1、第一章 绪论,第一节 自动控制和自动控制系统的基本概念 第二节 自动控制系统的分类 第三节 典型输入信号及自动控制系统的性能指标小结,1.1 自动控制 和自动控制系统的基本概念,目的、要求: 了解人工控制与自动控制的基本概念 掌握自动控制系统的基本概念与常用术语 理解自动控制系统的组成方框图 难点: 概念:被控量,扰动 方框图,日常生活过程中的控制系统例子-,水箱水位控制系统,被控对象：水箱被控量：水箱水位控制装置：杠杆检测元件：浮球控制手段：进水阀,工业生产过程中受压容器的人工控制,人工控制的三大职能,眼睛了解情况 大脑比较、判断与决策 手足执行操作,工业生产过程中受压容器的自动控制,受压容
2、器水位自动控制系统,被控对象：受压容器被控量：水位控制装置：自动控制器检测元件：平衡容器和差压变送器执行器：电动执行器控制手段：给水控制阀,一个实例,直流电动机速度自动控制的原理结构图如图1-1所示。图中，电位器电压为输入信号。测速发电机是电动机转速的测量元件，又称为变送元件（变送器）。图1-1中，代表电动机转速变化的测速发电机电压送到输入端与电位器电压进行比较，两者的差值（又称偏差信号）控制功率放大器（控制器），控制器的输出控制电动机的转速，这就形成了电动机转速自动控制系统。,图1-1 直流电动机速度自动控制的原理结构图,当电源变化、负载变化等引起转速变化，称为扰动。电动机被称为被控对象，转
3、速称为被控量，当电动机受到扰动后，转速（被控量）发生变化，经测量元件（测速发电机）将转速信号（又称为反馈信号）反馈到控制器（功率放大器），使控制器的输出（称为控制量）发生相应的变化，从而可以自动地保持转速不变或使偏差保持在允许的范围内。,自动控制的三大主要设备及功能,测量变送器了解情况 自动控制器比较、运算、指挥 执行器接受命令、执行操作,自动控制的概念,1自动控制: 指在无人的直接干预下，利用自动控制装置（简称控制器）使被控对象的工作状态按照预定的规律运行.,2自动控制系统:实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体.,3（被控）对象 指被控制的生产过程或设备。可
4、是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如受压容器、加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。,4 被控量 指表征生产过程是否正常进行而需要加以控制的物理量。通常也称为被调量。,自动控制的概念,自动控制的概念,5控制量由控制机构改变的使被控量恢复到给定值的物理量。,6给定值（参考量）是指根据生产工艺要求被控量应保持的数值。,7 扰动,8 反馈控制,引起被控量偏离给定值的各种因素。扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。,反馈控制是指在存在扰动的
5、情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，的一种控制过程。,自动控制的概念,自动控制系统的基本概念,反馈控制系统的中所用到的术语： 给定值（参考输入值） 控制量 被控量 扰动量(内扰,外扰) 自动控制装置 = 传感器 + 控制器 + 给定器 + 执行器 受控过程（受控对象） 控制系统 = 受控过程控制装置,自动控制系统的组成,自动控制系统组成方框图扰动,调节阀,控制器,执行器,受控对象,测量、变送元件,给定值,被控量,操作值,偏差值,反馈值,自动控制系统方框图的概念,能直观地表达自动控制系统中各设备之间相互作用与信号传递关系的示意图称为自动控
6、制系统的方块图。,自动控制系统方框图,方框图的四要素：,自动控制系统方框图的特点,方框图中的信号只能沿箭头方向传递，具有单向性。方框图具有不唯一性，不同的输入/输出信号，其因果关系是不一样的，因此方框图具有不唯一性。,第二节 自动控制系统的分类,目的、要求: 掌握自动控制系统的分类 重点: 开环、闭环控制系统,前馈、反馈控制系统 串级控制系统,第二节 自动控制系统的分类,设定器,控制器,被控对象,扰动,被控量,设定器,被控过程,传感器,控制器,1 按控制系统的结构不同分类,闭环控制系统 :,开环控制系统：,开环控制系统,定义,如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制
7、系统。,闭环（反馈）控制系统,(1) 反馈,把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。,能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。,(2) 闭环控制系统,闭环控制系统方框图,开环与闭环控制系统的比较,开环控制系统的结构特点信号从输入到输出无反馈,单向传递.只有顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差，控制精度不高,无法抑
8、制扰动。结构简单、调整方便、成本低。 闭环控制系统的结构特点有反馈回路，根据偏差进行控制;可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。控制精度高,自动纠偏；结构复杂，设计、分析麻烦。,闭环控制系统与反馈控制系统的关系,闭环控制系统:系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。“闭环”即应用反馈作用来减小系统误差。,复合（前馈-反馈）控制系统,复合控制系统，即前馈-反馈控制系统复合控制:闭环控制和开环控制结合的一种方式。它是在闭环控制等基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。增加干扰信号的补偿控制作用，可以在干扰对被控量产生不利影响同时及时提供控制
9、作用以抵消此不利影响。纯闭环控制则要等待该不利影响反映到被控信号之后才引起控制作用，对干扰的反应较慢。,若按控制依据信号性质来分类，也可以将闭环、开环、复合控制系统称作为以下三种类型：即,控制器,被控过程,控制器,被控过程,控制器,被控过程,反馈控制系统,前馈控制系统,前馈反馈 控制系统,定值控制系统（或称自动调节系统）特点：输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰随动控制系统（或称伺服系统）特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。程序控制系统特点：输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准
10、确地复现。,2 按给定值变化规律分类,3 按控制系统闭合回路数目分类,单回路控制系统 只有一个被控量反馈到调节器的输入端，只形成一个闭合回路，系统结构比较简单，单回路控制系统也称单级控制系统。 多回路控制系统 为了改善系统控制性能，可引入局部反馈，闭合回路数不只一个，这就形成了多回路控制系统。也称为串级控制系统。,4 其他分类,线性控制系统输入与输出成正比，可用叠加原理用线性数学模型描述非线性控制系统输入与输出不成正比，不可用叠加原理用非线性数学模型描述,非线性系统:在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节,典型非线性特性: 饱和特性、死区性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。,4 其他分
11、类,连续控制系统 系统各部分的信号是模拟的连续函数例：工业中普遍采用的常规控制仪表PID调节器控制的系统 采样控制系统系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式 传递的控制系统例 计算机控制系统,第三节 典型输入信号和 自动控制系统性能指标,目的、要求: 了解典型输入信号的类型：阶跃函数、斜坡函数、正弦函数、脉冲函数 掌握系统性能分析方法,对系统的性能要求重点: 概念:动态特性,静态特性,衰减振荡过程,单调过程,典型输入信号的类型 阶跃函数 斜坡函数 正弦函数 脉冲函数,阶跃函数（Step Function）,阶跃函数是最常用系统性能测试信号,时间,r(t),R,-单位阶跃 函 数,斜坡函
12、数（Step Function）,正弦函数（Step Function）,脉冲函数（Step Function）,动态特性,动态特性: 系统输出在典型输入测试信号作用下随时间变化的特性 c (t ) -输出 x (t ) -输入c（t）= f ( x（t）),x (t ),y( t ),t,t,稳态特性,稳态特性: 平衡状态下系统输出与输入的关系 c（t = ）= f ( x)c () -稳态输出 x -输入,自动控制系统被控量变化的动态过程,(a)单调过程 (b)衰减振荡过程 (c)等幅振荡过程 (d)渐扩振荡过程,(1)稳定性-自动控制系统的最基本的要求(2)快速性-在系统稳定的前提下，希
13、望控制过程（过渡过程）进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差（偏差）过大。合理的设计应该兼顾这两方面的要求。 (3)准确性-即要求动态误差和稳态误差都越小越好。,对自动控制系统的性能要求,对自动控制系统的性能要求:稳 准 快,本章小结,自动控制理论中常用的术语：被控对象，参考输入信号（给定值信号），扰动、偏差信号、被控量、控制量和自动控制系统。 自动控制系统的组成及其方框图,自动控制系统的分类方法。开环控制系统和闭环控制系统概念。注:实际生产过程的自动控制系统，绝大多数是闭环控制系统，即负反馈控制系统。对自动控制系统的性能要求，即稳定性、快速性和准确性。自动控制系统的最基本要求是稳，然后进一步要求快和准，当后两者存在矛盾时，设计自动控制系统要兼顾两方面的要求。,BACK,
