先给定的规律去运行自动控制系统指被控对象和控制装置的总体这里控制装置是一个广 义的名词，主要是指以控制器为核心的一系列附加装置的总和共同构成 控制系统，对被控对象的状态实行自动控制，有时又泛称为控制器或调节被控对象自动控制系统跆定元件 测量元件 控制装置（控制器）较元件放大兀件执行元件校正元件负反馈原理 把被控量反送到系统的输入端与给定量进行比较，利用 偏差引起控制器产生控制量，以减小或消除偏差。

2） 三种基本控制方式实现自动控制的基本途径有二：开环和闭环实现自动控制的主要原则有三：主反馈原则一一按被控量偏差实行控制补偿原则 按给定或扰动实行硬调或补偿控制复合控制原则 闭环为主开环为辅的组合控制3 ）系统分类的重点重点掌握线性与非线性系统的分类，特别对线性系统的定义、性质、#判别方法要准确理解线性系统描述■ '常系数微分方程宀常传递函数疋吊频率特性状态方程时域法分析法根轨迹法'频率法状态方程非线性系统时变丿I'变系数微分方程、状态方程分析法』时域法"、状态空间法描述J非线性微分方程I状态方程分类'非本质一出T线性化法」本质一 分析法Ti状态空间法•描述函数法相平面法##(4) 正确绘制系统方框图绘制系统方框图一般遵循以下步骤：① 搞清系统的工作原理，正确判别系统的控制方式② 正确找出系统的被控对象及控制装置所包含的各功能元件③ 确定外部变量(即给定值、被控量和干扰量) ，然后按典型系统方框图的连接模式将各部分连接起来5) 对自控系统的要求对自控系统的要求用语言叙述就是两句话：要求输出等于给定输入所要求的期望输出值；要求输出尽量不受扰动的影响恒量一个系统是否完成上述任务，把要求转化成三大性能指标来评价：稳定 系统的工作基础；快速、平稳 动态过程时间要短，振荡要轻。

准确一一稳定精度要高，误差要小解题示范例1-1 图1— 1为液位自动控制系统示意图 在任何情况下，希望液面 高度C维持不变试说明系统工作原理，并画出系统原理方框图图1—1液位自动控制系统解：1、工作原理：闭环控制方式当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度， 使水箱中流入水量和流出水量相等，从而液面保持在希望高度上当进水 或出水量发生变化，例如液面下降，通过浮子和杠杆检测出来，使电位器 电刷从中点位置上移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通 过减速器开大阀门开度，使液位上升，回到希望高度电位器电刷回到中 点，电动机停止2、被控对象是水箱，被控量是水箱液位，给定量是电位器设定位置 （代 表液位的希望值）主扰动是流出水量系统的方框图如图1—2所示控制器 注入（II）控制系统方块图图1 — 2液位自动控制系统方框图例1 — 2图1—3为自动调压系统试分析系统在负载电流变化时的稳压过程，并绘出系统方框图图1 - 3自动调压系统解：1、工作原理：顺馈控制当负载电流If变化时，发电机 G的电枢绕组压降也随之改变，造成端 电压不能保持恒定，因此，负载电流变化对稳压控制来说是一种扰动。

采 用补偿措施，将电流If在电阻R上的压降检测出来，通过放大，来改变发 电机的励磁电流If，以补偿电枢电压的改变，使其维持恒定2、被控对象是发电机 G,被量是电枢端电压 UF，给定值是励磁电压 UF， 扰动量是负载电流If系统方框图为1 — 4所示图1-4自动调压系统方框图例1 — 3直流稳压电源原理图为图 1 — 5所示，试画出方框图，分析工 作原理图1—5 直流稳压电源原理图解：1、工作原理：反馈控制实际输出电压U2由F3和R组成分压器检测出来，与给定值Uw进行比较, 产生的偏差电压 BG进/行放大，作用于BG由BG对输出电压进行调整, 这里的偏差电压仅随 U2变化由BG反相放大后产生UC，这是系统的控制量 通过BG进行输出电压自动调节，维持 U2恒定假如 U2/, Ua/, Ibl/ , Uc/, Ib2/, UEd/, U2/若 U2/f Ua/f I bl UC /f I b2 /f LEd/t U2 /图1 — 6稳压电源方框图Ui是系统的供电输入电压，若电网波动，也会使 U变化因此，对系统来说，Ui的变化是造成 U2电压波动的干扰因素，属于扰动信号，也可以 通过反馈回路加以抑制。

2、控对象不是一个具体的设备，而是一个稳压过程，被控量是输出电 压U2，给定值是 U,扰动量是U当然，当系统输出接负载后，负载的变 化，将对输出电压产生直接的影响，是主扰动例1-4角位置随动系统原理图如图 1 — 7所示系统的任务是控制工作机械角位置 Q，随时跟踪手柄转角 Q试分析其工作原理，并画出系统方框图图1 — 7角位置随动系统原理图解：1、工作原理：闭环控制只要工作机械转角9 C与手柄转角9 r 一致，两环形电位器组成的桥式电 路处于平衡状态，无电压输出此时表示跟踪无偏差电动机不动，系统 静止如果手柄转角9 r变化了，则电桥输出偏差电压，经放大器驱动电动机转 动通过减速器拖动工作机械向 9 r要求的方向偏转当9 c= 9 r时，系统达 到新的平衡状态，电动机停转，从而实现角位置跟踪目的2、系统的被控对象是工作机械，被控量是工作机械的角位移给定量是手柄的角位移控制装置的各部分功能元件分别是：手柄完成给定，电 桥完成检测与比较，电动机和减速器完成执行功能系统方框图见图1—&图1-8 位置随动系统方框图 第二章自控系统的数学模型本章讲述的内容很多，牵扯到数学和物理系统的一些理论知识 ，有些需要进一步回顾，有些需要加深理解，特别是对时间域和复频率域的多种数学描 述方法，各种模型之间的对应转换关系， 都比较复杂。

学习和复习好这些基础理论，对下一步深入讨论自控理论具体方法至关重要1、 基本要求（1 ）确理解数字模型的特点，对系统的相似性、简化性、动态模型、静 态模型、输入变量、输出变量、中间变量等概念，要准确掌握2） 了解动态微分方程建立的一般方法及小偏差线性化的方法3 ）掌握运用拉氏变换解微分方程的方法，并对解的结构，运动模态与 特征根的关系，零输入响应，零状态响应等概念，有清楚的理解4）会用MATLAB方法进行部分方式展开对低阶的微分方程，能用 部分分式展开法或留数法公式进行简单计算5 ）正确理传递函数的定义、性质和意义，特别对传递函数微观结构的 分析要准确掌握6） 正确理解由传递函数派生出来的系统的开环传递函数， 闭环传递函 数，前向传递函数的定义，并对重要传递函数如：控制输入下闭环传递函数， 扰动输入下闭环传递数函数， 误差传递函数，典型环节传递函数，能够熟练 掌握7） 掌握系统结构图和信号流图两种数学图形的定义和组成方法， 熟练 地掌握等效变换代数法则，简化图形结构，并能用梅逊公式求系统传递函数8） 正确理解两种数学模型之间的对应关系， 两种数学图型之间对应关 系，以及模型和图形之间的对应关系， 利用以上知识，熟练地将它们进行相 互转换。

2、 内容提要及小结本章主要介绍数学模型的建立方法，作为线性系统数学模型的形式，介 绍了两种解析式和两种图解法， 对于每一种型式的基本概念， 基本建立方法 及运算，用以下提要方式表示出来1）微分方程式'物理、化学及专业上的基本定律甘*血人中间变量的作用基本概念简化性与准确性要求J小偏差线性化理论原始方程组直接列写法线性化消中间变量 化标准形R(s) N(s) N(s)由传递函数 c(s^M(S)R(s)r N(s)C(s)二M(s)R(s)转换法L -1 pL》N(p)c(t) =M(p)r(t)——dt》微分方程由结构图，传递函数 > 微分方程 由信号流图，传递函数 > 微分方程方程求解T掌握拉氏变换法求解微分方程丿'零状态解零输入解##常用重要例题建模｛磁场控制直流电动机直流电机调速系统⑵传递函数#定义-比值IS线性定常系统零初始条件一对确定的输入输出##基本概念丿微观结构零点（零极点分布图与运动 模态对应）极点传递函数##r标准解析式丿方程式传递函数#典型环节2零极点分布图单位阶跃响应特性「 d定义法T由微分方程一 传递函数由结构图化简'传递函数由信号流图 梅逊公式、传递函数G（s）=—G匚 （适用于单回路）公式彳| 1 土gk（适用于回路两两交叉）G前##常用重要公式及传递函数#重要传递函数I扰动输入下:R(s)E(s)控制输入下:Gr (s) =3©「(沪2 r I(s) rG (s) C(s) GGd (s) , G dd D(s) d D(s)##（3）结构图#数学模型结构的图形表基本概念相加点、分支点、支路）」可用代数法则进行等效变换 构图基本元素4种（方框、 由原始方程组画结构图##基本方法」用代数法则简化结构图由梅逊公式直接求传递串联相乘并联相加反馈连接=丄向1 +开环i 相加点和分支点移位 函数。

注意几点:1、 相加点与分支点相邻，一般不能随便交换c坐亠存舌E曲々［前向通路的传递函数乘 积保持不变2、 等效原则两条丿、各回路中传递函数乘积 保持不变3、 直接应用梅逊公式时，负反馈符号要记入反馈通路中的方框中去 另外对于互不接触回路的区分，特别要注意相加点与分支点相邻处的情况4、 结构图可同时表示多个输入与输出的关系，这比其它几种解析式模型方便的多，并可由图直接写出任意个输入下总响应如：运用叠加原理， 当给定输入和扰动输入同时作用时，则有 qs) = G(s) &s) + G(s)D(s)(4 )信号流图同结构图一致基本概念井一-'构图元素2种改进—点丿、 有统一的公式求传递函数由原始方程组画信号流图基本方法丿结构图翻译成信号流图代数法则同结构图一。