第1章 自动控制的一般概念(2)

1、红河学院自动化系第第1章章 自动控制的自动控制的一般概念一般概念1.1 自动控制系统实例自动控制系统实例1.2 方框图中各符号的意义方框图中各符号的意义1.3 控制系统的组成控制系统的组成1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求1.5 基本控制方式基本控制方式1.6 习题分析习题分析红河学院自动化系例例 1 炉温控制系统炉温控制系统1.1 自动控制系统实例自动控制系统实例红河学院自动化系炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图红河学院自动化系 元部件元部件 方框（块）图方框（块）图 信号（物理量）及传递方向信号（物理量）及传递方向 中的符号中的符号 比较

2、点比较点 引出点引出点 表示负反馈表示负反馈1.2 方框图中各符号的意义方框图中各符号的意义红河学院自动化系例例 2 函数记录仪函数记录仪红河学院自动化系函数记录仪方框图函数记录仪方框图红河学院自动化系1.3 控制系统的组成控制系统的组成 (1)控制系统控制系统被控对象被控对象控制装置控制装置测量元件测量元件 比较元件比较元件 放大元件放大元件 执行机构执行机构 校正装置校正装置 给定元件给定元件红河学院自动化系控制系统的组成控制系统的组成 (2) 红河学院自动化系1. 稳：稳：（基本要求）（基本要求） 要求系统要稳定要求系统要稳定 2. 准：准：（稳态要求）（稳态要求） 系统响应达到稳态时，

3、系统响应达到稳态时， 输出跟踪精度要高输出跟踪精度要高 3. 快：快：（动态要求）（动态要求） 系统阶跃响应的过渡过程系统阶跃响应的过渡过程 要平稳，要平稳， 快速快速1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求红河学院自动化系稳定性稳定性 系统受外作用力后系统受外作用力后,其动态过程其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。稳定性：稳定性： 系统受外作用力系统受外作用力经过一段时间，其经过一段时间，其被控量达到某一稳被控量达到某一稳定状态，则系统是定状态，则系统是稳定的。稳定的。否则为不稳定的。否则为不稳定的。r(t)t0c(t)r(t)c(t)不稳定的系

4、统是不稳定的系统是无法正常工作的。无法正常工作的。 扰动信号作用下扰动信号作用下 的不稳定系统的不稳定系统:d(t)t0c(t)c(t)d(t) 一个能在生产一个能在生产实际中应用的系统实际中应用的系统,不仅应具有稳定性不仅应具有稳定性,而且在动态过程中而且在动态过程中的震荡也不能过于的震荡也不能过于强烈强烈.红河学院自动化系通过动态过程时间长短表征快速性。通过动态过程时间长短表征快速性。快速性快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了快速性表明了系统输出对输入系统输出对输入响应的快慢程度响应的快慢程度 过渡过程时过渡过程时间越短，表明间越短，表明快速性越好。快速性越

5、好。反之亦然。反之亦然。t1t2红河学院自动化系 由输入给定值与输出响应的终值之由输入给定值与输出响应的终值之间的差值间的差值ess大小表征。大小表征。准确性准确性r(t)t0c(t)ess 它反映了系统它反映了系统的稳态精度。若的稳态精度。若系统最终的误差系统最终的误差为零，则称为无为零，则称为无差系统，否则为差系统，否则为有差系统。有差系统。c(t)r(t)红河学院自动化系 稳定性、快速性和准确性往往是互稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中相制约的。在设计与调试的过程中,若过若过分强调某方面的性能分强调某方面的性能,则可能会使其他方则可能会使其他方面的性能受到影响面

6、的性能受到影响. 怎样根据工作任务的不同怎样根据工作任务的不同,分析和设分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重所侧重 ，并兼顾其它正是自控原理课程，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。要解决的问题。红河学院自动化系自动控制原理自动控制原理 按给定信号的形式按给定信号的形式 恒值系统恒值系统 / / 随动系统随动系统 按系统是否满足叠加原理按系统是否满足叠加原理 线性系统线性系统/ / 非线性系统非线性系统 按系统参数是否随时间变化按系统参数是否随时间变化 定常系统定常系统 / / 时变系统时变系统 按信号传递的形式按信号传递的形式 连续系统连

7、续系统 / / 离散系统离散系统 按输入输出变量的多少按输入输出变量的多少 单变量系统单变量系统 / / 多变量系统多变量系统 控制系统的分类控制系统的分类红河学院自动化系自动控制原理自动控制原理 1. 1. 开环控制开环控制 2. 2. 闭环控制闭环控制 3. 3. 复合控制复合控制1.5 基本控制方式基本控制方式在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程或生产过程（被控对象）（被控对象）的某一个物理量的某一个物理量（被控量）（被控量）按预按预定的规律定的规律（给定量）（给定量）运行。运行。自动控制自动控制红河学院自动化系

8、将系统的输出信号引回输入端，与输入将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。制，达到减小偏差、消除偏差的目的。 _ 构成闭环控制系统的核心构成闭环控制系统的核心 闭环闭环(反馈反馈)控制系统的特点：控制系统的特点： (1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路 (2) 偏差起调节作用偏差起调节作用 负反馈原理负反馈原理红河学院自动化系水温调节系统水温调节系统水温调节系统工作原理图水温调节系统工作原理图红河学院自动化系红河学院自动化系da cb 1-1 根据题根据

9、题1-15图所示的电动机速度控制系统工作图所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成：原理图，完成： (1) 将将a，b与与c，d用线连接成负反馈状态；用线连接成负反馈状态；(2) 画出系统方框图。画出系统方框图。解解 （1）负反馈连接方式为：）负反馈连接方式为：，（2）系统方框图如图解）系统方框图如图解1-1 所示。所示。fuu 1.6 习题分析习题分析红河学院自动化系1-2 题题1-16图是仓库大门自动控制系统原理示意图。试图是仓库大门自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门开、闭的工作原理，并画出系统说明系统自动控制大门开、闭的工作原理，并画出系统方框图。方框图。图图1-16 仓库大

10、门自动开闭控制系统仓库大门自动开闭控制系统红河学院自动化系解解 当合上开门开关时，当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。与此同时，和大门连在上提起。与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。反止转动，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电动机之，当合上关门开关时，电

11、动机带动绞盘使大门关闭，从而可以带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。实现大门远距离开闭自动控制。系统方框图如图解系统方框图如图解1-21-2所示。所示。红河学院自动化系1-3 图图1-17为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析系统为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。图。 aucufuru eu图图1-17 炉温自动控制系统原理图炉温自动控制系统原理图T(c ) 正常时：正常时： 电机不转动电机不转动 0efaruuuu 红河学院自动化系cucucu解解

12、: :加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压压器电压 的平方成正比，的平方成正比， 增高，炉温就上升，增高，炉温就上升， 的高低的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压 作为作为系统的反馈电压与给定电压系统的反馈电压与给定电压 进行比较，得出偏差电压进行比较，得出偏差电压 经经电压放大器、功率放大器放大成电压放大器、功率放大器放大成 后，作为控制电动机的电后，作为控制电

13、动机的电枢电压。枢电压。 furueuau正常时：正常时： 电机不转动电机不转动 0efaruuuu feacT(c )uuuu T(c ) 被控被控对象对象被控量被控量红河学院自动化系1-4图图1-18是控制导弹发射架方位的电位器式随动系统原理图。是控制导弹发射架方位的电位器式随动系统原理图。图中图中 、 并联后跨接到同一电源并联后跨接到同一电源 电位器的两端，其滑臂电位器的两端，其滑臂分别与输入轴和输出轴相联结，组成方位角的给定元件和测量分别与输入轴和输出轴相联结，组成方位角的给定元件和测量反馈元件。输入轴由手轮操纵；输出轴则由直流电动机经减速反馈元件。输入轴由手轮操纵；输出轴则由直流电动

14、机经减速后带动，电动机采用电枢控制的方式工作。试分析系统的工作后带动，电动机采用电枢控制的方式工作。试分析系统的工作原理，指出系统的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方原理，指出系统的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。框图。图图1-18 导弹发射架方位角控制系统原理图导弹发射架方位角控制系统原理图eu2P1P0Eauiu0ui 0 红河学院自动化系解：解： 当导弹发射架的方位角与输入轴方位角一致时，系统处于当导弹发射架的方位角与输入轴方位角一致时，系统处于相对静止状态。系统中，导弹发射架是被控对象，发射架方位相对静止状态。系统中，导弹发射架是被控对象，发射架方位角角 是被控量，通过

15、手轮输入的角度是被控量，通过手轮输入的角度 是给定量。是给定量。 0 i 00eiieiuuu 手轮输入角度手轮输入角度 驱动电机使驱动电机使导弹发导弹发射架转动射架转动 ，直至直至 ，偏差电压，偏差电压 ，电动机停止转动。这时，导弹发射架停留在相应的方位角上电动机停止转动。这时，导弹发射架停留在相应的方位角上。只要。只要 ，偏差就会产生调节作用，控制的结果是消除，偏差就会产生调节作用，控制的结果是消除偏差偏差 ，使输出量，使输出量 严格地跟随输入量严格地跟随输入量 的变化而变化。的变化而变化。 0 00ii;uu 0eu 0i e 0 i 红河学院自动化系 1-5 采用离心调速器的蒸汽机转速

16、控制系统如图采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统如图1-19所示。其工作原理是：当蒸汽所示。其工作原理是：当蒸汽机带动负载转动的同时，通过圆锥齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可机带动负载转动的同时，通过圆锥齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠杆，杠杆另一带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠杆，杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度。端通过连杆调节供汽阀门的开度。在蒸汽机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力在蒸汽机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡

17、位置。与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果由于如果由于负载增大使蒸汽机转速负载增大使蒸汽机转速 下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过杠杆增大供汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速回升。杠杆增大供汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速回升。同理，如果由于负载减小使同理，如果由于负载减小使蒸汽机的转速蒸汽机的转速 增加，则飞锤因离心力增加而使套筒上滑，并通过杠杆减小供汽增加，则飞锤因离心力增加而使套筒上滑，并通过杠杆减小供汽阀门的开度，迫使蒸汽机转速回落。这样，阀门的开度，迫使蒸汽机转速回落。这样，离心调速器就能自动

18、地抵制负载变化对离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速转速的影响，使蒸汽机的转速 保持在某个期望值附近。保持在某个期望值附近。指出系统中的被控对象指出系统中的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。、被控量和给定量，画出系统的方框图。 红河学院自动化系解：解： 在本系统中，蒸汽机是被控对象，蒸汽机的转速是在本系统中，蒸汽机是被控对象，蒸汽机的转速是被控量，给定量是设定的蒸汽机希望转速。离心调速器感被控量，给定量是设定的蒸汽机希望转速。离心调速器感受转速大小并转换成套筒的位移量，经杠杆传调节供汽阀受转速大小并转换成套筒的位移量，经杠杆传调节供汽阀门，控制蒸汽机的转速，从

19、而构成闭环控制系统。门，控制蒸汽机的转速，从而构成闭环控制系统。 红河学院自动化系1-6 摄像机角位置自动跟踪系统如图摄像机角位置自动跟踪系统如图1-20所示。当光点显所示。当光点显示器对准某个方向时，摄像机会自动跟踪并对准这个方向示器对准某个方向时，摄像机会自动跟踪并对准这个方向。试分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量及给定。试分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量及给定量，画出系统方框图。量，画出系统方框图。红河学院自动化系e = 0u=02112 = -e解：解： 控制系统的任务是使摄像机自动跟踪光点显示器指示的方向。控制系统的任务是使摄像机自动跟踪光点显示器指示的方向。当摄像机方

20、向角与光点显示器指示的方向一致时，当摄像机方向角与光点显示器指示的方向一致时， ，自整角机输，自整角机输出出 ，交流放大器输出电压，交流放大器输出电压 ，电动机静止，摄像机保持原来的协，电动机静止，摄像机保持原来的协调方向。当光点显示器转过一个角度，调方向。当光点显示器转过一个角度， 时，自整角机输出与失谐时，自整角机输出与失谐 角角 成比例的电压信号（其大小、极性反映了失谐角的幅值和成比例的电压信号（其大小、极性反映了失谐角的幅值和方向），经电位器后变成方向），经电位器后变成 ，经放大器放大后驱动伺服电动机旋转，并，经放大器放大后驱动伺服电动机旋转，并通过减速器带动摄像机跟踪光点显示器的指向

21、，使偏差减小，直到摄像机通过减速器带动摄像机跟踪光点显示器的指向，使偏差减小，直到摄像机与光点显示器指向重新达到一致时为止。测速发电机测量电动机转速，进与光点显示器指向重新达到一致时为止。测速发电机测量电动机转速，进行速度反馈，用以改善系统性能。行速度反馈，用以改善系统性能。21 2系统中，摄像机是被控对象，摄像机的方向角系统中，摄像机是被控对象，摄像机的方向角 是被控量，给定量是是被控量，给定量是光点显示器指示的方向角光点显示器指示的方向角 。1红河学院自动化系1-7图图1-21 (a)，(b)所示的系统均为电压调节系统。所示的系统均为电压调节系统。 假设空载时两假设空载时两系统发电机端电压

22、均为系统发电机端电压均为110V，试问带上负载后，图，试问带上负载后，图1-21(a)，(b)中中哪个能保持哪个能保持110V不变，哪个电压会低于不变，哪个电压会低于110V？为什么？为什么?图图1-21 电压调节系统工作原理图电压调节系统工作原理图红河学院自动化系解解: : 带上负载后，开始由于负载的影响，图带上负载后，开始由于负载的影响，图1-21 (a)1-21 (a)与与(b)(b)系统的系统的端电压都要下降，但图端电压都要下降，但图(a)(a)中所示系统能恢复到中所示系统能恢复到110110伏而图伏而图(b)(b)系统系统却不能。理由如下：却不能。理由如下： 图图(a)(a)系统系统

23、, ,当当 u u 低于给定电压时，其偏差电压经放大器低于给定电压时，其偏差电压经放大器 K K放放大后，驱动电机大后，驱动电机D D转动，经减速器带动电刷，使发电机转动，经减速器带动电刷，使发电机 F F 的激磁电的激磁电流流I If f 增大，发电机的输出电压会升高，从而使偏差电压减小，直至增大，发电机的输出电压会升高，从而使偏差电压减小，直至偏差电压为零时，电机才停止转动。因此，图偏差电压为零时，电机才停止转动。因此，图(a)(a)系统能保持系统能保持110110伏伏不变。不变。 图图(b)(b)系统，当系统，当 u u 低于给定电压时，其偏差电压经放大器低于给定电压时，其偏差电压经放大

24、器K K 后，直接使发电机激磁电流增大，提高发电机的端电压，使发后，直接使发电机激磁电流增大，提高发电机的端电压，使发电机电机 G G 的端电压回升，偏差电压减小，但不可能等于零，因为当的端电压回升，偏差电压减小，但不可能等于零，因为当偏差电压为偏差电压为 0 0时，时，I If f=0=0，发电机就不能工作。即图，发电机就不能工作。即图(b)(b)所示系统的所示系统的稳态电压会低于稳态电压会低于110110伏。伏。红河学院自动化系1-8 图图1-22为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用

25、流量计测量。试绘加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图，并说明为了保持热水温度为期望值，系统是如何工作制系统方块图，并说明为了保持热水温度为期望值，系统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置各是什么？的？系统的被控对象和控制装置各是什么？红河学院自动化系解解: : 工作原理：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在温度工作原理：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在温度控制器中与给定温度相比较，控制器中与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差

26、为零。进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。如果由于某如果由于某种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通过温度控制器，开大种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通过温度控制器，开大阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷水流量进行顺馈补偿，保阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷水流量进行顺馈补偿，保证热交换器出口的水温不发生大的波动。证热交换器出口的水温不发生大的波动。 其中，热交换器是被控对象，实际热水温度为被控量，给定量（希望其中，热交换器是被控对象，实际热水温度为被控量，给定量（希望温度）在控制器中设定；冷水流量是干扰量。温度）在控制器中设定；冷水流量

27、是干扰量。这是一个按干扰补偿的复合控制系统。这是一个按干扰补偿的复合控制系统。 红河学院自动化系1-9 1-9 许多机器，像车床、铣床和磨床，都配有跟随器，许多机器，像车床、铣床和磨床，都配有跟随器，用来复现模板的外形。图用来复现模板的外形。图1-231-23就是这样一种跟随系统的原就是这样一种跟随系统的原理图。在此系统中，刀具能在原料上复制模板的外形。试理图。在此系统中，刀具能在原料上复制模板的外形。试说明其工作原理，画出系统方框图。说明其工作原理，画出系统方框图。红河学院自动化系解解: : 模板与原料同时固定在工作台上。模板与原料同时固定在工作台上。X X、Y Y轴直流伺服马达接受控制器轴

28、直流伺服马达接受控制器的指令，按输入命令带动工作台做的指令，按输入命令带动工作台做X X、Y Y方向运动。方向运动。模板随工作台移动时模板随工作台移动时，触针会在模板表面滑动，跟随刀具中的位移传感器将触针感应到的反，触针会在模板表面滑动，跟随刀具中的位移传感器将触针感应到的反映模板表面形状的位移信号送到跟随控制器，控制器的输出驱动映模板表面形状的位移信号送到跟随控制器，控制器的输出驱动Z Z轴直流轴直流伺服马达带动切削刀具连同刀具架跟随触针运动，伺服马达带动切削刀具连同刀具架跟随触针运动，当刀具位置与触针位当刀具位置与触针位置一致时，两者位置偏差为零，置一致时，两者位置偏差为零，Z Z轴伺服马

29、达停止。轴伺服马达停止。系统中，刀具是被控系统中，刀具是被控对象，刀具位置是被控量，给定量是由模板确定的触针位置。系统方框对象，刀具位置是被控量，给定量是由模板确定的触针位置。系统方框图如图解图如图解1-91-9所示。最终原料被切割加工成模板的形状。所示。最终原料被切割加工成模板的形状。红河学院自动化系1-10图图1-24 (a)，(b)所示均为调速系统。所示均为调速系统。 (1) 分别画出图分别画出图1-24 (a)、图、图(b)所示系统的方框图。给出图所示系统的方框图。给出图1-24 (a)所示系统正确的反馈连线方式。所示系统正确的反馈连线方式。 (2)指出在恒值输入条件下，图指出在恒值输

30、入条件下，图1-24 (a)、(b) 所示系统中哪个是有差所示系统中哪个是有差系统，哪个是无差系统，说明其道理。系统，哪个是无差系统，说明其道理。图图1-24 调速系统工作原理图调速系统工作原理图红河学院自动化系解解 (1)系统方框图如图解系统方框图如图解1-10所示。所示。图图1-24 (a)正确的反馈连接方式如图正确的反馈连接方式如图1-24 (a)中虚线所示。中虚线所示。(2) 图图1-24 (a)的系统是有差系统，图的系统是有差系统，图1-24 (b)的系统是无差系统。的系统是无差系统。 图图1-24 (a)中，当给定恒值电压信号，系统运行达到稳态时，电动机中，当给定恒值电压信号，系统运行达到稳态时，电动机转速的恒定是以发电机提供恒定电压为条件，对应发电机激磁绕组中电转速的恒定是以发电机提供恒定电压为条件，对应发电机激磁绕组中电流一定是恒定值。这意味着放大器前端电压是非零的常值。因此，常值流一定是恒定值。这意味着放大器前端电压是非零的常值。因此，