自动控制原理讲稿
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自动控制原理
第一章 导论
本讲主要内容: 1.1 控制的定义 1.2.控制系统的工作原理和组成 1.3.控制理论的中心问题 1.4.自动控制理论的学习内容 1.5.控制理论的历史发展
自动控制原理
Part： 1.1 控制的定义
控制的本意 :为了达到某种目的对事物进行支配、 管束、管制、管理、监督、镇压。
例1.[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板 温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。
自动控制 :
在没有人直接参与的情况下，利用控制装置或控制器, 使机器、设备或生产过程（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。
例2.[程控机床]:自动进刀切削，加工出预期的几何形 状直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。
优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化 不敏感。
缺点：存在稳定、振荡、超调等问题， 系统性能分析和设计麻烦。
➢复合控制
自动控制原理
E.g.液位控制
原 型 ： 古 代 水 钟 “ 铜 壶 滴 漏 ”
Q1
H2
Q2
H1
自动控制原理
系统原理方块图
[实质] 检测偏差 纠正偏差。
设定 水位
控制器 杠杆
人脑/手
从恒温箱控制系统功能框图可见： ➢给定量位于系统的输入端，称为系统输入量，也称为 参考输入量（信号）。 ➢被控制量位于系统的输出端，为系统输出量。 ➢输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输 入端（反馈信号），使之与输入量进行比较，产生偏差 （给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返 回过程称为反馈。
自动控制原理
综上所述
控制系统的工作原理：
➢检测输出量（被控制量）的实际值；
➢将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较 得出偏差；
➢利用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。
自动控制原理
由于输出量的反馈，系统能在扰动的情况下， 自动减少系统的输出量与参考输入量（希望的状 态）之间的偏差，称之为反馈控制。
误差 控制器
阀门
水箱
浮子/眼
干扰
实际 水位
自动控制原理
正/负反馈液位控制系统
负反馈
正反馈
l1 H
Q1
l2 Q2
l1 Q1
H l2
Q2
自动控制原理
Part 1.2.4 闭环控制系统的组成
闭环控制系统的组成
自动控制原理
1给定元件： 产生给定信号或输入信号。
2反馈元件： 测量被控制量（输出量），产生反馈信 号。为便于传输，反馈信号通常为电信 号。
3比较元件： 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。 4放大元件： 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。 5执行元件： 直接对受控对象进行操纵的元件，如电动机、液压马达等。
自动控制原理
6校正元件： 用以改善系统控制质
量的装置。 校正元件分为串联和并联两种。 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元 件等共同起控制作用，统称为控制器。 实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为 内部扰动和外部扰动。
得到温度偏差的大小和方向
➢ 根据偏差大小和方向调节调压器，
3
控制加热电阻丝的电流以调节温度
[实质]检测偏差再纠正偏差。 回复到要求值。
自动控制原理
2.恒温箱自动控制系统
[动态过程]
➢恒温箱实际温度由热电 偶转换为对应的电压u2
➢恒温箱期望温度由电 压u1给定，并与实际 温度u2比较得到温度 偏差信号u=u1-u2
A 图3-19 小范围稳定系统
自动控制原理
➢精确性：
控制精度，以稳态误差来衡C量(t) 。
Leabharlann Baidu
超
误差带
调
➢稳态误差:
量
1.0
系统的调整（过渡）过程结
束而趋于稳定状态时，系统
输出的实际值与给定量之间
的差值。
o
➢快速性：
输出量和输入量产生偏差时，上升时间 峰值时间
系统消除这种偏差的快慢程
调节时间
度。快速性表征系统的动态
优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感 缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析
和设计麻烦。
自动控制原理
复合控制 特点：按偏差控制和按扰动补偿相结合的控制方式
称为复合控制方式
自动控制原理
➢开环控制
优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性 和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能 够保持一定的精度。 缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。 ➢闭环控制
数控机床的开环控制系统方块图
优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性 和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能 够保持一定的精度。 缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。
自动控制原理
自动控制原理
2.闭环控制 闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反
馈，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用： 利用反馈，减少偏差。
显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式 是“检测偏差再纠正偏差”。
自动控制原理
1.2.3 开环控制与闭环控制
开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无 反馈作用可分为三类：
➢ 开环控制系统 ➢ 闭环控制系统 ➢ 复合控制系统
自动控制原理
1.开环控制 控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向
联系且控制单方向进行。
性能。
➢温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动 机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时， 动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度 达到给定值为止，此时，偏差u=0,电机停止转动。
自动控制原理
[实质] 检测偏差 纠正偏差
系统原理方块图 系统方框图符号组成
自动控制原理
1.2.1控制系统的工作原理
自动控制原理
Part 1.3 控制理论的中心问题
➢稳定性： 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能 力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输 出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。
稳定性是控制系统正常工作的先决条件。线性控
制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无
关。
f A
d c
f
图3-18 不稳定系统
自动控制原理
Part 1.2 控制系统的工作原理和组成
! Some Examples ➢恒温箱温度控制 ✓人工控温 ✓自动控温 ➢液位控制系统 ✓人工/自动控制
自动控制原理
Part 1.2.1 控制系统的工作原理
1.人工控制恒温箱
[动态过程]
➢ 观测恒温箱内的温度（被控制量）
1
2 ➢ 与要求的温度（给定值）进行比较
第一章 导论
本讲主要内容: 1.1 控制的定义 1.2.控制系统的工作原理和组成 1.3.控制理论的中心问题 1.4.自动控制理论的学习内容 1.5.控制理论的历史发展
自动控制原理
Part： 1.1 控制的定义
控制的本意 :为了达到某种目的对事物进行支配、 管束、管制、管理、监督、镇压。
例1.[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板 温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。
自动控制 :
在没有人直接参与的情况下，利用控制装置或控制器, 使机器、设备或生产过程（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。
例2.[程控机床]:自动进刀切削，加工出预期的几何形 状直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。
优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化 不敏感。
缺点：存在稳定、振荡、超调等问题， 系统性能分析和设计麻烦。
➢复合控制
自动控制原理
E.g.液位控制
原 型 ： 古 代 水 钟 “ 铜 壶 滴 漏 ”
Q1
H2
Q2
H1
自动控制原理
系统原理方块图
[实质] 检测偏差 纠正偏差。
设定 水位
控制器 杠杆
人脑/手
从恒温箱控制系统功能框图可见： ➢给定量位于系统的输入端，称为系统输入量，也称为 参考输入量（信号）。 ➢被控制量位于系统的输出端，为系统输出量。 ➢输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输 入端（反馈信号），使之与输入量进行比较，产生偏差 （给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返 回过程称为反馈。
自动控制原理
综上所述
控制系统的工作原理：
➢检测输出量（被控制量）的实际值；
➢将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较 得出偏差；
➢利用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。
自动控制原理
由于输出量的反馈，系统能在扰动的情况下， 自动减少系统的输出量与参考输入量（希望的状 态）之间的偏差，称之为反馈控制。
误差 控制器
阀门
水箱
浮子/眼
干扰
实际 水位
自动控制原理
正/负反馈液位控制系统
负反馈
正反馈
l1 H
Q1
l2 Q2
l1 Q1
H l2
Q2
自动控制原理
Part 1.2.4 闭环控制系统的组成
闭环控制系统的组成
自动控制原理
1给定元件： 产生给定信号或输入信号。
2反馈元件： 测量被控制量（输出量），产生反馈信 号。为便于传输，反馈信号通常为电信 号。
3比较元件： 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。 4放大元件： 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。 5执行元件： 直接对受控对象进行操纵的元件，如电动机、液压马达等。
自动控制原理
6校正元件： 用以改善系统控制质
量的装置。 校正元件分为串联和并联两种。 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元 件等共同起控制作用，统称为控制器。 实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为 内部扰动和外部扰动。
得到温度偏差的大小和方向
➢ 根据偏差大小和方向调节调压器，
3
控制加热电阻丝的电流以调节温度
[实质]检测偏差再纠正偏差。 回复到要求值。
自动控制原理
2.恒温箱自动控制系统
[动态过程]
➢恒温箱实际温度由热电 偶转换为对应的电压u2
➢恒温箱期望温度由电 压u1给定，并与实际 温度u2比较得到温度 偏差信号u=u1-u2
A 图3-19 小范围稳定系统
自动控制原理
➢精确性：
控制精度，以稳态误差来衡C量(t) 。
Leabharlann Baidu
超
误差带
调
➢稳态误差:
量
1.0
系统的调整（过渡）过程结
束而趋于稳定状态时，系统
输出的实际值与给定量之间
的差值。
o
➢快速性：
输出量和输入量产生偏差时，上升时间 峰值时间
系统消除这种偏差的快慢程
调节时间
度。快速性表征系统的动态
优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感 缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析
和设计麻烦。
自动控制原理
复合控制 特点：按偏差控制和按扰动补偿相结合的控制方式
称为复合控制方式
自动控制原理
➢开环控制
优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性 和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能 够保持一定的精度。 缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。 ➢闭环控制
数控机床的开环控制系统方块图
优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性 和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能 够保持一定的精度。 缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。
自动控制原理
自动控制原理
2.闭环控制 闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反
馈，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用： 利用反馈，减少偏差。
显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式 是“检测偏差再纠正偏差”。
自动控制原理
1.2.3 开环控制与闭环控制
开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无 反馈作用可分为三类：
➢ 开环控制系统 ➢ 闭环控制系统 ➢ 复合控制系统
自动控制原理
1.开环控制 控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向
联系且控制单方向进行。
性能。
➢温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动 机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时， 动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度 达到给定值为止，此时，偏差u=0,电机停止转动。
自动控制原理
[实质] 检测偏差 纠正偏差
系统原理方块图 系统方框图符号组成
自动控制原理
1.2.1控制系统的工作原理
自动控制原理
Part 1.3 控制理论的中心问题
➢稳定性： 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能 力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输 出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。
稳定性是控制系统正常工作的先决条件。线性控
制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无
关。
f A
d c
f
图3-18 不稳定系统
自动控制原理
Part 1.2 控制系统的工作原理和组成
! Some Examples ➢恒温箱温度控制 ✓人工控温 ✓自动控温 ➢液位控制系统 ✓人工/自动控制
自动控制原理
Part 1.2.1 控制系统的工作原理
1.人工控制恒温箱
[动态过程]
➢ 观测恒温箱内的温度（被控制量）
1
2 ➢ 与要求的温度（给定值）进行比较