自动控制理论基础知识

自动控制系统的特征 ： 1. 结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。 结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。 2. 由偏差产生控制作用。 由偏差产生控制作用。 3. 控制的目的是尽量的减小或消除偏差， 控制的目的是尽量的减小或消除偏差，使输出量接近 于期望值。 于期望值。
自动控制系统定义： 自动控制系统定义： 是一个带有反馈装置的动力学系统。 是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连 续地测量被控制量，并求出偏差， 续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小 和正负极性进行控制， 和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除 所存在的偏差。 所存在的偏差。
反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端， 反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端， 并与输入信号比较的过程。反馈分为负反馈 负反馈（ 并与输入信号比较的过程。反馈分为负反馈（反馈 信号与输入信号相减） 正反馈（ 信号与输入信号相减）和正反馈（反馈信号与输入 信号相加）。 信号相加）。
例 水温自动控制系统 系统中增加了： 系统中增加了： 通过电机调 控制器 节阀门的开度 电机 从而调节蒸 工作原理： 工作原理 汽流入， ： 汽流入，控制 水的温度. 水的温度 实 加入给定信号 现没有人直接 检测实际温度 参入的自动水 产生控制信号 温控制. 温控制
3．复合控制 ．
按偏差控制和按扰动控制相结合的控 制方式称为复合控制。 制方式称为复合控制。 前馈补偿控制 + 复合控制： 复合控制： 反馈控制 复合控制具有两种基本形式. 复合控制具有两种基本形式
(a) 按输入前馈补偿的复合控制
前馈控制
给定值 _
控制器 受控对象
被控制量
检测元件
(b) 按扰动前馈补偿的复合控制
常用的名词术语 输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值， 输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出 量变化规律的指令信号。 量变化规律的指令信号。 输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量， 输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又 称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。 称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。 反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件) 反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件) 输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈 局部反馈之分 主反馈和 之分。 输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。 偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。 偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。 误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。 误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。 扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反， 扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希 望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部， 望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部， 外部扰动。 又可来自系统外部，前者称内部扰动 后者称外部扰动 内部扰动， 又可来自系统外部，前者称内部扰动，后者称外部扰动。
•开环控制 开环控制
•开环控制系统的方框图 开环控制系统的方框图
扰动 输入量 控制装置 被控对象 输出量
温度计
调压器
扰动量 输入量 加热 电阻丝 输出量 电炉 恒温箱 (温度) 温度) 被控对象
调压器
加热电阻丝
u
~220V
(手柄位置 手柄位置) 手柄位置
控制装置
(a) 原理图
(b) 方块图
•开环控制 开环控制
控制系统的基本原理
• 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等各 个领域中起着重要的作用！ • 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医学、 环境、经济管理和其它许多社会生活领域。 • 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。 •《自动控制原理》是自动控制技术的基础理论，是一 门理论性较强的工程科学。 现代的工程技术人员和科学工作者， 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备 一定的自动控制理论基础知识！ 一定的自动控制理论基础知识！
执行元件——根据偏差信号的性质执行相应的控制作用， 执行元件——根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便 ——根据偏差信号的性质执行相应的控制作用 使被控量按期望值变化。 使被控量按期望值变化。 控制对象——又称被控对象或受控对象， 控制对象——又称被控对象或受控对象，通常是指生产过程中 ——又称被控对象或受控对象 需要进行控制的工作机械或生产过程。 需要进行控制的工作机械或生产过程。出现于被控对象中需要 控制的物理量称为被控量。 控制的物理量称为被控量。
第一章 控制系统导论
1.1 自动控制的基本原理 1.2 自动控制系统示例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 对控制系统的基本要求
End
本章重点
1. 自动控制和自动控制系统的含义； 自动控制和自动控制系统的含义； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。 控制系统的组成和分类和特点。
应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。 应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。
闭环控制 控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用， 控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用， 而且还有反向联系. 而且还有反向联系 闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。 闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。 反馈控制
闭环控制系统：通过反馈回路使系 统构成闭环并按偏差的性质产生控 制作用，以求减小或消除偏差(从而 减小或消除误差)的控制系统。
闭环控制系统的特点： 闭环控制系统的特点：
1. 系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。 2. 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。 3. 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些 惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很 差．甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。 注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使 偏差越来越大。
本章难点
1.深刻理解反馈的概念和思想； 深刻理解反馈的概念和思想； 深刻理解反馈的概念和思想 2.确定控制系统的被控对象、被控量、给定量等； 确定控制系统的被控对象、被控量、给定量等； 确定控制系统的被控对象 绘制方块图，分析实际控制系统的基本原理。 绘制方块图，分析实际控制系统的基本原理。
§1－1
扰动
前馈控制
给定值
_ _
控制器 受控对象
被控制量
检测元件
•复合控制 复合控制
+
ug
放大器
udo i
放大器
M R TG
负载
ut
(a) 原理图
放大器
扰动检 测装置 晶阐管可 控整流器
扰动 (ML) 电动 机
ug
(-) -
放大器
ui
触发器 转速反 馈装置
n
ut
(b) 方块图
补偿装置 控制装置 受控对象 被控量
输入信号
(-) -
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•反馈控制系统的基本组成 反馈控制系统的基本组成
被控对象 测量元件 比较元件 控制装置 放大元件 执行机构 校正装置 给定元件
控制系统
控制系统的组成
测量反馈元件——用以测量被控量并将其转换成 测量反馈元件——用以测量被控量并将其转换成 —— 与输入量同一物理量后， 与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比 较。 比较元件——用来比较输人信号与反馈信号。 比较元件——用来比较输人信号与反馈信号。 ——用来比较输人信号与反馈信号 放大元件——将微弱的信号作线性放大。 放大元件——将微弱的信号作线性放大。 ——将微弱的信号作线性放大 校正元件——按某种函数规律变换控制信号，并 校正元件——按某种函数规律变换控制信号， ——按某种函数规律变换控制信号 产生反映两者差值的偏差信号。 产生反映两者差值的偏差信号。以利于改善系统 的动态品质或静态性能。 的动态品质或静态性能。
+ GT ug V udo M
(a) 原理图 扰动量 给定信号 (电压) 电压) 触发 器 晶闸管可 控整流器 控制装置 (b) 方块图 输出量 电动机 被控对象 (转速) 转速)
•控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系。 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系。 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系 结论：开环控制优点 结构简单， 结论：开环控制优点——结构简单，缺点 结构简单 缺点——无抗干扰能力 无抗干扰能力
a
偏差量( ＝ 偏差量 ue )＝给定量 ( u r )－反馈量 u f ) －反馈量(
+ RP1 R0 ug R0 -ut +
R1
∞+ uc
RP2 +
(a) 原理图
udo
M
TG
扰动
给定 装置
ug
ue (-) ut
放大器
触发器 控制装置 转速反 馈装置
晶阐管可 控整流器
udo
电动机 受控对象
n
(b) 方框图
前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。 前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。 反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。 反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。 比较环节：输出量为各输入量的代数和。 比较环节：输出量为各输入量的代数和。 输入量：u r 输出量：n 输入量： 输出量：
u 控制量： 反馈量： f 控制量： 反馈量： u
按扰动控制的开环控制系统， 按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动 量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出 产生一种补偿作用， 的影响，这种控制方式也称顺馈控制 顺馈控制。 的影响，这种控制方式也称顺馈控制。
o
o
ur
ue
ua
o
ub
按扰动控制的速度控制系统
开环控制系统的特点： 开环控制系统的特点 1. 结构简单、造价低。 结构简单、造价低。 2. 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器 及被控对象参数的稳定性。 及被控对象参数的稳定性。 3. 开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。 开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。 应用场合： 应用场合： 1. 2. 3. 控制量的变化规律可以预知。 控制量的变化规律可以预知。 可能出现的干扰可以抑制。 可能出现的干扰可以抑制。 被控量很难测量。 被控量很难测量。
要使自动控制系统满足工程实际的需 要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与 系统性能之间的关系。 系统性能之间的关系。 为了方便地分析系统性能， 为了方便地分析系统性能 ， 一般用 框图来表示系统的结构，如图所示: 框图来表示系统的结构，如图所示
预期 温度 偏差 _ 控制器 反馈量 执行机构 实际 温度 阀门 水箱
一、自动控制系统的概念
自动控制：是指在没有人直接参与的条件下， 自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用外加 的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、 的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备 ），使机器 或生产过程（统称被控对象） 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。 即被控量）自动地按照预定的规律运行。 系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为 系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、 达到一定目的、具有一定功能的整体 达到一定目的、具有一定功能的整体。 自动控制理论：是研究自动控制共同规律的科学。 自动控制理论：是研究自动控制共同规律的科学。
例 转速负反馈直流电动机调速系统 给定电压 ： 系统组成： 系统组成 反馈电压 直流电机 测速发电机 测速发电机 e = Un −U f 转速取决于给 电源和放 大装置 定电压与反馈 电压的差值。 电压的差值。 负载
Un
Uf
调速系统结构图
un
e
_
放大器
ud
直流电动机
n
uf
测速机
由电网电压波动， 由电网电压波动，负载变化以及其他 闭环控制系统具有的特点： 闭环控制系统具有的特点： 部分的参数变化所引起的转速变化， 部分的参数变化所引起的转速变化，都可 减小或消除由于扰动所形成的偏差值， 减小或消除由于扰动所形成的偏差值 ， 以通过系统的自动调整加以抑制。 以通过系统的自动调整加以抑制。 具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。 具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。 n↓ →Uf↓ →e↑ →Ud↑ →n↑
自动控制系统： 自动控制系统：为了实现各种复杂的 控制任务， 控制任务，首先要将被控对象和控制装置 按照一定的方式连接起来，组成一个有机 按照一定的方式连接起来， 整体，这就是自动控制系统。 整体，这就是自动控制系统。
自动控制系统的基本控制方式 自动控制系统的基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制