第1章 自动控制系统的基本概念.ppt

1、第一章自动限制系统的基本概念、1.2自动限制的基本方法、1.3自动控制系统的类型、学习1.4自动控制原理的工具软件MATLAB、1.5本课程基本操作、特征和学习方法、1.1概述、摘要：牙齿章节通过开环和闭环控制的特定实例对自动控制系统的基本概念(例如控制)进行了讨论反馈控制工作控制系统配置和块图表绘制；控制系统的基本分类；介绍了控制系统的基本要求和学习自动化控制原理以及系统高级工具软件MATLAB介面和基本使用，1.1概述了科学技术飞速发展的今天，自动控制技术发挥着越来越重要的作用。自动限制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，使控制对象(机械设备或生产过程)的参数(即控制量)按照预定的

2、规律自动运行。例如，CNC车床根据预定程序自动切割工件，化学反应火炉的温度或压力自动恒定，人造卫星准确进入预定轨道运行和回收，宇宙飞船准确地登陆月球并返回地面等应用高水平自动控制技术为前提。自动控制理论是以控制工程的理论基础研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论根据其发展过程分为经典控制理论和现代控制理论两个部分。经典控制理论在20世纪50年代末形成了较为完整的体系，主要以传递函数为基础，研究单输入、单输出反馈控制系统的分析和设计问题，其基本内容有时包括历法、频域法、根轨迹法等。现代控制理论在20世纪60年代古典控制理论的基础上，根据科学技术的发展和工程实践的需要迅速发展。以状态空间法为

3、基础，研究多变量、变化参数、非线性、高精度等各种复杂控制系统的分析和综合问题，其基本内容为线性系统基本理论、系统识别、最优控制等。近年来计算机和现代应用数学研究的迅速发展，向控制理论继续深度方向发展。目前，正在深入基于自动控制理论控制论、信息论、仿生学的智能控制理论。1.2自动控制的基本方法、1.2.1开环控制系统、1.2.2闭环控制系统、1.2示例：保持输出电压不变，使发电机正常供电，输出电压为了使数控机床加工合格的部件，数控机床的工作台或刀架的变位量牙齿，准确地按照转移指令转移。为了保证炉子合格产品的生产，必须严格控制炉子温度。其中，发电机、机床、炉子是操作的机械设备。电压、刀架位移量、炉

4、温是指示这些机械设备运行状态的物理参数。额定电压、输送指令、指定的炉温是对运行中工作状态的物理参数的要求。控制对象或目标：我们将需要这种控制的工作人员、设备称为控制对象或目标。发电机、机床等。输出量(控制量):指示这些机械设备运行状态所需的物理参数称为控制量(输出量)。上述电压、刀架位移量、炉温等。输入量(控制量):必须保持这些机械设备运行状态的数值。或者，为了使目标的动作达到所需目标而输入的量称为输入量(控制量)。上述额定电压、输送命令、指定的炉温。扰动量：产出量偏离所需目标或阻碍目标实现的物理量称为扰动量。上述负荷的变化和原始动机速度的变化等。控制的任务实际上是形成控制作用的规律，无论是否

5、有扰动，控制对象的输出量都能满足给定值的要求。即x(t)输入量y(t)输出量。1.2.1开环控制系统，1，以工作原理直流电动机的转速控制系统为例，说明开环控制系统的工作原理。使用直流电动机D驱动需要以恒定速度旋转的载荷，如图1-2-1所示。电机电枢两端加电压Ua，可控硅功率放大器整流输出电压Ua的大小由电位器R的指定电压Ur调整。如果电位器提供特定电压Ur牙齿，放大器、触发器和硅功率放大器输出电压Ua将添加到电动机D的两端，电动机以该速度驱动载荷。如果负荷需要以固定速度旋转，则只需指定相应的固定电压Ua。如果电位器滑动端的位置发生变化，指定电压Ur牙齿相应地发生变化，硅整流器的输出电压Ua也相

6、应地发生变化，电动机D的旋转速度也发生变化。因此，可以看到电动机D在电位器滑动端的一个位置以相应的旋转速度N运行。达到了控制电动机d速度的目的。马达负载变更时，马达速度偏离指定的旋转速度值。要保持指定的转速，操作员必须检测电动机的实际转速，将其与指定值进行比较以确定偏差值，操作员必须相应地调整电位器滑动端位置，将电动机转速恢复为指定值。图1-2-1直流电动机调速开环控制系统，2，在牙齿转速控制系统中，电动机D是控制对象。速度n是控制量。电压Ur是控制量。负荷波动，晶闸管电源电压变化等是扰动量。在牙齿系统中，放大器、触发器和硅整流器称为控制器。3、由上而下分析：Mfzn，需要人为调整：UrUan

7、。换句话说，定量直接作用于通过控制器控制的对象。控制量N不能对数量Ur产生反影响。因此，只能以控制量控制对输出量(控制量)产生影响的控制量，控制量不能反向影响控制量的控制系统称为开环控制。4，开环控制系统可以用结构图表示，如图1-2-2所示。贴图可以表示牙齿系统的输入量和输出量之间的关系。如图所示，输入量直接作用于通过控制器控制的对象，因此只有输入量会影响输出量。有扰动时，没有人介入，产出量不能按照输入量预期的状态工作。1.2.2闭环控制系统，图1-2-3所示的系统是闭环控制系统。在图中，由于CF是测量直流电动机旋转速度并将旋转速度转换为相应电压Ucf的速度测量电动机，因此速度测量电动机输出电

8、压Ucf比率与电动机旋转速度N成正比。Ucf反馈将输入侧与给定电压Ur进行比较，结果电压差Ue=Ur-Ucf称为偏差。偏差电压Ue通过控制器控制电动机d的速度。电位器滑动端位于特定位置时，电动机将以指定的速度旋转。由于外部或内部干扰(例如负载突然增加、马达速度降低、马达速度变更等)，速度测量马达侦测到。此时反馈电压Ucf减少，偏差电压Ue增加，整流电压Ua提高，电机速度上升，减少或消除电机速度偏差。上述分析：MfznUcfUe=Ur-UcfUan，不要人为调整。也就是说，闭环控制需要测量输出量，在输入端从输入量中减去偏差，然后通过偏差直接控制消除偏差。因此，整个控制系统形成闭合回路。我们通过直

9、接或间接输入输出量反馈形成闭环，参与控制的系统称为闭环控制系统。系统根据负反馈原理进行偏差控制，因此也称为反馈控制系统或偏差控制系统。图1-2-3直流电动机调速闭环控制系统，原理图中输入-输出端的信号转导通道称为前通道。从输出到输入端，通过信号转导通道，输出信号也可以参与控制。这称为反馈通道。将系统输出的全部或部分作为输入返回称为反馈。从系统的输入侧和输入量中减去输出量被称为负反馈，相反，是积极的反馈。最后总结了开环和闭环控制系统的特点：(1)在开环控制系统中，只有输入量控制输出量。从控制结构上看，只有前通道，控制系统结构简单，易于实现。闭环控制系统除了前向通道外，还有反馈通道。闭环控制系统由

10、前通道和反馈通道组成，控制系统结构复杂。(2)闭环控制系统抑制内外各种形式的干扰，对干扰不敏感。因此，可以使用精度低、成本低的组件配置控制精度高的系统。开环控制系统的控制精度完全由高精度元件和有效的抗干扰措施保证。(3)对于闭环控制系统，系统的稳定性始终是最重要的问题。稳定性是闭环控制系统正常运行的必要条件。对于开环控制系统，没有不稳定的问题或容易解决。反馈控制系统广泛应用于各种产业部门。在某些系统中，将开环和闭环相结合的系统称为复合控制系统。图1-2-5所示。在牙齿书中，我们重点研究闭环控制系统。(a)根据输入作用补偿，(b)根据扰动作用补偿，图1-2-5复合控制的典型方框，复合控制基本上可

11、以基于闭环控制添加输入信号(给定或扰动)的前馈信道，以获得精确的控制效果。示例1-2-1液面控制系统如图1-2-6所示。运行容器的面额高度必须保持不变。简述其工作原理，绘制系统原理结构图。图1-2-6闭环液位控制系统，解决方案：控制对象是容器，液位高度H必须是输出量。浮体沿面值上下波动，反映面值的实际高度H，或表示实际高度与输入高度的偏差Hr-H，相当于测量系数。浮驱动杆，杠杆驱动阀1通过调节进入容器的流量来控制面额高度，因此杠杆相当于放大和执行因素。通过以上分析，系统的原理结构图可以如图1-2-7所示绘制。起诉量为Hr，Hr-H被测定，系统属于反馈控制方式。在额定需求流量Q2中，假设容器的面

12、额高度H与输入值Hr完全相同，根据阀L的开口度，进入容器的液体流量Q1也完全等于Q2，则系统处于所需的运行状态。如果流量需要变化，例如小阀门2，Q2减少，进入容器的液体流量Q1牙齿没有变化，Q1Q2，面额高度上升，H变化引起浮筒上升，杠杆驱动阀1牙齿小，Q1=Q2，减少Q1，直到面额高度变为常数。图1-2-7闭环液位控制系统的结构，杠杆的杠杆移动，杠杆传动比增加，控制效果增强，浮标移动小，Q1牙齿大变化，以确保面额高度H的波动量在允许的误差范围内。但是，默认情况下，在流量更改后，系统无法再将容器的面额高度H恢复为输入值Hr。这与控制装置各部分的特性有密切的关系。因此，采用控制量偏差控制的系统并

13、不意味着最终可以使输出量等于输入值，从而完全消除偏差。大卫亚设，美国电视电视剧，错误)是否彻底消除偏差，取决于系统内部其他方面的定律。示例1-2-2炉温度控制系统。图1-2-8 (a)是火炉温度控制系统的工作结构图，图1-2-8 (b)是该系统的框图。(a)，(b)，图1-2-8加热炉温度控制系统原理图和块图表，控制工作是保持炉温T不变。系统的输入量ur由电位器A滑动端提供，炉温T是系统输出量。给出了Ur牙齿，确定了炉温T。牙齿系统能克服内外扰动的影响，保持炉温T为常量。自动限制的原理如下：如果炉温达到给定值并预先调整，反馈电压uf必须等于给定电压ur。即偏差电压u=ur-uf=0，放大器B的

14、输出电压ud为0，执行电动机固定，调节器滑动臂必须就位，调节器提供的功率可以保持炉子。系统受到干扰(例如，炉子内的负荷增加或调节器电源电压降低等)。降低炉温T会导致供应电压uf下降，此时给定电压ur牙齿保持不变，因此偏差电压u=ur-uf0，反之亦然。示例1-2-3图1-2-9是数控机床工作台闭环进给控制系统。在图中，xr是输入变位命令，xc是工作台位移量，工作台是控制对象，直流电动机齿轮传动和螺杆螺母是执行机制，磁性用于测量工作台的位移量是测量组件。图1-2-9数控机床工作台闭环进给控制系统，为了使工作台根据输入量执行跟随动作，控制器同时接收输入量xr和表示磁测表位移量的量xc。差异x=xr

15、-xc，差异X控制用直流电动机驱动齿轮螺杆传动机构，移动工作台以减小差异。其结构图如图1-2-10所示。图1-2-10工作台闭环进给控制系统结构，1.2.3控制系统的基本组成部分，反馈控制是自动控制理论研究的核心。根据控制对象和使用组件，自动限制系统有多种形式。但是，从控制功能的角度来看，自动限制系统通常由以下基本链接(基本组件)组成：(1)受控目标或曹征目标：表示要控制的设备或进程。前面提到的发电机、机床、加热炉等。(2)比较链接(元件比较):用于比较检测到的输出量和输入量并生成偏差信号的元件。在大多数控制系统中，比较组件通常与测量组件或测量电路相结合。常用的功率比较因素包括差分放大器、网桥

16、电路等。(3)放大链接(放大组件):偏差信号通常很弱，不能直接用于驱动控制对象，因此需要放大。因此，控制系统必须具有放大链接。常用的放大组件包括放大器、硅整流器、液压伺服放大器等。(4)可执行部分(可执行元件):用于实现控制行为以及直接操作控制目标的元件。常用的执行元件包括交流、直流伺服电动机、液压电动机、变速器等。(5)检查连结(测量元件):用来测量控制量的元件。测量元件的测量精度直接影响系统的控制精度，因此应尽可能使用高精度的测量元件和合理的测量电路，如速度马达、编码器、自角度机器等。(6)校正链接(校正因子):控制性能要求高的系统或复杂的系统，为了提高系统的控制性能和提高控制系统的控制质量，需要向系统添加校正链接。在工程中称为调节器，通常通过连接或反馈连接到系统。简单的校准元件可以是RC网络，复杂的校准装置可以是微电脑。上述组件构成的闭环控制系统可以对信号传输和转换功能抽象控制系统结构，如图1-2-11所示。分析自动控制系统时，找出以下问题是分析自动控制系统工作原理的有效方法。(1)控制对