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自动控制理论 课程学习指导 与解题指导 控制学院自动化系 控制理论教学组 二零零二年九月十八日 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 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器。 自动控制系统 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。 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——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 非线性系统 （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——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。 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RF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R3和R4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BG1进↙行放大，作用于BG2。由BG2对输出电压进行调整，这里的偏差电压仅随U2变化。由BG1反相放大后产生Uc，这是系统的控制量。通过BG2进行输出电压自动调节，维持U2恒定。 假如U2↙，Ua↙，Ib1↙, Uc↗，Ib2↗，UED↙，U2↗。 若U2↗→Ua↗→Ib1↗→Uc↙→Ib2↙→UE