控制系统的构成和分类

1、 自动控制系统的基本概念 1 自动控制系统示例 2 自动控制系统的基本结构 3 闭环控制和开环控制 4 自动控制系统的分类 5 系统、信息与控制 6 人类两大基本活动 例例1 串联型稳压电源串联型稳压电源 交流 整流整流滤波滤波稳压稳压 恒定直流 t t t t 脉动直流 又称为电压调节器又称为电压调节器 voltage regulatorvoltage regulator 因为因为VO =VI- -VR，当，当VI，引，引 起起 Vo ,调节调节 R ，则，则 VR ，Vo . 如果如果 IL ， 引起引起Vo ,调调R ，VR ， 则则Vo .所以调所以调R ,改变改变VR 使输出使输出

2、电压稳定电压稳定. 稳压部分稳压部分 实际稳压电路结构实际稳压电路结构 比较比较 放大放大 基准基准 电压电压 输出输出 采样采样 调节晶体管 O U i U 基准是要求的基准是要求的给定值给定值 输出是随时的输出是随时的检测值检测值 比较放大得出比较放大得出控制量控制量 控制晶体管导通程度控制晶体管导通程度 改变管子两端电压改变管子两端电压 使使输出电压输出电压UoUo不变。不变。 + A + O U i U R3 R1 R2 R z U 比较比较 放大放大 基准基准 电压电压 输出输出 采样采样 O U i U 例例2 热水供应系统的自动控制热水供应系统的自动控制 自自动动控控制制器器 热

3、热水水 冷冷水水 蒸蒸汽汽 温温度度测测 量量装装置置 排排水水 图图1 1- -2 2 热热力力系系统统的的自自动动反反馈馈控控制制 控控制制阀阀 飞船靠其发动机产生一与月球重力方向相反 的推力u(t)，以使飞船在月球表面实现软着 陆，要求发动机推力的控制规律，并使燃料 的消耗最少。 设飞船质量为m(t)，高度为h(t)，垂直速度为v(t)， 发动机推力为u(t)，月球表面的重力加速度为常数g。 设不带燃料的飞船质量为M， 初始燃料的总质量为 F初始高度为h0，初始的垂直速度为v0，那么飞 船的运动方程式可以表示为： )()( )( )( )( )()( tkutm tm tu gtv tv

4、th 初始条件 FMm vv hh )0( )0( )0( 0 0 终端条件终端条件 0)( 0)( f f tv th约束条件约束条件)(0tu )( f tmJ 达到最大值达到最大值 例例3 3 月球软着落问题月球软着落问题 0速度到地面速度到地面 1.2 自动控制系统的基本结构：自动控制系统的基本结构： 四部分五个量四部分五个量 自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构 设定值设定值 r 控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象 测量、变送测量、变送 被控变量被控变量 y 反馈量反馈量 偏差偏差 e 控制变量控制变量 u 控制系统的基本组成控制系统的基本组成 被控对象：被控制的目标对

5、象部分被控对象：被控制的目标对象部分 控制器控制器 : 根据一定的控制规律得出控制量的部分根据一定的控制规律得出控制量的部分 执行器：执行器： 按控制量直接推动被控对象的部分。按控制量直接推动被控对象的部分。 测量反馈：测量被控制的量并转换和送回与要求比较测量反馈：测量被控制的量并转换和送回与要求比较; 给定量：给定量： 给出的与期望被控量相对应的系统输入量。给出的与期望被控量相对应的系统输入量。 被控制量被控制量 期望按照目标要求变化的系统输出量。期望按照目标要求变化的系统输出量。 偏差：偏差： 实际测量值和期望值之间的误差。实际测量值和期望值之间的误差。 控制量：控制量： 控制器输出的量值

6、。控制器输出的量值。 反馈量：反馈量： 经测量和变换送回输入端的量值。经测量和变换送回输入端的量值。 比较环节：把测量元件检测的被控量实际值与给定比较环节：把测量元件检测的被控量实际值与给定 元件给出的参量进行比较，求出偏差。元件给出的参量进行比较，求出偏差。 给定值给定值 输出量输出量 控制器控制器 被控制被控制 对象对象 扰动扰动 输出量输出量 受控对象 受控对象 控制装置控制装置 (电源电源 ) 输入量输入量 ( (温度温度) ) 扰动量扰动量 开关开关 电炉恒电炉恒 温箱温箱 加热电加热电 阻丝阻丝 炉温开环控制系统方框图炉温开环控制系统方框图 1.3 开环和闭环控制开环和闭环控制 控

7、制方式控制方式： 按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传 递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制 精度取决于系统事先的调整精度。多用于系统结构精度取决于系统事先的调整精度。多用于系统结构 参数稳定和扰动信号较弱的场合参数稳定和扰动信号较弱的场合. . 开环控制系统特点：开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈信号从输入到输出无反馈, ,单向传递单向传递. . 结构简单结构简单. . 控制精度不高控制精度不高, ,无法抑制扰动无法抑制扰动. . 反馈 控制任务：控制任务：保持工作机械恒速运行保持工作机械

8、恒速运行. . 控制过程的一种描述：控制过程的一种描述： fa nuuun 典型闭环系统方框图典型闭环系统方框图 特点特点: 输出影响输入，所以能削弱或抑制干输出影响输入，所以能削弱或抑制干 扰；低精度元件可组成高精度系统；因为扰；低精度元件可组成高精度系统；因为 可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要 瓦特瓦特(James wat)发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速 （1769年）年） 神舟神舟 六号回收六号回收 过程的过程的： 测控技术测控技术 汽车内的测量与控制汽车内的测量与控制 1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控

9、制系统的分类 开环控制 闭环控制(反馈控制) 复合控制 机械系统机械系统恒张力系统恒张力系统 电气系统电气系统 机电系统机电系统全自动照相机，光机全自动照相机，光机 电结合电结合 液压系统液压系统伺服液压缸，汽车发伺服液压缸，汽车发 动机，大型的仿真模拟台动机，大型的仿真模拟台 气动系统气动系统 生物系统生物系统 按系统功用分 也称镇定系统。输出量以一定的精度等于也称镇定系统。输出量以一定的精度等于 给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢， 扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产 过程中，这类系统非常多。例如，冶

10、金部门的过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的 恒温系统，石油部门的恒压系统等。恒温系统，石油部门的恒压系统等。 恒值系统：恒值系统： 系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算 机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调 整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。 输出量能以一定精度跟随给定值输出量能以一定精度跟随给定值 变化的系统称随动系统（伺服系统），变化的系统称随动系统（伺服系统）， 又称为跟踪系统。又称为跟踪系统。这类

11、系统的特点是这类系统的特点是 系统的给定值变化规律完全取决于事系统的给定值变化规律完全取决于事 先不能确定的时间函数。例如，火炮先不能确定的时间函数。例如，火炮 系统，卫星控制系统等。系统，卫星控制系统等。 随动系统：随动系统： 自动控制系统的被控制量如果是根自动控制系统的被控制量如果是根 据预先编好的程序进行控制的系统称程据预先编好的程序进行控制的系统称程 序控制系统。序控制系统。例如，炼钢炉中的微机控例如，炼钢炉中的微机控 制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统 等。等。 程序控制系统：程序控制系统： 过程控制过程控制 在许多工业生产过程中，诸如对在许多工业生

12、产过程中，诸如对 压力、温度、湿度、流量、频率等热压力、温度、湿度、流量、频率等热 工量以及原料、燃料成分比例等化工工量以及原料、燃料成分比例等化工 量方面的控制，称为过程控制。量方面的控制，称为过程控制。 1.5 1.5 资源和财富资源和财富 一切具有（现实的或潜在的）使用价值的事物称为一切具有（现实的或潜在的）使用价值的事物称为 资源。目前人类应用的三类基本资源是材料、能源和资源。目前人类应用的三类基本资源是材料、能源和 信息。其中许多材料、能源资源属于自然资源。信息。其中许多材料、能源资源属于自然资源。 人类一切财富是由资源转化而来的。直接拥有自然资人类一切财富是由资源转化而来的。直接拥

13、有自然资 源源( (如土地、矿产等如土地、矿产等) )就直接拥有了财富。但一切非自就直接拥有了财富。但一切非自 然资源要通过其它资源转化而来，企业的经营过程就然资源要通过其它资源转化而来，企业的经营过程就 是把资源转化财富的过程。是把资源转化财富的过程。 资源转化为财富的过程主要是其资源转化为财富的过程主要是其集成度和柔性集成度和柔性的增强的增强 过程。其中可货币量化的集成度和柔性的增强过程就过程。其中可货币量化的集成度和柔性的增强过程就 是增值过程是增值过程 物质物质 信息信息 能量能量 动力动力 材料、工具材料、工具 知识、智慧知识、智慧 三类基本资源三类基本资源 社会发展与对资源认识 决策与控制是人类的重要活动，而管决策与控制是人类的重要活动，而管 理的核心问题是对复杂事物的决策和理的核心问题是对复杂事物的决策和 控制。控制。 自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑 性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自 适应控制、优化控制、鲁棒控制、智能控制、智慧控适应控制、优化控制、鲁棒控制、智能控制、智慧控 制制 讨论的对象：因果系统 、工程系统 系统的广义性：经济、社会、