第一章控制系统简介
第一章控制系统简介
提纲 1.1自动控制的基本原理 1.2自动控制系统的分类 1.3对控制系统的基本要求 1.4自动控制的发展简史 小结
提纲 1.1自动控制的基本原理 1.2 自动控制系统的分类 1.3 对控制系统的基本要求 1.4自动控制的发展简史 小结
1.1自动控制的基本原理 自动控制作为一种技术手段已经广泛地应用于 工业、农业、国防乃至日常生活和社会科学许 多领域。 。 所谓自动控制就是指在脱离人的直接干预，利 用控制装置（简称控制器）使被控对象（如设 备生产过程等)的工作状态或简称被控量（如 温度、压力、流量、速度、pH值等)按照预定 的规律运行。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 体称为自动控制系统
1.1自动控制的基本原理 • 自动控制作为一种技术手段已经广泛地应用于 工业、农业、国防乃至日常生活和社会科学许 多领域。 • 所谓自动控制就是指在脱离人的直接干预，利 用控制装置（简称控制器）使被控对象（如设 备生产过程等）的工作状态或简称被控量（如 温度、压力、流量、速度、pH值等）按照预定 的规律运行。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 体称为自动控制系统
从物理角度上来看，自动控制理论研究的 是特定激励作用下的系统响应变化情况；从数 学角度上来看，研究的是输入与输出之间的映 射关系；从信息处理的角度来看，研究的是信 息的获取、处理、变换、输出等问题。 随着科学技术的进步，自动控制的概念也 在扩大，政治、经济、社会等各个领域也越来 越多地被认为与自动控制有关。现在已发展成 为一门独立的学科一控制论。其中包括：工 程控制论、生物控制论和经济控制论
从物理角度上来看，自动控制理论研究的 是特定激励作用下的系统响应变化情况；从数 学角度上来看，研究的是输入与输出之间的映 射关系；从信息处理的角度来看，研究的是信 息的获取、处理、变换、输出等问题。 随着科学技术的进步，自动控制的概念也 在扩大，政治、经济、社会等各个领域也越来 越多地被认为与自动控制有关。现在已发展成 为一门独立的学科——控制论。其中包括：工 程控制论、生物控制论和经济控制论
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 +U 入信号。测速发电机是电动机转速的测量 元件。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） 电动机 控制功率放大器（控制器），控制器的输 电 功率 出控制电动机的转速，这就形成了电动机 器 放大器 转速自动控制系统。 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， 转速称为被控量，当电动机受到扰动 电 机 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 图1-1直流电动机速度自动控制的原理结构图 (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
功率 放大器 ＋U 电动机 测 速 发 电 机 电 位 器 ＋ ＋ 图1-1 直流电动机速度自动控制的原理结构图 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。 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。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
控制系统方框图 自动控制系统至少包括测量、变送元件、控制器等组 成的自动控制装置和被控对象，它的组成方框图如图1-2 所示。 自动控制装置 比较元件 论定信号入 偏差信号e 控制量 控量y 拉制器 拉对卷 测量、变送元件 图1-2自动控制系统的组成框图
控制系统方框图 自动控制系统至少包括测量、变送元件、控制器等组 成的自动控制装置和被控对象，它的组成方框图如图1-2 所示。 图1-2 自动控制系统的组成框图
1.2自动控制系统的分类 下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。 1.2.1按信号的传递路径来分 1.2.2按系统输入信号的变化规律不同来分 1.2.3按系统传输信号的性质来分 1.2.4按描述系统的数学模型不同来分 1.2.5其它分类方法
1.2 自动控制系统的分类 下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。 1.2.1 按信号的传递路径来分 1.2.2 按系统输入信号的变化规律不同来分 1.2.3 按系统传输信号的性质来分 1.2.4 按描述系统的数学模型不同来分 1.2.5 其它分类方法
1.2.1按信号的传递路径来分 1.开环控制系统 指系统的输出端与输入端不存在反馈回路， 输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。 如工业上使用的数字程序控制机床，参见图1- 3。 位移 切削刀 图纸 器 放大器 执行机构 工机 具 指令 图1-3微型计算机控制机床（开环系统）
1．开环控制系统 指系统的输出端与输入端不存在反馈回路， 输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。 如工业上使用的数字程序控制机床，参见图1- 3。 图纸 程序 位移 指令 放大器 执行机构 微型 计算机 切削刀 具 工作机 床 1．2．1 按信号的传递路径来分 图1-3 微型计算机控制机床（开环系统）
系统每一个输入信号，必有一个固定 的工作状态和一个系统的输出量与之相 对应，但是不具有修正由于扰动而出现 的被控制量希望值与实际值之间误差的 能力。 开环系统结构简单，成本低廉，工作 稳定。但开环控制不能自动修正被控制 量的误差、系统元件参数的变化以及外 来未知干扰都会影响系统精度的
系统每一个输入信号，必有一个固定 的工作状态和一个系统的输出量与之相 对应，但是不具有修正由于扰动而出现 的被控制量希望值与实际值之间误差的 能力。 开环系统结构简单，成本低廉，工作 稳定。但开环控制不能自动修正被控制 量的误差、系统元件参数的变化以及外 来未知干扰都会影响系统精度的
·2.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， 叫闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。 “闭环”这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小 系统误差如图1-4所示。 位移 微型 工作机 切削刀 图纸 计算机 放大器 执行机构 反绩测量元件 图1-4微型计算机控制机床（闭环系统）
• 2．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， 叫闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。 “闭环”这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小 系统误差如图1-4所示。 反馈测量元件 图纸 手 位移 放大器 执行机构 微型 计算机 切削刀 具 工作机 床 图1-4 微型计算机控制机床（闭环系统）