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1、自动控制原理自动控制原理自动控制原理自动控制原理第第一一章章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念第章第章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念? 1 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统? 1 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统 ? 2 自动控制方式自动控制方式 ? 3 控制系统类型控制系统类型 ? 4 闭环系统的组成及性能要求闭环系统的组成及性能要求? 4 闭环系统的组成及性能要求闭环系统的组成及性能要求11 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统?自动控制：自动控制：在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被
2、控 对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。1 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。?自动控制系统：自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们以某 种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象是由控制装置和被控对象所组成，它们以某 种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象 进行自动控制进行自动控制。进行自动控制进行自动控制。?控制器：控制器：对被控对象起控制作用装置的总体对被控对象起控制作用装置的总体.?被控对象被控对象：要求实现自动控制
3、的机器要求实现自动控制的机器，设备或生产过程设备或生产过程。?被控对象被控对象：要求实现自动控制的机器要求实现自动控制的机器，设备或生产过程设备或生产过程。?控制器：控制器：对被控对象起控制作用装置的总体，称做控制装置 或控制器。对被控对象起控制作用装置的总体，称做控制装置 或控制器。 输出量输出量：表现于控制对象或系统输出端表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控并要求实现自动控?输出量输出量：表现于控制对象或系统输出端表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控并要求实现自动控 制的物理量。制的物理量。?输入量输入量：作用于控制对象或系统输入端作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有
4、预并可使系统具有预输入量输入量：作用于控制对象或系统输入端作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预并可使系统具有预 定功能或预定输出的物理量。定功能或预定输出的物理量。?扰动：扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素， 称为干扰量或扰动量称为干扰量或扰动量。2称为干扰量或扰动量称为干扰量或扰动量。工业过程中的反馈控制系统例子工业过程中的反馈控制系统例子-例例1.1 锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位控制系统工业过程中的反馈控制系统例子工业过程中的反馈控制系统例子主蒸汽主蒸汽变送器变送器主蒸汽主蒸汽过热器过热器汽包汽包变送器变送器省煤
5、器省煤器 调节器调节器省煤器省煤器执行器执行器给水给水3给水调节阀给水调节阀给水泵给水泵?自动控制系统自动控制系统：控制装置控制装置受控对象受控对象?自动控制系统自动控制系统：控制装置控制装置受控对象受控对象?方框图方框图(方框方框+箭头箭头+求和圆求和圆+线条线条)：分析系统内各部分：分析系统内各部分 之间关系的图解法之间关系的图解法之间关系的图解法之间关系的图解法?自动控制系统的组成自动控制系统的组成(如锅炉水位控制系统如锅炉水位控制系统)：SVSVDVDVMVMV被控量被控量被控量被控量PVPV 给定器给定器调节器调节器执行器执行器受控过程受控过程SVSVDVDV反馈反馈反馈反馈MVMV
6、被控量被控量被控量被控量PVPV传感器传感器反馈反馈反馈反馈PVPV给定值给定值SV Setpoint-Value 偏差值偏差值DV Deviation-value 操作值操作值MV Manipulation-Value过程变量值过程变量值PVProcess-4操作值操作值MV Manipulation Value 过程变量值过程变量值PV Process Value锅炉水位控制系统锅炉水位控制系统偏差偏差控控调节调节给给设定设定调调执执调调汽汽+偏差偏差 量量 DV控控 制制 量量调节调节 位移位移 MV给给 水水 量量实际实际 水位水位设定设定 水位水位 SV调调节器节器执执行器行器调调节
7、阀节阀汽汽包包+ -DV量量MV量量水位水位SV变变送送送送器器测量水位测量水位PV反馈元件反馈元件52 自动控制方式自动控制方式 开环控制：开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向作用开环控制：开环控制是指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。而没有反向联系的控制过程。?输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现；输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现；?组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；主要特点：主要特点：?系统的稳定性不是主要问题；系统的稳定性不是主要问题；控制方式：控制方式：?按给定值操纵。信号由给定值
8、至输出量单向传递。一定按给定值操纵。信号由给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参数的变化无法自动补偿。结构简单结构简单，成本低廉成本低廉，多用多用参数的变化无法自动补偿参数的变化无法自动补偿。结构简单结构简单，成本低廉成本低廉，多用多用 于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合,如自动售货于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合,如自动售货 机，自动报警器，自动流水线等机，自动报警器，自动
9、流水线等。按给定值按给定值 控制的原控制的原 控制器控制器被控制 对象被控制 对象给定值给定值控制的原控制的原 理方框图理方框图6给定值给定值输出量输出量?按扰动补偿 。这种控制方式的原理是：利用对扰动信号的测按扰动补偿 。这种控制方式的原理是：利用对扰动信号的测 量产生控制作用量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信由于扰动信量产生控制作用量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信由于扰动信 号经测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的，号经测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的， 故属于开环控制方式故属于开
10、环控制方式。对于不可测扰动以及被控对象及各功对于不可测扰动以及被控对象及各功故属于开环控制方式故属于开环控制方式。对于不可测扰动以及被控对象及各功对于不可测扰动以及被控对象及各功 能部件内部参数变化给输出量造成的影响，系统自身无法控能部件内部参数变化给输出量造成的影响，系统自身无法控 制制。因此，控制精度有限，常用于。因此，控制精度有限，常用于工作机械的恒速控制（如工作机械的恒速控制（如 稳定刀具转速稳定刀具转速）以及电源系统的稳压以及电源系统的稳压，稳频控制稳频控制。稳定刀具转速稳定刀具转速）以及电源系统的稳压以及电源系统的稳压，稳频控制稳频控制。扰动扰动测量装置测量装置控制器控制器被控制
11、对象被控制 对象 输出输出输出输出 量量按扰动补偿 的原理方框图按扰动补偿 的原理方框图7闭环控制闭环控制：是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向?输出影响输入输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰所以能削弱或抑制干扰；闭环控制闭环控制：是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向 联系的控制过程。联系的控制过程。主要特点主要特点：?输出影响输入输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰所以能削弱或抑制干扰；?低精度元件可组成高精度系统；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。因为
12、可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。主要特点主要特点：控制方式控制方式：?反馈控制，反馈按反馈极性的不同分成两种形式：正反 馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，反馈控制，反馈按反馈极性的不同分成两种形式：正反 馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明， 一般都指负反馈一般都指负反馈。一般都指负反馈一般都指负反馈。闭环控制闭环控制 典型方框图典型方框图扰动扰动控制器控制器被控制被控制 对象对象典型方框图典型方框图扰动扰动控制器控制器对象对象输入量输入量输出量输出量83 控制系统类型控制系统类型3 控制系统类型控制系统类型?自动控制系统有多种分自动控制系统有多种分恒值系统：恒值
13、系统：也称镇定系统。也称镇定系统。输出量以一定的精度输出量以一定的精度 类方法。类方法。例如，按信号 传递路径，可分为例如，按信号 传递路径，可分为开环，开环， 闭环闭环等控制系统等控制系统；按系按系等于给定值，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，冶金部门的恒温闭环闭环等控制系统等控制系统；按系按系 统使用的能源可分为统使用的能源可分为机机 械械，电气电气，液压和气动液压和气动系统，石油部门的恒
14、压系统等。系统，石油部门的恒压系统等。随动系统：随动系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化输出量能以一定精度跟随给定值变化 的系统称随动系统的系统称随动系统，又称为跟踪系统又称为跟踪系统。这类系统这类系统械械，电气电气，液压和气动液压和气动 控制系统控制系统。此外，还可 以按系统的功用和性能此外，还可 以按系统的功用和性能的系统称随动系统的系统称随动系统，又称为跟踪系统又称为跟踪系统。这类系统这类系统 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。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
15、。 进行分类。进行分类。?按系统功用分类，主要按系统功用分类，主要 可分为以下三类可分为以下三类：程序控制系统：程序控制系统：自动控制系统的被控制量如果是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根据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制 系系例如例如炼钢炉中的微机控制系统炼钢炉中的微机控制系统洲际弹道洲际弹道可分为以下三类可分为以下三类：系系。例如例如，炼钢炉中的微机控制系统炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道洲际弹道 导弹的程序控制系统等。导弹的程序控制系统等。9?按系统性能分类按系统性能分类，主主定常系统和时变系统定常系统和时变系统：控制系统的参数如果在控制系统
16、的参数如果在?按系统性能分类按系统性能分类，主主 要可分为以下三类要可分为以下三类：定常系统和时变系统定常系统和时变系统：控制系统的参数如果在控制系统的参数如果在 工作过程中不随时间而变化，那么这类系统称 为定常系统。如果系统在工作期间其参数变化工作过程中不随时间而变化，那么这类系统称 为定常系统。如果系统在工作期间其参数变化 不能忽略其对系统工作的影响不能忽略其对系统工作的影响则这种系统成则这种系统成不能忽略其对系统工作的影响不能忽略其对系统工作的影响，则这种系统成则这种系统成 为时变系统。不包括非线性的时变系统称为线 性时变系统。线性系统的特点，可以应用叠加为时变系统。不包括非线性的时变系统称为线 性时变系统。线性系统的特点，可以应用叠加 原理原理用非线性方程描述的时变系统成为非线用非线性方程描述的时变系统成为非线原理原理。用非线性方程描述的时变系统成为非线用非线性方程描述的时变系统成
