自动控制系统的一般概念

关于自动控制系统的一般概念

1.1引言第1章自动控制系统的一般概念1

1.2自动控制与自动控制系统2

1.3自动控制系统的基本类型3

1.4对自动控制系统的基本要求4

1.5本课程的任务

52第2页,共39页，星期六，2024年，5月1.1引言3自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。无论是在宇宙飞船、导弹制导、雷达定位等尖端技术领域中，还是在机械制造、石油、化工、医药等的工业过程控制中，都有自动控制技术的应用，并且它所取得的成功都是巨大的。因此，自动控制技术已成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。第3页,共39页，星期六，2024年，5月1.1引言4自动控制原理是自动化学科的重要基础理论，专门研究有关自动控制系统的基本概念、基本原理和基本方法。本章通过介绍自动控制和自动控制系统的基本概念，使读者对反馈控制系统的组成、特点、类型、常用术语、性能指标及经典控制理论的主要研究内容有个初步了解，为以后章节的学习打下基础。第4页,共39页，星期六，2024年，5月1.1引言5液面控制第5页,共39页，星期六，2024年，5月1.1引言6人类利用自动控制技术解决生产过程中实际问题的历史非常悠久。早在公元前300年，古希腊就运用反馈控制原理设计了浮子调节器，并应用于水钟和油灯中。我国也在久远的古代先后发明了铜壶滴漏计时器、指南车等控制装置。直到1769年瓦特（J.Watt）发明了控制蒸汽机转速的飞球控制器才标志着工业革命的开始。第6页,共39页，星期六，2024年，5月1.1引言7自动控制理论是研究自动控制系统的组成，进行系统分析和设计的一般性理论。它是研究自动控制过程共同规律的技术学科。经典控制理论(

20世纪40年代)

时域法复域法(根轨迹法)频域法现代控制理论(20世纪60年代)

线性系统最优控制最佳估计系统辨识自适应控制鲁棒控制容错控制集散控制大系统复杂系统智能控制理论(20世纪70年代)

专家系统模糊控制神经网络遗传算法第7页,共39页，星期六，2024年，5月1.2自动控制与自动控制系统8一.人工控制与自动控制二.控制系统的方框图表示法三.开环控制与闭环控制四.自动控制系统的基本组成第8页,共39页，星期六，2024年，5月一.人工控制与自动控制9人开关灯的过程红绿灯控制车流的过程

人工控制红绿灯自动控制汽车人工控制第9页,共39页，星期六，2024年，5月一.人工控制与自动控制10水温人工控制

水温自动控制第10页,共39页，星期六，2024年，5月一.人工控制与自动控制11眼脑手蒸汽流量过热器气鼓省煤器给水流量手动阀(a)人工控制测量变送器控制器执行机构蒸汽流量过热器气鼓省煤器控制阀(b)自动控制给水流量给定值图锅炉气鼓液位控制原理图第11页,共39页，星期六，2024年，5月一.人工控制与自动控制12

被控量给定值控制量(操作量)

扰动

自动控制被控对象控制器自动控制系统控制器执行机构受控对象测量、变送器测量信号给定值被控量干扰偏差－rrenc图

自动控制系统的典型方框图控制量第12页,共39页，星期六，2024年，5月一.人工控制与自动控制131、自动控制在无人直接参与的情况下，通过控制装置使被控对象或过程自动地按照预定要求进行。2、被控对象(受控对象、对象)

指需要给以控制的机器、设备或生产过程。任何被控物体（如加热炉、化学反应器、宇宙飞船锅炉、机器人、电冰箱等）被称为对象。3、控制器对被控对象起控制作用的设备。它与测量变换部件和执行机构等构成控制装置。4、自动控制系统将实现自动控制所需要的各组成部分有机地组合在一起所构成的系统。它由被控对象与控制装置两部分组成。第13页,共39页，星期六，2024年，5月一.人工控制与自动控制146、给定值（参考输入量、系统的输入量、设定值）希望被控参数所具备的值。它是加到控制系统上的指令信号。5、被控量（被控参数、系统的输出量）表征设备或过程的运行情况或状态且需要加以控制的参数（物理量）。8、扰动（扰动输入量、干扰输入量）除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是扰动。扰动对系统的输出产生不利的影响。产生于系统内部的扰动称为内扰；产生于系统外部的扰动称为外扰。7、控制量（操作量）是一种由控制器改变的量值或状态,它将作用于被控对象，并影响被控量的值。第14页,共39页，星期六，2024年，5月二.控制系统的方框图表示法15图1-6方框图的基本组成单元把系统各个环节（功能部件）用方框来表示，环节的名称写在方框内，进入方框的信号为输入，离开方框的为输出。控制系统的方框图就是由方框、比较点、引出点以及有箭头的信号线按信号的传递方向连接起来的图形。第15页,共39页，星期六，2024年，5月二.控制系统的方框图表示法16第16页,共39页，星期六，2024年，5月图1-8例1-2和例1-3系统方框图三.开环控制与闭环控制17两种基本的控制方式：开环控制和闭环控制。只存在控制器对被控对象的单方向控制作用，而没有被控对象到控制器的反向联系的过程称为开环控制。按开环控制方式所组成的系统称为开环控制系统。开环控制又分为无扰动补偿和有扰动补偿两种。补偿器执行机构受控对象被控量干扰图

开环控制系统（有扰动补偿）测量r给定值c控制器第17页,共39页，星期六，2024年，5月三.开环控制与闭环控制18控制器与被控对象之间不仅有正向控制作用，而且还存在被控对象到控制器的反向联系的过程称为闭环控制。按闭环控制方式所组成的系统称为闭环控制系统。图1-9例1-4和例1-5系统的方框图第18页,共39页，星期六，2024年，5月三.开环控制与闭环控制19与开环控制系统不同，闭环控制系统增加了对被控量的检测。将检测信号送回到输入端，并与给定输入比较的过程称为反馈。对被控量的检测值称为主反馈信号，给定输入与主反馈信号之差称为偏差。若主反馈信号符号为“-”，称为负反馈；若为“+”，则称为正反馈。闭环控制系统的工作原理（负反馈控制原理）：利用负反馈产生偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制系统内部或外部干扰对被控量的影响，逐步减小以致消除这一偏差，达到自动控制的目的。因此闭环控制也称反馈控制，这种由偏差产生的控制作用又称为偏差控制。第19页,共39页，星期六，2024年，5月三.开环控制与闭环控制20在闭环控制的基础上，加入给定输入信号或扰动输入信号的补偿通道(这种控制方式，称为前馈控制、补偿控制或顺馈控制。)，用来提高系统的控制精度，这样的系统称为复合控制系统。图复合控制系统控制器补偿器受控对象给定值被控量干扰－(a)按扰动补偿控制器补偿器受控对象给定值被控量－(a)按输入补偿

开环补偿原理：使系统的输出完全复现系统的输入或使系统的输出不受扰动的影响。第20页,共39页，星期六，2024年，5月三.开环控制与闭环控制21

闭环控制系统的特点偏差控制，可以抑制内扰动（系统结构和参数变化）、外扰动对被控量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。

开环控制系统的特点顺向作用，没有反向的联系和修正偏差的能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。

复合控制系统的特点开、闭环控制结合，可以抑制可测量扰动，具有很高的控制精度，但要求补偿器的结构和参数具有较高的稳定性。第21页,共39页，星期六，2024年，5月四.自动控制系统的基本组成22将组成自动控制系统的物理部件按照在完成自动控制任务中的工作职能归类，不同的物理系统就有了相同职能的方框图形式。图1-10自动控制系统的职能方框图第22页,共39页，星期六，2024年，5月四.自动控制系统的基本组成23控制器受控对象（广义对象）给定值被控量干扰偏差－reny自动控制系统的简化方框图控制器执行机构受控对象测量、变送器测量信号给定值被控量干扰偏差－reny自动控制系统的典型方框图控制量第23页,共39页，星期六，2024年，5月四.自动控制系统的基本组成24例

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？测量元件？执行机构？控制器？给定装置？参考信号？被控量？干扰？第24页,共39页，星期六，2024年，5月四.自动控制系统的基本组成25受控对象—烘烤炉；被控量—炉温；给定装置—电位器；干扰—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

烘炉温度控制系统方框图放大器uauTθ

工件增多（负载增大）工件减少（负载减小）第25页,共39页，星期六，2024年，5月1.3自动控制系统的基本类型26一.恒值、随动和程序控制系统二.线性系统和非线性系统三.连续系统和离散系统第26页,共39页，星期六，2024年，5月一.恒值、随动和程序控制系统27恒值控制系统的特点：系统的给定值为某个恒定不变的常数，控制目的强调的是抑制各种干扰影响，使系统的被控量尽可能保持在期望值的附近。【例1-6】水箱水位控制系统图1-11水箱水位控制系统及方框图第27页,共39页，星期六，2024年，5月一.恒值、随动和程序控制系统28随动控制系统的特点：系统的给定输入为一个未知的时间函数，控制目的强调的是系统的被控量快速跟随给定输入信号的变化。【例1-7】典型随动控制系统的控制过程图1-12典型随动控制系统及方框图第28页,共39页，星期六，2024年，5月一.恒值、随动和程序控制系统29程序控制系统的特点：系统的给定输入为一个预先知道的时间函数，控制目的是使系统的被控量按给定输入的信号变化，既要有一定的响应速度，又要有一定的精度。如电梯升降控制、数控车床和机器人控制系统。第29页,共39页，星期六，2024年，5月二.线性系统和非线性系统

30当组成系统的各个环节输入和输出关系可以用线性微分方程（或线性差分方程）来描述时，称这种系统为线性控制系统（简称线性系统）。其特点是满足叠加原理，即同时具有叠加性和齐次性（或均匀性）。图1-13线性控制系统的叠加性和齐次性第30页,共39页，星期六，2024年，5月二.线性系统和非线性系统

31如果组成系统的各个环节或元件的输入和输出关系至少存在一个非线性特性，则这类系统称为非线性控制系统（简称非线性系统）。非线性系统不满足叠加性和齐次性，因此也可以说，凡是不同时满足叠加性和齐次性的系统均为非线性系统。第31页,共39页，星期六，2024年，5月二.线性系统和非线性系统

3232若描述系统（环节）输入与输出关系的微分方程：线性系统线性时变系统线性定常系统方程中，输入输出函数及各阶导数皆为一次。非线性时变系统线性定常系统线性时变系统第32页,共39页，星期六，2024年，5月三.连续系统和离散系统

33若控制系统中各部分的信号均是时间变量t的连续函数，则称为连续时间系统（简称连续系统），随时间连续变化的信号量也称为模拟量。连续系统的运动方程或特性一般用微分方程来描述。若系统中一处或多处的信号是在时间上离散的脉冲序列或数码形式，则称为离散控制系统（简称离散系统）。如果离散时间信号以脉冲序列的形式出现，称为采样控制系统；如果离散时间信号是以数字量的形式在系统中传递，称为数字控制系统（或计算机控制系统）。图1-14计算机控制系统的方框图第33页,共39页，星期六，2024年，5月1.4自动控制系统的基本要求34一.稳定性二.平稳性与快速性三.准确性第34页,共39页，星期六，2024年，5月一.稳定性35稳定性是保证控制系统能够正常工作的先决条件。当系统受到干扰的作用，正处于某一工作状态的被控量（保持在给定值）都会发生变化而偏离给定值，当干扰消失后，如果被控量最终会回到给定值或在其期望的范围内，称这种现象为系统稳定，这样的系统为稳定系统。图1-15稳定系统的输出曲线第35页,