第一次课授课内容

1、4、自动控制研究的内容： 经典控制理论、现代控制理论 （1）经典控制理论 主要研究对象:对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。 （2）现代控制理论 主要研究对象:多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的分析和设计问题。,二、自动控制系统的基本概念,控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。,1、人工控制：,液位人工控制原理图,液位控制系统,若要求在出水量随意的条件下，保持水位高度不变：操作人员需先测实际水位，并在脑子中与要求的水位进行比较。若低于要求的水位，则需开大进水阀门。否则应关小进水阀门。若两者正好相等，则进水阀门不动。,人工控制（续）,根据系统原理图可画出其方框图如图所示。,

2、水位人工控制系统方框图,人工控制（续）,2、自动控制机械,水位自动控制系统原理图1,用一个浮球 眼睛“观测”液位 用一个杠杆系统 人的手臂和大脑,当液位受干扰上升时，浮球上升，杠杆a端上升，b端下降，阀门的阀芯下降，使水槽的进水量减少，进水量的减少使液位下降，最终达到一个稳定的平衡点，实现控制的目的； 当液位受干扰下降时，调节过程相反，同样能使液位稳定在平衡点。,自动控制1（续）,水位自动控制系统方框图1,2、自动控制-仪表,该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

3、。如图所示。,水位自动控制系统原理图,浮子测水位，由连杆和电位器进行比较：浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机向进水阀门开大的方向旋转；反之，当浮子高时，电位器上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不动。,水位自动控制系统方框图,自动控制（续）,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。 （2）控制装置外加的设备或装置，亦叫控制器。 （3）被控对象被控制的设备。 （4）被控量表征被控对象工作状态的物理参量，也叫输出量。 （5）

4、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。,如液位自动控制系统：,水位自动控制系统原理图,干扰信号,测量元件,输出量,被控对象,比较元件,（9）自动控制系统：由被控对象和控制器按一定方式连接起来的、完成一定自动控制任务的总体。,（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。,自动控制系统的组成,自动控制的任务利用控制器操纵被控对象，使其被控量按技术要求变化。若r(t)给定量，c(t)被控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足c(t) r(t)。自

5、控系统的组成如图所示。,三、自动控制系统的基本组成,控制器,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。 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。 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、自整角机、电位器、旋转变压器、浮子等。,基本组成（续）,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。 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、

6、电机、液压马达等。,基本组成（续）,自控系统的特点： 从信号传送看：c(t)经测量后回到输入端，构成闭环，具有反馈形式，且为负反馈。 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。,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）,简单控制系统由： 检测元件/变送器 控制器 执行器 被控对象（受控对象） 四部分组成。,被控变量,标准信号,输出信号,操纵变量,控制系统各要素之间的关系,用下图表示控制系统的构成，这是通用的单输入单输出控

7、制系统的框图。 这种方式是将表示各环节的方块根据信号流的关系排列起来，组成自动控制系统的方框图。,控制系统各要素之间的关系,控制原理 系统控制中，检测元件和变送器将被控变量检测并转换为标准信号，当系统受到干扰影响时，检测信号与设定值之间就有偏差，因此，检测变送信号在控制器中与设定值比较，其偏差按一定的控制规律预算，并输出信号驱动执行机构改变操纵变量，使被控对象的被控变量回复到设定值。,进水,排空阀,加热器,安全阀,蒸汽输出,案例分析工业用电加热炉温度、液位控制系统,通过对电加热炉工艺基本要求进行分析可知，该电加热炉锅炉的控制可分为两个问题： （1）电加热炉的恒温控制和液位的定值控制 （2）系统

8、由检测变送单元、控制器、执行器和被控对象组成。,以电加热炉液位的定值控制为例，该系统的人工控制流程图如图所示。 操作人员以锅炉液位为操作指示，以改变进水口阀门开度为控制手段。操作人员所进行的工作有三个方面：,眼看,脑想,手动,检测：用眼睛观察高低，并通过神经系统告诉大脑； 运算：大脑思考后得出偏差值，然后根据操作经验，决策后发出命令； 执行：根据大脑发出的命令，手去改变阀门开度，以改变流出量Q，从而使液位保持在所需高度上。,锅炉液位定值控制系统的自动控制流程图如图所示。 检测/变送器代替了人眼 控制器代替了人脑 执行器代替人手,检测/变送器,控制器,执行器,下图给出了对应系统的带测点的系统流程

9、图。,如果采用人工直接参与的控制系统： （1）对电加热炉的恒温控制系统来说，其组成是： 检测变送单元是温度计 控制器是大脑 执行器是加热器 被控对象是电加热炉,（2）对电加热液位定值控制系统来说，其组成是： 检测变送单元是人眼 控制器是人脑 执行器是人手 被控对象是电加热炉,如果采用自动控制系统： （1）对电加热炉的恒温自动控制系统来说，其组成是： 检测变送单元温度变送器 控制器是用计算机实现的运算处理装置 执行器是电加热器 被控对象是电加热炉,对电加热液位定值自动控制系统来说，其组成是： 检测变送单元是液位变送器 控制器采用计算机实现的运算处理装置 执行器是控制阀 被控对象是电加热炉,在以上

10、的讨论中，只涉及了由具体装置或设备构成的控制系统，而没有涉及生产过程本身以及对生产过程的控制起主导作用的主体人的作用。,为了便于人了解被控对象的运行状态并进行人工的操作与调节，控制系统还必须提供人机界面。在任何一个控制系统中，人机界面都是必不可少的重要组成部分。一个完整的控制系统所有的组成部分如图：,人机界面包括了： 测量值的显示 计算参数的显示 人工操作设备（如按钮、调节手柄） 对运算处理装置进行设定和控制算法预置的设备等。,闭环控制,复合控制,开环控制,四、自动控制的基本方式,1、开环控制,控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。,给定值,控制方式： 按给定值操纵。信号由给

11、定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合.,开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.,例: 直流电动机转速开环控制系统。,输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统,2、闭环控制,图示: 人工电动机转速闭环控制系统,反馈,控制任务：保持工作机械恒速运行.,控制过程：,反 馈： 输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程 负反馈： 反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小,典型闭

12、环系统方框图,闭环控制: 是指控制器与控制对象之间既有顺向 作用有反向联系的控制过程。,特点: 输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要,开环 优点：结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和 扰动能预先知道时，控制效果较好。,缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参 数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。,闭环 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修 正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。,缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。,3、开环控制与反馈控制的比较,主 反 馈 与输出成正比或某种函数关系，

13、但量纲与给定信号相同； 偏 差 给定信号与主反馈信号之差的信号； 控制单元 接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量； 扰 动 对系统输出产生不利影响的信号； 反馈环节 检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号。,4、闭环控制系统的术语和定义,闭环控制系统的方框图,方框图的组成：,5、复合控制,它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。,按扰动 补偿,五、 自动控制系统的分类,开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统,1、从信号传送的特点或系统结构特点分类,也称镇定系统。输出量

14、以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门的恒压系统等。,恒值系统：,2、从给定值得变化情况分类（特点分类）,例 电站锅炉空气预热器密封间隙控制系统,系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。,输出量能以一定精度跟随给定值变化的系统称随动系统，又称为跟踪系统。这类系统的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。,随动系统：,例:一位

15、置随动系统的工作原理图。,控制任务：要求工作机械能够跟随指令机构同步转动,即要使工作机械的角位置跟随给定指令转角，亦即使：,首先确定以下基本问题： （1）受控对象: 工作机械； （2）被 控 量: 角位置； （3）指令转角: 给定值； （4）测量元件: 通过两个相同的电位计测量转角及，并转换为 相应的电压及； （5）计算比较: 两个测量电位计的桥式连接，即完成了减法运算， 两电刷之间的电压代表了被控量对给定量的误差； （6）执行机械: 电机减速装置。,系统的工作原理： 如果工作机械转角等于指令转角，则经事先整定， 即电机不动，系统处于平衡状态。当指令转角改变，随之改变，而工作机械仍处于原位，则

16、从而使电动机拖动工作机械朝所要求的方向快速偏转，直至电机停转，此时系统在新的位置上处于与指令同步的平衡工作状态，即完成了跟随的任务。,自动控制系统的被控制量如果是根据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系统。例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统等。,程序控制系统：,可分为线性控制系统和非线性控制系统, 线性系统的数学描述： 线性函数，如线性微分方程、线性差分方程、线性代数方程。线性系统具有齐次性和叠加性，其优点是数学处理简便，理论体系完整。 非线性控制系统： 用非线性方程描述的系统，不满足叠加原理。,3、按数学描述分类,可分为连续控制系统和离散控制系统： 连续控制系统：系

17、统中各变量均对时间连续。 离散控制系统：系统中一处或几处的变量为离散信号，如计算机控制系统或采样控制系统。,4、按时间信号的性质分类, 定常系统： 系统的参数不随时间变化的系统。描述其动态特性的微分方程或差分方程的系数为常数。 时变系统： 系统的参数随时间而变化。描述其动态特性的微分方程或差分方程的系数不为常数。,可分为定常系统与时变系统,5、按系统参数是否随时间变化分类,稳定性 被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要求。 快速性 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。 稳定高射炮射角随动系统

18、，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。 准确性 用稳态误差来表示。 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。,六、对自动控制系统系统的要求,.稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。 .快速性：动态性能，有指标。 .准确性：稳态（过度结束后的）值应尽量与期望值一致。,t,n,n1,(a),0,(b),n,t,0,n0,n1,t,0,n,(c),n,0,t,(e),n1,n,0,t,(d),n0,n1,n,0,t,(f),(a)、(b)非周期振荡；(c)发散振荡；(d)、(e)收敛振荡；(f)等幅振荡。,（1）自动控