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1、自动控制技术1沐风书苑沐风书苑第一章自动控制的基本概念第一章自动控制的基本概念主要内容：1.人工控制与自动控制 2.开环控制 3.闭环控制 4.自动控制系统的组成 5.自动控制系统的分类2沐风书苑沐风书苑1.1人工控制与自动控制1.1.1 1.1.1 自动控制问题的提出自动控制问题的提出 一一个个简简单单的的水水箱箱液液面面，因因生生产产和和生生活活需需要要，希希望望液液面面高高度度h 维维持持恒恒定定。当当水水的的流流入入量量与与流流出出量量平平衡衡时时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。水箱的液面高度维持在预定的高度上。水箱水箱流出流出流入流入h 当水的流出量当水的流出量增大或流入量减增大
2、或流入量减小，平衡则被破小，平衡则被破坏，液面的高度坏，液面的高度不能自然地维持不能自然地维持恒定。恒定。3沐风书苑沐风书苑 这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发生的。这使得这种生的。这使得这种“水位恒定的要求水位恒定的要求”变得难以实现变得难以实现了。了。 所所谓谓控控制制就就是是强强制制性性地地改改变变某某些些物物理理量量（进进水水量量），而而使使另另外外某某些些特特定定的的物物理理量量（如如被被控控量量液液面面高高度度h）维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。水箱水箱（控制对象）（控制对象）流出流出
3、流入流入h 这这 种种 人人 为为地地强强制制性性地地改改变变进进水水量量，而而使使液液面面（被被控控量量）高高度度维维持持恒恒定定的的过过程程，即即是是人人工工控控制制过程。过程。4沐风书苑沐风书苑1.2.2 1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件自动控制的定义及基本职能元件 1.1.自动控制的定义自动控制的定义 自自动动控控制制就就是是在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用控控制制器器使使被被控控对对象象（或或过过程程）的的某某些些物物理理量量（或或状状态态）自动地按预先给定的规律去运行。自动地按预先给定的规律去运行。水水箱箱流出流出流入流入h控制器控制器浮子浮子 当
4、当出出水水与与进进水水的的平平衡衡被被破破坏坏时时，水水箱箱水水位位下下降降( (或或上上升升) )，出出现现偏偏差差。这这偏偏差差由由浮浮子子检检测测出出来来，自自动动控控制制器器在在偏偏差差的的作作用用下下，控控制制阀阀门门开开大大(或或关关小小)，对对偏偏差差进进行行修修正正，从从而而保保持持液液面面高高度不变。度不变。5沐风书苑沐风书苑 2. 2. 自动控制的基本职能元件自动控制的基本职能元件 自动控制的实现自动控制的实现, ,实际上是由自动控制装置来代替人实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与自
5、动控制的功能方框图进行对照。与自动控制的功能方框图进行对照。水箱水箱流出流出流入流入h水箱水箱流出流出流入流入h控制器控制器浮子浮子 眼睛眼睛 浮子浮子 大脑大脑 自动控制器自动控制器 肌肉、手肌肉、手 执行元件执行元件6沐风书苑沐风书苑 比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：气气 动动阀阀 门门希望液位希望液位实际液位实际液位浮浮 子子控制器控制器水水 箱箱肌肉和肌肉和阀门阀门希望液位希望液位实际液位实际液位大大 脑脑水水 箱箱眼眼 睛睛7沐风书苑沐风书苑
6、执执 行行元元 件件参考输入参考输入输出输出测量变测量变送元件送元件控制器控制器对对 象象扰动输入扰动输入 测量元件与变送器（代替眼睛）；测量元件与变送器（代替眼睛）； 自动控制器（代替大脑）；自动控制器（代替大脑）； 执行元件（代替肌肉、手）。执行元件（代替肌肉、手）。 这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。下图是典型控制系统方框图控制系统。下图是典型控制系统方框图。8沐风书苑沐风书苑案例自动调温空调 9沐风书苑沐风书苑调节风调节风门门希望温度希望温度实际温度实际温度温度传感温度传感器器控制器控制器空调空调10沐风书苑沐风书苑小
7、结人工控制自动控制控制量和被控对象自动控制的基本元件11沐风书苑沐风书苑作业电饭煲 12沐风书苑沐风书苑1.2开环控制1.2 1.2 开环控制开环控制 开环控制是最简单的一种控制方式，我们可以给开环控制是最简单的一种控制方式，我们可以给出开环控制的一般定义：出开环控制的一般定义： 定义：控制量与被控量之间只有顺向作用而没有定义：控制量与被控量之间只有顺向作用而没有反向联系。反向联系。 开环控制系统的典型方框图如图所示。开环控制系统的典型方框图如图所示。控制器控制器被控对象被控对象控制量控制量被控量被控量 交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自
8、动生产线，数控车床等等。自动生产线，数控车床等等。13沐风书苑沐风书苑电动机电动机转速转速滑臂位置滑臂位置功率功率放大器放大器电位器电位器下图是一个直流电动机转速控制系统。下图是一个直流电动机转速控制系统。 当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，从而改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的从而改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。控制过程，用方框图简单直观地表示出来。 14沐风书苑沐风书苑 开环控制的特点：开环控制的特点： （1 1）结构简单、调整方便、成本低。）结构简单、
9、调整方便、成本低。 （2 2）给定一个输入，有相应的一个输出。）给定一个输入，有相应的一个输出。 （3 3）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形成开环。形成开环。 （4 4）输出不影响输入。）输出不影响输入。 （5 5）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差。确的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差。1.3 1.3 闭环控制闭环控制 定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控制系统。系统，都叫
10、做闭环控制系统。15沐风书苑沐风书苑 在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控控制作用，若能取自被控量的反馈信息，即根据实际输制作用，若能取自被控量的反馈信息，即根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为反馈控制原理。正是由于引入了反这种控制原理称为反馈控制原理。正是由于引入了反馈信息，使整个控制过程成为闭合的。因此，按反馈馈信息，使整个控制过程成为闭合的。因此，按反馈原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭环控制系统中，
11、其控制作用的基础是被控量与给定值环控制系统中，其控制作用的基础是被控量与给定值之间的偏差。之间的偏差。 人本身人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现了闭环控制的原理。了闭环控制的原理。 直流电动机转速闭环控制的例子。直流电动机转速闭环控制的例子。16沐风书苑沐风书苑电动机电动机转速转速给定给定位置位置功率功率放大器放大器电位器电位器+-负载负载扰动扰动测速发动机测速发动机ufureuaM功率功率放大器放大器电动机电动机负载负载电电位位器器F测速发动机测速发动机17
12、沐风书苑沐风书苑 闭环控制的特点：闭环控制的特点： 控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏差信号，由偏差产生对系统被控量的控制；差信号，由偏差产生对系统被控量的控制； 系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号，即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用，信号，即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用，使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。 提高了控制精度。提高了控制精度。 闭环控制系统的典型方框图如图所示。闭环控制系统的典型方框图如图所示
13、。 控制器控制器被控对象被控对象反馈元件反馈元件输入输入输出输出+-偏差偏差18沐风书苑沐风书苑三三. .开环与闭环控制系统的比较开环与闭环控制系统的比较 闭环系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响闭环系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统。在开环情况下，成本较低的元件构成精密的控制系统。在开环情况下，就不可能做到这一点。就不可能做到这一点。 从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建造，因为对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但造，因为对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但是在闭环系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因是在闭环系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因为闭环系统可能引起过调误差，从而导致系统做等幅为闭环系统可能引起过调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。振荡或变幅振荡。 工程上常采用的复合控制方法，就是把两者结合工程上常采用的复合控制方法，就是把两者结合起来使用。复合控制实质上是在闭环控制回路的基础起来使用。复合控制实质上是在闭环控制回路的基础19沐风书苑沐风书苑结结 束束20沐风书苑沐风书苑
