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1、自动控制概论自动控制概论第1页，本讲稿共22页第第1章章 自动控制绪论自动控制绪论v 控制系统的基本概念控制系统的基本概念v 控制系统的基本方式控制系统的基本方式v 控制系统的分类控制系统的分类v 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求主要内容：主要内容：2023/2/82第2页，本讲稿共22页1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念v自动控制自动控制 在没有人直接在没有人直接参与的情况下，通参与的情况下，通过控制器使被控对过控制器使被控对象或过程自动地按象或过程自动地按照预定的规律运行。照预定的规律运行。v自动自动控制系统控制系统 是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统
2、，是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它由被控对象和控制装置组成。它由被控对象和控制装置组成。2023/2/83第3页，本讲稿共22页1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念控制系统的基本组成控制系统的基本组成1、测量元件测量元件：传感器：传感器2、比较元件比较元件：对控制量与参考输入量进行比较，多和测量：对控制量与参考输入量进行比较，多和测量 或放大元件结合在一起或放大元件结合在一起3、放大元件放大元件：使微弱信号具有足够的幅值和功率：使微弱信号具有足够的幅值和功率4、执行元件执行元件：接受偏差信号的控制产生动作，改变控制量：接受偏差信号的控制产生动作，改变控制量5、
3、校正元件校正元件：用于消除或减弱系统在控制过程中产生的震：用于消除或减弱系统在控制过程中产生的震 荡荡2023/2/84第4页，本讲稿共22页反馈控制系统基本组成反馈控制系统基本组成扰动扰动测量变测量变送送给定环给定环节节比较环节比较环节放大变放大变换换执行机执行机构构被控对被控对象象串联校串联校正正反馈反馈校正校正反馈信号反馈信号参考参考输入输入偏差偏差控制量控制量被控量被控量输出输出-+-给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置（或软件界面）制指令的装置（或软件界面）为改善系统的动态和静态性能特性而附加的装置，其参
4、数可灵活为改善系统的动态和静态性能特性而附加的装置，其参数可灵活调整。工程上称为调节器或控制器。调整。工程上称为调节器或控制器。将比较微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行将比较微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象机构或被控对象 其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。常见的执行其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。常见的执行元件有阀门，伺服电动机等元件有阀门，伺服电动机等 用来检测被控量的实际值。测量变送环节一般用来检测被控量的实际值。测量变送环节一般也称为反馈环节。也称为反馈环节。通常是一个设备、物体或过程（一般称任何被控制的运行状态为过程），
5、其作用是完成一种通常是一个设备、物体或过程（一般称任何被控制的运行状态为过程），其作用是完成一种特定的操作。它是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。特定的操作。它是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。其作用是把测量元件检测到的实际其作用是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给出的输入值进输出值与给定环节给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。常行比较，求出它们之间的偏差。常用的电量比较元件有差动放大器、用的电量比较元件有差动放大器、电桥电路等。电桥电路等。1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念2023/2/85第5页，本讲稿共22页1.1
6、自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念2023/2/86第6页，本讲稿共22页v 被控量：被控量：即系统的输出，是一种被测量和被控制的量值或状即系统的输出，是一种被测量和被控制的量值或状态。态。v 控制量：控制量：控制量也称操纵量，是一种由控制器改变的量值或控制量也称操纵量，是一种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值。通常，被控量是系统的输出量。状态，它将影响被控量的值。通常，被控量是系统的输出量。控制意味着对系统的被控量的值进行测量，并且使控制量作用控制意味着对系统的被控量的值进行测量，并且使控制量作用于系统，以修正或限制测量值对期望值的偏离。于系统，以修正或限制测量值对期望值
7、的偏离。v 参考输入：参考输入：是人为给定的，使系统具有预定性能或预定输出是人为给定的，使系统具有预定性能或预定输出的激发信号，它代表输出的希望值。故又称为给定输入、给定的激发信号，它代表输出的希望值。故又称为给定输入、给定值、期望输出等。值、期望输出等。名词术语：名词术语：1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念2023/2/87第7页，本讲稿共22页v 反馈：反馈：将系统（或环节）的输出量经变换、处理送到系统将系统（或环节）的输出量经变换、处理送到系统（或环节）的输入端，称为反馈。（或环节）的输入端，称为反馈。v 偏差：偏差：给定输入量与主反馈量之差。给定输入量与主反馈量之差。
8、v 误差：误差：是指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上很难达到，因而用与控制输入量是理想化系统的输出，实际上很难达到，因而用与控制输入量有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下，希望值就有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下，希望值就是系统的输入量，误差量就等于偏差量。是系统的输入量，误差量就等于偏差量。v 扰动：扰动：扰动是一种对系统的输出量产生不利影响的信号。如扰动是一种对系统的输出量产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统的内部，称为内部扰动；反之，当扰动产生果扰动产生在系统的内部，称为内部扰动；反之
9、，当扰动产生在系统的外部时，则称之为外部扰动。外部扰动也是系统的输在系统的外部时，则称之为外部扰动。外部扰动也是系统的输入量。入量。1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念2023/2/88第8页，本讲稿共22页1.2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式v开环控制（信号单向流动）开环控制（信号单向流动）控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。控制。开关闭合后，开关闭合后，不同的输入电压不同的输入电压 u 对应于不同的温度对应于不同的温度 t。2023/2/89第9页，本讲稿共22页1.2 自动控制的基本方式自动控制
10、的基本方式输入量输入量输出量输出量典型开环控制的方框图典型开环控制的方框图典型开环控制的方框图典型开环控制的方框图控制装置控制装置被控被控对象对象扰动扰动输出量输出量 受控对象受控对象控制装置控制装置(电源电源)输入量输入量(温度温度)扰动量扰动量开关开关电炉恒电炉恒温箱温箱加热电加热电阻丝阻丝炉温开环控制系统方框图炉温开环控制系统方框图2023/2/810第10页，本讲稿共22页1.2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式控制方式控制方式：按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给按给定值操纵。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统事先
11、的调整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参数的变化无法自动补精度。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。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合。较弱的场合。开环控制系统特点：开环控制系统特点：信号从输入到输出无反馈信号从输入到输出无反馈,单向传递单向传递 结构简单结构简单 控制精度不高控制精度不高,无法抑制扰动无法抑制扰动2023/2/811第11页，本讲稿共22页v闭环控制（信号有反向作用）闭环控制（信号有反向作用）闭环控制系统原理框图闭环
12、控制系统原理框图控制装置控制装置被控对象被控对象输入量输入量被控量被控量反馈环节反馈环节扰动扰动1.2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式v反反 馈：馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程v负反馈：负反馈：反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小2023/2/812第12页，本讲稿共22页1.2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式闭环控制闭环控制:是指控制器与控制对象之间既有顺向作用有反向联系是指控制器与控制对象之间既有顺向作用有反向联系的控制过程。的控制过程。特点特点:输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰
13、；低精度输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调、振荡，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。所以稳定性很重要。2023/2/813第13页，本讲稿共22页v复合控制（前向联系、反向作用）复合控制（前向联系、反向作用）复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式。实质复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式。实质上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号（给定或扰上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号带来的干扰进行补偿，以达到精确动）的顺馈通路，对该信号带来的干扰进行补偿，以达到精确
14、的控制效果。的控制效果。1.2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式2023/2/814第14页，本讲稿共22页单变量系统单变量系统多变量系统多变量系统按给定信号的形式分按给定信号的形式分按系统参数是否随时间变化分按系统参数是否随时间变化分按输入输出变量的多少分按输入输出变量的多少分分类分类按系统是否满足叠加定理分按系统是否满足叠加定理分按信号传递的形式分按信号传递的形式分恒值系统恒值系统随动系统随动系统线性系统线性系统 非线性系统非线性系统定常定常系统系统时变性系统时变性系统连续系统连续系统离散系统离散系统1.3 控制系统的分类控制系统的分类2023/2/815第15页，本讲稿共22页v 定
15、值调节系统定值调节系统 如果反馈控如果反馈控制系统的参考输制系统的参考输入信号为恒定的入信号为恒定的常量，则称这类常量，则称这类反馈控制系统为反馈控制系统为定值调节系统。定值调节系统。1.3 控制系统的分类控制系统的分类2023/2/816第16页，本讲稿共22页v 随动系统随动系统 在闭环控在闭环控制系统中，如果制系统中，如果参考输入信号为参考输入信号为一任意时间函数，一任意时间函数，其变化规律无法其变化规律无法预先予以确定，预先予以确定，则称这类输入信则称这类输入信号的闭环控制系号的闭环控制系统为随动系统。统为随动系统。1.3 控制系统的分类控制系统的分类2023/2/817第17页，本讲
16、稿共22页1.4 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 被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要求。馈控制系统提出的最基本要求。快速性快速性对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳稳定定高高射射炮炮射射角角随随动动系系统统，虽虽然然炮炮身身最最终终能能跟跟踪踪目目标标，但但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。如果目
17、标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。控制系统的基本要求：控制系统的基本要求：2023/2/818第18页，本讲稿共22页1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求准确性准确性 用稳态误差来表示。用稳态误差来表示。在在参参考考输输入入信信号号作作用用下下，当当系系统统达达到到稳稳态态后后，其其稳稳态态输输出出与与参参考考输输入入所所要要求求的的期期望望输输出出之之差差叫叫做做给给定定稳稳态态误误差差。显显然然，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。v稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。稳定性：是保证控制系统正常
18、工作的先决条件。v快速性：动态性能，有指标。快速性：动态性能，有指标。v准确性：稳态（过度结束后的）值应尽量与期望值一致。准确性：稳态（过度结束后的）值应尽量与期望值一致。2023/2/819第19页，本讲稿共22页1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求自自动动控控制制系系统统除除了了满满足足稳稳态态性性能能之之外外，还还应应满满足足动动态态过过程程的的性性能能要要求求。动动态态过过程程的的基基本本特特性性取取决决于于系系统统的的结结构构和和参参数数，其基本形态有：其基本形态有：（1）单调过程）单调过程（2）衰减振荡过程）衰减振荡过程（3）等幅振荡过程）等幅振荡过程（4）发散振荡过程
19、）发散振荡过程2023/2/820第20页，本讲稿共22页1.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0nn0t(e)n1n0t(d)n0(c)n1n0t(f)(a)(a)(a)(a)、(b)(b)(b)(b)非周期振荡；非周期振荡；非周期振荡；非周期振荡；(c)(c)(c)(c)发散振荡；发散振荡；发散振荡；发散振荡；(d)(d)(d)(d)、(e)(e)(e)(e)衰减振荡；衰减振荡；衰减振荡；衰减振荡；(f)(f)(f)(f)等幅振荡等幅振荡等幅振荡等幅振荡2023/2/821第21页，本讲稿共22页本本 章章 小小 结结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 自动控制的基本方式自动控制的基本方式 开环控制开环控制 闭环控制闭环控制 复合控制复合控制 1-3 1-3 控制系统的分类控制系统的分类 恒值系统恒值系统 随动系统随动系统 1-4 1-4 对自动控系统的要求对自动控系统的要求 稳定性稳定性 快速性快速性 准确性准确性2023/2/822第22页，本讲稿共22页