自动控制系统的基本概念

自动控制系统的基本概念第一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第一节自动控制系统的一般概念第二节开环控制和闭环控制第三节自动控制系统的类型第四节控制系统性能的基本要求

和本课程的主要任务☛☛☛☛本章研究内容第一章引论第五节自动控制系统实例☛返回第二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三自动控制系统自动控制本章返回1.1

自动控制系统的一般概念相关概念第三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三举例：

对路灯的控制有两种方式：依靠肉眼观察路面亮度——对开关进行控制依靠检测元件自动检测路面亮度——对开关进行控制两者控制目的相同，但控制手段不同手动完成自动完成本章返回1.1

自动控制系统的一般概念第四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三★

自动控制就是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(如机器、设备和生产过程)的某些物理量(或工作状态)能自动地按照预定的规律变化(或运行)

★

自动控制系统完成自动控制过程的所有元件与装置组成的整体就称为自动控制系统。1.1

自动控制系统的一般概念第五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三自动控制系统由各种控制装置被控制对象组成图1.1直流电动机转速控制系统(V-M系统)

给定装置被控对象控制器给定量或输入量n被控量输出量控制量扰动量TL第六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三直流电动机转速控制系统结构框图输出量与输入量之间没有直接的联系，对扰动所引起的输出的变化，系统没有调节或控制作用。干扰输入量输出量单方向控制第七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图1.3有人直接参与调节时的方块图1.1

自动控制系统的一般概念干扰手动调节第八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三测速发电机放大器给定装置图1.4无人直接参与的电机调速系统自动调节反馈量偏差n第九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图1.5闭环控制的电机调速系统方块图输入量输出量控制影响负反馈反馈量干扰偏差反馈控制系统第十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三1.2

开环控制和闭环控制闭环控制闭环控制系统的基本组成开环控制第十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三1.2.1开环控制

〜220V电阻炉（受控对象）自偶变压器（控制器）温度

Tc(被控量）uc控制量控制目标uc→Tc扰动量n

自耦变压器电阻炉控制量uc输出量Tc电阻炉温度控制系统第十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三★开环控制只有输入量对输出量产生控制作用，而没有输出量参与对系统的控制；当出现扰动时，如果没有人工干预，给定量与输出量之间的对应将被改变，即系统输出量（实际输出）将偏离给定量所要求的数值（理想输出）。单方向控制开环控制的特点：结构简单、成本低、工作易稳定、抗干扰能力差（精度不高）。开环控制适用范围：精度要求不高的场合。第十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三1.2.2闭环控制M-+-+

-+uguf△uuc反馈量给定量

控制量偏差放大器加热器

炉温闭环控制系统自偶变压器变速器被控量炉温Tc热电偶检测装置可逆伺服电动机第十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三比例积分调节器图1.7实现比例积分控制规律的电机调速系统U0nUnUd0第十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三图1.8闭环控制系统方块图前向通道反向通道对反馈环内前向通道上的各种扰动都具有控制作用反馈环反馈量第十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三★

闭环控制（又称反馈控制或偏差控制）不仅存在输入到输出的控制，也存在输出经检测装置反馈到输入端形成闭环，参与系统的控制，称此系统为闭环控制系统。

※闭环控制的实质：

控制的过程——

不断地进行检测偏差、纠正偏差的过程第十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

★自动控制系统的任务：

克服各种扰动的影响，使系统按照给定量所设定的规律运行。闭环控制的特点：精度高、抗干扰能力强结构复杂、成本高闭环控制的适用范围：高精度控制系统中第十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

1.2.3闭环控制系统的基本组成第十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三本章返回第三节自动控制系统的类型连续系统和离散系统单输入单输出系统与多输入多输出系统线性系统和非线性系统定常系统和时变系统第二十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第三节自动控制系统的类型按信号流向分开环系统闭环系统恒值系统

按输入量变化规律分随动系统程序控制系统

按系统输入量和输出量的关系分线性系统非线性系统本章返回本节返回★★★★第二十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三按系统传输信号与时间的关系分

连续系统离散系统按系统参数随时间的变化情况分

定常系统时变系统按系统输入输出信号个数分

单输入单输出系统多输入多输出系统第三节自动控制系统的类型本章返回本节返回★★★第二十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三本章返回本节返回同时满足叠加性与均匀性的系统。一、线性系统和非线性系统

⒈线性系统

叠加性：是指当几个输入信号共同作用于系统时，总的输出等于每个输入单独作用时产生的输出之和。均匀性：是指当输入信号增大若干倍时，输出也相应增大同样的倍数。第二十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三线性系统T()r(t)

c(t)

均匀性和叠加性：叠加性：均匀性：第二十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三式中：r(t)

——系统的输入量an(t)

——系统参数

c(t)

——系统的输出量bm(t)

——系统参数线性系统运动规律用线性微分方程描述：第二十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三本章返回本节返回线性定常系统：

线性微分方程各项系数为常数的系统。2、非线性控制系统不满足叠加性与均匀性的系统。第二十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

继电器特性饱和特性不灵敏区特性输入输入输入输出输出输出本章返回本节返回系统中只要有一个元件的特性是非线性的，该系统即为非线性的控制系统系统中含有非线性元件第二十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三二、定常系统和时变系统定常系统：系统的参数不随时间的变化而变化时变系统：系统的参数随时间的变化而变化性质：在同样的起始状态下，系统的输出(响应)

与输入信号作用于系统的时刻无关

性质：在同样的起始状态下，系统的输出(响应)

与输入信号作用于系统的时刻有关

第二十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三本章返回本节返回三、连续数据系统和离散数据系统连续信号：时间上连续。离散信号：时间上离散。模拟信号：时间连续，幅值连续。采样信号：时间离散，幅值连续。数字信号：时间离散，幅值也离散。连续系统:系统中的各变量都是连续信号。离散系统：系统中一处或几处存在离散信号。第二十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三四、单输入单输出系统与多输入多输出系统单输入单输出系统(SISO)：单变量系统系统的输入量与输出量各为一个理论基础：古典控制理论多输入多输出系统(MIMO)：多变量系统系统的输入量与输出量多于一个理论基础：现代控制理论第三十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三本课程的主要任务控制系统性能的基本要求本章返回第四节控制系统性能的基本要求和本课程的主要任务第三十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

稳性能好的自动控制系统应该具备

准特点

快稳——稳定性——自动控制系统首要考虑的问题准——准确性——反映系统的稳态性能（精度）快——快速性——反映系统过渡过程的暂态性能一、控制系统性能的基本要求第三十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三扰动c(t）tc(t）t稳定系统不稳定系统本章返回本节返回★稳定性第三十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三本章返回本节返回控制系统稳定是系统正常工作的首要条件稳定性还包含有过渡过程的平稳性的含义——相对稳定性扰动c(t）t稳定系统相对稳定性高第三十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三本章返回本节返回负载扰动负载扰动

ess≠0

ess=0有差系统无差系统ttc(t)★

准确性（稳态性能）用稳态误差ess衡量c(t)第三十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三系统的暂态过程有以下几种情况：

otot

给定突然变化负载突然变化

⑴单调过程本章返回本节返回★快速性（暂态性能）c(t)c(t)c2(t)c1(t)第三十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

给定突然变化负载突然变化⑶持续振荡状态

n

n

o

t

o

t

给定突然变化负载突然变化n2n1本章返回本节返回

o

t

o

t

⑵衰减振荡过程c(t)c(t)c2(t)c1(t)c0(t)第三十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三⑷发散振荡状态

给定突然变化负载突然变化系统的暂态性能指标系统的暂态性能由暂态性能指标衡量最大超调量上升时间过渡过程时间(或调节时间)振荡次数。本章返回本节返回第三十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三5%或2%c()r(t)

ts

tr

t系统对突加给定信号的动态响应曲线0阶跃输入阶跃响应本章返回本节返回cmax

cmax-c()

c(t)

第三十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三1、建立数学模型：时域——微分方程复域、频域——传递函数

z域——差分方程2、系统分析稳定性分析、动态分析、稳态性能分析3、系统综合（设计、校正）★

自动控制原理研究的主要内容——基础——目的第四十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第五节自动控制系统实例例：烘烤炉温度控制系统的原理图热电偶被控对象被控量给定量偏差反馈量执行元件控制量第四十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三烘烤炉温度控制系统的结构图阀门开度第四十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三