第1章自动控制的一般概念 重点与难点 、基本概念 1.自动控制 在没有人直接参与的情况下,利用控制装置,使被控对象的被控量自动按预定规律 运行。 2.控制系统的组成 被控对象 检测装置 自动控制系统执行器 控制器 3.负反馈控制原理 将系统输出信号引回输λ端,与输入信号相比较,利用所得的偏差信号进行控制, 使偏差减小或消除 4.控制系统分类 ①按控制方式分:开环控制、闭环控制、复合控制: ②接输入信号:恒值控制系统、随动系统、程序控制系统 ③按系统输入输出多少:单输入单输出(SIS0)、多输入多输出(MIS0) ④按系统的性能分类:线性系统与非线性系统、连续系统和离散系统、确定性系统 和非确定性系统 5.对控制系统的基本要求 稳一一基本要求 准一一稳态要求:稳态误差要小 快一—动态要求:超调量要小,调节时间要短。 二、基本要求 (1)正确理解和掌握负反馈控制原理 (2)了解控制系统的组成与分类; (3)能确定控制系统的被控对象、被控量和控制量;掌握根据工作原理图绘制系统 方框图的方法
·1· 自动控制系统 第 1 章 自动控制的一般概念 重点与难点 一、基本概念 1.自动控制 在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，使被控对象的被控量自动按预定规律 运行。 2.控制系统的组成 3.负反馈控制原理 将系统输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制， 使偏差减小或消除。 4. 控制系统分类 ① 按控制方式分：开环控制、闭环控制、复合控制； ② 接输入信号：恒值控制系统、随动系统、程序控制系统； ③ 按系统输入输出多少：单输入单输出（SISO）、多输入多输出（MISO）； ④ 按系统的性能分类：线性系统与非线性系统、连续系统和离散系统、确定性系统 和非确定性系统。 5.对控制系统的基本要求 稳——基本要求； 准——稳态要求：稳态误差要小； 快——动态要求：超调量要小，调节时间要短。 二、基本要求 （1）正确理解和掌握负反馈控制原理； （2）了解控制系统的组成与分类； （3）能确定控制系统的被控对象、被控量和控制量；掌握根据工作原理图绘制系统 方框图的方法。 被控对象 控制器 检测装置 执行器
、重点与难点 1.自动控制和自动控制系统的含义。 2.反馈和反馈控制系统的概念、反馈控制系统的特点 3.控制系统的组成和分类; 4.确定控制系统的被控对象、被控量、调节量、给定量,绘制控制系统的方块图, 分析实际系统的控制原理。 ◆例题解析 例1-1设热水电加热器如图1-1所示。为了保持希望的温度,由温度开关接通或断 开电加热器的电源。在使用热水时,水箱中流出热水并补充冷水。试说明系统的被控对 象、输出量、输入量、工作原理并画出系统原理方 块图 冷水 解:在热水电加热器系统中,输入量为预定的 希望温度(给定值),设为7被控量(输出量)水箱 电加 为水箱实际水温,设为T,控制对象为水箱。扰动 信号主要是由于放出热水并注入冷水而产生的降温 温控 作用,(热水流出量,冷水流入量)。当7=T时 开关 温控开关断开,电加热器不工作,此时水箱中水温 保持在希望水温上。当使用热水时,由于扰动作用 热水 使实际水温下降,测温元件感受7T希的变化,并把 测温元件 这一温度变化转换为电信号使温控开关接通电源, 图1-1电加热系统 电加热器工作,使水箱中的水温上升,直到7=7看 为止。系统原理方框图如下 扰动信号 温控开关 电加热器 水箱 测温元件 图1-2系统原理方块图 例1-2船舶驾驶舵角位置跟踪系统如图1-3所示。试分析其工作原理,并画出系统 方块图
·2· 扰动信号 三、重点与难点 1.自动控制和自动控制系统的含义。 2.反馈和反馈控制系统的概念、反馈控制系统的特点； 3.控制系统的组成和分类； 4.确定控制系统的被控对象、被控量、调节量、给定量，绘制控制系统的方块图， 分析实际系统的控制原理。 例 题 解 析 例 1-1 设热水电加热器如图 1-1 所示。为了保持希望的温度，由温度开关接通或断 开电加热器的电源。在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明系统的被控对 象、输出量、输入量、工作原理并画出系统原理方 块图。 解：在热水电加热器系统中，输入量为预定的 希望温度（给定值），设为 T 希；被控量（输出量） 为水箱实际水温，设为 T，控制对象为水箱。扰动 信号主要是由于放出热水并注入冷水而产生的降温 作用，(热水流出量，冷水流入量)。当 T＝T 希时， 温控开关断开， 电加热器不工作，此时水箱中水温 保持在希望水温上。当使用热水时，由于扰动作用 使实际水温下降，测温元件感受 T<T 希的变化，并把 这一温度变化转换为电信号使温控开关接通电源， 电加热器工作，使水箱中的水温上升，直到 T＝T 希 为止。系统原理方框图如下： T 希 T 图 1-2 系统原理方块图 例 1-2 船舶驾驶舵角位置跟踪系统如图 1-3 所示。试分析其工作原理，并画出系统 方块图。 电 加 热 器 温 控 开关 测温元件 冷水 热水 水箱 图 1-1 电加热系统 温控开关 电加热器 水箱 测温元件
接操纵杆 电位计组 反馈连接 图1-3船舶舵角位置跟踪系统 解:该系统的仼务是实现船舶舵角位置θσ跟踪操纵杆角位置θ。被控对象是船舵, 被控量(输出量)是船舵的角位置θ。,给定量是操纵杄角位置。理想跟踪情况下,θ。 =0;,两环形电位计组成的桥式电路处于平衡状态,输出电压L=0,电动机不转。系统 相对静止 如果操纵杆角θ;改变了,而船舵仍处于原位,则电位器输出不为零,u经放大后使 电动机通过减速器连同船舵和输出电位计滑臂一起做跟随给定值01的运动。当0。=01 时,电动机停转,系统达到新的平衡,从而实现角位置跟踪的目的 由上分析可知,操纵杆是输入装置,电位计组同时完成测量和比较功能,电压功率 放大器完成调节工作,电动机和减速器共同起执行器的作用。 系统的原理方块图如下 操纵杆 电动机 减速器 船舵 计组 放大器 放大器 图1-4船舶舵角位置跟踪系统原理方块图 例1-3仓库大门自动控制原理示意图如图1-5所示,试说明自动控制大门开关的工 作原理并画出方块图 解:当合上开门开关时,电位器桥式测量电路的偏差电压经放大器放大后,驱动伺 服电动机带动绞盘转动,将大门向上提起,与此同时,和大门连在一起的电刷也向上移 动。直到大门实际位置与要求的开启位置一致,桥式测量电路达到平衡,电动机停止转 动,大门到达开启位置。反之当和上关门开关时,电动机带动绞盘使大门关闭。控制系 统方块图如下
·3· 图 1-3 船舶舵角位置跟踪系统 解：该系统的任务是实现船舶舵角位置θ0,跟踪操纵杆角位置θi。被控对象是船舵， 被控量（输出量）是船舵的角位置θ0，给定量是操纵杆角位置。理想跟踪情况下，θ0 ＝θi，两环形电位计组成的桥式电路处于平衡状态，输出电压 ue＝0，电动机不转。系统 相对静止。 如果操纵杆角θi改变了，而船舵仍处于原位，则电位器输出不为零，ue经放大后使 电动机通过减速器连同船舵和输出电位计滑臂一起做跟随给定值θi的运动。当θ0＝θi 时，电动机停转，系统达到新的平衡，从而实现角位置跟踪的目的。 由上分析可知，操纵杆是输入装置，电位计组同时完成测量和比较功能，电压功率 放大器完成调节工作，电动机和减速器共同起执行器的作用。 系统的原理方块图如下： θi θ0 － 图 1-4 船舶舵角位置跟踪系统原理方块图 例 1-3 仓库大门自动控制原理示意图如图 1-5 所示，试说明自动控制大门开关的工 作原理并画出方块图。 解：当合上开门开关时，电位器桥式测量电路的偏差电压经放大器放大后，驱动伺 服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起，与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移 动。直到大门实际位置与要求的开启位置一致，桥式测量电路达到平衡，电动机停止转 动，大门到达开启位置。反之当和上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭。控制系 统方块图如下： 电位 计组 电压 放大器 功率 放大器 操纵杆 电动机 减速器 船舵
放大器 间服电动机 统盘 开门开关 图1-5船舶舵角位置跟踪系统 开关门位置 实际位置 桥式电路 放大器 电动机 绞盘 大门 图1-6大门自动控制系统方块图 例1-4电冰箱制冷系统工作如图1-7所示。试简述系统工作原理,指出被控对象, 被控量和给定量,画出系统方框图 解:系统的任务是保持冰箱内温 度T等于设定的温度T。冰箱箱体是 被控对象,箱内温度是被控量,由控 制器旋钮设定的电位器输出电压(与 压缩机 希望的温度T值对应)是给定量 蒸发器 温度控制器中的双金属温度传 控制器 感器(测量元件)感受冰箱内的温度 并把它转换为电压信号,与控制器 旋纽设定的电位器(给定元件)输出 图1-7电冰箱制冷系统原理图 电压(对应希望温度T)相比较,利用偏差电压Δu(表征实际温度T与希望温度T 的偏差)控制继电器。当Δu大到一定值时,继电器接通,压缩机起动,将蒸发器中的高 温低压气态制冷液送经冷却器散热:降温后的低温低压制冷液被压缩成低温高压液态进 入蒸发器,急速降低扩散成气体,吸收箱体内的热量,使箱体内的温度降低;而高温低压制 冷剂叉被吸入冷却器。如此循环流动,使冰箱达到制冷的效果。继电器、压缩机、蒸发 器和冷却器组成系统的执行机构,完成降温功能。 电冰箱制冷系统方框图如图1-8所示
·4· 图 1-5 船舶舵角位置跟踪系统 开关门位置 实际位置 图 1-6 大门自动控制系统方块图 例 1-4 电冰箱制冷系统工作如图 1-7 所示。试简述系统工作原理，指出被控对象， 被控量和给定量，画出系统方框图。 解：系统的任务是保持冰箱内温 度 Tc等于设定的温度 Tr。冰箱箱体是 被控对象，箱内温度是被控量,由控 制器旋钮设定的电位器输出电压（与 希望的温度 Tr值对应）是给定量。 温度控制器中的双金属温度传 感器（测量元件）感受冰箱内的温度 并把它转换为电压信号 uc，与控制器 旋纽设定的电位器（给定元件）输出 电压 ur（对应希望温度 Tr）相比较，利用偏差电压Δu（表征实际温度 Tc与希望温度 Tr 的偏差）控制继电器。当Δu 大到一定值时，继电器接通，压缩机起动，将蒸发器中的高 温低压气态制冷液送经冷却器散热；降温后的低温低压制冷液被压缩成低温高压液态进 入蒸发器,急速降低扩散成气体,吸收箱体内的热量,使箱体内的温度降低;而高温低压制 冷剂又被吸入冷却器。如此循环流动，使冰箱达到制冷的效果。继电器、压缩机、蒸发 器和冷却器组成系统的执行机构，完成降温功能。 电冰箱制冷系统方框图如图 1-8 所示。 桥式电路 放大器 电动机 绞盘 大门 图 1-7 电冰箱制冷系统原理图
U 继电器 压缩机 几蒸发器 冰箱体 温度传感器 图1-8电冰箱制冷系统方框图 例1-5角位置随动系统工作原理图如图1-9所示,试简述其工作原理并画出系统方 框图。 解:系统的任务 电位计 工作机械 是控制工作机械角位 置θ跟踪手柄转角 4个的 0,。工作机械是被控 对象,工作机械的角 位置是被控量,手柄 角位移是给定量 图1-9位置随动系统原理图 当工作机械转角。与手柄转角θ,一致时,两环行电位计组成的桥式电路处于平衡状 态,输出电压u=0,电机不动。系统相对静止 如果手柄转角0,变化了,而工作机械仍处于原位,则电桥输出u≠0,此电位计信 号经放大器放大后驱动电机转动,经减速器拖动工作机械向θ,要求的方向偏转。当 θ。=θ,时,电机停转,系统达到新的平衡状态,从而实现角位置跟踪目的 系统中手柄是给定元件,电桥电路同时完成测量、比较功能,电机和减速器组成执 行机构。 系统方框图见图1-10 手柄 电位计小放大器|,电动机 减速器工作机械 图1-10位置随动系统方框图 例1-6图1-11为液位自动控制系统示意图。在任何情况下,希望液面高度c维持 不变,试说明系统工作原理,并画出系统原理方框图 解:系统的控制任务是保持液面高度不变。水箱是被控对象,水箱液位是被控量。 电位器设定电压u(表征液位的希望值c)是给定量。当电位器电刷位于中点位置(对
·5· uc － 图 1-8 电冰箱制冷系统方框图 例 1-5 角位置随动系统工作原理图如图 1-9 所示，试简述其工作原理并画出系统方 框图。 解: 系统的任务 是控制工作机械角位 置θc 跟踪手柄转角 θr。工作机械是被控 对象，工作机械的角 位置是被控量，手柄 角位移是给定量。 当工作机械转角θc与手柄转角θr一致时，两环行电位计组成的桥式电路处于平衡状 态，输出电压 us=0,电机不动。系统相对静止。 如果手柄转角θr变化了，而工作机械仍处于原位，则电桥输出 uc≠0，此电位计信 号经放大器放大后驱动电机转动，经减速器拖动工作机械向θr 要求的方向偏转。当 θc=θr时，电机停转，系统达到新的平衡状态，从而实现角位置跟踪目的。 系统中手柄是给定元件，电桥电路同时完成测量、比较功能，电机和减速器组成执 行机构。 系统方框图见图 1-10。 θr Δu us θm θc － 图 1-10 位置随动系统方框图 例 1-6 图 1-11 为液位自动控制系统示意图。在任何情况下，希望液面高度 c 维持 不变，试说明系统工作原理，并画出系统原理方框图。 解：系统的控制任务是保持液面高度不变。水箱是被控对象，水箱液位是被控量。 电位器设定电压 ur（表征液位的希望值 cr）是给定量。当电位器电刷位于中点位置（对 手柄 电位计 放大器 电动机 减速器 工作机械 继电器 压缩机 蒸发器 冰箱体 温度传感器 ur Δu ua Tc 图 1-9 位置随动系统原理图
应u)时,电动机不动,控制阀门有 定的开度,使水箱中流入水量与流出水 阀门 量相等,从而液面保持在希望高度c上 一但流入水量或流出水量发生变化,例 减速器 如当液面升高时,浮子位置也相应升高, 通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置 下移,从而给电动机一定的控制电压 驱动电动机通过减速器减小阀门开度 使进入水箱的液体流量减少。这时,水 图1-11液位自动控制系统示意图 箱液面下降,浮子位置相应下降,直到 电位器电刷回到中点位置,系统重新处于平衡状态,液面恢复给定高度。反之,若水箱 液面下降,则系统会自动增大阀门开度,加大流入量,使液位升到给定高度c,。 系统原理方框图如图1-12所示: 设定电位U 电动机 减速器]一门 水箱 浮子连杆 图1-12液位自动控制系统方框图 ◆自测题 T图1-1所示的是一晶体管稳压电源。试画出其方框图并说明在该电源里哪些起 着测量、放大、执行的作用,以及系统里的干扰量和给定量是什么? RI Bg2 R2 R3
·6· 应 ur）时，电动机不动，控制阀门有一 定的开度，使水箱中流入水量与流出水 量相等，从而液面保持在希望高度 cr上。 一但流入水量或流出水量发生变化，例 如当液面升高时，浮子位置也相应升高， 通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置 下移，从而给电动机一定的控制电压， 驱动电动机通过减速器减小阀门开度， 使进入水箱的液体流量减少。这时，水 箱液面下降，浮子位置相应下降，直到 电位器电刷回到中点位置，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度。反之，若水箱 液面下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入量，使液位升到给定高度 cr。 系统原理方框图如图 1-12 所示： 设定电位 ur Δu c － uf 图 1-12 液位自动控制系统方框图 自 测 题 1. T 图 1-1 所示的是一晶体管稳压电源。试画出其方框图并说明在该电源里哪些起 着测量、放大、执行的作用，以及系统里的干扰量和给定量是什么？ T 图 1-1 电动机 减速器 阀门 水箱 浮子连杆 图 1-11 液位自动控制系统示意图
2.两水位控制系统如T图1-2(a)、(b)所示,要求 (1)画出其方框图(包括给定输入量和扰动输入量) (2)分析工作原理,讨论误差和扰动的关系。 厚球 减速器 动机 T图1-2(a 进水 T图1-2(b) 3.炉温控制系统如T图1-3(a)所示,要求:(1)指出系统输出量、给定输入量、扰 动输入量、被控对象和自动控制器的各组成部分,并画出其方框图;(2)说明该系统是怎 样消除或减少偏差的。 电炉 热电偶二0 T图1-3(a)
·7· 2. 两水位控制系统如 T 图 1－2(a)、(b)所示，要求： (1)画出其方框图(包括给定输入量和扰动输入量)； (2)分析工作原理，讨论误差和扰动的关系。 T 图 1－2(a) T 图 1－2(b) 3. 炉温控制系统如 T 图 1-3(a)所示，要求：(1)指出系统输出量、给定输入量、扰 动输入量、被控对象和自动控制器的各组成部分，并画出其方框图；(2)说明该系统是怎 样消除或减少偏差的。 T 图 1-3（a）
