第2讲自动控制系统的类型与组成

1、第2讲 自动控制系统的类型与组成自动控制系统的类型与组成2.1 2.1 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 1. 1.开环、闭环及复合控制开环、闭环及复合控制 2. 2.恒值自动调节系统、程序自动控制系统和随动系统恒值自动调节系统、程序自动控制系统和随动系统2.2 2.2 自动化系统的组成自动化系统的组成 介绍自动化系统的主要组成部分介绍自动化系统的主要组成部分 自动控制的类型（Types of automation）开关控制开关控制 Discrete control (on/off)-离散控制离散控制连续控制连续控制 Continuous control开环、闭环控制开环、闭环控制 Ope

2、n and closed loop顺序控制、逻辑控制和状态变量控制顺序控制、逻辑控制和状态变量控制 Sequential control and logical sequence or system state control计算机控制计算机控制 Computer control2.1 自动控制的类型按结构框图来分：按结构框图来分：1 1、开环控制（、开环控制（Open loop）2 2、闭环控制（、闭环控制（Closed loop）3 3、( (补偿控制补偿控制)()(Compensation)4 4、( (复合控制复合控制)()(Compound ) )例：电加热炉的炉温控制例：电加热炉的

3、炉温控制外部扰动：电源电压波动，环境温度变化等外部扰动：电源电压波动，环境温度变化等内部扰动：元器件老化、参数改变，工件体积和质量变化等内部扰动：元器件老化、参数改变，工件体积和质量变化等给定给定电位器电位器 给定给定电压电压 加热炉加热炉+-交流电源交流电源 电热丝电热丝功功率率放放大大器器工件工件1 1 最简单的控制开环控制开关开关/连续控制？连续控制？特点：没有反馈，结构简单，但抗扰性差，控制精度低特点：没有反馈，结构简单，但抗扰性差，控制精度低功率功率放大器放大器加热炉加热炉控制输入控制输入（给定电压）（给定电压）（电功率）（电功率）输出量输出量（炉温）（炉温）控制装置控制装置受控对象

4、受控对象扰动量扰动量扰动量扰动量给定给定电位器电位器 给定给定电压电压 加热炉加热炉+-交流电源交流电源 电热丝电热丝功功率率放放大大器器工件工件开环控制简单的全自动洗衣机（进水过程略）简单的全自动洗衣机（进水过程略） 清洗（定时）清洗（定时） 甩干（定时）甩干（定时） 漂洗（定时）漂洗（定时） 甩干（定时）甩干（定时） 漂洗（定时）漂洗（定时） 甩干（定时）甩干（定时） 结束信号结束信号反馈控制反馈控制例：电加热炉的炉温反馈控制（人作为控制器）例：电加热炉的炉温反馈控制（人作为控制器）给定给定电位器电位器 给定给定电压电压 加热炉加热炉+-交流交流电源电源 电热丝电热丝功功率率放放大大器器工

5、件工件温度温度检测检测给定给定电位器电位器 控制量控制量 加热炉加热炉控制器控制器误差误差 e e 温度变送器温度变送器 变换电压变换电压 u uf f电热丝电热丝温度温度传感器传感器功功率率放放大大器器温度信号温度信号+-交流电源交流电源 给定电压给定电压u ur ru u输出量输出量 y y （炉温）（炉温） +-工件工件 （feedback/closed loop)电加热炉的炉温反馈控制（自动控制） 控制器控制器加热炉加热炉炉温检测炉温检测u ur r扰动扰动y ye eu uf fu u相加点相加点( (综合点综合点) )检测噪声检测噪声给定给定电位器电位器 控制量控制量 加热炉加热炉

6、控制器控制器误差误差 e e 温度变送器温度变送器 变换电压变换电压 u uf f电热丝电热丝温度温度传感器传感器功功率率放放大大器器温度信号温度信号+-交流电源交流电源 给定电压给定电压 u ur ru u输出量输出量 y y （炉温）（炉温） +-工件工件正反馈例：音响系统、振荡电路等正反馈例：音响系统、振荡电路等有反馈信息（信号传递形成闭合回路），抗扰性有反馈信息（信号传递形成闭合回路），抗扰性好，控制精度高好，控制精度高负反馈（负反馈（自动化中自动化中广泛应用），正反馈（广泛应用），正反馈（信号发信号发生器等生器等）1818世纪末发明蒸汽机及离心调速器 第一次工业革命 大规模使用机器系

7、统瓦特瓦特1788年发明蒸汽年发明蒸汽机及其反馈控制系统机及其反馈控制系统WattWatt的蒸汽机转速控制系统原理图的蒸汽机转速控制系统原理图蒸汽蒸汽机蒸汽机负负载载转速杠杆 套筒弹簧飞锤圆锥齿轮转速检测转速阀门最早的反馈控制最早的反馈控制分析分析控制装置控制装置受控对象受控对象反馈反馈环节环节给定信号给定信号扰动扰动反馈信号反馈信号控制量控制量偏偏差差被控量被控量反馈控制系统的基本结构：显示或记录显示或记录检测信号检测信号注意每个模块的输入与输出注意每个模块的输入与输出反馈系统的相关术语：受控受控对象对象反馈反馈信号信号温度：被控量温度：被控量给定给定信号信号比较比较环节环节检测环节检测环节

8、-给定给定电位器电位器 控制量控制量 加热炉加热炉控制器控制器误差误差 e e 温度变送器温度变送器 变换电压变换电压 u uf f电热丝电热丝温度温度传感器传感器功功率率放放大大器器温度信号温度信号+-交流电源交流电源 u u输出量输出量 y y （炉温）（炉温） +工件工件即时纠偏即时纠偏补偿控制补偿控制 例：电加热炉对电源电压波动的补偿控制例：电加热炉对电源电压波动的补偿控制功率功率放大器放大器加热炉加热炉输出输出电压电压炉温炉温控制控制电压电压扰动扰动电源电压电源电压波动波动给定给定电位器电位器给定给定电压电压扰动扰动检测检测补偿补偿调节器调节器功率功率放大器放大器加热炉加热炉输出输出

9、电压电压炉温炉温补偿与反馈相结合的炉温复合控制系统补偿与反馈相结合的炉温复合控制系统炉温炉温检测检测控制控制电压电压扰动扰动给定给定电位器电位器控制器控制器给定给定电压电压误差误差反馈电压反馈电压电源电压电源电压波动波动扰动扰动检测检测补偿补偿调节器调节器 补偿控制属于开环控制，补偿效果取决于设计是否准确，而且仅对特定可测扰动有效，一般扰动要靠反馈控制来抑制。复合控制系统例：水箱的水位反馈控制 + 针对出水流量变化的补偿控制+ +- -水位水位 y y出水出水阀门阀门误差误差进水进水水箱水箱放大器放大器M电机电机给定电位计给定电位计出水流量出水流量检测检测补偿补偿调节器调节器比单纯的反馈比单纯

10、的反馈调节更快、更调节更快、更及时！及时！补偿控制可更快地及时抑制可测扰动对输出的影响补偿控制可更快地及时抑制可测扰动对输出的影响（对其他扰动没有抑制作用）；（对其他扰动没有抑制作用）；u反馈控制可抑制一般扰动对输出的影响；反馈控制可抑制一般扰动对输出的影响；u两者的结合可改善抗扰性，提高控制精度；两者的结合可改善抗扰性，提高控制精度；u缺点是结构较复杂。缺点是结构较复杂。复合控制的一般结构及特点检测检测- -控制装置控制装置受控对象受控对象给定信号给定信号扰动扰动受控量受控量补偿装置补偿装置2.1 自动控制的类型按输入信号来分按输入信号来分: :1 1、恒值自动调节系统、恒值自动调节系统2

11、2、程序自动控制系统、程序自动控制系统3 3、随动系统（伺服系统）、随动系统（伺服系统）问题：问题：控制对象？控制对象？电动机的作电动机的作用？用？反馈环节？反馈环节？恒值调节系统恒值调节系统：全自动燃气热水器：全自动燃气热水器手动调节手动调节全自动反馈调节：全自动反馈调节：自动根据水温调节自动根据水温调节火力火力进水进水出水出水进气进气燃气热水器原理图燃气热水器原理图需要什么元件？需要什么元件？恒值调节系统：水箱的水位控制+ +- -水位水位 y y出水出水阀门阀门误差误差进水进水水箱水箱放大器放大器M电机电机给定电位计给定电位计问题：问题：控制对象？控制对象？电动机的作电动机的作用？用？反

12、馈环节？反馈环节？反馈控制举例：电冰箱的温度控制继电继电控制器控制器温度检测温度检测问题：问题：控制对象？控制对象？电动机的作电动机的作用？用？反馈环节？反馈环节？程序自动控制系统按照时间，过程，加工要求的变化编程，执行机构按照控按照时间，过程，加工要求的变化编程，执行机构按照控制器输出的电脉冲信号进行控制。制器输出的电脉冲信号进行控制。程序控制一般是属于数字控制，例如数控机床，化工反应程序控制一般是属于数字控制，例如数控机床，化工反应釜、加工流水线、定时灌概系统、音乐喷泉等。釜、加工流水线、定时灌概系统、音乐喷泉等。定时自动化喷灌系统定时自动化喷灌系统温室立体栽培温室立体栽培 化工反应釜化工

13、反应釜 打印机，复印机按照确定的程序进行工作。打印机，复印机按照确定的程序进行工作。 接收信息并储存，打印流程，出纸。接收信息并储存，打印流程，出纸。程序自动控制系统程序自动控制系统当完全按设定的程序顺序执行时，可以认为是开环。当完全按设定的程序顺序执行时，可以认为是开环。当程序中含有根据输入信号进行判断，选择执行时可以认当程序中含有根据输入信号进行判断，选择执行时可以认为是闭环。为是闭环。程序自动控制本质上也是计算机控制的一部分，计算机控程序自动控制本质上也是计算机控制的一部分，计算机控制有时指：可能处理的情况更加复杂，输入输出信号更多。制有时指：可能处理的情况更加复杂，输入输出信号更多。工

14、业自动加工流水线随动系统（伺服系统）Servo machanism按照预先未知的规律来控制被控量按照预先未知的规律来控制被控量例：火炮跟踪系统例：火炮跟踪系统 雷达导引系统雷达导引系统 天文望远镜天文望远镜Servomechanism, or servo, a device used to Servomechanism, or servo, a device used to provide control of a desired operation through provide control of a desired operation through the use of feedba

15、ck.the use of feedback.随动系统（伺服系统）早期伺服系统伺服系统的结构：伺服系统的结构：有机械的有机械的电气的电气的伺服电机，各类控制电机伺服电机，各类控制电机微机控制的微机控制的伺服电机或控制器伺服电机或控制器结合计算机，有了更多的伺服系统结合计算机，有了更多的伺服系统机机器人也可以认为是一种。器人也可以认为是一种。其流程框图：其流程框图：自动化系统的组成 与人作对比：与人作对比： 检测装置检测装置人的感觉器官；人的感觉器官； 控制器控制器人的大脑；人的大脑； 执行机构执行机构人的四肢。人的四肢。驱动（驱动（driving device)driving device)

16、决定系统性能的最关键部分：控制器决定系统性能的最关键部分：控制器 控制器控制器受控对象受控对象反馈环节反馈环节给定给定输入输入反馈信号反馈信号偏偏差差输出输出放大环节放大环节执行机构执行机构自动化系统的组成给定输入给定输入产生给定的输入信号产生给定的输入信号( (传感器传感器sensor) sensor) 放大环节放大环节放大控制器的输出信号，使之能控制执行器放大控制器的输出信号，使之能控制执行器执行器执行器控制被控对象控制被控对象 控制器控制器自动控制的核心部分，使系统按设定的控制规自动控制的核心部分，使系统按设定的控制规律自动工作。律自动工作。反馈环节反馈环节对系统的输出量进行测量，并将它

17、转换成反对系统的输出量进行测量，并将它转换成反 馈信号馈信号 比较环节比较环节将给定的输入信号与反馈信号进行比较，产将给定的输入信号与反馈信号进行比较，产生误差（校正）信号生误差（校正）信号扰动扰动各个环节产生的误差，干扰信号各个环节产生的误差，干扰信号 自动化系统的组成各个环节采用的设备与技术在不断变化：各个环节采用的设备与技术在不断变化：自动控制技术的发展取决于每个阶段应用技术所能达到的自动控制技术的发展取决于每个阶段应用技术所能达到的水平；水平；早期的自动控制只能依靠简单的机械装置、气动机构、液早期的自动控制只能依靠简单的机械装置、气动机构、液压传动装置等；压传动装置等；随着电的发明，很

18、多电气、电子元器件及设备相继问世，随着电的发明，很多电气、电子元器件及设备相继问世，继电器、接触器、电阻、电容、电感、电位器、放大器等继电器、接触器、电阻、电容、电感、电位器、放大器等陆续应用于自动控制系统，使控制性能得到提升；陆续应用于自动控制系统，使控制性能得到提升；计算机技术使自动化控制技术更上一层楼。计算机技术使自动化控制技术更上一层楼。网络技术则使得大规模的工业控制网络、无线遥控等成为网络技术则使得大规模的工业控制网络、无线遥控等成为可能。可能。随动系统（伺服系统）早期自动化系统的组成上图所构成的控制装置只能实现模拟控制，改变控制方法上图所构成的控制装置只能实现模拟控制，改变控制方法

19、或控制参数就得更换相应的硬件，而且很多复杂一点的控或控制参数就得更换相应的硬件，而且很多复杂一点的控制方法还无法实现或实现起来很困难；制方法还无法实现或实现起来很困难；计算机的出现从根本上改变了自动控制的实现方式，控制计算机的出现从根本上改变了自动控制的实现方式，控制方法和控制参数在计算机里只是一组程序（称为方法和控制参数在计算机里只是一组程序（称为“控制算控制算法法”），修改很方便，而且无论控制算法简单还是复杂，），修改很方便，而且无论控制算法简单还是复杂，都一样可以实现，因此计算机在控制领域迅速推广和普及；都一样可以实现，因此计算机在控制领域迅速推广和普及；计算机控制的自动化系统的组成器件

20、介绍传感器伺服电机 伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。化为转矩和转速以驱动控制对象。 伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。输出。控制器常用的电气控制设备常用的电气控制设备

21、PLC交流接触器交流接触器单片机 单片机是单片机是在一块芯片上集成了微处理器、存储器在一块芯片上集成了微处理器、存储器及接口电路等，及接口电路等，在计算机家族里体积最小、价格最在计算机家族里体积最小、价格最便宜、应用非常普遍，一辆普通轿车里常常有几十便宜、应用非常普遍，一辆普通轿车里常常有几十个个到上百个到上百个单片机在工作。单片机在工作。数字信号处理器（ Digital Signal Processor，简称“DSP” ） DSP的计算和处理功能相当强大，早期主要用的计算和处理功能相当强大，早期主要用于信号处理领域，价格也较昂贵，但随着计算机于信号处理领域，价格也较昂贵，但随着计算机技术的发

22、展，价格不断降低，因而近年来在控制技术的发展，价格不断降低，因而近年来在控制领域的应用领域的应用也也越来越多越来越多计算机控制方式的演变 第一阶段：集中控制第一阶段：集中控制 用一台计算机同时控制多台机器或设备，轮流采集用一台计算机同时控制多台机器或设备，轮流采集反馈信息，计算出所需要的控制量后轮流输出给每台机器反馈信息，计算出所需要的控制量后轮流输出给每台机器或设备，属于或设备，属于“分时控制分时控制”，主要缺点是可靠性差。，主要缺点是可靠性差。反馈信号反馈信号反馈信号反馈信号控制信号控制信号控制信号控制信号反馈信号反馈信号反馈信号反馈信号控制信号控制信号控制信号控制信号 第二阶段：单机控制第二阶段：单机控制 一台计算机只控制一台一台计算机只控制一台机器或设备，主要优点是控制机器或设备，主要优点是控制风险小。这种方式在今天也很风险小。这种方式在今天也很常见，如冰箱、空调常见，如冰箱、空调 、电饭煲、电饭煲的控制等。的控