第一章自动控制系统的基本概念 自动控制广泛地应用于工农业生产,交通运输,国防和航天等各个领域。随 着生产和科学技术的发展,自动控制技术起的作用越来越重要,自动化水平越来 越高,如人造卫星能按预定轨道运行,并能返回地面,导弹能正确的命中目标, 宇宙飞船能准确在目标上着陆,并能返回地球。这都是由于自动控制技术髙速发 展的结果。 1.自动控制:在没人参与的情况下,利用控制装置使被控对象或过程自动地按 预定规律运行。 举例:炉温控制系统,数控机床 2.自动控制系统:能够对被控对象的工作状态进行自动控制系统。一般有控制 器和控制对象组成。 3.控制系统分类:1)开环控制系统2)闭环控制系统 3)复合控制系统 §1—1开环控制系统与闭环控制系统 教学目的:了解基本概念:自动控制,开环控制系统,闭环控制系统。 教学重点:开环及闭环控制系统的原理及组成 教学难点:闭环控制系统的原理及组成 开环控制系统 控制系统的输出量对系统没有控制作用,这种系统是开环控制系统 举例1开环调速系统 1.原理示意图 MeZ DID
第一章 自动控制系统的基本概念 自动控制广泛地应用于工农业生产，交通运输，国防和航天等各个领域。随 着生产和科学技术的发展，自动控制技术起的作用越来越重要，自动化水平越来 越高，如人造卫星能按预定轨道运行，并能返回地面，导弹能正确的命中目标， 宇宙飞船能准确在目标上着陆，并能返回地球。这都是由于自动控制技术高速发 展的结果。 1. 自动控制：在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按 预定规律运行。 举例：炉温控制系统，数控机床。 2. 自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制系统。一般有控制 器和控制对象组成。 3. 控制系统分类： 1）开环控制系统 2）闭环控制系统 3）复合控制系统 §1—1 开环控制系统与闭环控制系统 教学目的：了解基本概念：自动控制，开环控制系统，闭环控制系统。 教学重点：开环及闭环控制系统的原理及组成。 教学难点：闭环控制系统的原理及组成。 一、开环控制系统： 控制系统的输出量对系统没有控制作用，这种系统是开环控制系统。 举例 1 开环调速系统 1. 原理示意图 图 1-1 U g + - u U f n MfZ OF D K Ud + - U1 + -
2.系统组成及各环节作用:电位器,脉冲发生器。变压器,可控硅整流,电抗 滤波器,电动机,负载。 3.工作原理:1)讲请该系统中被控量,输入量,对象执行机构等 2)工作过程。 3)扰动量:对系统输出量产生相反作用的量。该系统扰动量: ①Mz;②电流波动;③元件参数变化 4.系统框图 扰动 放大 执行机构 被控对象 图1-2 放大:可控硅整流装置。执行机构:电动机。被控对象:工作机械 扰功:Mfz,电源波动,参数变化。 5.开环控制系统的特点: 1)系统输出量队控制作用无影响 2)无反馈环节 3)出现干扰靠人工消除 4)无法实现高精度控制 二、闭环控制系统: 把输出量直接或间接地反馈到系统的输入流,形成闭环,参与控制,这种系 统叫闭环控制系统。 明确:为什麽要采用闭环控制系统?闭环控制系统有哪些优点。 举例1:闭环调速系统 1.原理示意图:在上述开环调速系统基础之上,增加测速发电机反馈环节及放 大环节,构成闭环调速系统。如图1-3,即(图1-1黑,红笔组成的系统)。 2.系统组成及各环节作用:测速发电机(CF)将机械能(n)转换成电能(Uj)。 3.工作原理: 闭环调速过程 Mgz4→n4→Uf↑→△a4→Ua4→n↓ Mfz↑→n↓→Uf↓→A↑→Ua↑→n↑ 4.系统框图
2. 系统组成及各环节作用：电位器，脉冲发生器。变压器，可控硅整流，电抗 滤波器，电动机，负载。 3. 工作原理： 1）讲请该系统中被控量，输入量，对象执行机构等。 2）工作过程。 3）扰动量：对系统输出量产生相反作用的量。该系统扰动量： ① Mfz；②电流波动；③元件参数变化 4. 系统框图 图 1-2 放大：可控硅整流装置。执行机构：电动机。被控对象：工作机械 扰功：Mfz，电源波动，参数变化。 5. 开环控制系统的特点： 1）系统输出量队控制作用无影响 2）无反馈环节 3)出现干扰靠人工消除 4）无法实现高精度控制 二、闭环控制系统： 把输出量直接或间接地反馈到系统的输入流，形成闭环，参与控制，这种系 统叫闭环控制系统。 明确：为什麽要采用闭环控制系统？闭环控制系统有哪些优点。 举例 1：闭环调速系统 1. 原理示意图：在上述开环调速系统基础之上，增加测速发电机反馈环节及放 大环节，构成闭环调速系统。如图 1-3,即（图 1-1 黑，红笔组成的系统）。 2. 系统组成及各环节作用：测速发电机（CF）将机械能（n）转换成电能（Uj）。 3. 工作原理： 闭环调速过程： Mgz↓→n↓→Uf↑→ u ↓→U ↓→n↓ Mfz↑ →n↓→Uf↓→ u ↑→U ↑→n↑ 4. 系统框图 放大 执行机构 被控对象 扰动 n U g
中间环 扰动 给定量Ug 执行机构,控制对 象 量(n) 电位 机 放大可控硅功 电动机,工作机械 检测装置 测速发电机 图1-2 5.闭环系统的基本组成 1)控制对象:进行控制的设备或过程。(工作机械) 2)执行机构:执行机构直接作用与控制对象。(电动机) 3)检测装置:用来检测被控量,并将其转换成与给运量同一物理量(CF) 4)中间环节:一般指放大元件。(放大器,可控硅整流功放) 5)给定环节:设定被控量的给定值。(电位器) 6)比较环节:将所测的被控量与给定量比较,确定两者偏差量。 7.闭环控制系统的特点 1)系统输出量对控制作用有直接影响。 2)有反馈环节,并应用反馈减小误差。 3)当出现干扰时,可以自动减弱其影响 4)系统可能工作不稳定。 小结:本章给出了开环及闭环系统的基本原理、组成及其特点。 教学说明:本课教学联系计算机在调速系统中的应用状态以及今后的发展趋势进 行讲述,以及学生了解调速系统目前发展情况,加深对本课学习意义 的理解
图 1-2 5. 闭环系统的基本组成。 1）控制对象：进行控制的设备或过程。（工作机械） 2）执行机构：执行机构直接作用与控制对象。（电动机） 3）检测装置：用来检测被控量，并将其转换成与给运量同一物理量（CF） 4）中间环节：一般指放大元件。（放大器，可控硅整流功放） 5）给定环节：设定被控量的给定值。（电位器） 6）比较环节：将所测的被控量与给定量比较，确定两者偏差量。 7. 闭环控制系统的特点: 1)系统输出量对控制作用有直接影响。 2）有反馈环节，并应用反馈减小误差。 3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响。 4）系统可能工作不稳定。 小结：本章给出了开环及闭环系统的基本原理、组成及其特点。 教学说明：本课教学联系计算机在调速系统中的应用状态以及今后的发展趋势进 行讲述，以及学生了解调速系统目前发展情况，加深对本课学习意义 的理解。 放 大 器 测速发电机 K KscR 中间环 节 可控硅功 放 电动机，工作机械 执行机构，控制对 象 扰动 给定量 Ug 给 出 量(n) 检测装置 电 位 机
§1-2对反馈控制系统的基本要求 教学目的:通过本课学习,能分析闭环系统的动态过程。 教学重点:开环及闭环系统动态分析及动态、静态概念。 教学难点:闭环系统动态分析及动态 应用举例 举例:炉温控制系统 1.原理示意图 K16 rY 1—一热电偶;2——电阻丝;3——电位器;4—一放大器 5——可逆电动机;6—一减速机:7——调压器;8——炉子 2.工作原理 系统分析:受控对象一一炉子;被控量一一炉温;给定装置一一电位器 干扰一一电源U,外界环境,加热物件;测量元件一一热电偶 执行机构一一可逆电动机 工作过程:静态△U=0 动态△U≠0 工件增多(负载增大)↑→→U→MU↑→U↑→U个→T↑ (负载减小)7个→U,个M→U→U↓→T↓ 3.炉温控制系统框图
§ 1—2 对反馈控制系统的基本要求 教学目的：通过本课学习，能分析闭环系统的动态过程。 教学重点：开环及闭环系统动态分析及动态、静态概念。 教学难点：闭环系统动态分析及动态。 一、应用举例 举例：炉温控制系统 1. 原理示意图 图 1-5 1——热电偶；2——电阻丝；3——电位器；4——放大器； 5——可逆电动机；6——减速机；7——调压器；8——炉子 2. 工作原理： 系统分析：受控对象——炉子；被控量——炉温；给定装置——电位器 干扰——电源 U ，外界环境 ，加热物件 ； 测量元件——热电偶； 执行机构——可逆电动机 工作过程：静态 U=0 动态 U 0 工件增多（负载增大） →T →U f → U →Ua →Uc →T （负载减小） →T →U f → U →Ua →Uc →T 3. 炉温控制系统框图 ～220v 5 Uf Ug + Ud 5 2 _ 〉 D - Ug 3 4 6 7 1 3 + u Uc 2
给定量 放大器 执行机构C 支控对象被控量(T) 被 检测元件 图1-6 二、控制系统的基本要求 1、系统必须是稳定的。首要条件。 2、系统暂态性能应满足要求的性能指标。 3、系统的稳态误差应满足工艺要求。 应用前逆炉温控制系统及工程实例加以说明 几个基本概念 1、暂态(动态):一个反馈系统,当扰动或给定量发生变化时,系统由原来的 平衡状态便到新的平衡状态的过程 2、静态(稳态):被控量相对稳定的状态较静态。 3、稳态误差:系统达到稳定时,输出量的实际值与期望值之间的误差。 四、系统的暂态过程 系统应满足暂态性能要求,当系统给定量或扰动量突然增加,输出量也应变 化,如果系统没有惯性,则可瞬间达到稳态。但由于系统存在惯性,如电磁惯性、 机械惯性,输出量不可能突变,则系统需一个暂态过程后达到稳态,暂态过程有 以下几种情况 1、单调过程: n2 n, 给定量突然增加输出量变化 负载突然增大输出量变化 注:结合闭环调速系统分析四种暂态过程 图1-7
图 1-6 二、控制系统的基本要求 1、系统必须是稳定的。首要条件。 2、系统暂态性能应满足要求的性能指标。 3、系统的稳态误差应满足工艺要求。 应用前逆炉温控制系统及工程实例加以说明。 三、几个基本概念 1、 暂态（动态）：一个反馈系统，当扰动或给定量发生变化时，系统由原来的 平衡状态便到新的平衡状态的过程。 2、静态（稳态）：被控量相对稳定的状态较静态。 3、稳态误差：系统达到稳定时，输出量的实际值与期望值之间的误差。 四、系统的暂态过程 系统应满足暂态性能要求，当系统给定量或扰动量突然增加，输出量也应变 化，如果系统没有惯性，则可瞬间达到稳态。但由于系统存在惯性，如电磁惯性、 机械惯性，输出量不可能突变，则系统需一个暂态过程后达到稳态，暂态过程有 以下几种情况： 1、单调过程： 注：结合闭环调速系统分析四种暂态过程 图 1-7 给定量突然增加输出量变化 n2 n t 1 0 t 1 n Uc 被控量（T） U g 给定量 U g U 放大器 执行机构 被控对象 扰 动 检测元件 t 1 0 t n 1 n 负载突然增大输出量变化
2、衰减震荡过程 暂态 新稳态 n2 稳态 稳态 1 稳态 暂态 给定量突增输出量变化 负载突增输出量变化 图1-8 4、持续震荡过程: n, n, 给定量突变输出量变化 负载突变输出量变化 图1-9 5、发散震荡过程: n, 给定量突变输出量变化 负载突变输出量变化 图1-10
2、衰减震荡过程 4、持续震荡过程： 图 1-9 5、发散震荡过程： 图 1-10 图 1-8 新稳态 暂态 稳态 t 1 0 t 1 n n2 n 给定量突增输出量变化 负载突增输出量变化 稳态 暂态 稳态 t 1 0 t 1 n n 0 t 1 n n 给定量突变输出量变化 负载突变输出量变化 t 0 1 n n 给定量突变输出量变化 0 1 n n 0 1 n n 负载突变输出量变化
小结:本节通过应用举例讲述了典型控制系统的基本要求,并给出了系统几个典 型暂态过程 §1一3自动控制系统的类型 教学目的:了解自动控制系统的几个类型。 教学重点:典型自动控制系统的类型 教学难点:典型自动控制系统的类型。 1.按数学描述形式分类: (1)线性系统:用线性微分方程描述,满足叠加性和齐次性 当系统输入为x()、x。()时,系统输出为x4(t)、x2() 系统总的输出为x(t)=x4()+x2(), 叠加性 当输入为x,(axn(),则输出x(t)=axa(t) 齐次性 (2)非线性系统:用非线性微分方程描述,不满足叠加性和齐次性。 2.按控制计算装量分类: 1)常规控制系统(模拟)如前所述。 )计算机控制系统(离散)将在第八章详细讲。 3.按给定信号分类 1)恒值控制系统:给定值不变的系统。如闭环调速系统,温控系统 2)随动控制系统:给定值按未知时间函数变化,要求输出跟随给定值的变 化。如跟随卫星的雷达天线系统 3)程序控制系统:给定值按一定时间函数变化,如程控机床 简单介绍,最优控制,自适应控制 小结:通过讲授使学生了解掌握典型自动控制系统的几个基本类型
小结：本节通过应用举例讲述了典型控制系统的基本要求，并给出了系统几个典 型暂态过程 §1—3 自动控制系统的类型 教学目的：了解自动控制系统的几个类型。 教学重点：典型自动控制系统的类型。 教学难点：典型自动控制系统的类型。 1. 按数学描述形式分类： （1）线性系统：用线性微分方程描述，满足叠加性和齐次性。 当系统输入为 x 1 r (t)、x 2 r (t)时，系统输出为 x 1 c (t) 、x 2 c (t) ， 系统总的输出为 x c (t)= x 1 c (t) +x 2 c (t) ， 叠加性 当输入为 x r (t)= a x 1 r (t) ，则输出 x c (t) = a x 1 c (t) 齐次性 （2）非线性系统：用非线性微分方程描述，不满足叠加性和齐次性。 2. 按控制计算装量分类： 1） 常规控制系统（模拟）如前所述。 2） 计算机控制系统（离散）将在第八章详细讲。 3．按给定信号分类 1） 恒值控制系统：给定值不变的系统。如闭环调速系统，温控系统。 2） 随动控制系统：给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变 化。如跟随卫星的雷达天线系统。 3） 程序控制系统：给定值按一定时间函数变化，如程控机床。 简单介绍 ，最优控制，自适应控制。 小结：通过讲授使学生了解掌握典型自动控制系统的几个基本类型