第一章 自动控制系统的一般概念

1、第一章第一章自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念电子科技大学机械电子工程学院 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念1.1 控制系统工作原理和组成1.2 自动控制系统的分类和基本要求本章主要内容本章主要内容1.1 1.1 控制系统工作原理和组成控制系统工作原理和组成一、控制系统工作原理一、控制系统工作原理例例：电炉恒温箱的控制：电炉恒温箱的控制 1、人工控制恒温箱、人工控制恒温箱 2、自动控制恒温箱、自动控制恒温箱 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 人工控制恒温箱人工控制恒温箱123 动态过程动态过程 v观测恒温箱内的温度（被控观测恒温箱内

2、的温度（被控制量）制量）v与要求的温度（给 定 值 ）与要求的温度（给 定 值 ） 进行比较，得到温度偏差的大进行比较，得到温度偏差的大小和方向小和方向v根据偏差大小和方向调节调根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。以调节温度回复到要求值。测量、比较、判断、操测量、比较、判断、操作作 实质实质 检测偏差和纠正偏差检测偏差和纠正偏差 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念控制器：控制器：大脑大脑被控对象：被控对象：恒温箱恒温箱被控量：被控量：恒温箱内的温度恒温箱内的温度测量元件：测量元件：眼睛、温度计眼睛、温度计执

3、行元件：执行元件：手和调压器手和调压器 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念l 自动控制恒温箱自动控制恒温箱温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差度达到给定值为止，此时，偏差 u=0, ,电机停止转动。电机停止转动。恒温箱实际温度由热电恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压偶转换为对应的电压u2

4、恒温箱期望温度由电恒温箱期望温度由电压压u1给定，并与实际给定，并与实际温度温度u2比较得到温度比较得到温度偏差信号偏差信号 u=u1-u2 实质实质 检测偏差纠正偏差检测偏差纠正偏差 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温箱热电偶+-温度（被调量）anau1u2u3uut把实际物理系统按信号传递过程画成方框图（或称方块图）把实际物理系统按信号传递过程画成方框图（或称方块图）比较元件，它的输出比较元件，它的输出信号等于各输入信号信号等于各输入信号代数相加（用代数相加（用+、- 号号表示，表示，+可以不标）。可以不标）。箭头箭头, ,表示

5、信表示信号的方向。号的方向。引出点，表示信引出点，表示信号在此分两路，号在此分两路，两路信号相同，两路信号相同，不存在分流问题不存在分流问题方框表示系统的组方框表示系统的组成元件成元件, ,注明名称或注明名称或功能功能. .系统输入量，系统输入量，也称为参考输也称为参考输入量（信号）入量（信号）被控制量被控制量, ,系系统输出量统输出量偏差信号偏差信号反馈反馈信号信号反馈反馈通路通路 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量扰动的情况下，自动

6、减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制反馈控制。 显然：显然：反馈控制反馈控制建立在建立在偏差基础偏差基础上，其控制方式是上，其控制方式是“检检测偏差测偏差再再纠正偏差纠正偏差”。 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 【自动控制自动控制】：在没有人直接参与的情况下，利用外在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称加的设备或装置（称控制装置或控制器控制装置或控制器）, ,使机器、设使机器、设备或生产过程（备或生产过程（被控对象被控对象）的某个工作状态或参数）的某个工作状态

7、或参数（即（即被控量被控量）自动地按照预定的规律运行。）自动地按照预定的规律运行。 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 【自动控制系统自动控制系统】由相互关联的部件按一定的结构构由相互关联的部件按一定的结构构成的，它通过一定的控制方法，使系统能够达到要求成的，它通过一定的控制方法，使系统能够达到要求的性能的性能 ，提供预期的系统响应。，提供预期的系统响应。自动控制系统自动控制系统控制器：控制器：能够对被控对象起控制能够对被控对象起控制 作用的设备总称作用的设备总称被控制对象被控制对象 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念控制系统工作原理：控制系统工

8、作原理： 检测输出量（被控制量）的实际值；检测输出量（被控制量）的实际值； 将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；偏差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。维持期望的输出。 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念二、反馈控制系统的基本组成二、反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的一般组成反馈控制系统的一般组成控制控制器器 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念1. 1. 给定元件给定元件 产生给定信号或输入信号产生给定信号或

9、输入信号。2. 2. 反馈元件（测量元件）反馈元件（测量元件） 测量被控制量（输出量），产测量被控制量（输出量），产 生主反馈信号生主反馈信号5. 5. 执行元件执行元件3. 3. 比较元件比较元件 对给定信号和反馈信号对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。进行比较，产生偏差信号。 4. 4. 放大元件放大元件 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念6. 6. 校正元件校正元件实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动。但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与扰动和外部扰动。但在控制系统中，扰动集中

10、表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。对象的干扰。偏差信号：偏差信号：控制信号与主反馈信号之差。控制信号与主反馈信号之差。误差信号：误差信号：系统输出量的实际值与希望值之差。系统输出量的实际值与希望值之差。注意：误差与偏差不是同一概念，只有在全反馈系统中，注意：误差与偏差不是同一概念，只有在全反馈系统中，误差误差= =偏差偏差 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念1.2 1.2 自动控制系统的分类和基本要求自动控制系统的分类和基本要求一、自动控制系统的分类一、自动控制系统的分类

11、按有无反馈作用按有无反馈作用按输入量特征分类按输入量特征分类按传递信号分类按传递信号分类开环控制开环控制恒值控制恒值控制连续控制连续控制闭环控制闭环控制程序控制程序控制离散（数字）控制离散（数字）控制随动控制随动控制 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念按系统元件特按系统元件特性分类性分类按元件参数是否随时按元件参数是否随时间变化间变化按被调量是否存在稳按被调量是否存在稳态误差态误差线性系统线性系统时变系统时变系统有差系统有差系统非线性系统非线性系统定常系统定常系统无差系统无差系统 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 开环系统开环系统系统的输出、输

12、入端之间不存在反馈电路，输出量系统的输出、输入端之间不存在反馈电路，输出量 对系统的控制作用没有影响。对系统的控制作用没有影响。机械连接机械连接分压器分压器电位器电位器信号放大信号放大, ,功率放大功率放大机械连接机械连接, ,减减速速, ,变矩变矩控制信号控制信号被控制信号被控制信号1u0 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 闭环系统闭环系统 闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响路，输出量对控制过程有直接影响前向通道前向通道反向通道反向通道1-1-控制器控制器 2-2-被控制对象被控

13、制对象 3-3-反馈元件反馈元件 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念优点优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。精度。缺点缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。：精度通常较低、无自动纠偏能力。开环系统与闭环系统的优点和缺点开环系统与闭环系统的优点和缺点闭环系统：闭环系统：优点优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感缺点缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和

14、设：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设 计麻烦。计麻烦。开环系统：开环系统： 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 一般来说，当系统控制量的变化规律能预先知道，并一般来说，当系统控制量的变化规律能预先知道，并且不存在外部扰动（或有办法抑制）时，采用开环控制较且不存在外部扰动（或有办法抑制）时，采用开环控制较好。特别是被控制量很难进行测量时更是如此。好。特别是被控制量很难进行测量时更是如此。 如果系统的控制量和干扰量均无法事先预知时，或系统如果系统的控制量和干扰量均无法事先预知时，或系统中元件参数不稳定时，采用闭环控制的优点就显得特别突出。中元件参数不稳定时，采用

15、闭环控制的优点就显得特别突出。 如果要求实现复杂而准确度较高的控制任务，则可将开如果要求实现复杂而准确度较高的控制任务，则可将开环控制与闭环控制结合起来一起应用，组成一个比较经济而环控制与闭环控制结合起来一起应用，组成一个比较经济而又性能较好的复合控制系统。又性能较好的复合控制系统。开环控制系统和闭环控制系统设计时的选择原则开环控制系统和闭环控制系统设计时的选择原则 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 恒值系统恒值系统恒值系统：恒值系统：输出量以一定精度等于给定值，而给定值一般输出量以一定精度等于给定值，而给定值一般不变或变化很缓慢（扰动可随时变化）的系统。不变或变化很

16、缓慢（扰动可随时变化）的系统。12345加热炉燃料P压力控制系统压力控制系统 2 控 制5 对 象3， 4 执 行1 检 测UP 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 随动系统随动系统随动系统（伺服系统）：随动系统（伺服系统）：输入量的变化规律不能预先确知，输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律规律ui发送接收测速发电机1u2uuo2kmoau雷达天线随动系统雷达天线随动系统 输

17、入信号：输入信号：随机信号随机信号输出输出信号信号 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 程序控制系统程序控制系统程序控制系统程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，输入装置根：输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。程序的要求而运动。程序输入运算控制器切削刀具工作机床执行机构工件图纸程序指令指令脉冲控制脉冲工件检测位移 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 有差系统有差系统：如果某个系统的扰动作用经过一段时间而趋于某：如果某个系统的扰动

18、作用经过一段时间而趋于某一恒定的稳态值，而被调量的实际值和希望值之差也逐渐一恒定的稳态值，而被调量的实际值和希望值之差也逐渐趋于某一趋于某一不为零不为零的恒值（这个值取决于扰动作用的大小）。的恒值（这个值取决于扰动作用的大小）。 无差系统：无差系统：如果一个系统的扰动作用经过一段时间而趋于某如果一个系统的扰动作用经过一段时间而趋于某一恒定的稳态值，而被调量的实际值和希望值之差逐渐一恒定的稳态值，而被调量的实际值和希望值之差逐渐趋趋于零于零，且与扰动作用的大小无关。，且与扰动作用的大小无关。 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 有差、无差系统有差、无差系统H1Q2Q1hH

19、1Q2Q1h0有差系统有差系统 无差系统无差系统 被控量被控量扰动扰动注：同一系统可能对扰动输入是有差的，而对给定输入量是无注：同一系统可能对扰动输入是有差的，而对给定输入量是无差的，或者相反。因此，在研究一个自动控制系统是有差的还差的，或者相反。因此，在研究一个自动控制系统是有差的还是无差的，必须指出是对扰动或给定输入而言。是无差的，必须指出是对扰动或给定输入而言。 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。控制系统通常采用微分方程描述。 连续控制

20、系统连续控制系统 离散（数字）控制系统离散（数字）控制系统 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念二、对控制系统的基本要求二、对控制系统的基本要求 性能指标是评价系统动态品质的定量指标，是定量分析性能指标是评价系统动态品质的定量指标，是定量分析的基础。的基础。 控制系统应用于不同的场合，对它有不同的性能要求。控制系统应用于不同的场合，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度来看，对控制系统却有一些共同的要求，但从控制工程的角度来看，对控制系统却有一些共同的要求，一般可归结为一般可归结为稳、快、准稳、快、准。 即：稳定性、快速性、准确性（稳态精度）即：稳定性、快速性、准确性（

21、稳态精度） 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念稳定性稳定性： 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的稳定性是控制系统正常工作的先决条件先决条件。控制系统稳定性。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致 第一章第一章 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。慢程度。快速性表征系统的动