第一章 自动控制概论

《自动控制原理》学习资料第一章 自动控制概论1、教学目的: 掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。

2、基本要求： 掌握基本概念：自动控制、反馈、控制系统的构成。

要求初步了解如何由系统原理图形成系统的原理方块图及判别控制方式的方法。

要求初步了解本门课程的意义与作用。

一、自动控制的任务通常，在自动控制技术中，把工作的机器的设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。

则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。

下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念。

图1-1 水位自动控制系统水位自动控制系统：控制任务：维持水箱内水位恒定；控制装置：气动阀门、控制器；受控对象：水箱、供水系统；被控量：水箱内水位的高度；给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；测量装置：浮子；比较装置：控制器刻度盘；干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；由此可见：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。

自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。

二、自动控制的基本方式图1-2 自动控制方框图在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，其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。

下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式：按给定值操纵的开环控制；按干扰补偿的开环控制；按偏差调节的闭环控制。

1、按给定值操纵的开环控制开环控制——系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。

七、调节过程的品质指标 调节过度过程： 1）等幅振荡 2）扩散振荡 3）衰减振荡 4）非周期过程
1。稳定性：衰减率
Ψ愈大，越稳定。 Ψ=0.75~0.98
2.准确性：准确性是指被控量的偏差大小，它包括动态偏差yM和 静态(稳态)偏差yK 动态偏差:在控制过程中，被控量与给定值之间的最大偏差称为动态偏差. 静态偏差:在控制过程结束后，被控量的稳态值y∞与给定值yg之间的残余
只包含一个容积
单容对象是最简单的热工调节对象，电厂热工生产过程中 许多储水容器，如除氧器、加热器、凝汽器等。
2）多容对象
包含两个或以上容积
（1）有自平衡能力的多容对象： 可用一个迟延时间为τ的纯迟延环节和个时间常数为Tc的惯性环节 近似。
（2）无自平衡能力的多容对象： 可用一个迟延时间为τ的纯迟延环节和一个积分环节近似。
3。阶跃响应特性：比较直观 在阶跃输入信号的作用下，系统的输出特性。 突然的扰动。 在电厂生产过程中，有许多输入信号近似于阶跃信号， 如负荷突然变化，阀门、挡板的开与关等。只要生产 过程允许，一般也比较容易通过控制机构(如控制阀 门)或扰动机构造成一个阶跃输入扰动。所以常在现 场用阶跃响应试验来检验控制系统的工作性能。
3。比例带δ对调节过程的影响
比例带： 3。比例带δ对调节过程的影响
比例带δ 小：调节作用强；
比例带δ太小：调节阀动作过频繁，不稳定。
二、积分调节规律调节器（P）
1。积分规律调节器的动态特性
U (S ) 1 WI ( S ) KP E (S ) Ti s 式中 Si——称为积分规律调节器的积分速度； Ti，——积分时间，习惯上多用积分时间来表示被调量偏差 积累的快慢。 Ti 越小表示偏差积累越快，积分作用越强。Ti是积分规律调节 器的整定参数。

系统，它由被控对象和控制装置组成。
自动控制系统的基本概念
控制系统的基本组成
1、测量元件：传感器 2、比较元件：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 3、放大元件：使微弱信号具有足够的幅值和功率 4、执行元件：接受偏差信号的控制产生动作，改变控制量 5、校正元件：用于消除或减弱系统在控制过程中产生的震
自动控制系统的基本概念
v 反馈：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。 v 偏差：给定输入量与主反馈量之差。 v 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 是系统的输入量，误差量就等于偏差量。 v 扰动：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 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。
自动控制系统的基本概念
名词术语：
v 被控量：即系统的输出，是一种被测量和被控制的量值或状 态。 v 控制量：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。 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。 v 参考输入：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 值、期望输出等。
给定环
比较环节
+
串联校 控制量
节 参考 -偏差 正
-
输入
放大变 换
执行机 构
反馈
被控对 象
输出 被控量

本章重点：
1.自动控制概念； 2.控制系统的组成和术语； 3.控制系统的基本分类；
4.对控制系统的基本要求。
授课内容：
1.自动控制的概念
自动控制，是指在无人直接参 与的情况下，利用控制装置 （控制器）使被控对象(如生 产过程中的位移、速度、温 度，电力系统中电压、电流、 功率等物理量或某些化合物的 成分等)，依照预定的规律进 行运动或变化。这种能对被控 制对象的工作状态进行控制的 系统称为自动控制系统。它一 般由控制装置和被控对象组 成。 开环控制系统
自动控制理论教程
第一章 概 论
学习控制理论需要哪些预备知 识？
微积分 复变函数、拉普拉斯变换 普通物理 电路原理
控制理论在发展社会生产力中的作用
1. 军事、航天领域
火炮、雷达、跟踪系 统；
人造卫星、宇宙飞 船。
2. 工业生产过程
轧钢过程
造纸
水泥制造
化工
3. 现代农业生产
自 动 灌 概 农 产 品 质 量 检 测
疫 情 检 测
4.自动控制技术应用于其他领域
由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使 得控制技术水平不断提高，已扩大到经济与 社会生活各个领域，如通信、交通、医学、 环境保护、经济管理等领域，控制技术已成 为现代社会不可少的重要组成部分。 近年来，我国在自动化仪表、工业调节 器、数字控制技术、航天工程、核力工程等 方面的研究和应用取得了长足进展。
(2)恒值控制系统和随动系统
恒值控制系统：参考输入为常量，要求它的被 控制量在任何扰动的作用下能尽快地恢复(或接 近)到原有的稳态值。由于这类系统能自动地消 除各种扰动对被控制量的影响，故它又名为自 镇定系统。 随动系统：参考输入是一个变化的量，一般是 随机的，要求系统的被控制量能快速、准确地 跟踪参考输入信号的变化而变化。