自动控制原理及应用 第1章 绪论解析

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1、自动控制原理及应用 清华大学出版社 董红生主编 第1章 绪论 本章小结 1.4 自动控制系统的应用举例 1.3 自动控制系统的基本要求 1.2自动控制系统的分类 1.1 自动控制系统的基本概念 教学目标： v理解自动控制和自动控制系统、自动控制系统 的控制方式及自动控制系统的组成等基本概念 ； v了解自动控制系统的分类方法； v掌握对自动控制系统的基本要求； v熟悉自动控制系统实例分析方法。 教学目标： v理解自动控制和自动控制系统、自动控制系统 的控制方式及自动控制系统的组成等基本概念 ； v了解自动控制系统的分类方法； v掌握对自动控制系统的基本要求； v熟悉自动控制系统实例分析方法。 1

2、.1 自动控制系统的基本概念 1.1.1 自动控制和自动控制系统 控制是指由人或用控制装置使被控对象按照一定目 的动作所进行的 操作。如果控制任务是由人来完成，则称为 人工控制。如果人不直接参与，而是由控制装置自动完成控 制任务，则称为自动控制。 1.人工控制 水位控制主要是通过控制阀门的开度来满足水位控制的 要求。水箱水位的人工控制系统如图1-2所示， 其控制过程包括以下几个环节： （1）通过测量元件（刻度标尺），观测水箱中的实际水 位，即被控量； （2）将实际水位与要求 的水位（给定值）相比较， 得出两者偏差； （3）根据水位偏差的大小 和方向调节进水阀门的开度 。当实际水位高于要求值时

3、，关小进水阀门开度，反之 ，则加大阀门开度。通过偏 差的调节，可使水箱水位与 要求值基本保持一致。 图1-2 水箱水位的人工控制 人工控制的过程就是测量、求偏差、实施控制以纠正偏 差的过程。简单说，就是检测偏差并纠正偏差的过程。 2.自动控制 水箱中的浮子：反映了 实际水位的变化，起到 水位测量的作用； 连杆机构：作为比较器 ，完成实际水位与期望 水位的比较； 放大器、伺服电动机和减速器：水位的调节驱动装置； 阀门：水位调节的执行元件，其开度则由电位器上的电压控制。 图1-3 水箱水位的自动控制 v人工控制和自动控制比较： 测量装置人眼； 执行机构人手； 比较与控制环节人脑。 共同的特点：检测

4、偏差，并用检测到的偏差去纠正偏差。 “以偏差纠正偏差”的控制原理又被称为反馈控制原理。 v自动控制术语： 被控对象（或称为受控对象）：被控的设备或过程 被控量（或称为被控参数）：表征设备或过程运行情况或状 态并加以控制的物理参量（或状态参量） 给定值（或称为参考输入、设定值）：被控量所应保持的期 望值 干扰（或称为扰动）：引起被控量的变化因素 v 自动控制的任务描述为：使被控对象的被控量等于或按一定 精度符合给定值。 系统的控制装置和被控对象组合在一起就称为自动控制系统 。自动控制系统的方框图如图1-4所示。 自动控制系统 输入信号 输出信号 图1-4自动控制系统的方框图 3.自动控制系统 自

5、动控制系统的构成及控制过程通常可用结构框图的形式描 述。水位自动控制系统的结构框图如图l-5所示。图中，用“ 方框”表示系统各个环节，用“箭头”代表信号的传递方向，用 “ ”表示比较环节，而反馈回路的“”号表示负反馈。 图1-5 水位自动控制系统的方框图 系统结构框图既反映了反馈控制的基本原理，又 清楚地表明了系统各环节的作用及其它们之间的受控 关系。 1.1.2 自动控制系统的控制方式 基本控 制方式 开环控制 闭环控制 复合控制 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统 1开环控制 是指的系统的输出量（被控量）对系统的控制作用没有 影响。 从系统的信号流向看：其控制信号的传递方向只有顺向没

6、有反馈。 开环控制的特点：系统结构和控制方法都比较简单，系统的抗干扰 能力差，控制精度完全取决于系统各组成环节的精度。当系统存在 干扰或系统参数发生变化时，会直接影响被控量，而系统无法自动 补偿，因而控制精度难于保证。 适用场合：系统结构参数稳定，且不存在干扰或干扰很弱，对被控 量要求不高的场合，如家用电风扇的转速控制、自动洗衣机、包装 机以及一些自动化流水线，多属于该类控制系统。 开环控制的原理框图如图1-5 所示。 图1-5 开环控制的原理框图 2闭环控制 是指系统的输出量（被控量）对系统的控制作用有直接影 响。闭环控制的原理框图如图1-7所示。 图1-7 闭环控制的原理框图 从系统的信号

7、流向看，系统输出信号沿反馈通道（一般由检 测、变送器构成）回送到系统的输入端形成反馈信号。由于 控制系统中存在反馈回路，故称为闭环控制或反馈控制。 闭环控制的特点：系统达到较高的控制精度，系统的 结构比较复杂，调试较为困难。由于闭环控制存在反 馈信号，若系统元件参数配合不当，容易产生振荡， 使系统不能正常工作。 开环系统和闭环系统的比较： 从控制系统的特点来看，当系统的输入量预先知道，且不存 在其它任何扰动时，采用开环控制系统较为合适，而当存在无法 预计的外部扰动或系统参数变化时，采用闭环控制系统具有更多 的优越性。 从系统稳定性的观点来看，开环控制系统不存在稳定性的问 题，而在闭环控制系统中

8、，稳定性始终是一个重要问题。 闭环控制系统的输出对外部干扰和内部参数变化不敏感，可 以使用低精密的元件构成高精密的控制系统，而这一点对于开环 控制系统是不可能做到的； 闭环控制系统采用的元件数量较多，因此系统成本和功率要 比开环控制系统高。 3.复合控制 是在闭环控制的基础上，附加一个给定或扰动信号的顺 馈通路，对该信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果 。 图1-7给定补偿的复合控制 图1-8扰动补偿的复合控制 1.1.3 自动控制系统的组成 自动控制系统是由被控对象和控制装置两部分组成 。 图1-9 自动控制系统的组成 在工业过程控制中，控制装置主要包括检测元件、变 送器、控制器（校正装

9、置）或计算机装置、执行机构 等，分别完成检测、运算和执行等功能。 给定元件：其功能是确定被控对象的目标值，即给定值，要求 给定值与测量值的信号种类和量纲保持一致，给定量可以是各 种形式，如电量、非电量、数字量、模拟量等。 测量元件：其功能是检测被控量，并将检测值转换为便于处理 的电压或电流信号后，传送到输入比较装置。通常测量元件出 现在反馈回路中。 比较元件：其功能是将给定值与测量值进行比较，求出两者之 间的偏差。 放大元件：其功能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，以 便有足够的功率来推动执行元件执行控制。 执行元件：其功能是直接推动被控对象，使被控量发生变化。 校正元件：是在系统基本结构基

10、础上附加的元件或装置，其参 数可灵活调整，主要用于改善系统的控制性能。工程上又称为 调节器。通常采用串联或反馈的方式连接在系统中。 被控对象：是指控制系统中需要控制的对象，通常为生产设备 或工作机构等。 1.2自动控制系统的分类 1.2.1 按给定值的变化规律分类 1. 恒值控制系统 恒值控制系统特点：系统的给定值为一恒定值，控制的目的 是要求系统的被控量等于给定值，且保持恒定不变。 2. 随动控制系统(又称伺服系统 ） 随动控制系统又称为跟踪控制系统，其特点是系统给定值按 事先未知的时间函数变化（有时是完全随机的），控制的目 的是要求系统的被控量能快速、准确地跟随给定值的变化。 3. 程序控

11、制系统 在程序控制系统中，给定值是按事先预定的规律变化，是一 个已知的时间函数，控制的目的是要求被控量按照确定的给 定时间函数变化。 1.2.2 按系统的信号形式分类 连续控制系统 离散控制系统 1.2.3 按系统的特性分类 线性系统 非线性系统 1.3 自动控制系统的基本要求 1.3.1 稳定性 系统稳定性是指当系统受到外加信号（给定或扰动）作用后，系 统响应的暂态过渡过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。 工程上对系统性能的基本要求有三个方面： 稳定性、 快速性、准确性。 (a)稳定系统 (b)不稳定系统 图1-11 稳定系统和不稳定系统 1.3.2 快速性 系统的快速性可用系统动态过程的时

12、间长短来描述。 一个实际控制系统，不仅系统要具有稳定性（指的是绝对稳定 性），而且其输出响应的动态过程的振荡不宜过大（指的是相 对稳定性），否则无法满足生产要求。 图1-12 控制系统的快速性 系统快速性表征 了输出对输入响 应的快慢程度。 1.3.3 准确性 系统的准确性可用输入给定值与输出响应的终值之差（ess） 来描述。 系统准确性反映了系 统的稳态精度，若ess 不为零，则为有差系 统；反之，若ess等于 零，则为无差系统。 图1-13 控制系统的稳态精度 对于控制系统的稳定性、快速性、准确性的要求往往 是相互制约的。过分提高系统响应的快速性，可能导 致系统振荡加剧，甚至不稳定；而过分

13、强调改善相对 稳定性，又可能使系统响应迟缓，最终导致系统控制 精度降低。根据系统具体任务的不同，在分析和设计 自动控制系统时，对系统稳、准、快三方面的性能要 求应统筹考虑，并有所侧重，从而全面满足系统性能 要求。 1.4 自动控制系统的应用举例 【例1-1】电炉箱温度控制系统如图1-14 所示。试分析系统的 工作原理，并画出系统原理结构框图。 图1-14 电炉箱温度控制系统 解：（1）系统的工作原理 电炉箱温度控制系统为一闭环恒温控制系统。系统采用热电偶 检测电炉箱实时温度，并将炉温转换成电压信号Uf（mV），反 馈至输入端与给定电压Us进行比较，求得两者的偏差U=Us-Uf ，此偏差电压作为

14、控制信号，经电压放大和功率放大后驱动直 流伺服电动机转动，经减速器带动调压变压器的滑动触头移动 ，完成炉温调节。 （2）系统的原理框图 图1-15 电炉箱恒温控制系统的结构框图 【例1-2】锅炉液位控制系统如图1-16 所示。 图1-16 锅炉液位控制系统 解： （1）系统的工作原理 锅炉液位控制系统为一闭环液位恒值控制系统。当蒸汽的耗汽 量与锅炉进水量相等时，液位保持为正常标准值。当锅炉的给 水量不变，而蒸汽负荷突然增加或减少时，液位就会降低或升 高；或者当蒸汽负荷不变，而给水管道水压发生变化时，也会 引起锅炉液位发生波动。不论出现哪种情况，测量变送器就会 检测出来，在调节器内求出实际液位与

15、给定液位之间的偏差， 并给出适当的控制量，驱动执行机构进行控制，增大或减小给 水阀门的开度，使锅炉液位迅速恢复到期望给定值。 （2）系统的原理框图 锅炉液位控制系统结构框图如图1-17所示。 图1-17 锅炉液位控制系统的结构框图 【例1-3】机床工作台位置随动系统的原理图如图1-18所示。 解：（1）系统的工作原理 图1-18 机床工作台位置随动系统 解：（1）系统的工作原理 机床工作台控制系统为一闭环的位置随动控制系统。首先通 过指令电位器W1的滑动触点给出工作台的位置指令信号xr ， 并转换为给定电压信号ur。被控制工作台的位移信号xc由反馈 电位器W2 检测，并转换为反馈电压信号xc。

16、由于两电位器连 接为电桥电路，当工作台位置信号与给定位置信号有偏差时 ，电桥输出电压为 当指令电位器和反馈电位器滑动触点都处于左端时，即 ，则 ，此时，放大器无输出，直流伺服电动机 不转，工作台静止，系统处于平衡状态。 当给出位置指令时，在工作台改变位置之前的瞬间，有 ，则电桥输出电压为 此偏差电压经放大器放大后控制直流伺服电动机转动，带动 齿轮减速器和丝杠副工作，使工作台右移。 当工作台实际位置与给定位置之间的偏差随工作台的移动逐 渐减小时，有 减小，则直流伺服电动机转角减小，使得 工作台的位置逐渐接近给定位置。 当工作台的实际位置与给定位置一致时，电桥重新平衡，有 ，伺服电动机停转，工作台则停止在给定位置，系统处于新 的平衡状态。 （2）系统的原理框图 机床工作台位置随动系统的结构框图如图1-19所示。 本章小结 （1）自动控制是指没有人直接参与的情况下，利用自动控制装 置使被控量保持恒定或按预定的规律变化。自动控制系统包括 被控对象和控制装置两个部分，一般控制装置主要包括