自动控制的一般概念和基本要求

上篇自动控制原理第一章自动控制系统概述本章要点本章简要介绍有关自动控制的基本概念、开环控制和闭环控制的特点、自动控制系统的基本组成和分类以及对自动控制系统的基本要求。

第一节自动控制的基本概念自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。

自动控制系统则是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。

在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。

扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。

给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。

通常情况下，系统有两种外作用信号：一是有效输入信号（以下简称输入信号），二是有害干扰信号（以下简称干扰信号）。

输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值，并作用于系统的输入端。

干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号，它不但可以作用于系统的任何部位，而且可能不止一个。

由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制，严重时必须加以抑制或补偿。

第二节开环控制和闭环控制自动控制有两种基本的控制方式：开环控制和闭环控制。

与这两种控制方式对应的系统分别称之为开环控制系统和闭环控制系统。

一、开环控制系统开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。

这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。

电加热系统的控制目标是，通过改变自耦变压器滑动端的位置，来改变电阻炉的温度，并使其恒定不变。

因为被控制的设备是电阻炉，被控量是电阻炉的温度，所以该系统可称为温度控制系统，如图1-1所示。

开环控制系统的优点是系统结构和控制过程简单，稳定性好，调试方便，成本低。

第一章自动控制的一般概念1.1 自动控制的基本原理与方式1、自动控制、系统、自动控制系统◎自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律（给定值）运行。

◎系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。

◎自动控制系统：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。

除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。

•测量元件：用以测量被控量或干扰量。

•比较元件：将被控量与给定值进行比较。

•执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象。

参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。

2、自动控制原理及其要解决的基本问题◎自动控制原理：是研究自动控制共同规律的技术科学。

而不是对某一过程或对象的具体控制实现（正如微积分是一种数学工具一样）。

◎解决的基本问题：•建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述）•分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能）•综合：控制系统的综合与校正——控制器设计（方案选择、设计）3、自动控制原理研究的主要内容4、室温控制系统5、控制系统的基本组成◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。

◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放大器）。

◎执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空调器）。

◎测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件（热敏电阻）。

◎比较元件：将测量元件和给定元件给出的被控量实际值与参据量进行比较并得到偏差的元件。

◎放大元件：放大偏差信号的元件。

◎校正元件（补偿元件）：结构参数便于调整的元件，用于改善系统性能。

第一章自动控制的一般概念1.1 引言自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。

自动控制理论的任务是研究自动控制系统中变量的运动规律以及改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。

1.2 自动控制和自动控制系统的基本概念1.2.1自动控制问题的提出在许多工业生产过程或生产设备运行中，往往需要对某些物理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。

如图1-l所示是锅炉给水人工控制示意图。

人工调节是一个“检测偏差、纠正偏差”的过程。

可以用一整套自动控制仪表(自动调节器)来代替操作人员的作用。

图1-2所示是锅炉给水汽包水位自动控制示意图。

图1-2 汽包锅炉给水自动调节示意图1—过热器；2—汽包；3—省煤器；4—给水凋节阀；5—水位计任何一个控制系统，都包含着被控对象和控制器两个组成部分。

1.2.2 开环控制系统常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控制和复合控制。

系统的控制输入不受输出影响的控制系统称为开环控制系统。

图1-3所示的烘箱温度控制系统是一个开环控制系统。

烘箱是被控对象，烘箱的温度是被控量，也称为系统输出量。

开关设定位置为系统的给定量或输入量，电阻及加热元件可看成是调压器（控制器）。

该系统中只有输入量对输出量的单向控制作用，输出量对输入量没有任何影响和联系。

烘箱温度开环控制系统可用图1-4所示的方框图表示。

1.2.3 闭环控制系统在图1-3所示的烘箱温度开环控制系统中，加入一些装置，构成了如图1-5所示的烘箱温度闭环控制系统。

系统中，烘箱是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u (表征烘箱温度的希望值)。

系统方框图如图1-6所示。

通常，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。

⾃动控制原理复习理论资料第⼀章⾃动控制的⼀般概念本章作为绪论，已较全⾯地展⽰了控制理论课程的全貌，叙述了今后在课程的学习中要进⾏研究的各个环节内容和要点，为了今后的深⼊学习和理解，要特别注意本章给出的⼀些专业术语及定义。

1、基本要求（1）明确什么叫⾃动控制，正确理解被控对象、被控量、控制装置和⾃控系统等概念。

（2）正确理解三种控制⽅式，特别是闭环控制。

（3）初步掌握由系统⼯作原理图画⽅框图的⽅法，并能正确判别系统的控制⽅式。

（4）明确系统常⽤的分类⽅式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的⽅式。

（5）明确对⾃控系统的基本要求，正确理解三⼤性能指标的含义。

2．内容提要及⼩结⼏个重要概念⾃动控制在没有⼈直接参与的情况下，利⽤控制器使被控对象的被控量⾃动地按预先给定的规律去运⾏。

⾃动控制系统指被控对象和控制装置的总体。

这⾥控制装置是⼀个⼴义的名词，主要是指以控制器为核⼼的⼀系列附加装置的总和。

共同构成控制系统，对被控对象的状态实⾏⾃动控制，有时⼜泛称为控制器或调节器。

⾃动控制系统校正元件执⾏元件放⼤元件⽐较元件测量元件给定元件控制装置（控制器）被控对象负反馈原理把被控量反送到系统的输⼊端与给定量进⾏⽐较，利⽤偏差引起控制器产⽣控制量，以减⼩或消除偏差。

三种基本控制⽅式实现⾃动控制的基本途径有⼆：开环和闭环。

实现⾃动控制的主要原则有三：主反馈原则——按被控量偏差实⾏控制。

补偿原则——按给定或扰动实⾏硬调或补偿控制。

复合控制原则——闭环为主开环为辅的组合控制。

（3）系统分类的重点重点掌握线性与⾮线性系统的分类，特别对线性系统的定义、性质、判别⽅法要准确理解。

线性系统??→?描述→→状态空间法时域法状态⽅程变系数微分⽅程时变状态⽅程频率法根轨迹法时域法状态⽅程频率特性传递函数常系数微分⽅程定常分析法分析法⾮线性系统（4）正确绘制系统⽅框图绘制系统⽅框图⼀般遵循以下步骤：①搞清系统的⼯作原理，正确判别系统的控制⽅式。