自动控制系统的基本认识

自动控制系统的基本认识第一页，共八十页，编辑于2023年，星期二设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。第二页，共八十页，编辑于2023年，星期二导弹的准确击中目标，雷达系统的准确跟踪目标；第三页，共八十页，编辑于2023年，星期二交通系统：安全、快捷、舒适、准点第四页，共八十页，编辑于2023年，星期二钢铁生产第五页，共八十页，编辑于2023年，星期二制造系统：数控机床加工生产线自动码垛机器人自动包装机器人第六页，共八十页，编辑于2023年，星期二家用电器：电扇：控制转速电冰箱、空调、电饭煲：控制温度洗衣机：控制水位、强弱、时间等第七页，共八十页，编辑于2023年，星期二智能建筑：通信电梯供水通风空调安防抄表…第八页，共八十页，编辑于2023年，星期二工业机器人：第九页，共八十页，编辑于2023年，星期二拉提琴灵巧手排爆步行吹笛足球比赛其他机器人：第十页，共八十页，编辑于2023年，星期二自动控制的应用领域军事工业航空航天制造业机器人流程工业

电子工业家用电器交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统…钢铁、石化、造纸、制药等控制无处不在！第十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二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。

自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（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（被控量）自动地按照预定的规律运行。第十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二引言

自动控制学科由自动控制技术和自动控制理论两部分组成。

近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展，并在工农业生产、交通运输、国防建第十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二1.2.1人工控制控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。图1－1水位人工控制原理图如图1－1所示，水位保持系统。1.2人工控制和自动控制第一章自动控制概论第十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二若要求在出水量随意的条件下，保持水位高度不变：操作人员需先测实际水位，并在脑子中与要求的水位进行比较。若低于要求的水位，则需开大进水阀门。否则应关小进水阀门。若两者正好相等，则进水阀门不动。人工控制第一章自动控制概论第十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二根据系统原理图可画出其方框图如图1－2所示。

图1－2水位人工控制系统方框图人工控制第一章自动控制概论第十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二2、自动控制：该水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图1-3所示。图1－3水位自动控制系统原理图第一章自动控制概论第十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二在此：浮子测水位，由连杆和电位器进行比较：浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机向进水阀门开大的方向旋转；反之，当浮子高时，电位器上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不动。图1－4水位自动控制系统方框图自动控制第一章自动控制概论第十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。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”。第十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消输入信息，称为负反馈，负反馈可以使系统趋于稳定；若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正反馈可以使信号得到加强。第二十页，共八十页，编辑于2023年，星期二

按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪40年代到50年代形成的一门独立学科。自动控制理论的发展概况第二十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二经典控制理论以传递函数为基础研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。现代控制理论以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。第二十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二自动控制理论经典控制理论现代控制理论非线性控制系统线性控制系统连续控制系统离散控制系统第二十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二现代控制（1950--Now）第二十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床(1952)；第二十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二美国GeorgeDevol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的JosephEngelberger（约瑟夫·恩格伯格）创立了第一家机器人公司：Unimation；第二十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造的概念(1969)；第二十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976)；第二十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)。第二十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二日本安川公司娱乐机械狗(2001)；日本SONY公司二足步行机械人SDR--4X(2002)；第三十页，共八十页，编辑于2023年，星期二1.3自动控制的基本方式一、开环控制系统：定义：开环控制——控制器与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。特点：被控量对系统的控制作用不产生影响，需要控制的是c(t)，而测量的只是r(t).第一章自动控制概论第三十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二图1－7开环直流调速系统开环控制系统（续）1.例如：直流电机开环调速系统如图1－7所示。第一章自动控制概论第三十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二给定电压放大后得到电枢电压ua，从而控制转速n。改变ug→ua改变→n改变，ug与n一一对应。但是，当负载变化时（干扰量），会使n改变，即使ug不变，n

也改变。∴ua（ug）与n的关系不精确，抗扰动能力差，系统控制精度难以保证，应用少。开环控制系统（续）第一章自动控制概论第三十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图第三十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二例:电子门铃的开环电子控制系统用手按动按钮开关,输入一个触发信号音乐集成电路经过触发后工作,产生一组载有”音乐”的电信号.

扬声器将电信号转变为音乐声.

输出的音乐声的变化对系统的控制状态并不产生影响,即不存在反馈.输入:控制(处理):输出:特点:第三十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二二、闭环控制系统：定义：闭环控制——被控量与给定值比较后用其偏差对系统进行控制。亦称反馈控制。特点：不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。需要控制的是c(t)、而测量的是c(t)对r(t)的偏差。只要c(t)出现偏差，系统就自行纠正。3.例如：直流电机闭环调速系统如图1－8所示。第一章自动控制概论第三十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二图1－8闭环直流调速系统闭环控制系统（续）第一章自动控制概论第三十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二负载↑→TL↑→(Te<TL)→n↓→un↓→△u↑→u1↑→ua↑n↑

或温度T↑→Ra↑→E↓→n↓→un↓→△u↑→u1↑→ua↑n↑△系统精度高、抗干扰能力强、应用广泛。闭环控制系统（续）第一章自动控制概论第三十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二家用电冰箱的结构和制冷原理图组成：压缩机、冷却器和散热器，它们之间用一根管道相连。管道里装有一种沸点很低的制冷剂。压缩机在管道的底部，它使制冷剂不断地在管道里循环。制冷剂流动到狭窄的毛细管时，受到强大压力，由气态变成液态，通过散热器对外放出热量。当制冷剂通过较粗的管道组成的冷却器时，由于压力突然降低，制冷剂由液态立即变为气态，从而吸收电冰箱内的热量，使电冰箱内的温度降低，达到制冷的效果。第三十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二根据开环电子控制系统和闭环控制系统的区别进行分析、判断，在你认为正确的表格中打开环电子控制系统闭环电子控制系统电子表电取暖系统空调半自动洗衣机可调亮度的台灯自动洗衣机电热水器第四十页，共八十页，编辑于2023年，星期二飞机自动驾驶系统原理图第四十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象：飞机。被控量：飞机的俯仰角。俯仰角控制系统原理方框图第四十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二

把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制，这种系统叫闭环控制系统。实际的闭环控制系统，都是以负反馈的形式出现如下图所示系统炉温控制系统：第四十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二输入量输出量图1－6自动控制系统的组成自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足c(t)≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。1.4自动控制系统的基本组成第一章自动控制概论第四十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二<1>给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。一般为电位器。<2>比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动装置、电桥电路、计算机等。<3>测量(反馈)元件：其职能是检测被控制量的物理量。如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转变压器、浮子等。基本组成（续）第一章自动控制概论第四十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二<4>放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制受控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压、功率放大器。<5>执行元件：其职能是直接推动受控对象，使其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压马达等。基本组成（续）第一章自动控制概论第四十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二自控系统的特点：<1>从信号传送看：c(t)经测量后回到输入端，构成闭环，具有反馈形式，且为负反馈。<2>从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用使系统沿减小或消除偏差的方向运动—偏差控制。<6>校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容组成的无源或有源网络，还有计算机。基本组成（续）第一章自动控制概论第四十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二自动控制系统的常用术语二、常用术语及符号

1）输入量（指令）v(t)——来自反馈系统之外的对系统所施加的控制作用。

2）参考输入r(t)——输入元件的输出，它是系统的实际输入量。上一页

下一页第四十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二自动控制系统的组成及常用术语

3）输出量（被控制量）y(t)——被控对象中要求按一定规律变化的物理量，它与输入量之间保持一定的函数关系。

4）主反馈信号b(t)——反馈元件的输出。

5）偏差信号e1(t)——比较元件的输出，它等于参考输入与主反馈信号之差。

6）扰动n(t)——不需要的而又影响系统输出的物理量。它可来自系统之外，也可来自系统内部。

7）误差e(t)——希望的或要求的输出量与实际的输出量之差。上一页

返回第四十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二如水位自动控制系统：图1－3水位自动控制系统原理图干扰信号

测量元件

输出量

受控对象

比较元件

第一章自动控制概论第五十页，共八十页，编辑于2023年，星期二图1－5自动控制系统给定量控制器被控量干扰量自控系统受控对象第一章自动控制概论第五十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二二、控制系统的传递方框图在研究自动控制系统时，为便于分析和描述，将系统按基本组成部分分解，并用传递方块图来表示。

上例中，将系统按基本组成部分分解：水槽注水阀减速器电动机放大器电位器浮子输入输出给定信号被控量测量信号F被控对象扰动信号偏差信号执行机构第五十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二1.环节（方框）：是构成系统的基本组成部分。用一个方块表示。2.传递方框图：将构成系统的所有环节用有向线段连接起来所构成的系统结构图。其中有向线段表示环节之间的信号传递关系；指向环节的作用线表示输入；背向环节的作用线表示输出；整个系统的输出为被控参数；整个系统的输入为给定信号和扰动信号；二、控制系统的传递方框图第五十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二

测量信号与给定信号通过相加点叠加，符号代表信号的极性。测量信号给定信号被调参数调节器执行机构对象检测仪表扰动信号闭环控制系统结构图二、控制系统的传递方框图第五十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二

尽管实际控制系统元器件各不相同,但概括起来一般都应包括以下几个基本环节

1.给定环节2.比较环节3.校正环节4.放大环节

5.执行机构6.控制对象7.检测装置控制系统结构框图1275634输入输出该图经常作为描述分析系统的工具应重点掌握。二、控制系统的传递方框图第五十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二1.给定环节设定被控量的给定装置,其精度直接影响对控制量的控制精度.如电位器,自整角机等模拟信号,还有精度更高的数字给定装置。2.比较环节将检测到的被控量与给定量比较得到偏差信号,该信号功率较小或物理性能比较时不同,不能直接作用执行机构,需要增加中间环节3、4。3.校正环节是为改善系统动态品质或稳态性能而加入的装置,他可以对偏差信号按照某种规律进行运算.比例、积分、微分等。二、控制系统的传递方框图第五十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二

4.放大环节将偏差信号转换成适合于执行器工作的信号(功放,SCR)。注意:2、3、4合为一体→控制器(装置)。

5.执行机构直接作用于控制对象（调节机构、传动装置、电机）

6.控制对象要控制的机器,设备,或生产过程(水槽→控制量水位；炉体→炉温；轧辊→辊速压下量......)。

7.检测装置测量控制量并转换成与给定量同物理量信号，要求：精度高、反映灵敏、性能稳定的传感器(测速发电机、热电偶、自整角机)。第五十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二主反馈：输出量引回到输入端的反馈为主反馈。局部反馈：在正向通道里，后面环节的输出对前面环节的返回影响称为局部反馈。1275634输入输出8注意：主反馈一定是负反馈，局部反馈可正可负。二、控制系统的传递方框图第五十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二例1炉温控制系统第五十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图第六十页，共八十页，编辑于2023年，星期二§1.5自动控制系统的分类1.5.1从信号传送的特点或系统结构特点分类

可以将控制系统分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统三大类，前已述及，故不赘述。第一章自动控制概论第六十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二可分为线性控制系统和非线性控制系统

①线性系统的数学描述：线性函数，如线性微分方程、线性差分方程、线性代数方程。线性系统具有齐次性和叠加性，其优点是数学处理简便，理论体系完整。②非线性控制系统：用非线性方程描述的系统，不满足叠加原理。1.5.3按数学描述分类第一章自动控制概论第六十二页，共八十页，编辑于2023年，星期二1.5.4按时间信号的性质分类可分为连续控制系统和离散控制系统：①连续控制系统：系统中各变量均对时间连续。离散控制系统：系统中一处或几处的变量为离散信号，如计算机控制系统或采样控制系统。0t连续信号0t离散信号第一章自动控制概论第六十三页，共八十页，编辑于2023年，星期二①定常系统：系统的参数不随时间变化的系统。描述其动态特性的微分方程或差分方程的系数为常数。②时变系统：系统的参数随时间而变化。描述其动态特性的微分方程或差分方程的系数不为常数。可分为定常系统与时变系统1.5.5按系统参数是否随时间变化分类第一章自动控制概论第六十四页，共八十页，编辑于2023年，星期二1.6

应用举例第一章自动控制概论第六十五页，共八十页，编辑于2023年，星期二1.6

应用举例第一章自动控制概论第六十六页，共八十页，编辑于2023年，星期二例1-1烘烤炉温度控制系统放大器混合器放大器煤气空气电动机热电偶工件＋－θ

uruaΔuuTT控制阀受控对象？被控量？给定装置？干扰？测量元件？执行机构？第六十七页，共八十页，编辑于2023年，星期二受控对象——烘烤炉；被控量——炉温；给定装置——电位器；干扰——加热工件、煤气压力波动、环境温度、电源电压等；测量元件——热电偶；执行机构——可逆电动机静态Δu=0；动态Δu≠0。工件增多（负载增大）工件减少（负载减小）放大器电动机烘炉热电偶给定值被控量工件环境温度···－urΔuT图1-10烘炉温度控制系统方框图放大器uauTθ

系统的工作原理：第六十八页，共八十页，编辑于2023年，星期二系统有各种各样，对每个系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构和参数时，研究的和感兴趣的却是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程。也就是说，研究的内容和方法都是相同或相似的，如：恒值系统研究扰动作用引起被控量变化的全过程；随动系统研究被控量如何克服扰动影响并跟随给定量的变化过程。所以对于各种控制系统的要求可归纳为：系统的c(t)必须迅速、准确的按输入量的变化而变化，克服扰动影响。1.7自动控制系统的基本要求第一章自动控制概论第六十九页，共八十页，编辑于2023年，星期二实际中，由于机械部分质量、惯量的存在以及电路中L.C的存在，输出不会是理想状态。要有一个过渡过程，最后趋于新的稳态值。因此，从稳、快、准三方面来评价系统的总体精度。图1－17图1－18基本要求（续）第一章自动控制概论第七十页，共八十页，编辑于2023年，星期二<一>稳定性稳定性指动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡状态的能力。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件，一个稳定的系统，其c(t)偏离期望值的初始偏差应随t的延长逐渐减小或趋于零。(如曲线①和②)一个不稳定的系统，其c(t)偏离期望值的初始偏差将随着t的增长而发散。无法实现预定的任务。（如曲线③）第一章自动控制概论第七十一页，共八十页，编辑于2023年，星期二②c(t)t0①③基本要求（续）第一章自动控制概论第七十二页，共八十页，编辑于2023年，星期