《高等学校自动化类专业系列教材 自动控制原理》赵婧，解江，赵冲，张劼编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《高等学校自动化类专业系列教材 自动控制原理》

【作　者】赵婧，解江，赵冲，张劼编

【丛书名】高等学校自动化类专业系列教材

【页 数】 239

【出版社】 西安电子科学技术大学出版社 , 2021.03

【ISBN号】978-7-5606-5913-8

【价 格】40.00

【分 类】自动控制理论-高等学校-教材

【参考文献】 赵婧，解江，赵冲，张劼编. 高等学校自动化类专业系列教材 自动控制原理. 西安电子科学技术大学出版社, 2021.03.

图书封面：

图书目录：

《高等学校自动化类专业系列教材 自动控制原理》内容提要：

本书主要阐述了单输入、单输出线性定常系统中自动控制的基本理论及其应用。全书共分为6章，主要内容包括：绪论，控制系统的数学模型，线性系统的时域分析法，线性系统的根轨迹分析法，线性系统的频域分析法，线性系统校正。全书内容深入浅出，注重实际应用，各章节都附有较丰富的典型例题及其详解。本书可作为应用型高等院校自动化、电气工程及其自动化、机械工程及其自动化、测控技术与仪器等相关本科专业的教材，也可供从事自动化技术工作的相关专业技术人员参考。

《高等学校自动化类专业系列教材 自动控制原理》内容试读

第1章绪论

第1章绪

论

【内容提要】

自动控制原理是自动化专业重要的理论基础，主要讲述自动控制系统的基本理论和分析、设计控制系统的基本方法。本章主要介绍自动控制系统的基本概念、基本原理和基本方法；开环控制和闭环控制过程；控制系统的类型，以及对控制系统的基本控制要求等内容。

【基本要求】

1.正确理解自动控制的基本概念和控制方式。

2.掌握负反馈的概念，能对开环控制和闭环控制过程进行简单分析。

3.掌握闭环控制系统的基本组成和各环节的作用。

4.正确理解自动控制系统性能的基本要求。

5.了解控制系统的各种分类方法

【教学建议】

本章的重点知识是开环控制与闭环控制的区别，以及闭环控制系统的基本原理和组成，要求学生理解控制系统性能的基本要求，会分析控制系统工作过程实例。建议学时数为4学时。

自动控制技术，是20世纪发展最快、影响最大的技术之一，也是21世纪最重要的高新技术之一，在现代工程和科学技术的众多领域中，自动控制技术都起着越来越重要的作用。

自动控制技术能在无人直接参与的情况下，高速度和高精度地自动完成对控制对象的运动控制，实现生产过程自动化，改善劳动条件，提高劳动生产率和经济效益，使人们从繁重的体力劳动和单调重复的脑力劳动中解放出来。如在军事装备上，自动控制技术大大地提高了武器装备的威力和精度；在航空航天探索方面，自动控制技术可缩短实验时间，建立地面站与航天飞船的监控、控制、故障诊断及通信；在日常生活中，自动控制技术使我们的生活更加便捷和高效。近十几年来，计算机技术的飞速发展和控制理论的发展使得自动控制技术所能完成的任务更加复杂，应用的领域也越来越广。可以说，自动控制理论的概念、方法和体系已经渗透到工业生产、军事、航空航天、农业、生物医学、交通运输、企业管理、日常生产和生活等广阔领域，并对各学科之间的相互渗透起到促进作用。在今天的社会中，自动化装置无处不在，对人类改造大自然、探索新能源、发展空间技术和促进人类文明进步具有十分重要的意义，并做出了巨大贡献。导弹能够准确地命中目标，人

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自动控制原理

造卫星能按预定的轨道运行并始终保持正确的姿态，宇宙飞船能准确地在月球着陆并重返地球，中国自行设计、自主集成研制的蛟龙号载人潜水器最大下潜深度达到了7000多米，对于深海资源的开发和利用有重要意义，这些都是以应用高水平的自动控制技术为前提条件的。所以，很多工程技术人员都必须具备一定的自动控制理论知识，以便能够设计和使用自动控制系统。

自动控制原理主要讲述自动控制的基本理论和分析、设计控制系统的基本方法。控制原理包括经典控制理论和现代控制理论。经典控制理论在20世纪50年代已经发展成熟，它主要以传递函数为工具和基础，以时域、频域和根轨迹法为核心，研究单变量控制系统的分析和设计，至今在工程实践中仍得到广泛的应用。现代控制理论从1960年开始得到迅速发展，它以状态空间方法作为标志和基础，研究多变量控制系统与复杂系统的分析和设计，以满足军事、空间技术和复杂的工业领域对精度、重量、加速度和成本等方面的严格要求。本书主要介绍经典控制理论。

1.1自动控制的基本概念

自动控制系统是指在没有人直接操作的情况下，通过控制器使一个装置（控制对象）自动地按照给定的规律运行，使被控对象中的物理量能在一定要求范围内按照某些给定的控制规律变化的系统。

自动控制系统是在人工控制系统的基础上发展起来的。以图1-1所示的系统为例，要求

手

水箱中的液位保持恒定。在人工控制系统中，进水当出水量发生变化时，水箱中的液位会上下变

进水阀

动，操作人员通过眼睛观察液位计中液位的高低，然后再通过神经系统告诉大脑，大脑将其

眼

与要求的液位进行比较，如果当前液位高于要求值，则大脑发出控制命令，手动控制减小进

出水

水阀的开度或者关闭进水阀；如果当前液位低

出水阀

水箱

于要求值，则大脑发出控制命令，手动控制增大进水阀的开度，最终使水箱中的液位达到要

图1-1水箱液位人工控制系统

求的高度。

在人工控制系统中，人的眼、脑和手分别起到了检测、运算和执行命令等3个作用，以保证水箱液位的恒定。而在自动控制系统中，利用控制装置代替人的眼、脑和手来完成水箱液位恒定的控制要求，那么自动控制系统是如何实现对这些物理量控制的呢？

自动控制系统主要由被控对象和自动控制装置组成，利用自动控制装置代替人直接参与。图1-2所示的是水箱液位自动控制系统，其要求保持液位恒定。其中，为进水量，9为出水量，h为液位高度。为了控制好水箱液位，首先用压力传感器检测当前液位高度，并将检测值送人智能控制仪中与设定好的给定值进行比较，然后根据偏差信号的大小及方向发出控制信号，控制进水阀的开度，最终实现液位恒定的自动控制。

第1章绪论

5

图1-6为一开环控制系统，输入电压通过电动机控制机械轴的转角。输入电压1经过放大器后，其输出电压为u2=k141,式中，k1为放大器的放大系数。电压2加到电动机的力矩传感器上，如果忽略电动机控制绕组的电感，则电动机的输出力矩为M=k22=kk21,式中，k2为电动机的系数。在电动机力矩的作用下，机械轴将产生转动，由于受到

阻尼器强性摩擦和弹簧恢复力矩的作用最后停止在平衡位置上。此时，转角0与力矩M的

关系为0=k,M=kk1k21,式中，k,为弹簧系数，该式表示输入电压和转角的关系，即表述了该系统输人与输出的关系。

扰动

转角阻尼器力矩机械轴弹簧

放大器

电动机

Ma

图1-6开环控制系统

如果该系统中的放大器、电动机和弹簧等都是线性的，即k1、2、k,都是常数，那么机械轴的转角就能准确地反映外加电压的大小，系统就没有误差；如果该系统中存在随机扰动，例如机械轴受到随机干扰力矩M:的作用，那么机械轴的转角O=k,k1k21一k,M:。由此可见，干扰将引起误差。显然，开环控制系统的抗干扰能力较差。

1.2.2闭环控制系统

为了解决开环控制系统存在的问题，把系统的输出量通过检测变送装置反馈到它的输入端，并与参考输入量相比较，即系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对系统的控制作用有直接影响，这种控制方式叫作反馈控制，也称闭环控制。闭环控制系统不仅有前向通道，而且还有反馈通道，若反馈信号与输入信号相减，称为负反馈；反之，若二者相加，则称为正反馈，但正反馈不能达到自动控制的目的，所以一般说的反馈控制都指的是负反馈。

闭环控制的实质是利用负反馈来减小偏差，具有自动修正控制量偏离输人的作用，能够很好地抑制各种干扰的影响，以达到精确控制的目的，如图1一7所示。闭环控制系统是

一种最基本、最重要的控制系统，一些较为复杂的控制系统也是以它为基础，再加以改进、完善的。闭环控制系统的结构复杂，负反馈对一切外部或内部扰动都有抑制、克服作用，具有较高的控制精度，是一种被广泛应用的控制方式。但由于它必须在输出量偏离了输人量、产生了偏差后才能施加影响并起作用，最终使系统偏差不断变小，直至为零，所以控制具有延迟性。

输入量

偏差

控制量

输出量

控制器

控制对象

量

反馈环节

图1-7闭环控制系统框图

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自动控制原理

如图1-8所示的电动机转速闭环控制系统就能大大降低负载力矩对转速的影响。例如：负载加大，转速就会降低，通过反馈导致偏差增大，电动机电压就会升高，使得转速又会上升。

给定

ir=常数

电位器

放大器

电动机

测速

发电机

图1-8电动机转速闭环控制系统

闭环系统的作用是检测并纠正偏差，或者说是靠偏差进行控制。系统在工作过程中总会存在偏差，由于元器件的惯性（如负载的惯性）很容易引起振荡而使系统不稳定，因此精度和稳定性之间的矛盾是闭环控制系统要解决的主要矛盾。

在图1-6所示的开环控制系统中，在机械轴上安装一个电位计，用于测量输出转角的实际值。设电位计的反馈系数为k:,输出电压为，把反馈电压u和输入电压1按相反的极性串接起来加到放大器的输入端，这样就构成了反馈控制系统，如图1-9所示。

0十

扰动

转角阻尼器力矩机械轴

4

△

放大器

2

电动机

Ma

位

图1-9反馈控制系统

电位计输出电压为=k0:

放大器输入端电压为△u=山一：放大器输出端电压u2=k1(u1一k0);

电动机的力矩为M=k1k2(u1一k:),式中，k2为电动机系数

在存在干扰力矩M的情况下，机械轴的转角0=k1k2k,(41一k:0)一，M,变换此式，kikzk

k

则0=1十，，kk4一1十k,,kkM。

比较开环和闭环控制下的转角，闭环控制系统中干扰力矩所产生的输出量偏离仅是开环控制系统的十k,,k。如果回路增益1十k:k,k:足够大，干扰力矩将使输出角度的偏差变得很小。显然，闭环控制系统比开环控制系统的抗干扰能力强。

···试读结束···