自动控制系统概述B

第 1 章 自动控制系统概述
输输测 (控控控控)
控控器
(控控脉脉器)
执执给给
(步步电自机步力自机步)
控控控控
(工工工)
输输测 (位 角)
图 1 - 3 数控加工机床开环控制方框图
第 1 章 自动控制系统概述
2. 闭 环 控 制 系 统 (Closedloop 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)。 图1-4为电炉箱恒温自动控制系统。
第 1 章 自动控制系统概述
智能控制系统是指具有某些仿人智能 的工程控制与信息处理系统， 其中最典 型的就是智能机器人。对自动控制理论 的具体描述可表示为图1-1。
第 1 章 自动控制系统概述
图1-1 对自动控制理论的具体描述
第 1 章 自动控制系统概述
1.2 开环控制和闭环控制
1. 开 环 控 制 系 统 (Openloop 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。图1-2就是一个由步进电机驱 动的数控加工机床,也是一个没有反馈环节 的开环控制系统。
1.6 自动控制系统实例
要分析一个实际的自动控制系统， 首先 要了解它的工作原理， 然后画出组成系统 的方框图。 在画方框图之前， 必须明确以 下问题： (1) 哪个是控制对象？被控量是什么？影响 被控量的主扰动量是什么？ (2) 哪个是执行元件？
第 1 章 自动控制系统概述
(3) 测量被控量的元件有哪些？ 有哪些反馈 环节？ (4) 输入量由哪个元件给定？ 反馈量与给定 量如何进行比较？ (5) 此外还有哪些元件（环节）? 它们系统 中处于什么地位？ 起什么作用？
第 1 章 自动控制系统概述
控控控控(加序程程)
x
步步电自机 加工加 序序序 运 数 控控器 控 控 发发器 脉脉器 步步电自机
精精力自
工工工
精精力自
工工工
y
图 1 - 2 数控加工机床示意图
第 1 章 自动控制系统概述
图1-3为数控加工机床开环控制方框 图。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。
System)
程序控制系统的特点是：输入量按照 一定的时间函数变化，并且要求输出量 随之变化。例如数控伺服系统以及一些 自动化生产线等。
第 1 章 自动控制系统概述
2. 按系统传输信号对时间的关系分类: 自动控制系统按系统传输信号对时间 的关系可分为两类: 1) 连 续 控 制 系 统 （ Continuous Control System） 连续控制系统的特点是：各元件的 输入量与输出量都是连续量（模拟量）， 因此它又称为模拟控制系统（Analogue Control System）。图1-4 所示的恒温控 制系统就是连续控制系统。连续控制系 统的运动规律通常可用微分方程来描述。
1.4 自动控制系统的分类
自动控制系统可以从不同的角度来进 行分类， 常见的有以下几种。 1. 按输入量变化的规律分类 按输入量变化的规律可分为以下三类: 1) 恒 值 控 制 系 统 (Fixed Set-Point Control
System)
恒值控制系统的特点是：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。
第 1 章 自动控制系统概述
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用 框图表示，并用箭头标明各作用量的传 递情况，图 1 - 7 便是图 1 - 4 所示系统 的方框图。方框图可以把系统的组成简 单明了地表达出来，而不必画出具体线 路。
第 1 章 自动控制系统概述
输输 测 给定给给 给定电位器
第 1 章 自动控制系统概述
自动控制技术的应用可以追溯到18 世纪(1788年)瓦特(Watt)利用小球离心 调速器使蒸汽机转速保持恒定的开创性 的突破， 以及19世纪(1868年)麦克斯韦 （Maxwell）对轮船摆动（稳定性）的研 究。但在初期，自动控制技术的应用进 展很缓慢。自动控制技术的真正发展是 在20世纪。
第 1 章 自动控制系统概述
2. 快速性 为了很好地完成控制任务， 控制系 统仅仅满足稳定性要求是不够的， 还必 须对其过渡过程的形式和快慢提出要求， 一般称为动态性能。 3. 准确性 理想情况下， 当过渡过程结束后， 被控量达到的稳态值（即平衡状态）应 与期望值一致。
第 1 章 自动控制系统概述
2. 机床台控制系统 机床台控制系统的工作原理如图 1 - 10 所示。 被控对象： 工作台。 被控量： 工作台的输出量——位移xo。 干扰量： 主要是元件参数的变化而引起的干扰 力矩。 测量元件： 角位移测量装置和测速机。
第 1 章 自动控制系统概述
1. 轧钢计算机控制系统 轧钢计算机控制系统的工作原理如图 1 - 8 所示。 被控对象： 轧辊。 被控量： 轧辊的输出量——厚度和张力。 干扰量： 主要是元件参数的变化而引起的干扰 力矩。 测量元件： 厚度传感器和张力传感器。 给定量： 厚度给定、 张力给定， 是人们设计 的希望值。 计算装置： 数字计算机。 执行元件： 电动机。
第 1 章 自动控制系统概述
自动控制理论通常可分为经典控制理 论、 现代控制理论和智能控制理论。 1) 经典控制理论 经典控制理论产生并发展于20世纪 40～60年代。 2) 现代控制理论 现代控制理论于20世纪60年代中期发 展成熟。 3) 智能控制理论 智能控制理论是20世纪70年代后， 控制理论向广度和深度发展的结果。
第 1 章 自动控制系统概述
2) 随 动 控 制 系 统 （ Follow-Up Control
System）
随动控制系统又称伺服系统（ ServeSystem ），其特点是：输入量是随机变 化着的，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。 3) 程 序 控 制 系 统 (Programme Control
第 1 章 自动控制系统概述
2) 离散控制 系统 (Discrete Control System) 离散控制系统又称采样数据控制系 统（Sampted-Date Control System）。 它的特点是： 系统中有的信号是脉冲序 列，或采样数据量、数字量。
第 1 章 自动控制系统概述
3. 按系统的输出量和输入量间的关系分 类: 自动控制系统按系统的输出量和输入 量间的关系可分为两类。 1) 线性系统(Liner System) 线性系统的特点是：系统全部由线性元 件组成，它的输出量与输入量间的关系 用线性微分方程来描述。
第 1 章 自动控制系统概述
直电直直电自机
Ua M
UsT
＋
给定电位器
∆U
电电放放器
功功放放器
炉度数 － ＋
T (°C)
UfT
减转器 电炉电 调电测电器
UR
过电热 工给
～220 V 加过电加滚
图 1 - 4 电炉箱恒温自动控制系统
第 1 章 自动控制系统概述
UsT
∆U
＋
电电放放
－
UfT
功功 放放
电自机
第 1 章 自动控制系统概述
由图 1 - 7 可见， 系统中的各种作用量和 被控制量包括: (1)输入量（Input Variable）：又称控制 量或参考输入量（Reference Input Variable）， 所以输入量的角标常用i(或 r)表示。 (2)输出量（Output Variable）：又称被控 制量（Controlled Variable）,所以输出量角标 常用o(或 c)表示。 (3)反馈量（Feedback Variable）： 通过 检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同且 数量级相同的信号。
第 1 章 自动控制系统概述
2) 非线性系统(Non Liner System) 非线性系统的特点是：系统中存在有 非线性元件，如具有死区、出现饱和、 含有库仑摩擦等非线性特性的元件，它 的输出量与输入量间的关系要用非线性 微分方程来描述。
第 1 章 自动控制系统概述
4. 按系统中的参数对时间的变化情况分 类 自动控制系统按系统中的参数对时间 的变化情况可分为两类。 1)定常系统（Time-Invariant System） 定常系统(又称时不变系统), 其特点是： ( ), 系统的全部参数不随时间变化，它的输 出量与输入量间的关系用定常微分方程 来描述。
第 1 章 自动控制系统概述
(4) 扰 动 量 （ Disturbance Variable ） : 又称干扰或“噪声”（Noise）， 所以扰动量 的角标常以d（或n）表示。 (5) 中 间 变 量 (Semifinisbed Variable) ： 系统中各环节之间的作用量。
第 1 章 自动控制系统概述
第 1 章 自动控制系统概述
第1章 自动控制系统概述
1.1 自动控制理论的发展史及内 容 1.2 开环控制和闭环控制 1.3 自动控制系统的组成 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的基本要求 1.6 自动控制系统实例 习题
第 1 章 自动控制系统概述
1.1自动控制理论的发展史内容
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(称控制装置或控 制器), 使机器、 设备或生产过程(统称被控 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。系统是指按照 某些规律结合在一起的物体(元部件)的组合, 它们相互作用、相互依存, 并能完成一定的 任务。
减转器
调电器
电炉
T
过电热
图 1 - 5 电炉箱自动控制方框图
第 1 章 自动控制系统概述
T
UfT
∆U＝(UsT －UfT ) (>0)
Ua (>0)
电机电转
UR
T
自自自自，直直＝给定定， ＝0时时 T ∆U
图 1 - 6 炉温自动调节过程
第 1 章 自动控制系统概述
1.3 自动控制系统的组成
现以图 1 - 4 和图 1 - 5 所示的恒温控 制系统来说明自动控制系统的组成和有关 术语。
UsT ∆U
＋
放放给给 放放器
Ua 电电电电
执执给给
UR 电炉电电
工 散 给 干自 增 过 测 减 －Q2
( )
( )
控控控控 电炉
T 炉炉 (输输测)
－
UfT
电自机、减转器、调电器
反反 测
) )
( (
检测给给 过电热
反反反路
图 1 - 7 自动控制系统的方框图
第 1 章 自动控制系统概述
由图1-7可看出，一般自动控制系统包括： (1)给定元件（Command Element）：由它 调节给定信号（UsT），以调节输出量的大小。 (2)检测元件（Detecting Element）：由 它检测输出量（如炉温T）的大小，并反馈到 输入端。 (3)比较环节（Comparing Element）：在 此处，反馈信号与给定信号进行叠加，信号的 极性以“&自动控制系统概述
开开机 厚度控控
轧轧
厚度力感器 厚厚控控
电自机
D/A
厚厚力感器
A/D
厚厚给定 厚度给定 数数数数机
图 1 - 8 轧钢计算机控制系统的原理图
第 1 章 自动控制系统概述
数数数数机
D/A
轧轧
厚度厚厚
A/D
厚度厚厚 厚力感器
图 1 - 9 轧钢计算机控制系统的原理方框图
第 1 章 自动控制系统概述
第 1 章 自动控制系统概述
(4)放大元件（AmplifyingElement）： 由于偏差信号一般很小， 因此要经过电 压放大及功率放大， 以驱动执行元件。 (5)执行元件（Executive Element）： 驱动被控制对象的环节。 (6)控制对象（Controlled Plant）： 亦称被调对象。 (7)反馈环节（Feedback Element）： 由它将输出量引出， 再回送到控制部分。
第 1 章 自动控制系统概述
2) 时变系统(Time-Varying System) 时变系统的特点是： 系统中有的参 数是时间t的函数，它随时间变化而变。
第 1 章 自动控制系统概述
1.5 对自动控制系统的基本要求
对每一类系统,被控制量变化全过程提 出的共同基本要求都是一样的,且可以归结 为稳定性﹑快速性和准确性. 1. 稳定性 稳定性是保证控制系统正常工作的先决 条件。 一个稳定的控制系统， 其被控量偏 离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐 减小或趋于零。