自动控制原理讲课讲稿

自动控制原理

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。

收集于网络，如有侵权请联系管理员删除

收集于网络，如有侵权请联系管理员删除

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。

图1-5 烘箱温度闭环控制系统示意图

图1-3 烘箱温度开环控制系统示意图

图1-4 烘箱温度开环控制系统方框图

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。方框图中用符号“○”表示比较环节，其输出量等于各个输入量的代数和。

这种通过反馈通道使系统构成闭环，并按偏差产生控制作用，用以减小或消除偏差的控制系统，称为闭环控制系统，或称反馈控制系统。在系统主反馈通道中，只有采用负反馈才能达到控制的目的。

图1-6 烘箱温度闭环控制系统方框图

闭环系统中系统的输出信号引回到输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号对系统进行调节，达到减小偏差或消除偏差的目的。这就是负反馈控制原理，是闭环控制系统的核心机理。

1.2.4 复合控制系统

反馈控制只有在外部作用(输入信号或干扰)对控制对象产生影响之后才能做出相应的控制。前馈控制能使系统及时感受输入信号，使系统在偏差即将产生之前就注意纠正偏差。将前馈控制和反馈控制结合起来，构成复合控制，可以有效提高系统的控制精度。

图1-7所示的水温控制系统是一

个按干扰补偿的复合控制系统。其

中，热交换器是被控对象，实际热水

温度是被控量，给定量（希望温度）

收集于网络，如有侵权请联系管理员删除

收集于网络，如有侵权请联系管理员删除

在控制器中设定，冷水流量是干扰量。系统方框图如图1-8所示。

1.3 控制系统示例

1 室温自动控制系统

图1-9所示为一室温自动控制系统，目的是将恒温室温度保持在希望值。敏感元件测得的实际温度。控制器将温度差通过执行机构（如可逆转电机等）开大或关小调节阀，控制热水流量的增大或减小，再由风将热量送入恒温室，直到室温与希望值一致。

这是一个典型的闭环控制系统，恒温室是被控对象，室温是被控量。系统方框图如图1-10所示。

图1-9 室温自动控制系统示意图

1—热水加热器；2—敏感元件；3—控制器；

4—执行机构；5—调节阀

图1-8 水温控制系统方框图

_

给定温度温度控制器

阀门

热水温度T

温度传感器

热交换器

冷水流量

蒸汽流量

流量计

_-

收集于网络，如有侵权请联系管理员删除

2 电压调节系统

电压调节系统如图1-11所示。

该系统中，发电机是被控对象，发电机的输出电压是被控量，给定量是给定电位器设定的电压r u 。系统方框图如图1-12所示。

3 水位控制系统

图1-13所示的水位控制系统目的是控制水位到希望高度。浮子是测量元件，连杆起比较作用，比较期望水位与实际水位之差，同时推动电位器滑臂移动。电位器输出电压反映误差的大小和方向，电压经放大器放大后驱动直流伺服电动机，其转轴经减速器后拖动进水阀门，对系统施加控制作用。

图1-12 电压调节系统方框图

图1-11 电压调节系统示意图

图1-10 室温自动控制系统方框图

干扰

_

设定温度

调节器执行机构室温

感温元件

热水加热器

调节阀

房间

收集于网络，如有侵权请联系管理员删除

水位调节系统中，水池是被控对象，水池的水位是被控量，给定量是给定电位器设定的电压e u 。系统方框图如图1-14所示。

4 制冷系统

制冷系统通常由冷凝器、压缩机、蒸发器及电子膨胀阀等装置组成，其工作原理如图1-15所示。压缩机将制冷剂压缩后送入冷凝器，在冷凝器中制冷剂被冷却后变成液体，液体制冷剂进入蒸发器，在蒸发器中吸收热量蒸发。系统中蒸发回路的任务是通过电子膨胀阀的开度来控制蒸发器的热量。

图1-13 水位控制系统示意图

图1-14 水位控制系统方框图 图1-15 制冷系统工作原理图

压缩机

冷凝器

蒸发器

电子膨胀阀

制冷剂