控制系统的一般概念

1、第一章控制系统的一般概念重点内容：明确自动控制的任务，自动控制系统的根本概念和组成；掌握控制的三种控制方式及特点；能分析简单系统的工作原理，掌握由系统工作原理画方框图的方法，会判别系统的工作方式。一般内容：了解自动控制的意义和作用；自动控制理论的开展历史；反应控制系统的根本组成；自动控制系统 的分类；理解控制系统的过渡过程，明确控制系统的性能指标及要求。难点：分析自动控制系统的组成、工作原理(动态调节过程)、控制方式。一、概述:1 自动控制的任务：c(t)=f(r(t)被控量与给定值相等，或他们之间保持某种函数关系。2自动控制系统的组成：* 被控对象控制系统彳 比拟、运算、放大部件 控制装置测

2、量、变换部件- 执行装置3. 根本术语：被控对象：指被控制的机器、设备、或生产过程等。如水塔、锅炉、电动机等控制装置：对被控对象进行控制的装置。如电动阀、气动阀、伺服电机等给定值：参考输入。如给定温度、压力等干扰：除给定值外，引起被控量变化的因数。如炉温控制系统中的环境温度的变化、煤气的压力 变化等。被控量：被控对象中按给定规律变化的物理量。如炉温控制系统中的实际炉温。4. 根本组成元件：给定元件；比拟元件；放大元件；执行元件；测量反应元件；校正元件(参见教材)二、控制方式：1.开式控制：给定输入开式控制；输入量控制器控制量空被土控P对象输出量th控制器F被控对象图1-1 开式控制方框图给定输

3、入其特点是：在控制器与被控对象之间只有正向控制作用，没有反应控制作用，如图1-1所示。对应于每一个参考输入量，就有一个与之对应的工作状态与输出量。此种系统的控制精度取决于元器件的精度 和特性调整的精度，并且没有抑制内部、外部扰扰动引起的控制误差的功能。干扰输入开式控制：图1-2 开式控制方框图干扰输入其特点是：将干扰信号测量出来参与输入控制，没有反应控制作用，如图1-2所示。实质是一种干扰补偿控制。利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响。只对被 测量的干扰信号有补偿作用，对其它干扰信号不起作用。2 闭式控制偏差控制：图1-3 闭式控制方框图偏差控制闭环控制系统的特

4、点是：在控制器与被控对象之间不仅有正向控制作用，而且还有反应控制作用。 将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入量比拟的过程称为反应。闭环控制的实质就是利用 负反应，使系统具有自动修正被控制量输出量偏离参考给定量输入量的控制功能，因此，闭环 控制又称反应控制。此种系统可以抑制内、外扰动引起的误差，到达自动控制并提高控制精度之目的。 由于闭环系统可能引起过调，因而带来了系统稳定性的问题。3 复合控制偏差控制+补偿控制：*图1-4复合控制方框图偏差控制 +补偿控制 是一种高精度的控制方式。三、性能指标：稳定性：在一定的偏差范围内，系统能够稳定工作，具有一定的稳定裕度。 动态性能：动态过程的平

5、稳性和快速性。稳态性能：系统从一种平衡状态过渡到另一种平衡状态时的偏差的大小，是一种稳态精度指标。四、经典控制线性系统的两大内容：1 .分析系统的具体参数、结构，从理论上分析系统的稳定性、动态性能、稳态精度指标。2.综合校正受控对象及提出的性能指标要求，合理确实定控制装置局部的结构及参数，以满足指标要求。五、例题分析：例1-1 一个水池水位自动控制系统如图1-5所示。试简述系统工作原理，指出主要变量和各环节的构成，画出系统的方框图。图1-5水池水位控制系统原理图解在这个水位控制系统中，水池的进水量Q1来自由电机控制开度的进水阀门，出水量Q2随意变化的情况下，保持水箱水位在希望的高度上不变。希望

6、水位高度由电位器触头A设定，浮子测出实际水位高度。由浮子带动的电位计触头B的位置反映实际水位高度。 A、B两点的电位差Uab反映希望水位的偏差。当实际低于希望水位时，Uab0。通过放大器驱动电动机转动，开大进水阀门，使进水量Q1增加，从而使水位上升。当实际水位上升到希望位置时，A、B两个触头在同一位置，Uab 0，电动机停止转动，进水阀门开度不变，这时进水量Q和出水量Q2到达平衡位置。假设实际水位高于希望水位，Uab ：0 ,那么电动机使进水阀门关小，使进水量减少，实际水位下降。这个系统是个典型的负反应系统，在该系统中：控制量希望水位的设定值被控制量实际水位扰动量出水量Q2被控对象水池测量元件

7、浮子比拟元件电位器放大元件放大器执行元件电动机、减速器、进水阀门系统的方框图如图1-6所示。控制系统中各元件的分类和方框图的绘制不是唯一的，只要能正确反映 其功能和运动规律即可。图1-6水池水位控制系统方框图例1-2图1-7所示为发电机电压调节系统，试分析系统的工作原理，画出方框图并指出系统的结构特点。解 发电机在电枢转速和激磁电压恒定不变时，负载变化将引起输出电压和电枢回路电流的改变。当负载增大时，将引起电枢电压下降和电枢电流增大，因此，电枢回路的电流在电阻R上的电压增大，Ub也增大，由于Ub与5的极性一致，因而发电机的激磁电压上升，使输出电压增大。这种由扰动产 生附加控制作用的系统是扰动控

8、制系统本系统是将负载变化作为扰动输入的。图1-7所示的电压调节方式只能克服负载变化对发电机输出电压的影响。系统方框图如图1-4所示。ub功率放大压放大图1-7发电机电压调节系统图1-8系统方框图例1-3图1-8为热水电加热器。为保持希望的水温，由温控开关的接通或断开电加热器的电源来控 制。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试分析该系统的被控对象、被控量、给定量和扰动量， 绘制控制系统的原理方框图并说明其根本控制方式。解：在热水电加热器系统中，输入量给定量为预设的希望温度，设为T希；输出量被控量为水箱的实际温度，设为 T ；被控制对象为水箱。扰动信号主要是由于放出热水并注入冷水而产生的降温

9、 作用。当T =T希时，温控开关断开，电加热器不工作，此时水箱中的水温保持在希望温度上。当使用热水 时，由于扰动作用使实际水温下降，测温元件感受T : T希的变化，并把这一变化转换为电信号使温控开关接通，电加热器工作，使水箱中的实际水温上升，直到T =T希为止。显然，图1-8所示热水电加热器系统为闭环控制系统。控制系统的原理方框图如图1-9所示。图1-8热水电加热器原理图1-9热水电加热器方框图讨论题1-1图1-10是恒温箱的温度自动控制系统。要求：1指出系统的被控对象、被控量以及各部件的作用，画出系统的方框图;2当恒温箱的温度变化时，试述系统的调节过程；3指出系统属于哪种类型调压器图1-10温度控制系统1-2 图1-11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