平顶山学院教案
第一章 自动控制系统概念
【教学目的】
1了解自动控制系统的工作原理、分类和特点。 2．掌握负反馈在自动控制系统中的作用。 3．掌握自动控制系统的组成和各部分的作用。
4．根据工作原理图，确定控制系统的被控对象、控制量和被控制量正确 画出系统的方框图。
5．了解对控制系统的要求。 【教学重点】
1 闭环系统（或反馈系统）的特征：采用负反馈，系统的被控变量对控制作用有直接影响，即被控变量对自己有控制作用 。
2 典型闭环系统的功能框图。 【教学难点】
由系统的物理结构图或工作原理示意图绘出系统元件框图。 【教学方法及手段】
通过课堂授课讲解几个典型例题使学生对概念能够理解，建立负反馈概念，并举一些生活例子来说明。 【课外作业】
系统分析例题，完成课后习题1-1，1-4。 【学时分配】 2课时。 【教学内容】 第一节
一些重要的概念与名词
自动控制 在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程按照预定的规律运行。
自动控制系统 由控制器和被控对象组成，能够实现自动控制任务的系统。 被控制量 在控制系统中．按规定的任务需要加以控制的物理量。
控制量 作为被控制量的控制指令而加给系统的输入星．也称控制输入。
扰动量 干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入或干扰掐入。
反馈 通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。 反送到输入端的信号称为反馈信号。
负反馈 反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。 负反馈控制原理 检测偏差用以消除偏差。将系统的输出信号引回插入端，与输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。
开环控制系统 系统的输入和输出之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。开环控制又分为无扰动补偿和有扰动补偿两种。
(l)无扰动补偿开环控制原理方框图如图1．1(a)所示。信号由控制信号到被控制信号单向传递，对扰动引起的误差无补偿作用。这种方式结构简单，适用于结构参数稳定、扰动信号较弱的场合。(2)有扰动补偿开环控制如图1．1(b)所示。利用对扰动信号的测量，补偿扰动对被控制量的影响。由于扰动信号经测量装置、控制器至被控对象是单向传递的．所以属于开环控制。对于不可测扰动及各元件内部参数变化给被控制量造成的影响，系统无抑制作用。
平顶山学院教案
闭环控制系统 凡是系统输出端与输入端存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接影响的系统，叫作闭环控制系统。
自动控制原理课程中所讨论的主要是闭环负反馈控制系统。
复合控制系统 复合控制系统是一种将开环控制和闭环控制结合在一起的控制系统。它在闭环控制的基础上，用开环方式提供一个控制输入信号或扰动输入信号的顺馈通道，用以提高系统的精度。
第二节 自动控制系统组成
闭环负反馈控制系统的典型结构如图1．2所示。组成一个自动控制系统通常包括以下基本元件
1．给定元件
给出与被控制量希望位相对应的控制输入信号(给定信号)，这个控制输入信号的量纲要与主反馈信号的量纲相同。给定元件通常不在闭环回路中。
2．测量元件
测量元件也叫传感器，用于测量被控制量，产生与被控制量有一定函数关系的信号 被控制量成比例或与其导数成比例的信号。测量元件的精度直接影响控制系统的精度应使测量元件的精度高于系统的精度，还要有足够宽的频带。
3．比较无件
用于比较控制量和反馈量并产生偏差信号。电桥、运算放大器可作为电信号的比较元件。有些比较元件与测量元件是结合在一起的，如测角位移的旋转变压器和自整角机等。
4．放大元件
对信号进行幅值或功率的放大，以及信号形式的变换．如交流变直流的相敏整流或直流变交流的相敏调制。
5．执行元件
用于操纵被控对象，如机械位移系统中的电动机、液压伺服马达、温度控制系统中的加热装置。执行元件的选择应具有足够大的功率和足够宽的频带。
6．校正元件
平顶山学院教案
用于改善系统的动态和稳态性能。根据被控对象特点和性能指标的要求而设计。校正元件串联在由偏差信号到被控制信号间的前向通道中的称为串联校正；校正元件在反馈回路中的称
为反馈校正。 7．被控对象
控制系统所要控制的对象，例如水箱水位控制系统中的水箱、房间温度控制系统中的房间、火炮随动系统中的火炮、电动机转速控制系统中电机所带的负载等。设计控制系统时，认为被控对象是不可改变的，它的输出即为控制系统的被控制量。
8．能源元件
为控制系统提供能源的元件，在方框图中通常不画出。
第三节 对控制系统的基本要求
1．稳定性
稳定性是系统正常工作的必要条件。 2．准确性
要求过渡过程结束后，系统的稳态精度比较高，稳态误差比较小．或者对某种典型输入信号的稳态误差为零。
3．快速性
系统的响应速度快、过渡过程时间短、超调量小。系统的稳定性足够好、频带足够宽，才可能实现快速性的要求。 【自学内容】
学习相关的电路知识和电机拖动知识。预习2-1。
第二章 控制系统的数学模型
第一节 控制系统的时域数学模型
【教学目的】．
掌握元件和系统微分方程式的建立 【教学重点】
建立系统的微分方程，绘制动态框图并求传递函数。 建立系统的微分方程的步骤如下：
(1)明确输入量与输出量。输人量是加到系统中的外来变量，它不受系统中的各变量的影响。输出量是我们要研究的系统中的变量。
(2)列写原始方程(组)。当系统较复杂、涉及变量多时，为了列写和整理方便，可以设中间变量，并按照由输出量到输入量，或由输入量到输出量的顺序列写。
(3)消去中间变量，仅剩输入量、输出量及其导数。为了实现这一步，原始方程的个数应比中间变量的个数多1个。
(4)将微分方程整理成标准形式，即输出量在方程左边．输入量在方程右边，并按照变量导数的降阶次序排列。 【教学难点】
平顶山学院教案
求复杂物理系统的微分方程。
对于力学系统，要用到牛顿第二定理。对于电网络，要用到节点电流定律和回路电压定律。求电网络的传递函数常用运算阻抗的方法。 【教学方法及手段】
通过课堂授课讲解几个典型例题使学生对概念能够理解，建立微分方程的概念，并
会求微分方程。 【课外作业】 习题2-3。 【学时分配】 2课时。 【教学内容】
控制系统是由控制对象、执行机构、放大器、检测（测量）装置和控制器等组成。
数学模型： 在分析和设计系统时，了解这些砖砖瓦瓦的工作原理及运动过程是很重要的，更重要的是深入研究它们的动态特性，正确列写出它们的数学表达式。我们把描述系统或元件的动态特性的数学表达式叫做系统或元件的数学模型。深入了解元件及系统的动态特性，准确建立它们的数学模型称为建模，只有得到较为准确的数学建模，才能设计出性能良好的控制系统。
动态特性： 系统所采用的元件种类繁多，虽然各自服从的规律，但它们有一共同点：即任何系统或元件总有物质或能量流入，同时又有某些物质或能量流出，系统通常又是有贮存物质或能量的能力，贮存量的多少用状态变量来表示。状态变量是反应系统流入量或流出量之间平衡的物理量，由于外部供给系统的物质或能量的速率是有限的，不可能是无穷大，因此，系统的状态变量有一个状态变到另一个状态不可能瞬间完成，而要经过一段时间。这样，状态变量的变化就有一个过程，这就是动态过程。例如，电路中电容上的电压是一个状态变量，它由一个值变到另一个值不可能瞬间完成。具有一定惯量的物体的转速是一个状态变量，转速的变化也是一个过渡过程，具有一定质量的物体的温度是一个状态变量，它由温度T0到T，同样有一个动态过程；又如容器中液位也是一个状态变量，液位的变化也要一定的时间。
物理模型： 任何元件或系统实际上都是很复杂的，难以对它作出精确、全面的描述，必须进行简化或理想化。简化后的元件或系统为该元件或系统的物理模型。简化是有条件的，要根据问题的性质和求解的精确要求，来确定出合理的物理模型。
建立控制系统数学模型的方法有
分析法—统各部分的运动机理进行分析，物理规律、化学规律