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1、第一章第一章自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念电子科技大学机械电子工程学院 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念1.1 控制系统任务原理和组成1.2 自动控制系统的分类和根本要求本章主要内容本章主要内容1.1 1.1 控制系统任务原理和组成控制系统任务原理和组成一、控制系统任务原理一、控制系统任务原理例例：电炉恒温箱的控制：电炉恒温箱的控制 1、人工控制恒温箱、人工控制恒温箱 2、自动控制恒温箱、自动控制恒温箱 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念人工控制恒温箱人工控制恒温箱123 动态过程动态过程 v观测恒恒温温箱箱内内的的温温度度被被控
2、控制制量量v与与要要求求的的温温度度给定定值 进展展比比较，得得到到温温度度偏偏向向的的大大小和方向小和方向v根根据据偏偏向向大大小小和和方方向向调理理调压器器，控控制制加加热电阻阻丝的的电流流以以调理温度回复到要求理温度回复到要求值。丈量、比较、判别、操丈量、比较、判别、操作作 本本质质 检测检测偏向和偏向和纠纠正偏向。正偏向。 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念控制器：大控制器：大脑被控被控对象：恒温箱象：恒温箱被控量：恒温箱内的温度被控量：恒温箱内的温度丈量元件：眼睛、温度丈量元件：眼睛、温度计执行元件：手和行元件：手和调压器器 第一章第一章 自动控制系统的普通概
3、念自动控制系统的普通概念l自动控制恒温箱自动控制恒温箱温度偏向信号温度偏向信号经电压、功率放大后，用以、功率放大后，用以驱动执行行电动机，并机，并经过传动机构拖机构拖动调压器器动触触头。当温度偏高。当温度偏高时，动触触头向减小向减小电流的方向运流的方向运动，反之加大，反之加大电流，直到温度流，直到温度到达到达给定定值为止，此止，此时，偏向，偏向 u=0,u=0,电机停机停顿转动。 动态过动态过动态过动态过程程程程 恒温箱实践温度由热电恒温箱实践温度由热电偶转换为对应的电压偶转换为对应的电压u2u2恒温箱期望温度由电恒温箱期望温度由电压压u1u1给定，并与实践给定，并与实践温度温度u2u2比较得
4、到温度比较得到温度偏向信号偏向信号 u=u1-u2u=u1-u2 本本质质 检测检测偏向偏向纠纠正偏向正偏向 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念把实践物理系统按信号传送过程画成方框图或称方块图把实践物理系统按信号传送过程画成方框图或称方块图比较元件，它的输出比较元件，它的输出信号等于各输入信号信号等于各输入信号代数相加用十、一代数相加用十、一号表示，十可以不标号表示，十可以不标。箭头箭头, ,表示信表示信号的方向。号的方向。引出点，表示信号引出点，表示信号在此分两路，两路在此分两路，两路信号一样，不存在信号一样，不存在分流问题分流问题方框表示系统的组方框表示系统的组成元
5、件成元件, ,注明称号或注明称号或功能功能. .系统输入量，系统输入量，也称为参考输也称为参考输入量信号入量信号被控制量被控制量, ,系系统输出量统输出量偏向信号偏向信号反响反响信号信号反响反响通路通路 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念 由于存在由于存在输输出量反响，上述系出量反响，上述系统统能在能在存在无法估存在无法估计扰动计扰动的情况下，自的情况下，自动动减少系减少系统统的的输输出量与参考出量与参考输输入量入量 或者恣意或者恣意变变化化的希望的形状的希望的形状 之之间间的偏向，故称之的偏向，故称之为为反反响控制。响控制。 显显然：反响控制建立在偏向根底上，其然：反
6、响控制建立在偏向根底上，其控制方式是控制方式是“检测检测偏向再偏向再纠纠正偏向。正偏向。 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念 【自动控制】：在没有人直接参与的情况下，【自动控制】：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或安装称控制安装或控制器利用外加的设备或安装称控制安装或控制器,使机器、设备或消费过程被控对象的某使机器、设备或消费过程被控对象的某个任务形状或参数即被控量自动地按照预个任务形状或参数即被控量自动地按照预定的规律运转。定的规律运转。 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念 【自动控制系统】由相互关联的部件按一定的构造构【自动控制系统】
7、由相互关联的部件按一定的构造构成的，它经过一定的控制方法，使系统可以到达要求成的，它经过一定的控制方法，使系统可以到达要求的性能的性能 ，提供预期的系统呼应。，提供预期的系统呼应。自动控制系统自动控制系统控制器：可以对被控对象起控制控制器：可以对被控对象起控制 作用的设备总称作用的设备总称被控制对象被控制对象 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念控制系统任务原理：控制系统任务原理：检测输出量被控制量的实践值；检测输出量被控制量的实践值；将输出量的实践值与给定值输入量进展比较将输出量的实践值与给定值输入量进展比较得出偏向；得出偏向；用偏向值产生控制调理作用去消除偏向，使得输
8、用偏向值产生控制调理作用去消除偏向，使得输出量维持期望的输出。出量维持期望的输出。 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念二、反响控制系统的根本组成二、反响控制系统的根本组成反响控制系反响控制系统的普通的普通组成成控制控制器器 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念1. 1. 给给定元件定元件 产产生生给给定信号或定信号或输输入信号。入信号。2. 2. 反响元件反响元件 丈量元件丈量元件 丈量被控制量丈量被控制量 输输出量出量 ，产产 生生主反响信号。主反响信号。5. 5. 执执行元件行元件 直接直接对对受控受控对对象象进进展支配的元件，使被控量与希望展
9、支配的元件，使被控量与希望值趋值趋于于一致。一致。3. 3. 比比较较元件元件 对给对给定信号和反响信号定信号和反响信号进进展比展比较较，产产生偏向信号。生偏向信号。 4. 4. 放大元件放大元件 对偏向信号进展放大，输出足够的能量驱动对偏向信号进展放大，输出足够的能量驱动执行元件实现控制功能。执行元件实现控制功能。 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念6. 6. 校正元件校正元件 参数或构造便于参数或构造便于调调整整的元件，用以改善系的元件，用以改善系统统性性能。分能。分为为串串联联和并和并联联两种。两种。 实实践的控制系践的控制系统统中，中，扰动总扰动总是不可防止的，
10、是不可防止的，扰动扰动分分为为内部内部扰动扰动和外部和外部扰动扰动。但在控制系。但在控制系统统中，中，扰动扰动集中表如今控制量与集中表如今控制量与被控量的偏向上，因此，可以将控制系被控量的偏向上，因此，可以将控制系统统的的扰动扰动等效等效为对为对控制控制对对象的干象的干扰扰。偏向信号：控制信号与主反响信号之差。偏向信号：控制信号与主反响信号之差。误差信号：系差信号：系统输出量的出量的实践践值与希望与希望值之差。之差。留意：留意：误差与偏向不是同一概念，只需在全反响系差与偏向不是同一概念，只需在全反响系统中，中，误差差=偏向偏向 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念1.2
11、1.2 自动控制系统的分类和根本要求自动控制系统的分类和根本要求一、自动控制系统的分类一、自动控制系统的分类按有无反响作用按有无反响作用按输入量特征分类按输入量特征分类按传送信号分类按传送信号分类开环控制开环控制恒值控制恒值控制延续控制延续控制闭环控制闭环控制程序控制程序控制离散数字控制离散数字控制随动控制随动控制 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念按系统元件特按系统元件特性分类性分类按元件参数能否随时按元件参数能否随时间变化间变化按被调量能否存在稳按被调量能否存在稳态误差态误差线性系统线性系统时变系统时变系统有差系统有差系统非线性系统非线性系统定常系统定常系统无差系统
12、无差系统 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念开环系统开环系统系系统统的的输输出出、输输入入端端之之间间不不存存在在反反响响电电路路，输输出出量量 对系统的控制造用没有影响。对系统的控制造用没有影响。机械衔接机械衔接分压器分压器电位器电位器信号放大信号放大, ,功率放大功率放大机械衔接机械衔接, ,减减速速, ,变矩变矩控制信号控制信号被控制信号被控制信号 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念闭环系统闭环系统 闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反响回路，输出量对控制过程有直接影响。前向通道前向通道反向通道反向通道1-1-控制器控制器 2- 2-
13、被控制对象被控制对象 3- 3-反响元件反响元件 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念优点：点：简单、稳定、可靠。假定、可靠。假设组成系成系统的元件特性和参的元件特性和参数数值比比较稳定，且外界干定，且外界干扰较小，开小，开环控制可以控制可以坚持一定持一定的精度。的精度。缺陷：精度通常缺陷：精度通常较低、无自低、无自动纠偏才干。偏才干。开环系统与闭环系统的优点和缺陷开环系统与闭环系统的优点和缺陷闭环系系统：优点：精度点：精度较高，高，对外部外部扰动和系和系统参数参数变化不敏感化不敏感缺陷：存在缺陷：存在稳定、振定、振荡、超、超调等等问题，系，系统性能分析和性能分析和设 计
14、费事。事。开环系统：开环系统： 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念 普通来说，当系统控制量的变化规律能预先知道，并且不存在外部扰动或有方法抑制时，采用开环控制较好。特别是被控制量很难进展丈量时更是如此。 假设系统的控制量和干扰量均无法事先预知时，或系统中元件参数不稳定时，采用闭环控制的优点就显得特别突出。 假设要务虚现复杂而准确度较高的控制义务，那么可将开环控制与闭环控制结合起来一同运用，组成一个比较经济而又性能较好的复合控制系统。开环控制系统和闭环控制系统设计时的选择原那开环控制系统和闭环控制系统设计时的选择原那么么 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的
15、普通概念恒值系统恒值系统恒值系统：输出量以一定精度等于给定值，而给定值普通恒值系统：输出量以一定精度等于给定值，而给定值普通不变或变化很缓慢扰动可随时变化的系统。不变或变化很缓慢扰动可随时变化的系统。压力控制系统压力控制系统 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念随动系统随动系统 随动系统伺服系统：输入量的变化规律不随动系统伺服系统：输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰要素的影跟随输入量的变化，并能排除各种干扰要素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。响，准确地复现输入信号的
16、变化规律。雷达天线随动系统雷达天线随动系统 输入信号：输入信号：随机信号随机信号输出输出信号信号 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念程序控制系统程序控制系统程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，输入安装根程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，输入安装根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。程序的要求而运动。 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念 有差系统：假设某个系统的扰动作用经有差系统：假设某个系统的扰动作用经过一段时间而趋于某一恒定的稳态值，过一段时间而趋于某一
17、恒定的稳态值，而被调量的实践值和希望值之差也逐渐而被调量的实践值和希望值之差也逐渐趋于某一不为零的恒值这个值取决于趋于某一不为零的恒值这个值取决于扰动作用的大小。扰动作用的大小。 无差系统：假设一个系统的扰动作用无差系统：假设一个系统的扰动作用经过一段时间而趋于某一恒定的稳态值，经过一段时间而趋于某一恒定的稳态值，而被调量的实践值和希望值之差逐渐趋而被调量的实践值和希望值之差逐渐趋于零，且与扰动作用的大小无关。于零，且与扰动作用的大小无关。 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念有差、无差系统有差、无差系统有差系统有差系统 无差系统无差系统 被控量被控量扰动扰动注：同一系注
18、：同一系统能能够对扰动输入是有差的，而入是有差的，而对给定定输入量是无入量是无差的，或者相反。因此，在研差的，或者相反。因此，在研讨一个自一个自动控制系控制系统是有差的是有差的还是无差的，必需指出是是无差的，必需指出是对扰动或或给定定输入而言。入而言。 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念系系统中各部分中各部分传送的信号送的信号为随随时间延延续变化的信号。延化的信号。延续控制系控制系统通常采用微分方程描画。通常采用微分方程描画。系系系系统统中某一中某一中某一中某一处处或多或多或多或多处处的信号的信号的信号的信号为为脉冲序列或数字量脉冲序列或数字量脉冲序列或数字量脉冲序列或
19、数字量传传送的系送的系送的系送的系统统。离散控制系。离散控制系。离散控制系。离散控制系统统通常采用差分方程描画。通常采用差分方程描画。通常采用差分方程描画。通常采用差分方程描画。 延续控制系统延续控制系统 离散离散 数字数字 控制系控制系统统 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念二、对控制系统的根本要求二、对控制系统的根本要求 性能目的是评价系统动态质量的定量目的，是性能目的是评价系统动态质量的定量目的，是定量分析的根底。定量分析的根底。 控制系统运用于不同的场所，对它有不同的性控制系统运用于不同的场所，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度来看，对控制系统却能要求。但
20、从控制工程的角度来看，对控制系统却有一些共同的要求，普通可归结为稳、快、准。有一些共同的要求，普通可归结为稳、快、准。 即：稳定性、快速性、准确性稳态精度即：稳定性、快速性、准确性稳态精度 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念稳定性：定性： 系系统动态过程的振程的振荡倾向及其恢复平衡形状的向及其恢复平衡形状的才干。才干。稳定的系定的系统当当输出量偏离平衡形状出量偏离平衡形状时，其，其输出能随出能随时间的增的增长收收敛并回到初始平衡形状。并回到初始平衡形状。 稳稳定性是控制系定性是控制系统统正常任正常任务务的先决条件。控制系的先决条件。控制系统稳统稳定性由系定性由系统统构造
21、所决构造所决议议，与外界要素无关。，与外界要素无关。稳稳定性由控制系定性由控制系统统内部内部储储能元件的能量不能能元件的能量不能够够突突变变所所产产生的生的惯惯性滞后作用所性滞后作用所导导致。致。 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念快速性：快速性：快速性：快速性： 输输出量和出量和出量和出量和输输入量入量入量入量产产生偏向生偏向生偏向生偏向时时，系，系，系，系统统消除消除消除消除这这种种种种偏向的快慢程度。快速性表征系偏向的快慢程度。快速性表征系偏向的快慢程度。快速性表征系偏向的快慢程度。快速性表征系统统的的的的动态动态性能。性能。性能。性能。 快快速速性性好好的的系系
22、统统，它它消消除除偏偏向向的的过过渡渡时时间间就就短短，就就能能复复现现快快速速变变化化的的输输入入信信号号，因因此此具具有有较较好好的的动态性能。动态性能。 系统的快速性可以用调整时间来衡量。系统的快速性可以用调整时间来衡量。 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念准确性：准确性：准确性：准确性： 控制精度，以控制精度，以控制精度，以控制精度，以稳态误稳态误差来衡量。差来衡量。差来衡量。差来衡量。留意：留意： 1 1不同性不同性质的控制系的控制系统，对稳定性、准确性和快速性要求定性、准确性和快速性要求各有偏重。各有偏重。 2 2系系统的的稳定性、准确性、快速性相互制定性、
23、准确性、快速性相互制约，应根据根据实践践需求合理需求合理选择。 稳稳态态误误差差: :是是指指以以一一定定变变化化规规律律的的输输入入信信号号作作用用于于系系统统后后，当当调调整整过过程程终终了了而而趋趋向向于于稳稳定定时时，输输出出量量的的实实践践值值与与期期望望值值之之间间的的误误差差值值。 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念小小 结结自动控制及自动控制系统的概念自动控制及自动控制系统的概念反响和反响控制的概念反响和反响控制的概念控制系统的任务原理、组成和分类控制系统的任务原理、组成和分类可以确定实践控制系统的被控对象，被控量和可以确定实践控制系统的被控对象，被控量和给定量；给定量；可以绘制控制系统的方块图可以绘制控制系统的方块图 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念本本 章章 结结 束束谢谢 谢！谢！ 第一章第一章 自动控制系统的普通概念自动控制系统的普通概念
