西工大、西交大自动控制原理 第一章 自动控制的基本概念3-4

1、第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念本章要求本章要求理解理解开环控制开环控制和和闭环控制闭环控制等概念等概念; ;1掌握掌握反馈控制反馈控制的的原理原理及及组成组成；2能正确确定能正确确定被控对象被控对象、被控量被控量、控制量控制量、干扰量干扰量等；理解等；理解方框图方框图的概念，能的概念，能熟熟练绘制练绘制方框图方框图 ；3了解控制系统的了解控制系统的分类分类，理解对控制系，理解对控制系统的统的基本要求，基本要求，掌握掌握典型外作用典型外作用。4第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念主要内容主要内容自动控制的基本概念

2、自动控制的基本概念1.1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1.2自动控制系统分类及基本要求自动控制系统分类及基本要求1.3小结小结1.4第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念内容回顾内容回顾串联串联校正装置校正装置放大元件放大元件执行元件执行元件被控被控对象对象反馈反馈校正装置校正装置测量元件测量元件输入量输入量控制量控制量偏差量偏差量反馈量反馈量干干扰扰量量被被控控量量主反馈主反馈局部反馈局部反馈输出量输出量典型控制系统的方块图典型控制系统的方块图( (反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成): ):第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念内容回

3、顾内容回顾概念和术语概念和术语: :（1）前向通路前向通路（3）主回路主回路（5）内回路内回路（7）被控对象被控对象（9）被控量被控量（2）主反馈通路主反馈通路（4）局部反馈通路局部反馈通路 （6）单回路系统和多回路系统单回路系统和多回路系统（8）控制器控制器(控制装置控制装置)（10）控制量控制量（11）干扰量干扰量（12）外作用外作用(广义输入量广义输入量)第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念内容回顾内容回顾反馈控制原理反馈控制原理 控制装置利用取自被控量的控制装置利用取自被控量的反馈信息反馈信息对被对被控对象施加控制作用，用来不断控对象施加控制作用，用来不断修正修正被控量被

4、控量与与输入量输入量之间的之间的偏差偏差，从而实现对被控对象进行，从而实现对被控对象进行控制的任务。控制的任务。采用负反馈并利用偏差进行控制的过程采用负反馈并利用偏差进行控制的过程( (闭环控制闭环控制) )反馈控制反馈控制第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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一 开环控制：控制器开环控制：控制器与与被控对象被控对象之间只有之间只有顺向作用顺向作用而而没有没有反向联系反向联系的控制过程的控制过程。第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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

5、式控制方式：控制方式：A. 按给定值控制按给定值控制控制器控制控制对象对象控制量控制量（输入）（输入）控制作用控制作用被控量被控量（输出）（输出）控制原理：控制原理：v 信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。偿。一第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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

6、一电风扇的控制系统电风扇的控制系统电机电机（执行机构）（执行机构）风扇叶片风扇叶片（控制对象）（控制对象）开关或程开关或程序控制器序控制器控制电压控制电压第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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一转台直流直流放大器放大器直流电机直流电机转盘速度的开环控制转盘速度的开环控制第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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一实际实际转速转速预期速度预期速度（电压）（电压）控制控制装置装置直流放大直流放大器器执行执行机构机构直流直流电机电机受控受控对

7、象对象转台转台第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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B. 按扰动补偿控制按扰动补偿控制 控制原理：控制原理：控制作用控制作用被控量被控量（输出）（输出）控制器控制器被控制被控制对象对象测量装置测量装置干干扰扰v 利用对扰动信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的利用对扰动信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经测量装置，对于不可测扰动以及被控对影响。由于扰动信号经测量装置，对于不可测扰动以及被控对象及各功能部件内部参数变化给输出量造成的影响，系统自身象及各功能部件内部参数变化给输出量造

8、成的影响，系统自身无法控制。因此，控制精度有限。无法控制。因此，控制精度有限。一控制方式：控制方式：第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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开环控制的典型方块图：开环控制的典型方块图：干干扰扰控制器控制器被控被控对象对象控制量控制量（输入）（输入）控制作用控制作用被控量被控量（输出）（输出）一第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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一v 输出不影响输入，对输出不需要测量输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易，通常容易实现，结构简单，

9、成本低廉；实现，结构简单，成本低廉；v 组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大；变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大；v 系统的稳定性不是主要问题。系统的稳定性不是主要问题。主要特点：主要特点：第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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二 闭环控制闭环控制是指控制器与控制对象之间既是指控制器与控制对象之间既有有顺向作用顺向作用又有又有反向联系反向

10、联系的控制过程。的控制过程。又又称称为为负反馈控制负反馈控制或或偏差控制偏差控制。主要特点：主要特点：v 输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰，具有自输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰，具有自动修正被控量出现偏离的能力，抗干扰能力强；动修正被控量出现偏离的能力，抗干扰能力强；v 低精度元件可组成高精度系统，可以修正元件参低精度元件可组成高精度系统，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高；数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高；v 因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2

11、2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控制方式：控制方式：干扰控制器控制对象控制量（输入）控制作用被控量（输出）测量元件闭环控制的典型方块图闭环控制的典型方块图v 反馈控制，反馈按反馈极性的不同分成两种形反馈控制，反馈按反馈极性的不同分成两种形式：正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统式：正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，一般都指负反馈。如果无特殊说明，一般都指负反馈。 二第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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转盘速度的闭环控制转盘速度的闭环控制转台直流放大器直流电机转速转速计或测

12、转速计或测速电机速电机+-二第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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 （电压）（电压）实际实际转速转速预期预期转速转速控制装置控制装置直流放大器直流放大器执行机构执行机构直流电机直流电机受控对象受控对象转台转台+ +- -传感器传感器测速计测速计应用领域：应用领域：高保真音响、高保真音响、影碟机、硬影碟机、硬盘、软盘盘、软盘二第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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恒温箱自动控制系统原理图恒温箱自动控制系统原理图 二第一章第一章 自动控

13、制的一般概念自动控制的一般概念二1 1. .2 2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电阻丝调压器220V给定信号热电偶比较电压放大器功率放大器执行电机减速器rufuu恒温箱自动控制系统原理图恒温箱自动控制系统原理图 第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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给定信号电压功率放大器 控制 电机减速器调压器恒温箱热电偶温度rufuuaauntutuanuuutaftuanuuutaf二第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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

14、v 开环控制系统结构简单，成本低廉；工作稳定，开环控制系统结构简单，成本低廉；工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。但系统抗干扰能力差，所以很少采用；但系统抗干扰能力差，所以很少采用；v 闭环控制系统抗干扰能力强，控制精度高，闭环控制系统抗干扰能力强，控制精度高， 但系统结构复杂。另外，当参数选择不当时，但系统结构复杂。另外，当参数选择不当时， 系统容易产生振荡，所以存在稳定问题。系统容易产生振荡，所以存在稳定问题。二第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2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

15、式三 复合控制复合控制，就是，就是开环控制开环控制和和闭环控制闭环控制相相结合结合的一种控制方式。的一种控制方式。实质实质：v 在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或干扰作用的或干扰作用的顺馈通路顺馈通路，来提高系统的控制精，来提高系统的控制精度。度。v 顺馈通路顺馈通路：通常是由对输入信号的补偿装置或：通常是由对输入信号的补偿装置或干扰作用的补偿装置组成，分别称为干扰作用的补偿装置组成，分别称为按输入信按输入信号补偿号补偿和和按干扰补偿按干扰补偿的复合控制的复合控制 。第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .2 2自动控制系统

16、的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式三按输入信号补偿按输入信号补偿：控制器控制器对象对象输 入 信输 入 信号号输出量输出量补偿装置补偿装置按干扰补偿按干扰补偿：控制器控制器对象对象输入信号输入信号输出量输出量补偿装置补偿装置第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求一开环控制开环控制闭环控制闭环控制复合控制复合控制 机电系统、液压系统、气动系统、生物机电系统、液压系统、气动系统、生物系统系统(1)按控制方式分按控制方式分 (2)按系统的元件类型不同分类按系统的元件类型不同分类 第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的

17、一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求一连续系统和离散系统连续系统和离散系统线性系统线性系统和非线性系统和非线性系统定常系统定常系统和时变系统和时变系统确定性系统和非确定性系统确定性系统和非确定性系统 温度、压力、位置控制系统等。温度、压力、位置控制系统等。(3)按系统功用分类按系统功用分类 (4)按系统性能分类按系统性能分类 第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求一恒值控制系统恒值控制系统 随动系统（或称自动跟踪系统）随动系统（或称自动跟踪系统）程序控制系统程序控制系统 (5)按输入信号

18、的变化规律分类按输入信号的变化规律分类第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求二（1）过渡过程和稳态过程过渡过程和稳态过程 处于稳态的控制系统，在受到外作用时，系统输处于稳态的控制系统，在受到外作用时，系统输出存在过渡过程。出存在过渡过程。在不同的外作用下，控制系统的输出会有不同在不同的外作用下，控制系统的输出会有不同的响应过程。的响应过程。 对于稳定的控制系统，过渡过程结束之后，系对于稳定的控制系统，过渡过程结束之后，系统就进入了另一个稳态。统就进入了另一个稳态。第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1.

19、 .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求二（2）对控制系统提出的基本要求对控制系统提出的基本要求稳定性稳定性快速性快速性准确性准确性第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求二（2）对控制系统提出的基本要求对控制系统提出的基本要求 系统正常工作系统正常工作最基本最基本、最首要最首要的条件的条件就是一定要稳定就是一定要稳定“稳稳”；稳定性：稳定性：第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求二（2）对控制系统提出的基本要求对控制系统提出的基本要求

20、 动态性能的要求，系统的动态性能表动态性能的要求，系统的动态性能表现在快速性和阻尼性上现在快速性和阻尼性上“快快”；快速性：快速性：第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求二（2）对控制系统提出的基本要求对控制系统提出的基本要求 稳态性能要求，稳态时系统输出要尽可能稳态性能要求，稳态时系统输出要尽可能的复现输入，表现在的复现输入，表现在稳态误差要小稳态误差要小“准准”准确性：准确性：第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求 tRtRttf10,0, 0

21、三001ttRttf)(tfR0t0tA A阶跃阶跃（step）函数函数第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求 0,0, 0tRtttf)(tfRt0tB B斜坡斜坡（ramp）函数函数三第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求 001 t-t.tAtf tAttttAtft00011lim0 t1 .0tAtf0tA0t0tA0t0t0tA0t0t0t)(tA1t11ttAttfC C脉冲脉冲(impulse)函数函数三第一章第一章 自动控制的一般

22、概念自动控制的一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求 tAtfsinA0tDD正弦正弦（sine）函数函数三第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求四研究内容研究内容 已知系统的结构和参数，确定系统的性能指已知系统的结构和参数，确定系统的性能指标，并讨论系统性能指标与系统结构、参数之间标，并讨论系统性能指标与系统结构、参数之间的关系。的关系。 已知系统要完成的控制任务及应达到的性能指已知系统要完成的控制任务及应达到的性能指标，确定系统的结构和参数。标，确定系统的结构和参数。1 1、对系统进行

23、、对系统进行分析分析2 2、对系统进行、对系统进行设计设计第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .3 3自动控制系统分类及要求自动控制系统分类及要求四四研究方法研究方法 时域法时域法 根轨迹法根轨迹法 频域法频域法状态空间法状态空间法利用计算机利用计算机经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论计算机仿真计算机仿真第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1 1. .4 4 小结小结 1. 1. 开环控制系统开环控制系统 结构简单结构简单、稳定性稳定性好，但好，但不能自动补偿扰不能自动补偿扰动对输出量的影响动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统的制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1.4 小结小结 2. 2. 闭环控制系统闭环控制系统 能依靠能依靠反馈环节反馈环节进行进行自动调节自动调节，克服扰动，克服扰动对系统的影响。极大地对系统的影响。极大地提高了提高了