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1、机机电电一一体体化化第四章控制系统第四章第四章 自动控制技术自动控制技术 4.1 概述概述4.2 控制系统的数学模型控制系统的数学模型4.3 微机控制技术基础微机控制技术基础4.4 数字控制器的设计数字控制器的设计机机电电一一体体化化第四章控制系统4.1 概述概述一、控制与控制系统一、控制与控制系统二、系统的分类二、系统的分类三、系统的过渡过程和性能指标三、系统的过渡过程和性能指标机机电电一一体体化化第四章控制系统一、控制与控制系统一、控制与控制系统 控制是指为达到预先给定的目的，作用于系控制是指为达到预先给定的目的，作用于系控制是指为达到预先给定的目的，作用于系控制是指为达到预先给定的目的，
2、作用于系统的有目的的动作。控制系统是指由统的有目的的动作。控制系统是指由统的有目的的动作。控制系统是指由统的有目的的动作。控制系统是指由被控对象被控对象被控对象被控对象和和和和控控控控制装置制装置制装置制装置所构成的，能够对被控对象的工作状态进行所构成的，能够对被控对象的工作状态进行所构成的，能够对被控对象的工作状态进行所构成的，能够对被控对象的工作状态进行调节、使之具有一定的状态和性能的系统。调节、使之具有一定的状态和性能的系统。调节、使之具有一定的状态和性能的系统。调节、使之具有一定的状态和性能的系统。例如：例如：例如：例如： 机机电电一一体体化化第四章控制系统机机电电一一体体化化第四章控
3、制系统一、控制与控制系统一、控制与控制系统控制器控制器控制阀控制阀被控对象被控对象传感器传感器给定值给定值偏差偏差控制器控制器 输出输出操纵操纵变量变量被控被控变量变量测量值测量值-+自动控制系统方框图自动控制系统方框图干干扰扰 利用系统框图可清楚、方便地表示自动控制系利用系统框图可清楚、方便地表示自动控制系利用系统框图可清楚、方便地表示自动控制系利用系统框图可清楚、方便地表示自动控制系统中各个组成部分之间的相互关系，在研究自动控统中各个组成部分之间的相互关系，在研究自动控统中各个组成部分之间的相互关系，在研究自动控统中各个组成部分之间的相互关系，在研究自动控制系统时，通常用方框图表示控制系统
4、的组成。制系统时，通常用方框图表示控制系统的组成。制系统时，通常用方框图表示控制系统的组成。制系统时，通常用方框图表示控制系统的组成。 机机电电一一体体化化第四章控制系统二、系统的分类二、系统的分类1 1按照有无反馈测量装置分类按照有无反馈测量装置分类按照有无反馈测量装置分类按照有无反馈测量装置分类控制器控制器被控对象被控对象传感器传感器输入输入偏差偏差输出输出测量值测量值-+控制器控制器被控对象被控对象输入输入输出输出开环控制系统开环控制系统闭环控制系统闭环控制系统机机电电一一体体化化第四章控制系统二、系统的分类二、系统的分类 开环控制系统是没有反馈环节的控制系统开环控制系统是没有反馈环节的
5、控制系统开环控制系统是没有反馈环节的控制系统开环控制系统是没有反馈环节的控制系统, ,其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格便宜。它的主要缺点是精度低，对环境变化和便宜。它的主要缺点是精度低，对环境变化和便宜。它的主要缺点是精度低，对环境变化和便宜。它的主要缺点是精度低，对环境变化和干扰十分敏感。干扰十分敏感。干扰十分敏感。干扰十分敏感。 闭环控制系统亦称为反馈控制系统。闭环闭环控制系统亦称为反馈控制系统。闭环闭环控制系统亦称为反馈控制系统。闭环闭环控制系统亦称为反馈控制系
6、统。闭环控制系统与开环控制系统相比，具有精度高，控制系统与开环控制系统相比，具有精度高，控制系统与开环控制系统相比，具有精度高，控制系统与开环控制系统相比，具有精度高，动态性能好，抗干扰能力强等优点，它的缺点动态性能好，抗干扰能力强等优点，它的缺点动态性能好，抗干扰能力强等优点，它的缺点动态性能好，抗干扰能力强等优点，它的缺点是结构复杂，维修困难，价格昂贵等。是结构复杂，维修困难，价格昂贵等。是结构复杂，维修困难，价格昂贵等。是结构复杂，维修困难，价格昂贵等。机机电电一一体体化化第四章控制系统二、系统的分类二、系统的分类2 2按照信号处理技术分类按照信号处理技术分类按照信号处理技术分类按照信号
7、处理技术分类 控制系统可以分为控制系统可以分为控制系统可以分为控制系统可以分为模拟控制系统模拟控制系统模拟控制系统模拟控制系统和和和和数字控制系统数字控制系统数字控制系统数字控制系统 凡采用模拟技术处理信号的控制系统称为模拟控制系统凡采用模拟技术处理信号的控制系统称为模拟控制系统凡采用模拟技术处理信号的控制系统称为模拟控制系统凡采用模拟技术处理信号的控制系统称为模拟控制系统; ; 而采用数字技术处理信号的控制系统称为数字控制系统。而采用数字技术处理信号的控制系统称为数字控制系统。而采用数字技术处理信号的控制系统称为数字控制系统。而采用数字技术处理信号的控制系统称为数字控制系统。 现在许多控制系
8、统都采用微处理机作为控制器，负责采现在许多控制系统都采用微处理机作为控制器，负责采现在许多控制系统都采用微处理机作为控制器，负责采现在许多控制系统都采用微处理机作为控制器，负责采集信号、运算控制规律以及产生控制指令等。机械系统是连集信号、运算控制规律以及产生控制指令等。机械系统是连集信号、运算控制规律以及产生控制指令等。机械系统是连集信号、运算控制规律以及产生控制指令等。机械系统是连续的物理过程，而微处理机控制器处理离散的数字信号，二续的物理过程，而微处理机控制器处理离散的数字信号，二续的物理过程，而微处理机控制器处理离散的数字信号，二续的物理过程，而微处理机控制器处理离散的数字信号，二者之间
9、必须通过采样器者之间必须通过采样器者之间必须通过采样器者之间必须通过采样器(A/D)(A/D)和数据保持器和数据保持器和数据保持器和数据保持器(D/A)(D/A)连接起来通连接起来通连接起来通连接起来通常，这类计算机控制系统通常称为常，这类计算机控制系统通常称为常，这类计算机控制系统通常称为常，这类计算机控制系统通常称为采样采样采样采样数据控制系统数据控制系统数据控制系统数据控制系统。机机电电一一体体化化第四章控制系统二、系统的分类二、系统的分类3 3按照应用分类按照应用分类按照应用分类按照应用分类 控制系统分为控制系统分为控制系统分为控制系统分为调节系统调节系统调节系统调节系统、跟踪系统跟踪
10、系统跟踪系统跟踪系统和和和和过程控制系统过程控制系统过程控制系统过程控制系统 调节系统是在干扰作用下使被控变量保持常数的一调节系统是在干扰作用下使被控变量保持常数的一调节系统是在干扰作用下使被控变量保持常数的一调节系统是在干扰作用下使被控变量保持常数的一种控制系统，调节系统的输入是它的设定点。种控制系统，调节系统的输入是它的设定点。种控制系统，调节系统的输入是它的设定点。种控制系统，调节系统的输入是它的设定点。 跟踪系统是保持其被控变量尽可能接近时变的指令跟踪系统是保持其被控变量尽可能接近时变的指令跟踪系统是保持其被控变量尽可能接近时变的指令跟踪系统是保持其被控变量尽可能接近时变的指令值，如数
11、控机床的刀具必须跟踪给定的路径，以加工出值，如数控机床的刀具必须跟踪给定的路径，以加工出值，如数控机床的刀具必须跟踪给定的路径，以加工出值，如数控机床的刀具必须跟踪给定的路径，以加工出合适形状的零件，这是典型的伺服系统。伺服系统是一合适形状的零件，这是典型的伺服系统。伺服系统是一合适形状的零件，这是典型的伺服系统。伺服系统是一合适形状的零件，这是典型的伺服系统。伺服系统是一类被控变量为位移、速度或加速度的跟踪系统。类被控变量为位移、速度或加速度的跟踪系统。类被控变量为位移、速度或加速度的跟踪系统。类被控变量为位移、速度或加速度的跟踪系统。 温度自动调节系统不是伺服系统，而是过程控制系温度自动调
12、节系统不是伺服系统，而是过程控制系温度自动调节系统不是伺服系统，而是过程控制系温度自动调节系统不是伺服系统，而是过程控制系统。典型的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流统。典型的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流统。典型的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流统。典型的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流速、液位以及化学浓度等。速、液位以及化学浓度等。速、液位以及化学浓度等。速、液位以及化学浓度等。机机电电一一体体化化第四章控制系统二、二、系统的分类系统的分类4 4按系统给定信号的特点分类按系统给定信号的特点分类按系统给定信号的特点分类按系统给定信号的特点分类 (1)(1)恒值控制系统
13、恒值控制系统恒值控制系统恒值控制系统 控制过程中，如要求被控变量保持在一个状态不变，或者控制过程中，如要求被控变量保持在一个状态不变，或者控制过程中，如要求被控变量保持在一个状态不变，或者控制过程中，如要求被控变量保持在一个状态不变，或者说系统的给定信号是恒定值，那么就需要采用恒值控制系统。说系统的给定信号是恒定值，那么就需要采用恒值控制系统。说系统的给定信号是恒定值，那么就需要采用恒值控制系统。说系统的给定信号是恒定值，那么就需要采用恒值控制系统。 (2)(2)程序控制系统程序控制系统程序控制系统程序控制系统 这类系统的给定值是变化的，且为一已知的时间函数，或这类系统的给定值是变化的，且为一
14、已知的时间函数，或这类系统的给定值是变化的，且为一已知的时间函数，或这类系统的给定值是变化的，且为一已知的时间函数，或按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控机按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控机按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控机按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控机床的数控程序加工，就是这类系统的例子。床的数控程序加工，就是这类系统的例子。床的数控程序加工，就是这类系统的例子。床的数控程序加工，就是这类系统的例子。 (3)(3) 随动控制系统随动控制系统随动控制系统随动控制系统 这类系统的特点是给定信号不仅不断地变化，且这种变
15、化这类系统的特点是给定信号不仅不断地变化，且这种变化这类系统的特点是给定信号不仅不断地变化，且这种变化这类系统的特点是给定信号不仅不断地变化，且这种变化不是预先规定好的，即给定信号是按未知规律变化的任意函数。不是预先规定好的，即给定信号是按未知规律变化的任意函数。不是预先规定好的，即给定信号是按未知规律变化的任意函数。不是预先规定好的，即给定信号是按未知规律变化的任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精确地复现给随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精确地复现给随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精确地复现给随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精确地复现给定信号的
16、变化规律。如雷达天线伺服系统等都是随动系统。定信号的变化规律。如雷达天线伺服系统等都是随动系统。定信号的变化规律。如雷达天线伺服系统等都是随动系统。定信号的变化规律。如雷达天线伺服系统等都是随动系统。机机电电一一体体化化第四章控制系统三、系统的过渡过程和性能指标三、系统的过渡过程和性能指标1 1 过渡过程过渡过程过渡过程过渡过程 系统的控制过程实际上是一个动态过程，即当系统的控制过程实际上是一个动态过程，即当系统的控制过程实际上是一个动态过程，即当系统的控制过程实际上是一个动态过程，即当系统的输入量（包括干扰）发生变化时，由于系统系统的输入量（包括干扰）发生变化时，由于系统系统的输入量（包括干扰）发生变化时，由于系统系统的输入量（包括干扰）发生变化时，由于系统的能量只能作连续变化，从而使系统的输出呈现出的能量只能作连续变化，从而使系统的输出呈现出的能量只能作连续变化，从而使系统的输出呈现出的能量只能作连续变化，从而使系统的输出呈现出从一个平衡状态向另一个平衡状态过渡的过程从一个平衡状态向另一个平衡状态过渡的过程从一个平衡状态向另一个平衡状态过渡的过程从一个平衡状态向另一个平衡状态过渡的
