1.2.自动控制系统的的基本原理与结构

开环控制定义 开环控制ຫໍສະໝຸດ 指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种 控制方式组成的系统称为开环控制系统。
分类： 1.按给定量控制方式组成的开环控制系统 2.按扰动控制方式组成的开环控制系统
1.按给定量控制方式组成的开环控制系统
图1-1 按给定量控制方式组成的开环控制系统框图
1.2自动控制系统的基本原理与结构
自动控制(Automatic control):
所谓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(称为控制器)， 使机器、设备或生产过程(称为被控对象)的某 个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定 的规律运行。
自动控制系统
自动控制系统是为实现某一控制目标，将
第一章
绪论
★ 主要内容
1.1.引言
1.2.自动控制系统的的基本原理与结构 1.3. 自动控制系统分类 1.4. 对自动控制系统的基本要求
1.1引言
自动控制理论
• 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术 科学。它是采用数学的方法对自动控制系统进行分 析与综合的一般理论。 • 所谓分析指在给出系统数学模型的基础上确定系 统的性能。 • 所谓综合指在对系统性能提出要求的基础上，确 定一个满足要求的系统模型。
③系统反映速度快,但没有抗干扰能力, 控制精度不高。
1.2.2 闭环控制 (closed-loop control)
一. 闭环控制定义： 闭环控制是指控制装置与被控对象之间既 有顺向作用，又有反向联系的控制过程。 这种控制系统由于存在输出对输入的反馈， 因此对系统的输出形成了一个闭合的回路，故称 为闭环控制系统，又称反馈控制系统。
例
图1-2 直流电动机转速开环控制系统原理图
图1-3 直流电动机转速开环控制方框图
例
图1-2 直流电动机转速开环控制系统原理图
工作原理分析： • Rw向上→ Ug ↑ →晶闸管整流装置的触发 电路便产生一串与电压Ug相对应的、具有一 定相位的触发脉冲去控制晶闸管的导通角→晶 闸管放大器的输出电压Ud ↑ → n ↑
图1-17 角位置随动系统的原理图
• 图1-17 角位置随动系统的原理图
图1-17 角位置随动系统的原理图
图1-18 角位置随动系统的方框图
• 2．工作原理分析： • 当发送电位器P1与接收电位器P2的转角相等，即导弹发射 架的方位角与输入轴方位角一致时 o i ，Ue= Ui-Uo =Ua=0， 此时，两环形电位器组成的桥式电路处于平衡状态，无电压输出， 表示此时跟踪无偏差，电动机不动，系统处于静止状态。 •
扰动量 输入量 偏差量 反馈量
控制信号
输出量 被控对象
控制器 测量元件
①按偏差控制原则
②信号传递是双方向的：既有输入量对输出量的作用，
又有输出量对输入量的作用。
扰动量 输入量 偏差量 反馈量
控制信号
输出量 被控对象
控制器 测量元件
③系统具有服从给定,抵抗扰动的能力。 ④提高了控制精度。
1.2.4 复合控制系统
• 离散系统
• 定常系统 • 时变系统 • 确定性系统 • 不确定性系统
从描述系统微分方程分
• ⒈线性控制系统
n n 1
dc ( t ) d c ( t ) d c ( t ) a a ...... a n 1 a n c(t ) n n 1 dt dt dt
0 1
dr ( t ) d r ( t ) d r ( t ) b ...... b r ( t ) m 1 m b b m m 1 dt dt dt
• 例 图1-23是一个谷物湿度自动控制系统示意图。 它的原理框图如图1-24所示。在谷物磨粉的生 产过程中，有一个出粉最多的湿度，因此，磨 粉之前要给谷物加水以得到给定的湿度。图中， 谷物用传送装置按一定流量通过加水点，加水 量由自动阀门控制。加水过程中，谷物流量、 加水前谷物湿度以及水压都是对谷物湿度控制 的扰动作用。为了提高控制精度，系统中采用 了谷物湿度的前馈控制。
自动控制理论
• 古典控制理论
（20世纪40年代） 以传递函数为工具和 基础，以频域法和根 轨迹法为核心，研究 单输入-单输出线性 定常控制系统的分析 与设计问题。
• 现代控制理论
（20世纪60年代） 以状态空间法为标志 和基础，以矩阵论和 近代数学方法作为工 具，研究多输入-多 输出、变参数（时 变）、非线性、高精 度等各种复杂系统的 分析与设计问题。
偏差量
反馈量
控制器 测量元件 补偿器 控制器 测量元件
扰动量 输出量 被控对象
复合
＋ 输入量 偏差量
扰动量 被控对象 输出量
反馈量
1.3 自动控制系统分类
开环控制
• 按控制方式分
闭环控制(反馈控制)
复合控制
• 温度控制系统
• 按系统功用分
• 压力控制系统 • 位置控制系统 •
• 恒值自动调节系统
图1-6 闭环控制系统组成框图
图中，用“ ”代表多路信号汇合点， “+”表示信号相加， “-” 表示信号相减。
• 测量元件：其职能是测量被控制的物理量;
• 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（即参据量）。
• 比较元件：把测量元件检测的被控量实际 值与给定元件给出的参据量进行比较，求 出它们之间的偏差。
• 2．工作原理分析： • 设在出口处的湿度测量装置测量输出谷物的实际湿度并将信号反 馈到调节器，构成系统的主反馈通道。若输出谷物湿度与调节器 中设定的湿度值不一致，就会产生偏差信号，通过调节器控制阀 门调节水量，使谷物湿度向设定值调节。入口处的湿度测量装置 测量入口处的谷物湿度，并将信号直接传到调节器，构成系统的 前馈通道。若从入口处进入的谷物的湿度与设定值不一致，调节 器可以及时调节阀门，对谷物湿度进行预先调节，使系统输出湿 度的调节过程更加平稳、准确。
• 放大元件：将比较元件给出的偏差进行放 大，用来推动执行元件去控制被控对象。
• 执行元件：直接推动被控对象，使其被控 量发生变化。
• 校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参 数便于调整的元件，用串联或反馈的方式 连接在系统中，以改善系统性能。
图1-7直流电动机转速闭环控制系统
图1-8直流电动机转速闭环控制方框图
被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来组 成的一个有机总体。
金属切削机床的速度在电网电压或负载变化时，能自动保持近似地不变,
按照预定的程序自动地切削工件
机 器 人按照预定的程序进行工作
宇宙飞船能准确地在月球着陆，并进行成功回收
1.2.1 开环控制 (Open-loop control)
一.
2.按扰动信号补偿的复合控制系统 补偿器 ＋ 扰动量 输出量 控制器 被控对象
输入量
偏差
反馈量 图1-10 按扰动信号补偿的复合控制系统方框图
按扰动作用补偿的补偿装置，能够在可测扰动对 系统的不利影响产生前，提供一个控制作用以抵消 扰动对系统输出的影响。
3. 复合控制特点：
①控制精度高。
②可抑制几乎所有的可测扰动量。
工作原理分析：
当系统受到扰动影响，如电动机的负载转矩 TL ↑→流经电动机电枢中的电流Id↑→电枢电阻上的 压降↑→ n↓→ Uf ↓→ △U= (Ug- Uf) ↑→Uk↑→ Ud ↑→ n↑
图1-8直流电动机转速闭环控制方框图
• 例 图1-17是一个控制导弹发射架方位的角位置随动系统原 理图。图中，电位器P1,P2并联后跨接到同一电源E0的两端， 其滑臂分别与输入轴和输出轴相连接，以组成方位角的给 定装置和反馈装置。输入轴由手轮操纵，输出轴则由电动 机经减速器后带动，电动机采用电枢控制方式工作。它的 原理框图如图1-18所示。
0 1
m
m 1
式中：c（t）是被控量
r（t）是系统输入量
j • a i ,b 只要有一个以上随时间变化，就叫线性时 变系统（9章） • 2.非线性系统 描述系统r(t)与y(t)之间关系用非线性方程 （8章）
..
y ( t ) y (t ) y (t ) y (t ) r (t )
2
二. 闭环控制系统的组成
给定元件 Command input 测量元件 Measuring Device 比较元件 Comparator
控制器 Controller
放大元件 Amplifier
执行元件 Actuator
被控对象 Controlled system
Disturbance input
三. 闭环控制系统的结构原理图
• 2．工作原理分析： • 当摇动手轮使电位器P1的滑臂转过一个输入角 i 的瞬间， 由于输出轴的转角 o i ,于是出现了一个误差角 e i o ， u e 经放大 该误差角通过电桥P1，P2转换成偏差电压 ue ui u0 ， 后驱动电动机转动，在通过减速器带动导弹发射架转动的同时， 通过输出轴带动电位器P2的滑臂向 i 要求的方向偏转，直到 • o i 为止。此时，ui u0 ，偏差电压 ue 0 ，系统达到新的平 衡状态，电动机停止转动，这时，导弹发射架停留在相应的发射 角上。只要 o i ，偏差就会产生调节作用，控制的结果是消 除偏差 e ，使输出量 o 严格地跟随输入量 i 而变化，从而达 到角位置跟踪的目的。
一. 复合控制定义： 将开环和闭环控制结合在一起构成开环— 闭环控制方式，称为复合控制。 复合控制实质上是在闭环控制回路的基础 上附加一个输入信号或扰动信号的前馈通路，对 该信号实行加强或补偿以提高系统的控制精度。
1. 按输入信号补偿的复合控制系统
图1-9 按输入信号补偿的复合控制系统方框图
按输入信号补偿的复合控制是一种对控制能力的加强作用。 通常，补偿装置可提供一个输入信号的微分作用，并作为 前馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制， 以提高系统的跟踪精度。