第一章自动控制系统的基本概念

第一节 自动控制的基本方式
1、控制系统的工作原理：
自动控制是相对于人工控制而言的。让
我们以人工控制系统为例，分析人工控制系统 工作过程。 人工控制无论是在速度还是在精度上都是有 限的，为了提高精度，减轻工人的劳动强度， 可以采用自动控制系统。
人工控制过程：
（1）用眼观察温度计的指 示值； （2）将观察值与要求值 进行比较，得出偏差的大 小和方向，并传递给大脑；
（3）大脑根据偏差的大小 和方向，依据经验决定开关 阀门开度的大小和方向，并 指令手去执行；
（4）手根据大脑的指令去 执行控制阀门的动作。
自动控制过程： （1）由测温度元件热电阻测的 出口物料的温度，并转换成电 信号，再由温度变送器将电信 号转换成标准信号； （2）将变送器得出的信号与要 求值进行比较，得出偏差的大 小和方向；
（3）给定环节 产生系统给定输入信号（控制要求）
（4）比较环节 对系统输出量与输入量进行比较，产生偏差信号 （5）放大环节 （6）执行机构 （7）校正装置 对偏差信号进行放大，并进行能量形式的转换 对被控对象进行控制的装置或元件 用于改善系统的性能
第三节自动控制系统的分类
线性与非线性 按数学模型分类 连续与离散系统 线性系统
快——动态响应要快
本章作业： 习题1-1、1-3、1-5
另外补充习题如下
补 1、试说明开环控制系统与闭环系统各自的优缺点？ 补 2、试说明下列控制系统过程，画出控制系统的方框 图，并指出被控变量、操纵变量、扰动变量。 冷 却 水 热物料 给定值 LC L LT 出口
TC TT
物料A
物料B
出口
给定值
闭环控制：闭环控制是指系统输出端与输入端之间存在 反馈回路，系统的输出量直接或间接参与了对系统的控制 作用。 扰动输入量
输入量 误差 控制器 被控对象 输量
检测装置
闭环控制系统结构图 特点：结构复杂、成本相对较高，调试较困难，但具有 自动修正系统输出量偏差的能力，克服系统内部 元件参数变化或外界扰动所引起的误差，控制精
L0
补充习题2
LC LT
水槽
L
热物料、 散热
T0
-
TC
换热器
T
TT
度较高，被广泛应用。
复杂控制：复杂控制是开环与闭环控制系统相结合的一 种控制方式。 扰 动 补偿装置 输 入 输出信号 控制器 被控对象 输入信号 复杂控制系统结构图 特点：结构复杂、控制精度高，用于要求更高的任务。
4、控制系统的方框图表示法：
控制原理图 （系统流程图） —— 表示控制系统的工作原理图 系统方框图—— 利用方框的形式定量地描述各信号之间的数学关系。
定常★
时变 非线性系统（在一定条 件下可以转化为线性系 统）
连续系统 f（t）
离散系统 是脉冲信号
恒值系统 给定输入为恒定值 按输入信号特征分类 随动系统 给定输入是未知的时间函数
程序控制系统 给定输入是按照已 知的时间函数变化的系统
第四节 控制系统的基本要求
稳、准、快 稳——稳定在预定的平衡位置 准——准确 误差小
1934年赫茨（Hazen)发表了具有历史意义的著作《伺服 机构理论》，第一次提出了控制系统的精确理论。其后， Nyquist、Bode等也作出了重要贡献，从而形成了经典控制 理论，即第一代控制理论。它主要以传递函数为基础，研 究单输入、单输出线性定常系统的控制问题。为了突破经 典控制理论的局限性，从60年代开始，提出了现代控制理 论。它以状态方程为基础，研究多输入、多输出、变参数 系统的控制问题。 本课程主要介绍经典控制理论的基本概念、基本原理、 基本方法等。
混合槽液位控制系统
冷却器温度控制系统
本章小结： 了解开环、闭环、方框图、被控变量、扰动量等基本概念 建立初步的自动控制系统的概念
习Байду номын сангаас解： 习题1-1、 H2 -
qv2
qv1
浮子
水槽
H1
散热
习题1-3
T0
习题1-5
-
控制 系统
炉子
T
热电偶
实际清洁度
希望清洁度
-
经验
计时器
洗衣机
测量系统
补充习题1
A、泵 -
内容提要：
• • • • • • 自动控制系统的基本概念(2) 线性系统的数学模型(8) 控制系统的时域分析法(8+2) 控制系统的根轨迹分析法(8+2) 控制系统的频率特性分析法(8+2) 线性离散控制系统的分析(6)
第一章自动控制系统的基本概念
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本章主要内容：
概述 自动控制的基本方式 闭环控制系统的基本组成 自动控制系统的分类 对控制系统的基本要求 本章小结
扰动量N（S） 偏差E（S） 控制器 给定信号R（S）+ - Gc（s） B（S） 测量值 执行器 换热器 Gp（s）
操纵 Gy（s） 变量
被控变量 C（S）
测量变送 Gp（s）
系统方框图
第二节
闭环控制系统的基本组成
控制系统一般由以下基本组成： （1）被控对象 （2）测量装置 指要进行控制的设备或对象 对系统输出量进行测量的装置
（3）根据偏差的大小和方向， 按照一定的控制规律输送出一个 对应的信号去控制阀的动作； （4）控制阀接受信号，改变 控制阀的开度大小，从而改变 了进入换热器的蒸汽量，达到 调整温度的目的
2、控制系统的基本概念：
自动控制—— 在没有人的直接参与下，利用控制装置 被控量（输出量）—— 被控对象 自动控制系统 ——
概述：
自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中 起着十分重要的作用，它反映了一个国家科学技术先进与否 的重要标志之一。 自动控制原理是自动控制技术的基础理论，是研究 自动控制共同规律的理论性较强的一门技术科学。
自动控制装置可追溯到公元三世纪，古希腊特西比 奥斯（Ktesibios)发明的滴水时钟。1770年瓦特（Watt)发 明的蒸汽发动机离心式调速机构，也是一个反馈系统。 但是控制理论的产生和发展还是在近代。1868年麦克斯 韦威尔(Maxwell) 才发表了“论调节器”一文，之后霍尔 维茨、劳斯等提出了几个重要的稳定性判据
使设备、生产过程的某些物理量、工作 状态自动地按照预定的规律运行、变化。 被控制对象内要求实现自动控 制的物理量
被控制的设备或工作机械
—— 控制器与被控对象的总称
系统的输入量
——
在控制系统中影响 系统输出量的外界 输入量
给定输入量
扰动输入量
指出下列系统的被控量、输入量
Qi H QO
Qi Hi
3、基本方式：
系统
H
10 开环、闭环、复杂系统
开环控制：
开环控制是指系统输出端与输入端之间不存在反馈回路，系 统的输出量不对系统的控制量产生任何作用的控制过程。
扰动输入量
输入量 控制器 被控对象 输量
开环控制系统结构图 特点：输入输出之间无反馈回路； 当外部出现扰动作 用时，在没有人干预下无法复位，即得不到希望的值。 结 构简单、成本低廉、调试容易、控制精度差、抗干扰能力不 强，只适用于性能要求不高的控制系统。