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1、1.1 自动控制系统的基本概念,自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制器或控制装置），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（统称被控量）自动地按照预定的规律运行。,自动控制系统，是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。,第一章 绪 论,一、技术术语,1. 被控对象:是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。,3. 控制器：又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。,2. 被控量：表征被控对象工作状态的物理参量(或状态参量)，如转速、压力、温度、电压、位移等。,4. 给定值或指令信号r(t)
2、：要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。,5. 干扰信号n(t)：又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。,6. 反馈信号b(t)：是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。,7. 偏差信号e(t)：是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。,二、自动控制的任务,在没有人直接参与下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量按照给定值的规律变化。或,上式是自动控制任务的数学表达式。,三、反馈控制原理,在自动控制系统中，被控量是要求严格加以控制的物理量；而作为对被控对象施加控制作用的控制装置，可以采用不同的原理和方式完成赋予的任务。其中，最基本的控制原理就是
3、反馈控制原理。基于反馈控制原理组成的控制系统被称为反馈控制系统。,在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加控制作用，而控制装置接受的信号是取自被控量的反馈信号与给定值相比较生成的偏差，根据偏差值的大小产生控制作用，实现控制任务。,实际行驶方向,预期行驶方向,图1.2 汽车驾驶控制原理框图,图1.3 汽车驾驶控制原理框图,四、控制系统的职能方框图,图1.4 控制系统职能方框图,控制器应具有三种基本职能，即测量、比较和执行。,1. 测量元件的职能是检测被控制的物理量，如果所测量的物理量为非电量，一般要将其转换为电量。,2. 比较元件的职能是将测量元件检测到的被控量的实际值与给定值相比较，计算求出二
4、者间的偏差。,4. 执行元件的职能是直接推动被控对象，使被控量发生变化 。,3. 放大元件的职能是将比较元件给出的偏差信号放大，以驱动执行元件去控制被控对象。,1.2 自动控制的基本方式,一、闭环控制,图1.7 闭环控制框图,闭环控制有三大特点：信号按箭头方向传递是封闭的(闭环)、负反馈和按偏差控制。因此，闭环控制也被称作反馈控制或按偏差控制。,闭环控制的主要优点：控制精度高，抗干扰能力强。 缺点是使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。,二、开环控制,1. 按给定值控制,图1.8 开环控制框图,2.按干扰补偿,图1.9 按干扰补偿框图,3.复合控制,图1.10 复合控制框图,1.
5、3 对控制系统的性能要求,一、稳定性,稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。 对于稳定的控制系统，被控量偏离期望值后，经过一段过渡时间后，被控量应恢复到原来状态。 对于不稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的偏差将会越来越大，最终发散。,控制系统动态过程曲线,二、快速性,快速性即动态过程进行时间的长短。 过程时间越短，说明系统的快速性越好，过程时间持续越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。,稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。,控制系统的动态过程,三、准确性,当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定值（平衡状态），这个稳定值与期望值的误差，就是系统的稳态误差。它是衡量系统稳态精
6、度的指标，反映了动态过程后期的性能。,1.4 自动控制系统示例,在分析自动控制系统时，首先应明确下面的一些问题:,1. 被控对象是什么？被控量是什么？作用在对象上的主要干扰信号有哪些？,2. 通过操纵哪个机构来改变被控量？即确定执行元件。,3. 有哪些测量元件？测量的是被控量还是干扰信号？测量元件的确定对分析系统起关键作用。,4. 指令信号或给定值是由哪个装置提供的？,5. 如何实现各信号的综合比较、计算和判断偏差？,一、涡轮喷气发动机转速控制系统,图1.11 涡轮喷气发动机转速控制系统原理图,首先应明确： 1. 被控对象：涡轮喷气发动机 2. 被控量：涡轮转速nc 3. 执行元件：即是改变供
7、油量的机构，系统中与柱塞泵的斜盘以及和斜盘相连接的油缸活塞。斜盘倾角不同，泵在同样转速下供油量就不同。 4. 转速测量：靠离心块（转速传感器）来完成转速测量，离心块产生的离心力不同，作用在滑阀上（分油活门）的力的大小就代表了转速的大小。,5. 转速给定：由油门的位置给定，油门位置不同，作用在滑阀上的起始弹簧力也不同，起始弹簧力的大小就代表了给定转速的大小。 6. 比较元件：就是滑阀，离心力和弹簧力在阀芯上进行比较，若两个作用力不相等，则推动阀芯打开油路，输出高压燃油到燃烧室。,图1.12 涡轮喷气发动机转速控制系统职能框图,本章小结,1正确理解自动控制的三种基本控制方式，尤其闭环负反馈按偏差控制的原理更要清楚。,2在已知自动控制系统工作原理图的条件下，熟练地给出该系统的职能方框图，正确标示出系统各职能元件的名称和信号的名称。,
