自动控制原理孟庆明第1章

1、自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念自动控制自动控制，是指在没有人直接参与的情，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控况下，利用外加的设备或装置（称为控制器或控制装置），使机器、设备或生制器或控制装置），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（统称被控量）自动地按照预态或参数（统称被控量）自动地按照预定的规律运行。定的规律运行。自动控制系统自动控制系统，是指能够对被控制对象的，是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。工作状态进行自动控制的系统。第一

2、章第一章 绪绪 论论自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论一、技术术语一、技术术语1. 被控对象被控对象:是指要求实现自动控制的机是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。器、设备或生产过程。3. 控制器：又称调节器、控制装置，由控制器：又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。控制作用信号于被控对象。2. 被控量：表征被控对象工作状态的物理被控量：表征被控对象工作状态的物理参量参量(或状态参量或状态参量)，如转速、压力、温度、，如转速、压力、温度、电压、位移等。电压、位移等。自动控制原理自动控制原理 第一章

3、第一章 绪论绪论4. 给定值或指令信号给定值或指令信号r(t)：要求控制系统按要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。一定规律变化的信号，是系统的输入信号。5. 干扰信号干扰信号n(t)：又称扰动值，是一种对系又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。统的被控量起破坏作用的信号。6. 反馈信号反馈信号b(t)：是指被控量经测量元件检是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。测后回馈送到系统输入端的信号。7. 偏差信号偏差信号e(t)：是指给定值与被控量的差是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。值，或指令信号与反馈信号的差值。自动控制原理自动控制原理

4、 第一章第一章 绪论绪论二、自动控制的任务二、自动控制的任务控制器被控对象r(t)c(t)在没有人直接参与下，利用控制装置操在没有人直接参与下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量按照给定值的规纵被控对象，使被控量按照给定值的规律变化。或律变化。或( )( )c tr t上式是自动控制任务的数学表达式。上式是自动控制任务的数学表达式。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论三、反馈控制原理三、反馈控制原理在自动控制系统中，被控量是要求严格加以控在自动控制系统中，被控量是要求严格加以控制的物理量；而作为对被控对象施加控制作用制的物理量；而作为对被控对象施加控制作用的控制装置，可以采用不同的

5、原理和方式完成的控制装置，可以采用不同的原理和方式完成赋予的任务。其中，最基本的控制原理就是赋予的任务。其中，最基本的控制原理就是反反馈控制原理馈控制原理。基于反馈控制原理组成的控制系。基于反馈控制原理组成的控制系统被称为统被称为反馈控制系统反馈控制系统。 在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加控制作用，而控制装置接受的信号是取自被控控制作用，而控制装置接受的信号是取自被控量的反馈信号与给定值相比较生成的偏差，根量的反馈信号与给定值相比较生成的偏差，根据偏差值的大小产生控制作用，实现控制任务。据偏差值的大小产生控制作用，实现控制任务。 自动控制原理自动

6、控制原理 第一章第一章 绪论绪论实际行驶方向预期行驶方向图图1.2 汽车驾驶控制原理框图汽车驾驶控制原理框图自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论测量测量预期预期路线路线大脑大脑方向盘方向盘汽车汽车实际实际路线路线眼睛和其他眼睛和其他感觉器官感觉器官手手图图1.3 汽车驾驶控制原理框图汽车驾驶控制原理框图 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论四、控制系统的职能方框图四、控制系统的职能方框图 执行被控对象比较、放大给定值测量测量被控量干扰+-图图1.4 控制系统职能方框图控制系统职能方框图 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论控制器控制器应具有三种基本职能，即应

7、具有三种基本职能，即测量测量、比比较较和和执行执行。 1. 测量元件测量元件的职能是检测被控制的物理量，的职能是检测被控制的物理量，如果所测量的物理量为非电量，一般要将如果所测量的物理量为非电量，一般要将其转换为电量。其转换为电量。 2. 比较元件比较元件的职能的职能是将测量元件检测到的是将测量元件检测到的被控量的实际值与给定值相比较，计算求被控量的实际值与给定值相比较，计算求出二者间的偏差。出二者间的偏差。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论4. 执行元件执行元件的职能是的职能是直接推动被控对象，直接推动被控对象，使被控量发生变化使被控量发生变化 。3. 放大元件放大元件的职能是

8、的职能是将比较元件给出的偏将比较元件给出的偏差信号放大，以驱动执行元件去控制被控差信号放大，以驱动执行元件去控制被控对象。对象。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论1.2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式 一、闭环控制一、闭环控制 图图1.7 闭环控制框图闭环控制框图 执行被控对象比较、计算给定值测量被控量干扰+-自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论闭环控制有三大特点：闭环控制有三大特点：信号按箭头方向传信号按箭头方向传递是封闭的递是封闭的( (闭环闭环) )、负反馈负反馈和和按偏差控制按偏差控制。因此，闭环控制也被称作反馈控制或按偏因此，闭环控制也被称作反馈控制或

9、按偏差控制。差控制。 闭环控制的主要优点：控制精度高，抗干闭环控制的主要优点：控制精度高，抗干扰能力强。扰能力强。缺点是使用的元件多，线路复杂，系统的缺点是使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。分析和设计都比较麻烦。 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论二、开环控制二、开环控制 1. 按给定值控制按给定值控制 执行被控对象计算给定值被控量干扰+图图1.8 开环控制框图开环控制框图自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论2.按干扰补偿按干扰补偿 图图1.9 按干扰补偿框图按干扰补偿框图 执行被控对象计算被控量干扰+测量自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论

10、绪论3.3.复合控制复合控制 执行被控对象计算给定值测量被控量干扰+-测量计算图图1.10 复合控制框图复合控制框图 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论 1.3 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求 一、稳定性一、稳定性 稳定性稳定性是保证控制系统正常工作的先决条是保证控制系统正常工作的先决条件。件。对于稳定的控制系统，被控量偏离期望值对于稳定的控制系统，被控量偏离期望值后，经过一段过渡时间后，被控量应恢复后，经过一段过渡时间后，被控量应恢复到原来状态。到原来状态。对于不稳定的控制系统，其被控量偏离期对于不稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的偏差将会越来越大，最终发散望值的偏

11、差将会越来越大，最终发散。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论otc(t)r(t)12 控制系统动态过程曲线控制系统动态过程曲线自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论二、快速性二、快速性 快速性即动态过程进行时间的长短。快速性即动态过程进行时间的长短。过程时间越短，说明系统的过程时间越短，说明系统的快速性快速性越好，越好，过程时间持续越长，说明系统响应迟钝，过程时间持续越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。难以实现快速变化的指令信号。稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。性能。 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章

12、绪论绪论otc(t)r(t)12 控制系统的动态过程控制系统的动态过程自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论三、准确性三、准确性 当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定值（平衡状态），这个稳定值与期望值的值（平衡状态），这个稳定值与期望值的误差，就是系统的误差，就是系统的稳态误差稳态误差。它是衡量系。它是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。的性能。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论1.4 自动控制系统示例自动控制系统示例 在分析自动控制系统时，首先应明确下面在分析自动控制系统时，首先应明

13、确下面的一些问题的一些问题: : 1. 被控对象是什么？被控量是什么？作用被控对象是什么？被控量是什么？作用在对象上的主要干扰信号有哪些？在对象上的主要干扰信号有哪些？ 2. 通过操纵哪个机构来改变被控量？即确通过操纵哪个机构来改变被控量？即确定执行元件。定执行元件。 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论3. 有哪些测量元件？测量的是被控量还是有哪些测量元件？测量的是被控量还是干扰信号？测量元件的确定对分析系统起干扰信号？测量元件的确定对分析系统起关键作用。关键作用。 4. 指令信号或给定值是由哪个装置提供的？指令信号或给定值是由哪个装置提供的？ 5. 如何实现各信号的综合比较、计

14、算和判如何实现各信号的综合比较、计算和判断偏差？断偏差？ 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论一、涡轮喷气发动机转速控制系统一、涡轮喷气发动机转速控制系统 图图1.11 涡轮喷气发动机转速控制系统原理图涡轮喷气发动机转速控制系统原理图自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论首先应明确：首先应明确：1. 被控对象：涡轮喷气发动机被控对象：涡轮喷气发动机2. 被控量：涡轮转速被控量：涡轮转速nc3. 执行元件：即是改变供油量的机构，系统执行元件：即是改变供油量的机构，系统中与柱塞泵的斜盘以及和斜盘相连接的油缸中与柱塞泵的斜盘以及和斜盘相连接的油缸活塞。斜盘倾角不同，泵在同样转速

15、下供油活塞。斜盘倾角不同，泵在同样转速下供油量就不同。量就不同。4. 转速测量：靠离心块（转速传感器）来完转速测量：靠离心块（转速传感器）来完成转速测量，离心块产生的离心力不同，作成转速测量，离心块产生的离心力不同，作用在滑阀上（分油活门）的力的大小就代表用在滑阀上（分油活门）的力的大小就代表了转速的大小。了转速的大小。自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论5. 转速给定：由油门的位置给定，油门位转速给定：由油门的位置给定，油门位置不同，作用在滑阀上的起始弹簧力也不置不同，作用在滑阀上的起始弹簧力也不同，起始弹簧力的大小就代表了给定转速同，起始弹簧力的大小就代表了给定转速的大小。的大小。6. 比较元件：就是滑阀，离心力和弹簧力比较元件：就是滑阀，离心力和弹簧力在阀芯上进行比较，若两个作用力不相等，在阀芯上进行比较，若两个作用力不相等，则推动阀芯打开油路，输出高压燃油到燃则推动阀芯打开油路，输出高压燃油到燃烧室。烧室。 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 绪论绪论柱塞泵发动机滑阀离心块干扰+-油缸油门nrnc比较、放大执行给定对象测量图图1.12 涡轮喷气发动机转速控