第1章自动控制系统概述

1、第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 第第1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.1 自动控制理论的发展史及内容自动控制理论的发展史及内容 1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 1.3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 1.6 自动控制系统实例自动控制系统实例 习题习题 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.1 自动控制理论的发展史及内容自动控制理论的发展史及内容 在工业、 农业、 交通运输和国防各个方面都离不开自动控制。 所谓自动控制， 就是在

2、没有人直接参与的情况下， 利用控制装置对生产过程、 工艺参数、 目标要求等进行自动的调节与控制， 使之按照预定的方案达到要求的指标。 自动控制系统性能的优劣， 将直接影响到产品的产量、 质量、 成本、 劳动条件和预期目标的完成。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 自动控制技术的应用可以追溯到18世纪(1788年)瓦特(Watt)利用小球离心调速器使蒸汽机转速保持恒定的开创性的突破， 以及19世纪(1868年)麦克斯韦（Maxwell）对轮船摆动（稳定性）的研究。 但在初期， 自动控制技术的应用进展很缓慢。 自动控制技术的真正发展是在20世纪。 第第1 1章章 自动控制系统概述自

3、动控制系统概述 自动控制理论通常可分为经典控制理论、 现代控制理论和智能控制理论。 1) 经典控制理论 经典控制理论产生并发展于20世纪4060年代。 2) 现代控制理论 现代控制理论于20世纪60年代中期发展成熟。 3) 智能控制理论 智能控制理论是20世纪70年代后， 控制理论向广度和深度发展的结果。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 智能控制系统是指具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统， 其中最典型的就是智能机器人。 对自动控制理论的具体描述可表示为图1-1。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图1-1 对自动控制理论的具体描述 第第1 1章章 自动控

4、制系统概述自动控制系统概述 1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 1. 开环控制系统(Openloop Control System) 若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响， 则这样的系统称为开环控制系统。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 2 数控加工机床示意图 加工程序指令控制脉冲(程序编码)运 算控制器脉 冲发生器分配器步进电动机步进电动机精密传动精密传动工作台工作台xy第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 3 为数控加工机床开环控制方框图。 此系统的输入量为加工程序指令， 输出量为机床工作台的位移， 系统的控制对象

5、为工作台， 执行机构为步进电动机和传动机构。 由图可见， 系统无反馈环节， 输出量并不返回来影响控制部分， 因此是开环控制。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 3 数控加工机床开环控制方框图 控制器执行元件控制对象输入量(控制脉冲)(脉冲分配器)(步进电动机及传动机构)(工作台)输出量(位 移)第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2. 闭环控制系统(Closedloop Control System) 若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分， 形成闭合环路， 则这样的系统称为闭环控制系统， 又称为反馈控制系统(Feedback Control S

6、ystem)。 图 1 - 4 为电炉箱恒温自动控制系统。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 4 电炉箱恒温自动控制系统 加热电阻丝电炉箱热电偶工件UfTUsTUaUUR给定电位器电压放大器功率放大器直流伺服电动机减速器调压变压器 220 V温度计M)C(T第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 5 电炉箱自动控制方框图 UsTUUfTT热电偶电压放大功率放大电动机减速器调压器电炉第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 6 炉温自动调节过程 UfTU (UsT UfT)Ua电机正转URT自动补偿，直至T给定值，U0时止(0

7、)(0)T第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 现以图 1 - 4 和图 1 - 5 所示的恒温控制系统来说明自动控制系统的组成和有关术语。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 为了表明自动控制系统的组成以及信号的传递情况， 通常把系统各个环节用框图表示， 并用箭头标明各作用量的传递情况， 图 1 - 7 便是图 1 - 4 所示系统的方框图。 方框图可以把系统的组成简单明了地表达出来， 而不必画出具体线路。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 7 自动控制系统的方框图 ( )T 炉温UsTUfT

8、给定电位器Ua电枢电压UR电炉电压电炉电动机、减速器、调压器热电偶(输出量)给定元件输入量( )反馈量放大器放大元件执行元件控制对象( )扰动量 Q2工件增减散热检测元件U反馈回路第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 由图 1 - 7 可以看出， 一般自动控制系统包括： (1) 给定元件（Command Element）： 由它调节给定信号（UsT）， 以调节输出量的大小。 (2) 检测元件（Detecting Element）： 由它检测输出量（如炉温T）的大小， 并反馈到输入端。 (3) 比较环节（Comparing Element）： 在此处， 反馈信号与给定信号进行叠加，

9、信号的极性以“+”或“-”表示。 (4) 放大元件（Amplifying Element）： 由于偏差信号一般很小， 因此要经过电压放大及功率放大， 以驱动执行元件。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 (5) 执行元件（Executive Element）： 驱动被控制对象的环节。 (6) 控制对象（Controlled Plant）： 亦称被调对象。 (7) 反馈环节（Feedback Element）： 由它将输出量引出， 再回送到控制部分。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 由图 1 - 7 可见， 系统中的各种作用量和被控制量包括 (1) 输入量（Inp

10、ut Variable）： 又称控制量或参考输入量（Reference Input Variable）， 所以输入量的角标常用i(或 r)表示。 (2) 输出量（Output Variable）： 又称被控制量（Controlled Variable）, 所以输出量角标常用o(或 c)表示。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 (3) 反馈量（Feedback Variable）： 通过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同且数量级相同的信号。 (4) 扰动量（Disturbance Variable）: 又称干扰或“噪声”（Noise）， 所以扰动量的角标常以d（或n）表示。

11、 (5) 中间变量(Semifinisbed Variable)： 系统中各环节之间的作用量。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 自动控制系统可以从不同的角度来进行分类， 常见的有以下几种。 1. 按输入量变化的规律分类 自动控制系统按输入量变化的规律可分为以下三类。 1) 恒值控制系统(Fixed Set-Point Control System) 恒值控制系统的特点是： 系统的输入量是恒量， 并且要求系统的输出量相应地保持恒定。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2) 随动控制系统（Follow-Up Contr

12、ol System） 随动控制系统又称伺服系统（Serve-System）， 其特点是： 输入量是随机变化着的， 并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。 3) 程序控制系统(Programme Control System) 程序控制系统的特点是： 输入量按照一定的时间函数变化， 并且要求输出量随之变化。 例如数控伺服系统以及一些自动化生产线等。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2. 按系统传输信号对时间的关系分类 自动控制系统按系统传输信号对时间的关系可分为两类。 1) 连续控制系统（Continuous Control System） 连续控制系统的特点

13、是： 各元件的输入量与输出量都是连续量（模拟量）， 因此它又称为模拟控制系统（Analogue Control System）。 图 1 - 4 所示的恒温控制系统就是连续控制系统。 连续控制系统的运动规律通常可用微分方程来描述。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2) 离散控制系统(Discrete Control System) 离散控制系统又称采样数据控制系统（Sampted-Date Control System）。 它的特点是： 系统中有的信号是脉冲序列， 或采样数据量、 数字量。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 3. 按系统的输出量和输入量间的关系

14、分类 自动控制系统按系统的输出量和输入量间的关系可分为两类。 1) 线性系统(Liner System) 线性系统的特点是： 系统全部由线性元件组成， 它的输出量与输入量间的关系用线性微分方程来描述。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2) 非线性系统(Non Liner System) 非线性系统的特点是： 系统中存在有非线性元件， 如具有死区、 出现饱和、 含有库仑摩擦等非线性特性的元件， 它的输出量与输入量间的关系要用非线性微分方程来描述。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 4. 按系统中的参数对时间的变化情况分类 自动控制系统按系统中的参数对时间的变化情

15、况可分为两类。 1) 定常系统（Time-Invariant System） 定常系统(又称时不变系统), 其特点是： 系统的全部参数不随时间变化， 它的输出量与输入量间的关系用定常微分方程来描述。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2) 时变系统(Time-Varying System) 时变系统的特点是： 系统中有的参数是时间t的函数， 它随时间变化而改变。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 1. 稳定性 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。 一个稳定的控制系统， 其被控量偏离期望值的初始偏差应随

16、时间的增长逐渐减小或趋于零。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2. 快速性 为了很好地完成控制任务， 控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的， 还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求， 一般称为动态性能。 3. 准确性 理想情况下， 当过渡过程结束后， 被控量达到的稳态值（即平衡状态）应与期望值一致。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.6 自动控制系统实例自动控制系统实例 要分析一个实际的自动控制系统， 首先要了解它的工作原理， 然后画出组成系统的方框图。 在画方框图之前， 必须明确以下问题： (1) 哪个是控制对象？被控量是什么？影响被控量的主扰动量是什么？

17、(2) 哪个是执行元件？第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 (3) 测量被控量的元件有哪些？ 有哪些反馈环节？ (4) 输入量由哪个元件给定？ 反馈量与给定量如何进行比较？ (5) 此外还有哪些元件（环节）? 它们在系统中处于什么地位？ 起什么作用？第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1. 轧钢计算机控制系统轧钢计算机控制系统的工作原理如图 1 - 8 所示。 被控对象： 轧辊。 被控量： 轧辊的输出量厚度和张力。 干扰量： 主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩。 测量元件： 厚度传感器和张力传感器。 给定量： 厚度给定、 张力给定， 是人们设计的希望值。 计算装置

18、： 数字计算机。 执行元件： 电动机。 轧钢计算机控制系统的原理方框图如图 1 - 9 所示。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 8 轧钢计算机控制系统的原理图 电动机张力传感器D/AA/D数字计算机张力给定厚度给定开卷机轧辊厚度控制张力控制厚度传感器第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 9 轧钢计算机控制系统的原理方框图 厚度张力A/D数字计算机D/A轧辊厚度或张力传感器第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2. 机床台控制系统机床台控制系统的工作原理如图 1 - 10 所示。 被控对象： 工作台。 被控量： 工作台的输出量位移

19、xo。 干扰量： 主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩。 测量元件： 角位移测量装置和测速机。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 10 机床台控制系统的原理图 电动机xixo测速机角位移测量装置滚珠丝杆u(t)控制器放大变换工作台第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 11 机床台控制系统的原理方框图xi控制器放大变换电动机工作台xo测速机角位移测量装置第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 给定量： xi， 是设计者要把零件的毛胚加工成理想的那个模线。 计算装置： 控制器， 用来把三个输入信号比较后得到的差值输出给放大变换器， 进而

20、控制电动机的转动。 执行元件： 电动机， 用来拖动工作台按理想的模线运动。 机床台控制系统的原理方框图如图 1 - 11 所示。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 3. 液位控制系统液位控制系统的工作原理如图 1 - 12 所示。 被控对象： 液体储罐。 被控量： 液体储罐的输出量液位xo。扰动量： 主要是Q2的变化。 给定量： 液体储罐中液位的希望高度xi。 测量元件： 液位变送器。 计算装置： 调节器。 执行元件： 调节阀。 液位控制系统的原理方框图如图 1 - 13 所示。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 12 液位控制系统的原理图 Q1调节

21、阀液体储罐调节器变送器阀门HQ2第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 13 液位控制系统的原理方框图 xixo干扰量调节器调节阀液体储罐变送器第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 4. 转速、 电流双闭环直流调速系统 转速、 电流双闭环直流调速系统原理图如图 1 - 14 所示。 系统的方框图如图 1 - 15 所示。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 14 转速、 电流双闭环直流调速系统原理图+RP1UsnR0RP2RP3UUsiUcUfnLdUdTAASRUfi0RR0R1C1R0R0Usi0RACRR2C2TGM第第1 1章

22、章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 - 15 转速、 电流双闭环直流调速系统方框图 给定电位器给定UsnUn速度环n(转速）RP1UsiASRACRMUcUd电流环UfiIdUfnnTG电流互感器整流电路速度调节器电流调节器Ui触发电路整流电路电动机测速发电机UTA第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 由图 1 - 14 可见， 该系统有两个反馈回路， 构成两个闭环回路， 故称双闭环。 其中, 一个是由电流调节器ACR和电流检测-反馈环节构成的电流环； 另一个是由速度调节器ASR和转速检测-反馈环节构成的速度环。 由于速度环包围电流环， 因此称电流环为内环（又称副环），

23、称速度环为外环（又称主环）。 在电路中， ASR和ACR实行串级连接， 即由ASR去“驱动”ACR， 再由ACR去“控制”触发电路。 图中速度调节器ASR和电流调节器ACR均为比例加积分（PI）调节器。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 习习 题题 1 - 1 分析比较开环控制与闭环控制的特征、 优缺点和应用场合的不同。 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1 - 2 指出下列系统中哪些属开环控制， 哪些属闭环控制: (1) 家用电冰箱 (2) 家用空调 (3) 家用洗衣机 (4) 抽水马桶 (5) 普通车床 (6) 电饭煲 (7) 多速电风扇 (8) 高楼水箱 (9) 调光台灯 (10) 自动报时电子钟第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1 - 3 衡量一个自动控制系统的性能指标通常有哪些？ 图 1 - 16 为某自动控制系统启动时的动态曲线， 其中x(t)为被控量， xo为期望稳态值。 曲线、 对应不同的调节参数。 试分析比较、 两种情况