自动控制基本概念

自动控制基本概念第1页，课件共54页，创作于2023年2月引言什么是控制?

手动控制人的洗澡过程：（1）观测：用眼睛去观测水量和用手去感觉温度；（2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量；（3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度。操纵，节制使不超出范围或随意活动。第2页，课件共54页，创作于2023年2月引言什么是自动控制?

无须人的直接参与，通过控制装置，使机器、设备、生产过程等按照预定的规律运行，完成要求的任务，就叫自动控制。

近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展，工农业生产、交通运输、国防。

自动控制举例？第3页，课件共54页，创作于2023年2月航空航天事业等领域比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。第4页，课件共54页，创作于2023年2月导弹的准确击中目标，雷达系统的准确跟踪目标；第5页，课件共54页，创作于2023年2月交通系统：安全、快捷、舒适、准点第6页，课件共54页，创作于2023年2月制造系统：数控机床加工生产线自动码垛机器人自动包装机器人第7页，课件共54页，创作于2023年2月家用电器：电冰箱、空调、电饭煲：控制温度洗衣机：控制水位、强弱、时间等第8页，课件共54页，创作于2023年2月拉提琴灵巧手排爆步行吹笛足球比赛机器人：第9页，课件共54页，创作于2023年2月机器人：哈尔滨工业大学第10页，课件共54页，创作于2023年2月自动控制的应用领域军事工业航空航天制造业机器人流程工业

电子工业家用电器交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统…钢铁、石化、造纸、制药等控制无处不在！第11页，课件共54页，创作于2023年2月12

自动控制理论的发展1.经典控制理论40~50年代形成适用于SISO（单输入－单输出）系统基于：二战军工技术第12页，课件共54页，创作于2023年2月2.现代控制理论60~70年代形成适用于MIMO（多输入－多输出）系统基于：冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制第13页，课件共54页，创作于2023年2月

1、人工控制：控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。图1－1水位人工控制原理图

如图1－1所示，水位保持系统。§1自动控制的基本原理第14页，课件共54页，创作于2023年2月根据系统原理图可画出其方框图如图1－2所示。

图1－2水位人工控制系统方框图人工控制（续）

第15页，课件共54页，创作于2023年2月人工控制（续）

第16页，课件共54页，创作于2023年2月2、自动控制：水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图1-3所示。图1－3水位自动控制系统原理图第17页，课件共54页，创作于2023年2月图1－4水位自动控制系统方框图自动控制（方框图）图1－2水位人工控制系统方框图第18页，课件共54页，创作于2023年2月自动控制（续）干簧接点液位传感器第19页，课件共54页，创作于2023年2月防盗报警器报警器里面用了一个干簧管，干簧管可以感知磁场而接通或断开电路。原理：当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用！第20页，课件共54页，创作于2023年2月什么是传感器?传感器是指这样一些元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。第21页，课件共54页，创作于2023年2月非电学量

电学量传感器角度位移速度加速度压力温度湿度声强光照强度………电压电流电阻电容第22页，课件共54页，创作于2023年2月2、工作原理：非电学量敏感元件转换器件转换电路（或电路的通断）电学量第23页，课件共54页，创作于2023年2月传感器使用方法投入式安装特

点激光调阻补偿零点合满度温度性能量

程0~1…200mH2O供电电压1.5mADC输出信号≥70mVDC精度等级0.1%FS|0.25%FS|0.5%FS第24页，课件共54页，创作于2023年2月直线位移传感器导电塑料直线电位器：其线性度好，体积小，安装方便，价格低廉。磁致伸缩传感器：非接触，可靠性高在近年来开发的微机调速器中使用较多。第25页，课件共54页，创作于2023年2月这种传感器属于非接触式的，可动部分与电路没有直接接触，它体积小，使用方便差动变压器式直线位移传感器第26页，课件共54页，创作于2023年2月传感器电磁流量计第27页，课件共54页，创作于2023年2月3、控制系统中的常用术语

(1)自动控制—在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械自动的按预定规律运行、或使其某个参数按要求变化。自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它是控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组合，一般由控制装置和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机构、比较机构、执行机构。第28页，课件共54页，创作于2023年2月3、控制系统中的常用术语

(2)控制装置—外加的设备或装置，亦叫控制器。(3)受控对象—被控制的机器或物体。(4)被控量—指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。被控量又称输出量、输出信号。(5)给定量—要求被控量所应保持的数值。也叫输入量或叫参考输入。(6)干扰量—系统不希望的外作用，也叫扰动输入。是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电压的波动、环境温度的变化。第29页，课件共54页，创作于2023年2月(7)反馈量：由系统输出端取出并反向送回系统输入端的信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。(8)偏差量：给定量与主反馈信号之差。第30页，课件共54页，创作于2023年2月<1>给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。一般为电位器。<2>比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动装置、电桥电路、计算机等。<3>测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。如测速机、热电偶、电位器、浮子等。基本组成（续）第31页，课件共54页，创作于2023年2月<4>放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制受控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压、功率放大器。<5>执行元件：其职能是直接推动受控对象，使其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压马达等。基本组成（续）第32页，课件共54页，创作于2023年2月自控系统的特点：<1>从信号传送看：输出量经测量后回到输入端，构成闭环，具有反馈形式，且为负反馈。<2>从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用使系统沿减小或消除偏差的方向运动—偏差控制。<6>校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容组成的无源或有源网络，还有计算机。基本组成（续）第33页，课件共54页，创作于2023年2月1.2.3自动控制的基本方式一、开环控制系统：定义：开环控制——控制器与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。特点：被控量对系统的控制作用不产生影响，需要控制的是c(t)，而测量的只是r(t).第34页，课件共54页，创作于2023年2月1.2.3自动控制的基本方式

开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。优点：结构简单，成本低廉，易于实现缺点：对扰动没有抑制能力，控制精度低

控制方式

开环控制第35页，课件共54页，创作于2023年2月二、闭环控制系统：定义：闭环控制——被控量与给定值比较后用其偏差对系统进行控制。亦称反馈控制。特点：不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。需要控制的是c(t)、而测量的是c(t)对r(t)的偏差。只要c(t)出现偏差，系统就自行纠正。3.例如：电炉加热自动控制。第36页，课件共54页，创作于2023年2月闭环控制系统（续）

闭环控制闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着负反馈的控制方式。采用闭环控制的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环控制是一切生物控制自身运动的基本规律。人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。优点：具有自动补偿由于系统内部和外部干扰所引起的系统误差（偏差）的能力，因而有效地提高了系统的精度。缺点：系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。第37页，课件共54页，创作于2023年2月闭环控制系统（续）反馈的概念反馈：是将输出信号的一部分或全部通过一定的规则送回到输入端，并对输入信号产生影响的过程。

若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。显然，负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭环控制。第38页，课件共54页，创作于2023年2月比较以上两种控制方式由于开环控制的特点是控制装置只按照给定的输入信号对被控制量进行单向控制，而不对控制量进行测量并反向影响控制作用。这样，当炉温偏离希望值时，开关K的接通或断开时间不会相应改变。因此，开环控制不具有修正由于扰动（使被控制量偏离希望值的因素）而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力，即抗干扰能力差。在闭环控制中，被控量一般是由测量装置检测并反馈到输入端，然后由比较装置将它与输入信号综合得到偏差（误差），有时，测量与综合作用是由一个装置完成的，如离心摆。由于离心摆的转速与水轮机的频率成比例关系，可以不断对机组转速进行测量和比较，根据频率的实际偏差进行控制，提高了控制精度和抗干扰能力。第39页，课件共54页，创作于2023年2月按系统输入信号的变化规律不同来分

1、恒值控制系统（或称自动调节系统）这类系统的特点是输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰，把输入、输出量尽量保持在希望数值上。2、过程控制系统（或称程序控制系统）这类系统的特点是输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。恒值控制系统也认为是过程控制系统的特例。第40页，课件共54页，创作于2023年2月3、随动控制系统（或称伺服系统）这类系统的特点是输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。如火炮自动跟踪系统。工业自动化仪表中的显示记录仪，跟踪卫星的雷达天线控制系统等均属于随动控制系统。第41页，课件共54页，创作于2023年2月42理想的调节过程是：出现偏差后，执行机构突然动作，使输出量立即达到新的平衡状态，调节过程瞬时完成，实际上这是不可能的，因为什么呢？惯性！t01输入r(t)t01输入c(t)12理想的调节过程实际

当一个控制系统的输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。调节的基本要求第42页，课件共54页，创作于2023年2月43整个调节过程分为两个阶段:a.过渡过程反映系统的动态特性。（输出量处于激烈变化之中）b.稳态过程反映系统的稳态特性。（输出量稳定在新的平衡状态，并保持不变。）

第43页，课件共54页，创作于2023年2月图1-9自动控制系统被控量变化的动态特性

自动控制系统还应满足动态过程的性能要求，自动控制系统被控量变化的动态特性有以下几种。第44页，课件共54页，创作于2023年2月(a)单调过程被控量y(t)单调变化（即没有“正，”，“负”的变化），缓慢地到达新的平衡状态（新的稳态值）。如图1-9(a)所示，一般这种动态过程具有较长的动态过程时间（即到达新的平衡状态所需的时间）。(b)衰减振荡过程:被控量y(t)的动态过程是一个振荡过程，振荡的幅度不断地衰减，到过渡过程结束时，被控量会达到新的稳态值。这种过程的最大幅度称为超调量，如图1-9（b）所示。

第45页，课件共54页，创作于2023年2月(c)等幅振荡过程:被控量y(t)的动态过程是一个持续等幅振荡过程，始终不能到达新的稳态值，如图1-9（c）所示。这种过程如果振荡的幅度较大，生产过程不允许，则认为是一种不稳定的系统，如果振荡的幅度较小，生产过程可以允许，则认为是一种稳定的系统。(d)渐扩振荡过程:被控量y(t)的动态过程不但是一个振荡过程，而且振荡的幅值越来越大，以致会大大超过被控量允许的误差范围，如图1-9（d）所示，这是一种典型的不稳定过程，设计自动控制系统要绝对避免产生这种情况。第46页，课件共54页，创作于2023年2月实际中，由于机械部分质量、惯量的存在以及电路中L.C的存在，输出不会是理想状态。要有一个过渡过程，最后趋于新的稳态值。因此，从稳、快、准三方面来评价系统的总体精度。图1－17图1－18基本要求（续）第47页，课件共54页，创作于2023年