自动控制原理知识点

第一节自动控制的基本方式一、两个定义：（1）自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使某种设备、装置或生产过程中的某些物理量或工作状态能自动地按照预定规律变化或数值运行的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，称为自动控制。（2）自动控制系统：由控制器（含测量元件）和被控对象组成的有机整体。或由相互关联、相互制约、相互影响的一些元部件组成的具有自动控制功能的有机整体。称为自动控制系统。在控制系统中，把影响系统输出量的外界输入量称为系统的输入量系统的输入量，通常指两种：给定输入量和扰动输入量。给定输入量，又常称为参考较输入量，它决定系统输出量的要求值或某种变化规律。扰动输入量，又常称为干扰输入量，它是系统不希望但又客观存在的外部输入量，例如，电源电压的波动、环境温度的变化、电动机拖动负载的变化等，都是实际系统中存在的扰动输入量。扰动输入量影响给定输入量对系统输出量的控制。自动控制的基本方式二、基本控制方式（3种）1、开环控制方式⑴定义：控制系统的输出量对系统不产生作用的控制方式，称为开环控制方式。具有这种控制方式的有机整体，称为开环控制系统。如果从系统的结构角度看，开环控制方式也可 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达为，没有系统输出量反馈的控制方式。⑵职能方框图任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的方框图表示。就动籀人量i1埼注||敦i伞rat输出512、闭环控制方式⑴定义：系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，参予了系统控制的方式，称为闭环控制方式。如果从系统的结构看，闭环控制方式也可表达为，有系统输出量反馈的控制方式。自动控制的基本方式工作原理开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统输出量即电动机转速并转换为电压。反馈电压与给定电压比较（相减）后，产生一偏差电压，经电压和功率放大器放大后去控制电动机的转速。当系统处于稳定运行状态时，电动机就以电位器滑动端给出的电压值所对应的希望转速运行。当系统受到某种干扰时（例如负载变大），电动机的转速会发生变化（下降），测速反馈电压跟着变化（变小），由于给定电压值未变，偏差电压值发生变化（变大），经放大后使电动机电枢电压变化（提高），从而电动机转速也变化（上升），去减小或消除由于干扰引起的转速偏差。（参阅 教材 民兵爆破地雷教材pdf初中剪纸校本课程教材衍纸校本课程教材排球校本教材中国舞蹈家协会第四版四级教材 ）！⑵闭环控制系统职能框图任何闭环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。扰动输入比3、复合控制方式开环控制方式+闭环控制方式。两种结构：按输入信号补偿；按扰动信号补偿4、控制方式比较（1）从系统组成结构看，开环控制方式简单，复合控制方式复杂，闭环控制方式介于两者间;（2）从性能看，开环控制方式较差，闭环控制方式较好；复合控制方式最好；（3）现代工程应用系统中，闭环控制方式应用最广泛。第二节闭环系统的基本组成基本组成的结构方块图（1）被控对象：要进行控制的设备或生产过程。（例，工作机械）（2）执行机构：作用于被控制对象的装置或设备。（例，电动机）（3）测量装置：用来检测被控量，并将其转换成与给定量相同物理量的装置（例，测速发电机）（4）放大环节：对信号进行放大或能量形式的转换，使之适合执行机构工作。（例，电压放大器，可控硅整流功放）（5）给定环节：产生系统的给定输入信号。（电位器）（6）比较环节：将所测的被控量与给定量进行比较。（7）校正环节：用于改善系统性能的电路。校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。前者称为串联校正环节，后者称为并联校正或（局部）反馈校正环节。前向通道：信号从输入端沿箭头方向到达系统输出端的传输通道，又称正向通道。反馈通道：又可分为主反馈通道和局部反馈通道。系统输出量经由测量装置反馈到系统输入端的传输通道，或简称系统输出量与输入量间的反馈通道，称为主反馈通道。局部部件间反馈通道，称为局部反馈通道。单回路系统：只有一个（主）反馈通道的系统。多回路系统：有二个以上反馈通道的系统。注意：反馈有正、负之分。反馈信号的极性与输入信号的极性相反，从而产生一偏差信号的反馈方式，称负反馈；反馈信号的极性与输入信号的极性相同，称正反馈，正反馈方式只可能在局部反馈中采用；所有闭环系统，都是负反馈控制系统。例题1例：电动机速度控制系统根据图所示的电动机速度控制系统工作原理图’完成】HI将b,C.d用fl也按成贲辰情方*;两出晶挽方梅图.解敢反情通接方式应为—d,相接。因为-放大券输入端的电压应为墀定电压与反强电压两者更差,才产生偏差电压■,根据裁尔霍夫回路电压定律，度疗琵廿，方接”（2）首先,系统中的每个部件客用一方枢表示，各方框内写入该部件的电耕；燃后，根据•系统信号的流向,方块问用带滞关的信号貌连接,如图所示，囹解it速度择制英貌方祖阡例题2例、工业炉温自动控制系统分析系统.的工作原理，指出被控对象、被控筝和给定巍:画出系统方枢EL炉温肯动控制奈貌:解如热炉呆用般是电而热的方式。由女电路》可灿，电热雷产坐的戒4.与调压器械出电压的平方成无比.而调压器输出电压的高低与调压器循动触点的位.置有关，而凌滑劫触点市可逆拮的直流电动机里切.坊子的实际温度用热电骨刹量'经歆大后输由电压为，并作方系统的反情申点与始定申，压站.追行比较，祥出偏*用压也，等柬昆款犬4功率敝大薯敢犬后，作为电动机的电航电乐盟圳电机特动。当加恭炉法栽平断时,所慌电压与编定电压相等，值是电压方事，可逆*动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上.加热申，压不变.滞肢保持恒定的期望值.当伊瞠温度由于某神原因班＜E时，偏差电.厦不丹”电动猊的电担电U也不为队电动机的传讷带功滞动触点上格或下移，使.如斡咽压质化.使炉瞠温废更化，直至炉膛温废的宾际值零于期岌植为1R票蜿中,加熟虾是袖卷对■象，炉温是彼控皆.拾建量是山给走电位.器设定的电压。(2)系境方拒囹木垸中的择*元都件若用-方枢表示，布方H内耳K谖浇作的宕桦，枢蒂泵蛛林号的貌向，方块倒用带布头的估B瓶迷接，加图所示.第三节自动控制系统的分类一、按数学描述形式分类：线性系统和非线性系统线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。重要性质：满足叠加性和齐次性”*1输入分别为电仍、Xr2(Z)时，对应输出为*&)、Xc2(t)少输入相加时,输出帆相加*0)=轮们+工顶)叠加性外当输入为酉『①时，对应输出为齐次性（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。注意：不满足叠加性和齐次性！连续系统和离散系统（1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。（2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。二、按给定信号分类（1）恒值控制系统：给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。（2）随动控制系统：给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。（3）程序控制系统：给定值按一定时间函数变化。如程控机床。三、按系统的功能分类速度控制系统，温度控制系统，位置控制系统等等。第四节对控制系统的基本要求总体上来说，对任何控制系统的基本要求，集中体现在系统性能的''稳定性”、"动态特性”和"稳态特性"三个方面，或简称为"稳"、"快”和"准”。一、稳定性控制系统“稳定性”的定义，有多种表达。一种较通常的表达是，一个处于静止或某一平衡工作状态的系统，在受到任何输入（给定信号或扰动）作用时，系统的输出会离开静止状态或偏离原来的平衡位置；当作用消除后，若系统能回到原来的静止状态或平衡位置，则称系统是稳定的。否则称系统是不稳定的。对于线性定常系统，也可表达为，在阶跃信号作用下，若系统输出会有一个确定值相对应，则称系统是稳定的；若系统输出越来越大，称系统是不稳定的。如图所示稳定性，是系统能否工作的前题条件，是对系统最起码的要求！二、动态特性稳定的控制系统，当受到阶跃输入信号作用后，系统的输出要经历一过程才能达到某一稳定值。系统输出随时间t变化的这一过程称为系统的响应过程。响应过程，又分为动态过程和稳态过程，如图所示。输出*动态特性就是反映系统在动态过程中，跟踪输入或抑制干扰的能力。动态特性好的系统，表现为动态过程具有较好的平稳性、调节时间短且振荡次数少。三、稳态特性统在过渡过程结束后，其输出量的状态一般由稳态特性来描述。稳态误差的大小反映了系统稳态特性的好坏。稳态误差值越小的系统，稳态特性越好，意味着控制精度愈高。注意，对于同一个系统体现稳定性、动态特性和稳态特性的稳、快、准这三个要求是相互制约的。第二章线性系统的数学模型第一节列写系统微分方程人们常将描述系统工作状态的各物理量随时间变化的规律用数学表达式或图形表示出来，这种描述系统各个物理量之间关系的数学表达式或图形称为系统的数学模型。建立数学模型有两种方法：机理分析法和实验辨识法。机理分析法是通过理论推导得出，这种方法是根据各环节所遵循的物理规律来编写；实验辨识法是由实验求取，即根据实验数据通过整理编写出来。本章着重讨论机理分析法。机理分析法通常会先把系统划分为若干个独立的部件（环节），分别求出每个部件（环节）的动态微分方程，然后再合并各部件（环节,）得到整个系统的微分方程列写环节微分方程一、列写环节（部件）微分方程的目的、方法与步骤目的：通过该方程确定环节（部件）的输出量与给定量之间的函数关系。方法与步骤：（1）根据实际情况，确定环节的输入、输出变量。（2）从输入端开始，按信号传递遵循的有关规节列出相关的微分方程。（3）消去中间变量，写出输入、输出变量的微分方程。（4）整理，输入量项=输出量项。例题3例编写运放电路环节微分方程上心解（1）确定输入、输出她为ui、uO片；（2）根据运放电路原理列微分方程一i=iR+ic（3）消去中间变量并整理，可得该电路微分方程n厂刁牡。_%riAH"门—1（.-dt0R{,注：简单山路可3步：数学模型可急略"负号”，例题5•例编写RC电路环节微分方程0IZZ解（1）确定输入、输出量为5、u0叫（2）根据电路原理列微分方程「。二岳+?/0F=C名di（3）消去中间变量，可得该电路微分方程RC=〃dt°'二、系统动态微分方程的编写（1）确定系统输入量、输出量；（2）从输入端开始将系统划分为若干个部件（环节）依有关定理列写各个部件（环节）的方程组；（3）消去中间变量；（4）整理。例题6解系统组成原理方块图确定愉入、输出量为Ug、n根掘力电路、电动机力矩平衡原理列微分方利"女=、（七叫）赁—5cf2ndn七T孔二"十琮芬+心一drdtcguf~Kfn消去中问变辱井骤理得直流调速系统的动态微分方程n血_kt厂++??—D1+孩dt1+—M（1+KJ，K顷&5为正向通道电压放大系数其中硒d2nW牛为系统开环放大系数三、负载效应与相似性负载效应：后一级的部件影响前一级的输出量。在建立系统微分方程时，若在部件（环节）划分时没有考虑负载效应，即部件（环节）间存在的耦合关系，将不能得到系统准确的微分方程。例题8举例列写电暮、姬网络的微分方程，其中［伪输入用压，欲求以电容两端电压&为输出的微分方程。IIRI■R分析：方法一：视为两环节串联从第…个电容、电阻网络环节列出微分方程当at从第一个电容、电阻网络环节列出微分方程：RC的乏十叫-UTOC\o"1-5"\h\zdt°01代入上式中得二（RC丁+2RC虹+甘=u.7dt2dt°J方法二：视为,个环节,氏列出电路方程二、二^―1E百）。=括）C=%-询-!f-a）dt=0土、曲,-3泌=°£如=%利川拉氏变换，并消除中间变量’可以解得：17方法…的结果不够准确"方法二的结果准确。但实际上第一个网络和第：个网络之间存在负载效应（桐合），因此严格来说，它们不能划分为独立的两个坏节串联。若在上述两个RC网络间加入电压跟随器进行隔离，消除负载效应，则方法一合理。相似性：以上例中的物理部件（环节）不尽相同，但它们的数学模型却可以是相同的。我们把具有相同数学模型的不同物理系统称之为相似系统。在相似系统中，占据相应位置的物理量称为相似量。对于同一个物理系统，当输入量、输出量改变时，所求出的数学模型却是不同的。线性化原理，设非线性方程为勺'-而为，工作点为H二/（%）「其各阶导数均存在，则可在工作点附近展开成泰勒级数V-/（QT令）顶，F）+“会气少-啧+…当（r-r0）很小时，忽略二次以上导数项厂.血）十（籍）声F）dr或可表达为^一况=上（尸-啪颂=fcV筒写为y=kr式中*=（擎）"这就是非线性化方程，这种线性化方法叫做小偏差方法。注意：1•非线性方程必为连续。原因：断续的方程不能用台劳级数展开，因此不能采用此方法，这类非线性称为本•非线性。2.K值与工作点的位置有关。233.考虑增量AX较小°第三节传递函数一、传递函数的定义线性系统在零初始条件下，输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比。线性定常系统微分方程的一般表达式：a竺+a^：^L+..・+a空+ay=b血+..・+brndtnn-1dtn-11dt0mdtm0在初始情况为答时，两端取拉氏变换:y(幻+口I矿一项s)+…+%川)=bsl,!R(s)++朝(时整理得:G(s)=Y(s)/R(s)+牝E+……+姑+4+巳?_］氏*1+…***■+QS+L式中Y(s)输出量的拉氏变换;R(s)输入量的拉氏变换+W(s)为系统或耳节的传递系数，例题9例2—9图为集成元件和R、C组成的运算放大器，求其传递函数，■e.fOj|I勺解封于R,L、C蛆成的电路或运算放大器，用尊子阻抗方法求传递函数较方便，该电路输入立路和反馔支路的算了阻抗分别为7心)一凡心=小土山《模拟电路》，理想这算放大器的输入阻抗为无穷太，叫视为“虚断”，I司时，B点可视为“虚地”・所以")乙(5)Z2(s)故有〜、UJs)2，(时是&+1话—11——z—z—")刑司R^Cs7sr=RnCT=R^、注意*传递函数是一种数学模型,往往不赋予任负号”，所以上式中的“负号冲常雀略；传递函数有无量纲.山其输入量和输出量决定。山于运算放大器的输入量和输出量都是电压(V)，所以上式的传递函数是无量纲的”例求他励It流电动机的传递函数.解以电枢电压为输入量，转速为输出量的微分方程己山式（2-22）给出丁丁d%丁珈_七■s>在初始条件为零时，对上式进行拉氏变换“丁、了u兀）（罕*+如+1）N（砂二3他励］'［流电动机的传函外）二旦二］"）弓（罕*+"+1）二、传递函数主要特点传递函数的概念只适应于单输入-单输入线性定常系统。传递函数只与系统本身的特性 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 有关，而与输入量变化无关。传递函数不能反映非零初始条件下系统的运动规律。传递函数分子多项式阶次低于或至多等于分母多项式的阶次。分母称为特征多项式；令特征多项式等于0，称为系统特征方程式;系统特征方程式的根，为系统特征根，亦称为系统极点。三、传递函数三种表达式传递函数的多项式比的表达形式传递函数的零极点表示形式JttH（土）勺+右孔$心++弓占+勺Fn（5十巴）>13.传递函数的时间常数表示形式小3+寿—1_昭口©+1）3/―1\.、/MW—171JTn（々+i）例己知系统的传递函数g⑴-4厂112?+10^+2对应的零极点表达式和时间常数表达式。，侔霎极点的形式为G($)_二+1_4(s+另)(5十均&+10S+2可八%"柘)％十%)(_羚时间常数表达式为rx4e+14s十］八-4$十1〜12k—10s—22(6^+5541)'(2^+1)(3j+1)四、典型环节的传递函数比例环节(放大环节/无惯性环节)特点：输入量与输出量的关系为一种固定的比例关系。(2)惯性环节特点：只包含一个储能元件，使其输出量不能立即跟随输入量的变化，存在时间上的延迟。3)积分环节特点：输出量随时间成正比地无限增加。G（占）-—sR⑸.斥~坦s）.5)微分环节特点：是积分环节的逆运算，其输出量反映了输入信号的变化趁势。实践中，理想的微分环节难以实现。G(s)=sG(s)=®+lG(s)=C+2呼+1(6)延迟环节(时滞环节、滞后环节)特点：输出信号经过一段延迟时间T后，可完全复现输入信号第四节系统结构图及其等效变换“结构图”是“动态结构图”的简称，也称为“方框图”。因为该图是将系统中各部件的功能及其相互关系用图形表示，所以，又称它为控制系统(或环节)图形化的一种数学模型，是分析、 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 系统时最常使用的一种数学模型之一。一、结构图的组成要素及绘制方法1、组成要素系统(或环节)的结构图，由4种基本图形组成。信号线：带箭头的直线，箭头表示信号传递方向。引出点(分离点)：表示信号引出或测量的位置。比较点(相加点)：对两个以上信号加减运算。方框：方框图内输入环节的传递函数。2.动态结构图的绘制步骤：确定系统输入量与输出量。将复杂系统划分为若干个典型环节。求出各典型环节对应的传递函数。作出相应的结构图。按系统各变量的传递顺序，依次将各元件的结构图连接起来。例题12例发电机删磁控制系统,试绘制该系统的结构图，.解系统是由五个环节组成；比较环节.放大环节环也励稽问路环节、发电机电枢环节和反馈环节•分别求出这些环节的微分方程，并在零初始条件下进行拉氏变换，求出各环节的传递函数.比较环节放大环忻⑶励磁问路环节C4＞发电机电枢环节C5＞反愦环节U^')=Us-ZJ^)e)f)按信号顺序连接发电机励磁控制系统结构图强调指出：同一个系统，划分的环节不同，结构图也会不同。也就是说，对于一个系统，结构图并不是唯一的。但对同一个系统绘出的不同结构图中，系统输入信号与输出信号之间的传递关系，即系统的传递函数，一定是相同的。二、结构图的等效变换分析系统时往往要对结构图进行等效变换。变换所遵循的原则是，变换前后其输入-输出变量间的传递关系必须保持不变。。（一）环节的合并法则一环节串联，传递函数相乘。法则二环节并联，传递函数相加。法则三反馈连接的等效传递函数。（二）信号相加点及分支点的移动法则四相加点从环节输入端移到输出端法则五相加点从环节输出端移到输入端法则七分支点从环节输出端移到输入端/?(£)GM)*G(s)y（£）法则八两个分支点、相加点间可以相互换位。相加点和分支点之间一般不能换位。