03_自动控制原理课件(1_公共邮箱)

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控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系 统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分 析。 控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给定系统的性能指标， 合理的确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。 控制装置:外加的设备或装置，亦叫控制器。 受控对象:被控制的机器或物体。 被控量 ：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理 量。被控量又称输出量、输出信号 。 给定值：系统输出量应达到的数值（例如与要求的炉温对应的电 压）。 扰动：是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电压 的波动、环境温度的变化。
自动控制方框图
测量
比较 执行
干扰
被控对象
实测值
给定值H
测量
被控量
H
在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须 包含以下三种职能部件。 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给定值、干扰量、被控量。 12
转台速度控制系统
电池
ω
转台 ∆u
速度
速度设定ur
+ uc
直流 放大器
ua
直流电机 转速计
控制任务：保持转台的实际转速等于期望转速。 被控对象：转台。 被控量： 转台转速。
ur
+ -
u
放大器
ua

直流电机 转台
uc
转速计
转台速度闭环控制系统原理方框图 22
例: 水温自动控制系统
通过电机调 节阀门的开度 从而调节蒸汽 流入，控制水 的温度. 实现 没有人直接参 入的自动水温 控制.
自动控制原理
(Automatic Control Theory)
1 绪论
1.1 自动控制的基本概念：明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、
控制装置和自控系统等概念。
1.2 自动控制理论的发展：了解自动控制理论发展的四个主要阶段。 1.3 控制系统的分类：明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义
和信息特征
基本组成（续）
<4>放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差 信号进行放大，用来推动执行元件去控制受 控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等 组成的电压、功率放大器。 <5>执行元件：其职能是直接推动受控对象，使 其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压 马达等。
基本组成（续）
<6>校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于 调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接 于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容 组成的无源或有源网络，还有计算机。
闭环控制又称为反馈控制或按偏 差控制。
人本身就是一个具有高度复杂控制能 力的闭环系统。
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反馈的概念
反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较 的过程。 若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则 称为负反馈；反之，则称为正反馈。 负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的 过程，又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个 控制过程是闭合的，故也称为闭环控制。 自动控制原理中主要讨论闭环控制系统。 反馈是控制的精髓
1.4 对控制系统的基本要求：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。
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控制：操纵，节制使不超出范围或随意活动。
手动控制
人在控制过程中起三个作用： （1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值； （2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行 判断，根据给定的控制规律给出控制量； （3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度、改变触点位置。
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自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装
置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作 状态或参数（被控量，如:如温度、压力、流量、速度、pH值等）自动 地按照预定的规律（给定量）运行。 另一种定义：是指机器设备在没有人直接参与的情况下，经过自动检 测、信息处理、分析判断、操纵控制实现预期的目标。

自动控制系统：是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定 规律组成的具有特定功能的整体。或指能够对被控对象的工作状态进 行自动控制的系统。 它是控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的 组合，一般由控制装置和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机 构、比较机构、执行机构。
自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单也有复杂。 它可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一个企业机构 的全部生产和管理过程；它可以是一个具体的工程系统，也可以是比 较抽象的社会系统、生态系统或经济系统
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如水位自动控制系统：
比较元件
进水
测量 元件
+ 实 际 水 位 浮子
输出量
M 电机
连 杆
干扰 信号
<
出水
水位自动控制系统原理图
受控对象
自动控制系统的基本组成
自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其 被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被 控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满 足c(t) ≈r(t)。自控系统的组成如图所示。
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1.1 自动控制的基本概念
在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的 作用。如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道 并回收等。 除了在工业上广泛应用外，近几十年来，随着计算机技术的发展 和应用，在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中， 自动控制技术更具特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用 范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活 领域中，特别在化学工业中的应用有传热设备控制，反应器控制，流 体输送设备控制，精馏塔控制等。自动控制已成为现代社会生活中不 可缺少的一部分。
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控制方式：开环、闭环、复合
开环控制是指系统的被控制 量（输出量）只受控于控制作用， 而对控制作用不能反施任何影响的 控制方式。 这种控制方式需要控制的是被 控量，而系统可以调节的只是给定 值，系统的信号由给定值至被控量 单向传递。 采用开环控制的系统称为开环 控制系统。
• 开环控制
给定炉温T0
控制器
要使自动控制系统满足工程实际的需 控制器 要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与 水温自 系统性能之间的关系。特别是被控对象运 动控制 控制系 动规律 统方框 为了方便地分析系统性能，一般 图. 用框图来表示系统的结构，水温自动控制 系统可用框图表示为：
预期 温度 偏差 _ 控制器 反馈量 温度检测 实际 温度 执行机构 阀门 水箱
输入量 输出量
串联校正
放大
执行
受控对象
反馈校正 测量
自动控制系统的组成
基Байду номын сангаас组成（续）
<1>给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对 应的系统输入量。一般为电位器。 <2>比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值 与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们 之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动 装置、电桥电路、计算机等。 <3>测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。 如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转 变压器、浮子等。
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方框图中各符号的意义
元部件 信号（物理量）
方框图中 的符号
及传递方向 比较点 引出点 表示负反馈
•
• 当速度受扰动 发生变化时， 偏差电压也随 之变化，通过 闭环调节能消 除干扰。
系统结构图
功率放大后对电动机的速度进行闭环控制 . 测速机
偏差 预期 实际 与给定信号比较产生偏差电压，经过 放大器 转台 直流电动机 _ 速度 转速
开环控制的特点： 优点：结构简单，成本低廉，稳定性好， 容易设计和调整以及成本较低的优点，对 那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不 高的实际系统，是有效的控制方式。 缺点：对扰动没有抑制能力，控制精度低
按干扰补偿的开环控制
定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时 补偿干扰对被控量的直接影响。
实际炉温T
定时开关
电阻丝
炉子
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炉温控制系统原理方框图
例: 转台速度开环控制系统
• 这种转台 在C D 机 、计算机 磁盘驱动 器等许多 现代装置 中广泛应 用.
系统结构图:
给定 速度
放大器 直流电动机 转台
实际 转速
例: 水温人工控制系统
手动调节阀 门的开度， 从而调节蒸 汽的流量,来 控制水的温 度.
测量 计算 执行
干扰
受控对象
被控量
特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对 象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无 法控制。 适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。
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• 闭环控制
闭环控制是指系统的被控制量（输出 量）与控制作用之间存在着负反馈的 控制方式。 采用闭环控制的系统称为闭环控制系 统或反馈控制系统。闭环控制是一切 生物控制自身运动的基本规律。