第2讲 自动控制系统的类型与组成

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自动控制系统的类型1.开环、闭环及复合控制2.恒值自动调节系统、程序自动控制系统和随动系统2.2自动化系统的组成介绍自动化系统的主要组成部分

自动控制的类型（Typesofautomation）开关控制Discretecontrol(on/off)-离散控制连续控制Continuouscontrol开环、闭环控制Openandclosedloop顺序控制、逻辑控制和状态变量控制Sequentialcontrolandlogicalsequenceorsystemstatecontrol计算机控制Computercontrol2.1自动控制的类型按结构框图来分：1、开环控制（Openloop）2、闭环控制（Closedloop）3、(补偿控制)(Compensation)4、(复合控制)(Compound)例：电加热炉的炉温控制外部扰动：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给定电位器

～给定电压加热炉+-交流电源电热丝功率放大器工件1最简单的控制——开环控制开关/连续控制？特点：没有反馈，结构简单，但抗扰性差，控制精度低原理图：方块图：功率放大器加热炉控制输入（给定电压）（电功率）输出量（炉温）控制装置受控对象扰动量扰动量给定电位器

～给定电压加热炉+-交流电源电热丝功率放大器工件开环控制简单的全自动洗衣机（进水过程略）清洗（定时）甩干（定时）漂洗（定时）甩干（定时）漂洗（定时）甩干（定时）结束信号反馈控制例：电加热炉的炉温反馈控制（人作为控制器）给定电位器

～给定电压加热炉+-交流电源电热丝功率放大器工件温度检测根据炉温的高低调节给定电压，从而调节温度给定电位器

～控制量加热炉控制器误差e

温度变送器

变换电压uf电热丝温度

传感器功率放大器温度信号+-交流电源

给定电压uru输出量y（炉温）+-工件注：反馈控制又称为“闭环控制”（feedback/closedloop)电加热炉的炉温反馈控制（自动控制）方块图：

原理图：控制器加热炉炉温检测ur扰动y－eufu相加点(综合点)检测噪声给定电位器

～控制量加热炉控制器误差e

温度变送器

变换电压uf电热丝温度

传感器功率放大器温度信号+-交流电源

给定电压uru输出量y（炉温）+-工件正反馈例：音响系统、振荡电路等反馈控制的特点：有反馈信息（信号传递形成闭合回路），抗扰性好，控制精度高反馈形式有两种：负反馈（自动化中广泛应用），正反馈（信号发生器等）18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统瓦特1788年发明蒸汽机及其反馈控制系统Watt的蒸汽机转速控制系统原理图蒸汽蒸汽机负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——分析控制装置受控对象反馈环节给定信号扰动－反馈信号控制量偏差被控量反馈控制系统的基本结构：显示或记录检测信号注意每个模块的输入与输出反馈系统的相关术语：受控对象反馈信号温度：被控量给定信号比较环节检测环节-给定电位器

～控制量加热炉控制器误差e

温度变送器

变换电压uf电热丝温度

传感器功率放大器温度信号+-交流电源u输出量y（炉温）+工件即时纠偏—补偿控制

例：电加热炉对电源电压波动的补偿控制电源电压↑

输出电压↑，但补偿调节器使控制电压↓

输出电压基本不变

温度基本不变功率放大器加热炉输出电压炉温控制电压扰动电源电压波动给定电位器给定电压扰动检测补偿调节器补偿控制的特点：提供一个控制作用来尽量抵消扰动对系统的影响，抑制扰动比反馈控制更及时。功率放大器加热炉输出电压炉温补偿与反馈相结合的炉温复合控制系统炉温检测控制电压扰动给定电位器控制器给定电压误差反馈电压电源电压波动扰动检测补偿调节器

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y出水阀门误差进水水箱放大器M电机给定电位计出水流量检测补偿调节器出水流量变化补偿调节改变阀门开度水位基本不变比单纯的反馈调节更快、更及时！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）；反馈控制可抑制一般扰动对输出的影响；两者的结合可改善抗扰性，提高控制精度；缺点是结构较复杂。复合控制的一般结构及特点检测-控制装置受控对象给定信号扰动受控量补偿装置2.1自动控制的类型按输入信号来分:1、恒值自动调节系统2、程序自动控制系统3、随动系统（伺服系统）问题：控制对象？电动机的作用？反馈环节？恒值调节系统：全自动燃气热水器手动调节全自动反馈调节：自动根据水温调节火力进水出水进气燃气热水器原理图需要什么元件？恒值调节系统：水箱的水位控制+-水位y出水阀门误差进水水箱放大器M电机给定电位计方块图？是闭环吗？问题：控制对象？电动机的作用？反馈环节？反馈控制举例：电冰箱的温度控制继电控制器温度检测问题：控制对象？电动机的作用？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温室立体栽培化工反应釜

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。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。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。工业自动加工流水线

随动系统（伺服系统）Servomachanism按照预先未知的规律来控制被控量例：火炮跟踪系统雷达导引系统天文望远镜Servomechanism,orservo,adeviceusedtoprovidecontrolofadesiredoperationthroughtheuseoffeedback.随动系统（伺服系统）——早期伺服系统伺服系统的结构：有机械的电气的——伺服电机，各类控制电机微机控制的——伺服电机或控制器结合计算机，有了更多的伺服系统——机器人也可以认为是一种。其流程框图：自动化系统的组成

与人作对比：检测装置

人的感觉器官；

控制器

人的大脑；

执行机构

人的四肢。——驱动（drivingdevice)决定系统性能的最关键部分：控制器

控制器受控对象反馈环节给定输入－反馈信号偏差输出放大环节执行机构自动化系统的组成给定输入——产生给定的输入信号(传感器sensor)放大环节——放大控制器的输出信号，使之能控制执行器执行器——控制被控对象控制器——自动控制的核心部分，使系统按设定的控制规律自动工作。反馈环节——对系统的输出量进行测量，并将它转换成反馈信号比较环节——将给定的输入信号与反馈信号进行比较，产生误差（校正）信号扰动——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：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；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；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。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。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；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“控制算法”），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；计算机控制的自动化系统的组成器件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输出。控制器常用的电气控制设备PLC交流接触器单片机单片机是在一块芯片上集成了微处理器、存储器及接口电路等，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个到上百个单片机在工作。数字信号处理器

（DigitalSignalProcessor，简称“DSP”）

DSP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，但随着计算机技术的发展，价格不断降低，因而近年来在控制领域的应用也越来越多计算机控制方式的演变第一阶段：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“分时控制”，主要缺点是可靠性差。计算机受控设备1受控设备2受控设备N…反馈信号反馈信号控制信号控制信号计算机受控设备1受控设备2受控设备N…反馈信号反馈信号控制信号控制信号

第二阶段：单机控制一台计算机只控制一台机器或设备，主要优点是控制风险小。这种方式在今天也很常见，如冰箱、空调、电饭煲的控制等。现在用单片机控制。

计算机受控设备反馈信号控制信号

第三阶段：分散控制对于多台相互关联的机器或设备，每台机器或设备都单独用一个数控装置来控制（单机控制方式），但与上层的协调和管理计算机有信息交互，属于网络化的控制系统。典型例子有：计算机集成制造系统CIMS

（ComputerIntegratedManufacturingSyst