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1、1-3 自动控制系统的分类,1-4 对控制系统的基本要求,自动控制的一般概念,1-1 自动控制的基本原理与方式,1-2 自动控制系统示例,第一章,1-1 自动控制的基本原理与方法,1.自动控制技术及其应用,2.自动控制理论,3.反馈控制原理,4.反馈控制系统的基本组成,5.自动控制系统基本控制方式,自动控制技术：利用外加设备或装置（控制装置、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）自动地按预定的规律运行（控制目标）。,控制器,对象,被控量,应用领域：人类活动的各个领域。,被控对象的属性？,自动控制理论：研究自动控制共同规律的技术科学。,问题1 .如何描述一个对
2、象？数学模型,问题2 .如何描述控制目标？性能指标,问题3 .给定对象是否满足性能指标要求？系统分析,问题4 .如何使给定对象满足性能指标？系统综合,例1：人用手拿物品。,控制目标：手拿到物品。,相关部件：1手。抓取物品。功能：受控对象、执行部 件。 2大脑。协调眼、手工作。功能：比较物品与手 之间的接近程度（比较元件）；控制手的动作（控制部 件）。3 眼睛。观察物品与手的位置。功能：检测元 件。,大脑,例2：龙门刨床速度控制系统（教材图1-2）。,控制目标：刀架速度恒定。,相关部件：1电机（SM）。功能：执行部件。 2测速 电机（TG）。功能：将速度信号转换为电信号 ，检 测元件。 3放大器
3、FD。功能：比较、放大。（比较元 件）。4 调节触发器CF。电压放大。5 晶闸管整流 装置KZ。整流、功率放大。输出电枢电压 。,电动机,实现方式：输入恒定电压 ，电机速度 恒定。,反馈控制：将输出量送回到输入端，并用于控制。（例1、例2）,按偏差控制（误差控制）：根据设定值（期望值）与输出 值（实际值）的偏差量，确定对象的动作。,负反馈：输出量送回到输入端，与输入信号相减，使偏差 越来越小。,正反馈：输出量送回到输入端，与输入信号相加，使偏差 越来越大。,有静差系统：在稳态时被控量与设定值存在偏差。这个误 差称为稳态误差。,无静差系统：在稳态时被控量与设定值不存在偏差。,反馈控制系统的基本构
4、成,给定元件：设定被控量的期望值。产生系统输入量。,测量元件：检测被控对象的输出量，将其转换为电信号。 也称为传感器、传感元件。,比较元件：比较设定值与实际值，产生相应的偏差信号。,放大元件：将信号放大，包括信号放大和功率放大。,校正元件：为改善系统性能，连接在系统中的部件。也叫 补偿元件。可以有串联补偿、反馈补偿、顺馈补偿。,执行元件：直接使输出量产生变化的部件。,反馈元件：将输出量引回到输入端的部件。,执行元件,输入量,放大元件,输出量,反馈元件,补偿元件,典型反馈系统组成：单闭环系统,反馈元件,执行元件,输入量,放大元件,输出量,补偿元件,典型反馈系统组成：双闭环系统,被控对象,测量元件
5、,自动控制系统基本控制方式,反馈控制方式,开环控制方式：被控对象个部件信号的只沿着顺向传递。输出量不会对系统的控制产生影响。,执行元件,输入量,放大元件,输出量,顺馈控制方式：在干扰可测量的时候，将干扰量测量出 来，送到输入端，产生干扰补偿信号，以减少干扰对 系统的影响。,干扰测量,执行元件,放大元件,输入量,输出量,干扰输入,反馈元件,补偿元件,复合控制方式：将反馈控制与顺馈结合。,干扰测量,执行元件,放大元件,输入量,输出量,干扰输入,1-2 自动控制系统示例,1.函数记录仪,2.飞机自动驾驶仪,3.电阻炉微型计算机温度控制系统,4.锅炉液位控制系统,函数记录仪,控制目标：纪录笔按要求到达
6、规定位置。,控制对象：纪录笔。,控制量：纪录笔位置。,纪录笔运动原理：给定一个电压信号，设定位移量。在输入作用下 启动电机，带动齿轮、绳系，拖动纪录笔运动。,位置精度考虑：为了使纪录笔能准确到达指定位置，应将纪录笔的 位置测量出来，用来反馈。,电机拖动考虑：纪录笔有惯性，希望电机速度能按所需位移量进行控制，所以将电机转速测量出来，用来反馈。,测速电机,伺服电机,输入量,放大器,笔位置,传动机构,纪录笔,位置测量,飞机自动驾驶仪系统,控制目标：按设定的规律，控制飞机的飞行姿态。,舵机控制：位置伺服控制（内回路）。位移传感器测量。,飞行姿态：横向，巡航方向。纵向，飞机的升降。,外回路：飞机倾角的反
7、馈控制。垂直陀螺仪测量。,自动驾驶仪：根据飞行要求，提供设定的电压信号。并将测量到的 输出信号，产生相应的控制规律。,纵向控制：给定一个电压信号，设定飞机爬升（俯冲）的倾角。 该信号经过放大，控制升降舵的移动。升降舵的角度，决定了飞 机爬升（俯冲）的倾角。,位移 传感器,舵机,0,放大器,驾驶仪,飞机,位置测量,干扰,电阻炉微型计算机温度控制系统,控制目标：电炉温度在设定的范围内。,温度检测：热电偶。,工作原理：电阻丝通过晶闸管主电路加热。温度依靠电阻丝中的电 流大小来调节。,控制器：微型计算机。,A/D转换,D/A转换,设定温度,微型计算机,炉温,晶闸管,热电偶,计算机控制器特点：微型计算机
8、采用数字量，按节拍工作。,电阻丝,锅炉液位控制系统,控制目标：锅炉内水位在设定范围（进水量与蒸发水量平衡）。,调节量：通过调节进水阀门开赌的大小，改变进水量。,工作原理：由液位测量装置（变送器）测出液位信号，与设定值比 较，若液位降低，则加大阀门开度，反之则减小。,阀门,设定水位,调节器,水位,锅炉,液位测量,干扰,1-3 自动控制系统的分类,1.线性连续控制系统,2.线性定常离散控制系统,3.非线性控制系统,线性连续控制系统,线性：系统的输入输出满足线性关系。,线性系统描述的特点：系统各变量及其各阶导数，没有乘积项和平 方（或更高次）项。如：,连续：系统各处的信号，在任意时间 点上有定义。即
9、任意给定一个时 间，有一个这时刻的信号值与之 对应。,即有：若输入 时，输出为 ;输入 时，输出为 。则输入为 输出为 。,t,u,连续系统描述的特点：用微分方程 （偏微分方程）来描述。,恒值控制系统（调节器）：控制目标是使系统的被控量保持恒定。 如前述锅炉液位系统、炉温调节系统。,随动系统（伺服系统）：控制目标是使系统输出跟踪输入的变化， 系统的输入信号随时间任意变化。如前述自动驾驶仪系统。,程序控制系统：控制输出量，使之按设定的规律变化。如数控机 床、自动生产线。,线性定常离散控制系统,定常：系统的输入输出关系不随时间变化而变化。,定常系统描述的特点：系统各参数不随时间变化。,时间离散：系
10、统中存在某些信号，仅在特定的时间点上有定义。,即有：若时间 时，输入为 ，相应的输出为 。则时间 时，输 入 ，其输出仍为 （初始条件相同）。,离散系统描述的特点：用差分方程来描述。,t,u,非线性控制系统,系统的输入输出不满足线性关系。,1-4 对自动控制系统的基本要求,1.基本要求的提法,2.典型外作用,基本要求的提法,1.稳定性：系统在没有外加信号激励条件下，能否最终停留在一个 固定的位置上。,平衡点：系统停留的固定点。,特点：稳定性与外加输入无关，由系统结构决定。,稳定系统,不稳定系统,2.快速性：系统稳定快慢程度的性能描述。一般用过渡过程的时间 来描述。,过渡过程：系统从开始运动到回到平衡点稳定下来的过程，也叫动 态过程、动态。,3.准确性：系统稳定后被控制量与期望值接近程度的描述。,稳态：系统稳定后的状态。,稳态误差：系统稳定后被控制量与期望值的偏差。,典型外作用,典型：1）容易实现；2）有代表性；3）便于分析计算。,1.阶跃函数：,R,单位阶跃函数：R=1。,2.斜坡函数：,R,单位斜坡函数：R=1。,3.脉冲函数：,u,单位脉冲函数：R=1。,4.正弦函数：,t,u,满足,u,