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1、第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念1.1 1.1 自动控制的基本概念自动控制的基本概念1.2 1.2 自动控制的基本控制方式自动控制的基本控制方式1.3 1.3 闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.5 1.5 对于自动控制系统的要求对于自动控制系统的要求1 11.1自动控制的基本概念自动控制的基本概念 自动控制自动控制自动控制自动控制：在没人直接参与的情况下，利用控制：在没人直接参与的情况下，利用控制：在没人直接参与的情况下，利用控制：在没人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律或数值装置使被控对象
2、或过程自动地按预定规律或数值装置使被控对象或过程自动地按预定规律或数值装置使被控对象或过程自动地按预定规律或数值运行。运行。运行。运行。 自动控制系统自动控制系统自动控制系统自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行：能够对被控对象的工作状态进行：能够对被控对象的工作状态进行：能够对被控对象的工作状态进行自动控制系统。一般由控制器自动控制系统。一般由控制器自动控制系统。一般由控制器自动控制系统。一般由控制器( (含测量元件含测量元件含测量元件含测量元件) )和控和控和控和控制对象组成。制对象组成。制对象组成。制对象组成。举例：水位控制系统举例：水位控制系统举例：水位控制系统举例：水位控制系统控
3、制器控制器减速器减速器电动机电动机电位器电位器浮浮子子用水开用水开关关Q2Q1cifSM2 21.2两种基本控制方式两种基本控制方式 1 1、开环控制方式、开环控制方式、开环控制方式、开环控制方式 1 1） 控制装置与被控对象之控制装置与被控对象之控制装置与被控对象之控制装置与被控对象之间只有顺向作用没有反向联系间只有顺向作用没有反向联系间只有顺向作用没有反向联系间只有顺向作用没有反向联系。 如下图所示炉温控制系统如下图所示炉温控制系统如下图所示炉温控制系统如下图所示炉温控制系统3） 开环控制系统的特点：开环控制系统的特点： （1）系统输出量对控制作）系统输出量对控制作用无影响用无影响 （2）
4、无反馈环节）无反馈环节 （3）出现干扰靠人工消除）出现干扰靠人工消除 （4）无法实现高精度控制）无法实现高精度控制2）开环控制系统职能框图）开环控制系统职能框图3 3例例例例1 1： 开环调速系统（不考虑测速反馈）开环调速系统（不考虑测速反馈）开环调速系统（不考虑测速反馈）开环调速系统（不考虑测速反馈）工作原理：工作原理：工作原理：工作原理： 改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压UgUg值的大小，值的大小，值的大小，值的大小， 其值经功率放大器其值经功率放大器其值经功率放
5、大器其值经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端，放大后施加在直流电动机的电枢两端，放大后施加在直流电动机的电枢两端，放大后施加在直流电动机的电枢两端， 由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改变随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改变随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改变随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改变
6、UgUg的大小，便控制了电动机转速的高低。系统中，的大小，便控制了电动机转速的高低。系统中，的大小，便控制了电动机转速的高低。系统中，的大小，便控制了电动机转速的高低。系统中，UgUg 是是是是给定输入量给定输入量给定输入量给定输入量；电动机的转速；电动机的转速；电动机的转速；电动机的转速n n是是是是系统的系统的系统的系统的输出量即被控量输出量即被控量输出量即被控量输出量即被控量，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变
7、化等，是化等，是化等，是化等，是扰动输入量扰动输入量扰动输入量扰动输入量。 可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控制。可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控制。可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控制。可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控制。 4 4 把输出量直接或间接地反馈到把输出量直接或间接地反馈到把输出量直接或间接地反馈到把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与系统的输入端，形成闭环，参与系统的输入端，形成闭环，参与系统的输入端，形成闭环，参与控制，这种系统叫控制，这种系统叫控制，这种系统叫控制，这种系统叫闭环控制系
8、统闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统。开环控制系统职能框图开环控制系统职能框图： 实际的闭环控制系统，都实际的闭环控制系统，都是以负反馈的形式出现是以负反馈的形式出现如下图所示系统如下图所示系统2、闭环控制方式：、闭环控制方式：5 5例例例例2 2：闭环调速系统：闭环调速系统：闭环调速系统：闭环调速系统3、复合控制方式、复合控制方式 （开环控制（开环控制+闭环控制）闭环控制） 两种结构：按输入信号补偿，按扰动信号补偿两种结构：按输入信号补偿，按扰动信号补偿6 62 2、基本元部件及其功能、基本元部件及其功能、基本元部件及其功能、基本元部件及其功能 （1 1）给定元件给定元件给定元件给定元件
9、设定被控量的给定值；设定被控量的给定值；设定被控量的给定值；设定被控量的给定值； （2 2）测量元件测量元件测量元件测量元件 对系统被控量对系统被控量对系统被控量对系统被控量( (输出置输出置输出置输出置) )进行测量；进行测量；进行测量；进行测量； （3 3）比较元件比较元件比较元件比较元件 对系统输出量与输入量进行代数运对系统输出量与输入量进行代数运对系统输出量与输入量进行代数运对系统输出量与输入量进行代数运算并给出偏差信号，起综合、比较变换作用。算并给出偏差信号，起综合、比较变换作用。算并给出偏差信号，起综合、比较变换作用。算并给出偏差信号，起综合、比较变换作用。 （4 4）放大元件放大
10、元件放大元件放大元件 对微弱的偏差信号进行放大，使其有对微弱的偏差信号进行放大，使其有对微弱的偏差信号进行放大，使其有对微弱的偏差信号进行放大，使其有足够的幅但与功率。足够的幅但与功率。足够的幅但与功率。足够的幅但与功率。1.3闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成1、基本组成结构方块图、基本组成结构方块图7 73 3、闭环控制系统的特点、闭环控制系统的特点、闭环控制系统的特点、闭环控制系统的特点 （1 1）系统输出量参予了对系统的控制作用）系统输出量参予了对系统的控制作用）系统输出量参予了对系统的控制作用）系统输出量参予了对系统的控制作用 （2 2）控制精度高）控制精度高）控制精度高）控制精度
11、高 （3 3）抗干扰能力强）抗干扰能力强）抗干扰能力强）抗干扰能力强 （4 4）系统可能工作不稳定，通常要加校正元件）系统可能工作不稳定，通常要加校正元件）系统可能工作不稳定，通常要加校正元件）系统可能工作不稳定，通常要加校正元件 （5）执行元件执行元件 根据放大后的偏差信号，对被控对根据放大后的偏差信号，对被控对象执行控制任务，使输出量与希望值起子一致。象执行控制任务，使输出量与希望值起子一致。 （6）被控对象被控对象 指自动控制系统需要进行控制的机指自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程。被控对象要求实现自动控制的器、设备或生产过程。被控对象要求实现自动控制的物理量称为被控量或输出
12、量。物理量称为被控量或输出量。 （7）校正元件校正元件 用以改善系统性能用以改善系统性能 8 81.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1 1、按系统性能分类：、按系统性能分类：、按系统性能分类：、按系统性能分类：（1 1）线性系统线性系统线性系统线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描：用线性微分方程或线性差分方程描：用线性微分方程或线性差分方程描：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。述的系统。述的系统。述的系统。满足叠加性和齐次性满足叠加性和齐次性满足叠加性和齐次性满足叠加性和齐次性（2 2）非线性系统非线性系统非线性系统非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描：用非线性微分方程或
13、差分方程描：用非线性微分方程或差分方程描：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。不满足叠加性和齐次性述的系统。不满足叠加性和齐次性述的系统。不满足叠加性和齐次性述的系统。不满足叠加性和齐次性2 2、按信号类型分类：、按信号类型分类：、按信号类型分类：、按信号类型分类：（1 1）连续系统连续系统连续系统连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均：系统中各元件的输入量和输出量均：系统中各元件的输入量和输出量均：系统中各元件的输入量和输出量均为时间为时间为时间为时间t t的连续函数。的连续函数。的连续函数。的连续函数。（2 2）离散系统离散系统离散系统离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉：系统中某
14、一处或几处的信号是以脉：系统中某一处或几处的信号是以脉：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。计算机控制系冲系列或数码的形式传递的系统。计算机控制系冲系列或数码的形式传递的系统。计算机控制系冲系列或数码的形式传递的系统。计算机控制系统就是典型的离散系统。统就是典型的离散系统。统就是典型的离散系统。统就是典型的离散系统。9 93、按给定信号分类、按给定信号分类（1）恒值控制系统恒值控制系统： 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。近给定希望值的系统。 如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、如生产过程中的温度、
15、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。（2）随动控制系统随动控制系统： 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。（3）程序控制系统程序控制系统： 给定值按一定时间函数变化。如程控机床。给定值按一定时间函数变化。如程控机床。10101.5 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求稳定性稳定性稳定性稳定性 若系统有扰动或给定输入作用发生变化，系统的输出量产若系统有扰动或给定输入作用发生变化，系统的输出量产若系统有扰动或给定输
16、入作用发生变化，系统的输出量产若系统有扰动或给定输入作用发生变化，系统的输出量产生的过渡过程随时间增长面衰减，而回到生的过渡过程随时间增长面衰减，而回到生的过渡过程随时间增长面衰减，而回到生的过渡过程随时间增长面衰减，而回到( (或接近或接近或接近或接近) )原来的稳定原来的稳定原来的稳定原来的稳定值，或跟踪变化了的输入信号则称系统稳定。值，或跟踪变化了的输入信号则称系统稳定。值，或跟踪变化了的输入信号则称系统稳定。值，或跟踪变化了的输入信号则称系统稳定。这是对反馈控这是对反馈控这是对反馈控这是对反馈控制系统提出的最基本要求。制系统提出的最基本要求。制系统提出的最基本要求。制系统提出的最基本要
17、求。 快速性快速性快速性快速性系系系系统统统统从从从从一一一一个个个个稳稳稳稳定定定定状状状状态态态态过过过过渡渡渡渡到到到到另另另另一一一一个个个个新新新新的的的的稳稳稳稳定定定定状状状状态态态态，都都都都需需需需要要要要经经经经历历历历一一一一个个个个过过过过渡渡渡渡过过过过程程程程，快快快快速速速速性性性性对对对对过过过过渡渡渡渡过过过过程程程程的的的的形形形形式式式式和和和和快快快快慢慢慢慢提提提提出出出出要要要要求求求求，一般称为动态性能。一般称为动态性能。一般称为动态性能。一般称为动态性能。准确性准确性准确性准确性用稳态误差来表示。用稳态误差来表示。用稳态误差来表示。用稳态误差来表
18、示。在在在在参参参参考考考考输输输输入入入入信信信信号号号号作作作作用用用用下下下下，当当当当系系系系统统统统达达达达到到到到稳稳稳稳态态态态后后后后，其其其其稳稳稳稳态态态态输输输输出出出出与与与与参参参参考考考考输输输输入入入入所所所所要要要要求求求求的的的的期期期期望望望望输输输输出出出出之之之之差差差差叫叫叫叫做做做做给给给给定定定定稳稳稳稳态态态态误误误误差差差差。显显显显然然然然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。1111
