zime第1章 自动控制系统概述 - 副本

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第一章 自动控制系统概述
航空航天事业领域中广泛应用。 比如：人造地球卫星的 发射成功与安全返回。
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第一章 自动控制系统概述
导弹的准确击中目标， 雷达系统的准确跟踪目标；
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第一章 自动控制系统概述
交通系统：
• 安全、快捷、舒适、准点
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第一章 自动控制系统概述
钢 铁 生 产
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第一章 自动控制系统概述
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第一章 自动控制系统概述
自动控制系统的重要性
• 近年来控制系统在现代文明和技术发展与 进步上扮演了越来越重要的角色。我们日 常活动的每一个方面几乎都受到了某种控 制系统的影响。控制系统已经大量地应用 到了工业的所有部门。如产品质量、自动 装配线、机床控制、空间技术与武器系统、 计算机控制、交通运输、动力系统、机器 人、微机系统、纳米技术等。
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第一章 自动控制系统概述
框图可以直观地将系统的组成、各环节间的相互关系 以及各种作用量的传递情况简单明了地概括出来。 要了解一个实际的自动控制系统的组成，要画出 组成系统的框图，就必须明确： ① 控制对象?被控量?影响被控量的主扰动量是 什么? ② 执行元件? ③ 测量被控量的元件有哪些?有哪些反馈环节? ④ 输入量是由哪个元件给定的?反馈量与给定量 是如何进行比较的? ⑤ 此外还有哪些元件(或单元)，它们在系统中 处于什么地位?起什么作用?
太阳移动速度 太阳传感器 将输出端的 信号返回输 入端 + + 电动机 -
减速器
泵
水池
水位传感器
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第一章 自动控制系统概述
2、 开环控制和闭环控制
一、开环控制和闭环控制的概念 比较这两个例子，我们给出概念： • 开环控制系统(Open－loop Control System) 若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产 生影响，则这样的系统称为开环控制系统。 • 闭环控制系统(Closed－loop Control System) 若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部 分，形成闭合环路，则这样的系统称为闭环控制 系统，又称为反馈控制系统(Feedback Control System)。
数学模型
性能分析
直流调速系统
位置随动系统
分析调试和故障排除
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第一章 自动控制系统概述
控制系统的应用实例
1.2开环控制与闭环控制
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第一章 自动控制系统概述
1、应用：太阳能高效抽水机系统
蓄水池 太阳能收集器 电流 电动机 机械转距
泵
灌溉
地下水
太阳移动速度
太阳传感器
+
+ 电动机 减速器 泵
结果：抽水
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第一章 自动控制系统概述
• 综上所述：所谓的控制系统就是为完成某 种“目标”而采用的一整套的完成方法和 步骤。而这些方法和步骤通常又包含能够 更好实现这些“目标”的最佳策略。 • 在工业领域，自动控制系统常常是指那些 在没有人直接参与的情况下，利用控制装 置，对生产过程、工艺参数、目标要求等 进行自动的调节与控制，使之按照预定的 方案达到要求的指标的设备。
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第一章 自动控制系统概述
3、为什么大多数控制系统均有反馈
• 提高系统的相对稳定性 • 增加系统带宽和总增益 • 提高系统的输入阻抗、降低系统的输 出阻抗 • 提高系统的敏感度
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第一章 自动控制系统概述
• 设放大器在未加反馈时，它的电压增益由原来的 A=400下降到了A‘=300，现在加入负反馈，并使 F=0.0475，则当A=400时闭环电压增益为： A 400 Af 20 1 AF 1 400 0.0475 而当开环电压增益降到A’=300时，其闭环增益为： A' 300 ' Af 19.67 ' 1 A F 1 300 0.0475 闭环增益只下降了1.65%，如需保证400倍的电压增益， 可采用两级放大。这样电路总的电压增益为202=４00 及19.672=386.9，两者相差不到3.3%。由此可见负反 馈的引入使放大器的增益得到了稳定。
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第一章 自动控制系统概述
随动系统（Follow-Up Control System） 随动系统的特点是：输入量是变化着的(有 时是随机的)，并且要求系统的输出量能跟随 输入量的变化而作出相应的变化。
准确地按照程序指令的设 定值变化。 要想使轮船安全顺利的航 行，就必须按照领航员的 命令改变尾舵的方向。
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第一章 自动控制系统概述
要使炼钢炉提供优质的产品，就必须严格控制炉温…… 等等。
所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。
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第一章 自动控制系统概述
• 机电控制系统
自动控制原理 自动控制系统 系统校正
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第一章 自动控制系统概述
数控加工机 床示意图
数控加工机床开 环控制框图
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开环系统的特点
由于开环系统无反馈环节,一般结构简单,系统稳定 性好，成本也低，这是开环系统的优点。因此，在输 出量和输入量之间的关系固定，且内部参数或外部负 载等扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差可以 预计确定并能进行补偿,则应尽量采用开环控制系统。 开环控制的缺点是当控制过程受到各种扰动因素影 响时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补 偿。特别是当无法预计的扰动因素使输出量产生的偏 差超过允许的限度时，开环控制系统便无法满足技术 要求，这时就应考虑采用闭环控制系统。
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第一章 自动控制系统概述
2.系统的各种作用量和被控制量有： ①输入量——又称控制量或参考输入量，所以输入 量的角标常用 i (或r )表示。 ②输出量——又称被控制量，所以输出量角标常 o (或 c )表示。 ③反馈量——反馈量的角标常以 f表示。 ④扰动——又称干扰或“噪声”，所以扰动量的角 标常以 (或 )表示。 d n ⑤中间变量——它是系统各环节之间的作用量。它 是前一环节的输出量，也是后一环节的输入量。
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第一章 自动控制系统概述
例1-1 水位控制系统
通过对工作 原理进行分 析，可以得 到该系统的 系统框图。
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第一章 自动控制系统概述 自动调节过程：
直至 Q1 Q2 , H H 0 , U B U A , U 0时， 电动机停转为止。
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1.4 自动控制系统的分类 按输入量变化的规律分类 • 恒值控制系统（Fixed Set-Point Control System） • 恒值系统的特点是：控制系统的输入量是 恒量，并且要求系统的输出量相应地保持 恒定。 • 恒值控制系统是最常见的一类控制系统。
反馈控制可以自动进行补偿，这是闭 环控制的一个突出的优点。 闭环控制要增加检测、反馈比较，调 节器等部件,会使系统复杂、成本提高。 而且闭环控制会带来副作用，使系统的 稳定性变差，甚至造成不稳定。这是采 用闭环控制时必须重视并要加以解决的 问题。
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第一章 自动控制系统概述
上例中我们还可以看到：为了表明自动控制系统的 组成以及信号的传递情况，通常把系统各个环节的 作用，用方框+环节特征说明的方式来表示， 并用 箭头标明各环节之间信号（能量或作用量）之间的 传递情况。系统的这种表示方法称为原理框图表， 而这样作的好处就在于： • 避免去画复杂的系统图形。 • 可以把系统主要环节之间的相互作用关系简单而 明了地表达出来。 • 经过简单抽象，我们就可以把一个实际系统变换 成为一个满足某种控制规律便于理论分析的原理 系统。
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第一章 自动控制系统概述
1.1 引言——什么是自动控制
要回答这个问题，我们可以联系日常生活中那 些需要实现某种“目标”的例子： • 在家里，为了舒适地生活，我们需要控制 室内的温度和湿度。 • 在交通领域，我们需要控制汽车精确而又 安全地从一个地方到达另一个地方。 • 在工业上，制造过程中大量的生产产品需 要满足产品质量和成本效益的要求。
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第一章 自动控制系统概述
1.一般自动控制系统包括： ①给定元件(Command Element)。 ②检测元件(Detecting Element)——此处为 热电偶。 ③比较环节(Comparing Element)。 ④放大元件(Amplifying Element)。 ⑤执行元件(Executive Element)——此处为 伺服电动机、减速器和调压器。 ⑥控制对象(Controlled Plant)——在此恒温 系统中即为电炉。 ⑦反馈环节(Feedback Element)——由它将输 出量引出，再回送到控制部分。
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第一章 自动控制系统概述
二、开环控制和闭环控制的概念
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开环控制举例
由步进电机驱动的数控加工机床
此系统的输入量为加工程序指令，输出量为机床工作台 的位移，系统的控制对象为工作台，执行机构为步进电 动机和传动机构。由图可见，系统无反馈环节，输出量 并不返回来影响控制部分，因此是开环控制。
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第一章 自动控制系统概述
提高系统的输入阻抗
i

没有反馈网络时：

Vi
Ri

V
f
反 馈 网 络
Vi Ri i 串入反馈网络时： Vi V f R fi i


Rif
V f 0

R fi Ri
即：串联的反馈网络提高了系统的输入电阻
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1.3 自动控制系统的组成
制造系统：
数控机床
加工生产线
自动包装机器人
自动码垛机器人
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家用电器：
电扇：控制转速