1、自动控制系统自动控制系统基本知识基本知识引引 言言 自动控制学科由自动控制技术和自动控自动控制学科由自动控制技术和自动控制理论两部分组成。制理论两部分组成。什么是自动控制什么是自动控制?无须人的直接参与，通过控制装置，使无须人的直接参与，通过控制装置，使机器、设备、生产过程等按照预定的规律运机器、设备、生产过程等按照预定的规律运行，完成要求的任务，就叫自动控制。行，完成要求的任务，就叫自动控制。近几十年来，自动控制技术正在迅猛的近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展，并在工农业生产、交通运输、国防建发展，并在工农业生产、交通运输、国防建 随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展，出随着自动控制技术
2、的广泛应用和迅猛发展，出现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控制技术中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控制技术的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典经典控制理论控制理论和和现代控制理论现代控制理论两大部分。两大部分。经典控制理论也就是自动控制原理，是经典控制理论也就是自动控制原理
3、，是2020世纪世纪4040年代到年代到5050年代形成的一门独立学科年代形成的一门独立学科。自动控制理论的发展概况自动控制理论的发展概况 50 50年代开始，年代开始，由于空间技术的发展，各种高速、由于空间技术的发展，各种高速、高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变量、非线性、时变和自适应等控制问题，量、非线性、时变和自适应等控制问题，6060年代初年代初又形成了现代控制理论。从又形成了现代控制理论。从6060年代至今年代至今4040多年来，多年来，现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支，
4、如线性控制理论、最优控制理论、动态系统分支，如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论等。辨识、自适应控制、大系统理论等。自动控制理论经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论非线性控制系统非线性控制系统线性控制系统线性控制系统连续控制系统连续控制系统离散控制系统离散控制系统 自动控制的基本概念自动控制的基本概念 1、人工控制：、人工控制：控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。进进水水水水池池要要求求水水位位实实际际水水位位出出水水图图11 水位人工控制原理图水位人工控制原理图 如图如图11 所示，所示，水水 位保
5、持系统。位保持系统。自动控制的基本原理自动控制的基本原理2、自动控制：、自动控制：该水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由该水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由 浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏 差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图1-3所示。所示。进进水水浮浮子子实实际际水水位位出出水水+-连连杆杆电电机机M M图图13 水位自动控制系统原理图水位自动控制系统原理图 在此：浮子测水位，由连
6、杆和电位器进行比较：在此：浮子测水位，由连杆和电位器进行比较：浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机向进浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机向进水阀门开大的方向旋转；反之，当浮子高时，电位器水阀门开大的方向旋转；反之，当浮子高时，电位器上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不动。正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不动。要求水位电电机机阀阀门门水水池池出出水水量量实实际际水水位位浮浮子子 电位器连杆比较图图14水位自动控制系统方框图水位自动控制系统方框图自动控制（续）自动控制（续）控制系
7、统中的常用术语控制系统中的常用术语 (1)控制装置控制装置外加的设备或装置，亦叫控制器。外加的设备或装置，亦叫控制器。(2)受控对象受控对象被控制的机器或物体。被控制的机器或物体。(4)被控量被控量表征被控对象工作状态的物理参表征被控对象工作状态的物理参量，也叫输出量。量，也叫输出量。(4)给定量给定量要求被控量所应保持的数值。也要求被控量所应保持的数值。也叫输入量或叫参考输入。叫输入量或叫参考输入。(5)干扰量干扰量系统不希望的外作用，也叫扰动系统不希望的外作用，也叫扰动输入。输入。串 联 校 正放 大执 行受 控 对 象反 馈 校 正测 量输入量输入量输出量输出量图图16 自动控制系统的组
8、成自动控制系统的组成 自动控制的任务自动控制的任务利用控制器操纵受控对象，使其利用控制器操纵受控对象，使其被控量按技术要求变化。若被控量按技术要求变化。若r(t)给定量，给定量，c(t)被被控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足足c(t)r(t)。自控系统的组成如。自控系统的组成如1-6图所示。图所示。自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成给定元件给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对：其职能是给出与期望的被控量相对 应的系统输入量。一般为电位器。应的系统输入量。一般为电位器。比较元件比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值：其职能是
9、把测量到的被控量实际值 与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们 之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动 装置、电桥电路、计算机等。装置、电桥电路、计算机等。测量元件测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。：其职能是检测被控制量的物理量。如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转 变压器、浮子等。变压器、浮子等。基本组成（续）基本组成（续）放大元件放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差：其职能是将比较元件给出的偏差 信号进行放大，用来推动执行元件去控制受信号进行放大，用来推动
10、执行元件去控制受 控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等 组成的电压、功率放大器。组成的电压、功率放大器。执行元件执行元件：其职能是直接推动受控对象，使：其职能是直接推动受控对象，使 其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压 马达等。马达等。基本组成（续）基本组成（续）自控系统的特点：自控系统的特点：从信号传送看：从信号传送看：c(t)经测量后回到输入端，构成经测量后回到输入端，构成闭环，具有反馈形式，且为负反馈。闭环，具有反馈形式，且为负反馈。从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用使从控制作用的产生看：由偏差产生的控
11、制作用使系统沿减小或消除偏差的方向运动系统沿减小或消除偏差的方向运动偏差控制。偏差控制。校正元件校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于：也叫补偿元件，它是结构或参数便于 调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接 于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容 组成的无源或有源网络，还有计算机。组成的无源或有源网络，还有计算机。基本组成（续）基本组成（续）自动控制的基本方式一、一、开环控制系统：开环控制系统：定义：定义：开环控制开环控制控制器与被控对象之间只控制器与被控对象之间只 有顺向作用而没有反向联系的控制
12、过程。有顺向作用而没有反向联系的控制过程。特点：被控量对系统的控制作用不产生影响，特点：被控量对系统的控制作用不产生影响，需要控制的是需要控制的是c(t)，而测量的只是，而测量的只是r(t).+u ug g-U Ua a功功放放n n负负载载u ug gu ua an n电电动动机机功功放放图图17 开环直流调速系统开环直流调速系统开环控制系统（续）开环控制系统（续）3.例如：直流电机开环调速系统如图例如：直流电机开环调速系统如图17所示。所示。给定电压放大后得到电枢电压给定电压放大后得到电枢电压ua，从而控制，从而控制转速转速n。改变改变ugua改变改变n改变，改变，ug与与n一一对一一对应
13、。但是，当负载变化时（干扰量），会使应。但是，当负载变化时（干扰量），会使n改改变，即使变，即使ug不变，不变，n 也改变。也改变。ua（ug）与）与n的关的关系不精确，抗扰动能力差，系统控制精度难以保系不精确，抗扰动能力差，系统控制精度难以保证，应用少。证，应用少。开环控制系统（续）开环控制系统（续）二、闭环控制系统二、闭环控制系统：定义：定义：闭环控制闭环控制被控量与给定值比较后用被控量与给定值比较后用其偏差对系统进行控制。亦称反馈控制。其偏差对系统进行控制。亦称反馈控制。特点：不论什么原因使被控量偏离期望值而出特点：不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用
14、去现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。需要控制的是一致。需要控制的是c(t)、而测量的是、而测量的是c(t)对对r(t)的偏差。只要的偏差。只要c(t)出现偏差，系统就自行纠正。出现偏差，系统就自行纠正。3.例如：直流电机闭环调速系统如图例如：直流电机闭环调速系统如图18所示。所示。+-+-T TG GMMu ug gu uu u1 1u ua a-n nu un n=n n电电压压放放大大功功率率放放大大负负载载u ug gu uu u1 1u ua an nu un n-电电压压放放大大测测速速机机电
15、电机机功功率率放放大大图图18 闭环直流调速系统闭环直流调速系统闭环控制系统（续）闭环控制系统（续）负载负载TL(TeTL)nunuu1ua n 或温度或温度TRaEnunuu1ua n系统精度高、抗干扰能力强、应用广泛。系统精度高、抗干扰能力强、应用广泛。闭环控制系统（续）闭环控制系统（续）三、复合控制系统：三、复合控制系统：1.定义：定义：复合控制复合控制给定补偿或干扰补偿与反馈控制给定补偿或干扰补偿与反馈控制 结合起来就组成复合控制。结合起来就组成复合控制。复合控制系统（续）复合控制系统（续）2.例如：例如：如图如图19 所示调速所示调速 系统。此系统。此 系统在闭系统在闭 环控制的环控
16、制的 基础上增基础上增 加了负载加了负载 扰动补偿。扰动补偿。+u ug g+-u un n=n nu ua aR Rs sM MT TG Gu u1 1u u2 2-电电压压放放大大功功率率放放大大电电压压放放大大负负载载u u1 1u us si i图图19 复合控制调速系统原理图复合控制调速系统原理图负载突增负载突增TLI IdLdLU Us sU U2 2=U U1 1+U Us s必必u ua an nTeTLn n测测速速机机功功率率放放大大u ug gu un nu u1 1-电电压压放放大大u u1 1u us su u2 2电电压压放放大大电电机机R Rs sT TL L(I
17、 Id dL L)n nu ua a图图110 复合控制调速系统方框图复合控制调速系统方框图复合控制系统（续）复合控制系统（续）1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.3.1 从信号传送的特点或系统结构特点分类从信号传送的特点或系统结构特点分类 可以将控制系统分为可以将控制系统分为开环控制系统开环控制系统、闭闭 环控制系统环控制系统和和复合控制系统复合控制系统三大类。三大类。一、一、恒值系统：恒值系统：定义定义r(t)为常值的系统。为常值的系统。目的目的保证保证c(t)恒定。恒定。1.例如：调速系统（当例如：调速系统（当ug不变时），水池不变时），水池水位控制系统，空调、冰箱、恒温箱及
18、水位控制系统，空调、冰箱、恒温箱及炉温控制系统等。炉温控制系统等。1.3.2 按给定值的特点分：按给定值的特点分：D DA AA AD D放放大大滤滤波波热热电电偶偶电电炉炉电电阻阻丝丝T TP P3 30 01 1-B B单单板板机机 期期望望T T计计算算机机D D/A A触触发发器器晶晶闸闸管管炉炉体体环环温温T TA A/D D-放放大大滤滤波波热热电电偶偶图图1 112 12 电阻炉微机温度控制系统电阻炉微机温度控制系统恒值系统（续）恒值系统（续）如图如图112所示为电阻炉微机温度控制系统，所示为电阻炉微机温度控制系统，电阻丝通过晶闸管主电路加热，炉温期望值用计电阻丝通过晶闸管主电路
19、加热，炉温期望值用计算机键盘预先设置，实际炉温由热电偶检测，并算机键盘预先设置，实际炉温由热电偶检测，并转换成电压（转换成电压（mv），经放大滤波后，由模），经放大滤波后，由模/数转数转换器（换器（A/D）将模拟信号）将模拟信号数字信号送入计算机。数字信号送入计算机。在计算机中与所设置的期望值比较后产生偏差信在计算机中与所设置的期望值比较后产生偏差信号。计算机便根据预定的控制算法（即控制号。计算机便根据预定的控制算法（即控制 规律）计算相应的控制量，再经规律）计算相应的控制量，再经D/A转换变为转换变为恒值系统（续）恒值系统（续）4.优点优点:计算机温度控制系统，具有精度高、功能计算机温度控制
20、系统，具有精度高、功能 强、经济性好、无噪声、显示醒目、读数强、经济性好、无噪声、显示醒目、读数 直观、打印存档方便、操作简单、灵活性直观、打印存档方便、操作简单、灵活性 和适应性好等一系列优点。和适应性好等一系列优点。010mA的电流，通过触发器控制晶闸管的的电流，通过触发器控制晶闸管的控制角控制角，从而改变晶闸管的整流电压，也就，从而改变晶闸管的整流电压，也就改变了电阻丝中电流的大小，达到控制炉温改变了电阻丝中电流的大小，达到控制炉温的目的。的目的。恒值系统（续）恒值系统（续）例如：跟踪目标的雷达系统、火炮群控例如：跟踪目标的雷达系统、火炮群控 制系制系 统、导弹制导系统、参数的自动检验系
21、统、统、导弹制导系统、参数的自动检验系统、X-Y记录仪、船舶驾驶舵位跟踪系统、飞机自记录仪、船舶驾驶舵位跟踪系统、飞机自 动驾驶仪等等。动驾驶仪等等。如图如图113所示为船舶驾驶舵角位置跟踪系统。所示为船舶驾驶舵角位置跟踪系统。定义：给定值随意变化而事先无法知道的系统。定义：给定值随意变化而事先无法知道的系统。目的：使目的：使c(t)按一定精度跟踪按一定精度跟踪r(t)的变化。的变化。二、随动系统二、随动系统U Ui iu u0 0i0-+Mnu u电压放大功率放大负载图图1 113 13 船舶驾驶舵角位置跟踪系统船舶驾驶舵角位置跟踪系统随动系统（续）随动系统（续）其任务是使船舵角位置按给定指
22、令变化，即要求其任务是使船舵角位置按给定指令变化，即要求0跟随跟随i:0(t)=i(t)。uiu0uiu0-=u u图图1 11414 电 位 计电 压 放 大功 率 放 大电 机船 舵-i0图图1 115 15 船舶驾驶舵角位置跟踪系统方框图船舶驾驶舵角位置跟踪系统方框图随动系统（续）随动系统（续）该系统由船舵（受控对该系统由船舵（受控对象）、电位计（测量、象）、电位计（测量、比较元件）、电机、减比较元件）、电机、减速器、电压和功率放大速器、电压和功率放大器等组成。器等组成。由两个电位计组成桥式连接，由两个电位计组成桥式连接，u=ui-ua。若。若0=i，则预先整定则预先整定ui=u0,则则
23、u=0，电机不动，系统处于平电机不动，系统处于平 衡状态。若衡状态。若i 变了，而变了，而0 未变，则有未变，则有0i，uiu0，u0，从而使电机转动，带动船舵角位，从而使电机转动，带动船舵角位 置置0向向i 要求的位置变化，直至要求的位置变化，直至0=i，u=0，电机才停止。系统重又平衡。电机才停止。系统重又平衡。随动系统（续）随动系统（续）4.优点：优点：控制对象简单，指令信号事先无法知道控制对象简单，指令信号事先无法知道其变化规律。可用功率很小的指令信号操纵功其变化规律。可用功率很小的指令信号操纵功率很大的工作机械，还可进行远距离控制。率很大的工作机械，还可进行远距离控制。三、程控系统：
24、三、程控系统：定义：给定值或指令输入信号按预定程序变化的定义：给定值或指令输入信号按预定程序变化的 系统。系统。目的：目的：c(t)按预定的程序去运行。按预定的程序去运行。例如：顺序控制器、数控机床、仿形机床等。例如：顺序控制器、数控机床、仿形机床等。如图如图116所示为数控机床，将输入处理，所示为数控机床，将输入处理，插补计算和控制功能可由逻辑电路实现，插补计算和控制功能可由逻辑电路实现，也可由计算机来完成。也可由计算机来完成。一般都将加工轨迹编好程序。并转换成脉一般都将加工轨迹编好程序。并转换成脉 冲输入，再将工作台移动轨迹也换算成脉冲输入，再将工作台移动轨迹也换算成脉 冲侧出来与输入脉冲
25、比较后再换算成模拟冲侧出来与输入脉冲比较后再换算成模拟 信号用以控制信号用以控制SM。进给脉冲比较放大SM齿轮箱工作台测量反馈脉冲图图1 116 16 数控机床控制系统方框数控机床控制系统方框图图程控系统（续）程控系统（续）可分为线性控制系统和非线性控制系统可分为线性控制系统和非线性控制系统 线性系统的数学描述：线性系统的数学描述：线性函数，如线性微分方程、线性差分方程、线性函数，如线性微分方程、线性差分方程、线性代数方程。线性系统具有齐次性和叠加线性代数方程。线性系统具有齐次性和叠加 性，其优点是数学处理简便，理论体系完整。性，其优点是数学处理简便，理论体系完整。非线性控制系统：非线性控制系
26、统：用非线性方程描述的系统，不满足叠加原理。用非线性方程描述的系统，不满足叠加原理。1.3.3 按数学描述分类按数学描述分类1.3.4 按时间信号的性质分类按时间信号的性质分类可分为连续控制系统和离散控制系统：可分为连续控制系统和离散控制系统：连续控制系统：系统中各变量均对时间连续。连续控制系统：系统中各变量均对时间连续。离散控制系统：系统中一处或几处的变量为离离散控制系统：系统中一处或几处的变量为离 散信号，如计算机控制系统或采样控制系统。散信号，如计算机控制系统或采样控制系统。0t t连续信号连续信号0t t离散信号离散信号 定常系统：定常系统：系统的参数不随时间变化的系统。描述其系统的参
27、数不随时间变化的系统。描述其 动态特性的微分方程或差分方程的系数为动态特性的微分方程或差分方程的系数为 常数。常数。时变系统：时变系统：系统的参数随时间而变化。描述其动态特性系统的参数随时间而变化。描述其动态特性 的微分方程或差分方程的系数不为常数。的微分方程或差分方程的系数不为常数。可分为定常系统与时变系统可分为定常系统与时变系统1.3.5 按系统参数是否随时间变化分类按系统参数是否随时间变化分类1.4 自动控制理论概要自动控制理论概要 系统有各种各样，对每个系统也都有不同的特殊系统有各种各样，对每个系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构和参要求，但对于各类系统来说，
28、在已知系统的结构和参数时，研究的和感兴趣的却是系统在某种典型输入信数时，研究的和感兴趣的却是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程。也就是说，研究的内号下，其被控量变化的全过程。也就是说，研究的内容和方法都是相同或相似的，如：恒值系统研究扰动容和方法都是相同或相似的，如：恒值系统研究扰动作用引起被控量变化的全过程；随动系统研究被控量作用引起被控量变化的全过程；随动系统研究被控量如何克服扰动影响并跟随给定量的变化过程。所以对如何克服扰动影响并跟随给定量的变化过程。所以对于各种控制系统的要求可归纳为：于各种控制系统的要求可归纳为：系统的系统的c(t)必须迅速、必须迅速、准确的按输入量的变化
29、而变化，克服扰动影响。准确的按输入量的变化而变化，克服扰动影响。1.4.1 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求 实际中，由于机械部分质量、惯量的存在以及实际中，由于机械部分质量、惯量的存在以及电路中电路中L.C的存在，输出不会是理想状态。要有一的存在，输出不会是理想状态。要有一个过渡过程，最后趋于新的稳态值。因此，从稳、个过渡过程，最后趋于新的稳态值。因此，从稳、快、准三方面来评价系统的总体精度。快、准三方面来评价系统的总体精度。r(t)00ttc(t)理想实际图117图118基本要求（续）基本要求（续）稳定性稳定性稳定性指动态过程的振荡倾向和系统重新恢复稳定性指动态过程的振荡倾向和
30、系统重新恢复平衡状态的能力。平衡状态的能力。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件，稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件，一个稳定的系统，其一个稳定的系统，其c(t)偏离期望值的初始偏差偏离期望值的初始偏差应随应随t的延长逐渐减小或趋于零。的延长逐渐减小或趋于零。(如曲线和如曲线和)一个不稳定的系统，其一个不稳定的系统，其c(t)偏离期望值的初始偏偏离期望值的初始偏差将随着差将随着t的增长而发散。无法实现预定的任务。的增长而发散。无法实现预定的任务。（如曲线）（如曲线）c(t)t0基本要求（续）基本要求（续）快速性快速性 快速性指动态过程进行的时间长短。快速性指动态过程进行的时间长短。T过长
31、：系统长久出现大偏差，难以复现快速变过长：系统长久出现大偏差，难以复现快速变化的指令信号。（例雷达、导弹等）化的指令信号。（例雷达、导弹等）若满足既稳又快，则系统的动态精度高。（如：若满足既稳又快，则系统的动态精度高。（如：飞机自动驾驶仪系统、当飞机受到阵风干扰偏飞机自动驾驶仪系统、当飞机受到阵风干扰偏离航线。若系统自动恢复原航线的速度过快，离航线。若系统自动恢复原航线的速度过快，则乘客感到不适。函数记录仪还可能损坏记录则乘客感到不适。函数记录仪还可能损坏记录笔。）笔。）准确性准确性 准确性指系统过渡过程结束到新准确性指系统过渡过程结束到新的平衡工作状态以后或系统受干扰后的平衡工作状态以后或系
32、统受干扰后重新恢复平衡，最终保持的精度。反重新恢复平衡，最终保持的精度。反映后期性能。映后期性能。说明说明因受控对象的不同，各种系统对稳、准、快的因受控对象的不同，各种系统对稳、准、快的要求有所侧重。如：恒值系统要求有所侧重。如：恒值系统-对稳（平衡）对稳（平衡）要求严格。而对随动系统要求严格。而对随动系统-快、准要求高。快、准要求高。同一个系统稳、快、准是相互制约的，提高过同一个系统稳、快、准是相互制约的，提高过渡过程的快速性，可能会引起振荡；改善了平渡过程的快速性，可能会引起振荡；改善了平稳性，过渡过程又很迟缓。稳性，过渡过程又很迟缓。本课程的主要内容就是如何分析和解决上述矛本课程的主要内
33、容就是如何分析和解决上述矛盾。盾。自动调速系统的性能指标：自动调速系统的性能指标：自动控制系统的性能指标电气传动调速的性能指自动控制系统的性能指标电气传动调速的性能指标包括静态指标和动态指标。标包括静态指标和动态指标。1.静态指标：主要有调速范围、静差率、调速静态指标：主要有调速范围、静差率、调速的平滑性、调速方法与负载的配合等。的平滑性、调速方法与负载的配合等。（1）调速范围）调速范围D 额定负载下调速时，电动机允许的最高转速与最额定负载下调速时，电动机允许的最高转速与最低转速之比。即低转速之比。即minmaxnnD （2）静差率）静差率S 静差率是指在电动机的某一条机械特性上，负载静差率是
34、指在电动机的某一条机械特性上，负载由理想空载增加到额定负载时的转差率降落由理想空载增加到额定负载时的转差率降落n nN N与与理想空载转速理想空载转速n n0 0之比。即之比。即 静差率反映了调速的相对稳定性，静差率越大，静差率反映了调速的相对稳定性，静差率越大，相对稳定性越差。相对稳定性越差。对一个系统的静差率的要求，是指最低转速时的对一个系统的静差率的要求，是指最低转速时的静差率。静差率。000nnnnnSNN 不同机械特性的静差率如图所示。不同机械特性的静差率如图所示。1.n0相同时，相同时，nN越小，静差率越小，静差率S越小。越小。2.nN相同。相同。n0越小越小,静差率静差率S越大。
35、越大。在直流电动机调压调速方式中，若系统的最大转在直流电动机调压调速方式中，若系统的最大转速为速为nmax，最低转速为，最低转速为nmin，系统要求的静差率为，系统要求的静差率为S，额定负载时低速的转速降落为，额定负载时低速的转速降落为nN。则调速范。则调速范围围D与静差率与静差率S之间的关系为：之间的关系为：)1()1()1(maxmax0101max01maxminmaxSnSnSSnnnnnnnnnnnDNNNN（3）调速的平滑性）调速的平滑性 指相邻两级转速的接近程度。用平滑系数指相邻两级转速的接近程度。用平滑系数来衡来衡量。即：量。即：越接近越接近1 1，说明调速的平滑性越好。，说明
36、调速的平滑性越好。（4 4）调速方法与负载类型的配合。）调速方法与负载类型的配合。2.2.动态指标动态指标 动态指标是指给定输入时，系统的跟随性能指标。动态指标是指给定输入时，系统的跟随性能指标。主要有：超调量；调节时间；最大动态转速降；主要有：超调量；调节时间；最大动态转速降；恢复时间等。恢复时间等。1iinn 1）跟随性能指标）跟随性能指标 2）抗扰性能指标）抗扰性能指标自动控制基本规律与调节器 位式控制 双位控制 具有中间区的双位控制 多位控制 比例控制比例控制规律及其特点比例度及其对控制过程的影响 积分控制积分控制规律及其特点1比例积分控制规律与积分时间积分时间对系统过渡过程的影响 微
37、分控制微分控制规律及其特点实际的微分控制规律及微分时间比例微分控制系统的过渡过程比例积分微分控制2概论3控制器的控制规律是指 控制器的输出信号与输入信号之间的关系。xzeefp即 经常是假定控制器的输入信号e是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号p随时间的变化规律。位式控制 一、双位控制500,)0(0,minmaxeepeepp或或理想的双位控制器其输出p与输入偏差额e之间的关系为图9-1 理想双位控制特性图9-2 双位控制示例位式控制6 将上图中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成为一个具有中间区的双位控制器，见下图。由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，因此可
38、以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。图9-3 实际的双位控制规律 二、具有中间区的双位控制图9-4 具有中间区的双位控制过程 位式控制双位控制过程中一般采用振幅与周期作为品质指标 结论结论被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利。双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍。7 位式控制 三、多位控制 对系统的控制效果较好，但会使控制装置的复杂程度增加。图9-5 三位控制器特性图8比例控制9 在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等幅振荡过程，为了避免这种情况，应该使控制阀的开度与被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可
39、以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。图9-6 水槽液位控制比例控制eKpC（9-4）10n 一、比例控制规律及其特点比例控制器KCep图9-7 比例控制器图9-8 简单比例控制系统示意图比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量比例控制器实际上是一个放大倍数可调的放大量 比例控制pbeaeKeabpC（9-5）11 比例控制12是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。%100/minmaxminmaxpppxxe（9-7）n 二、比例度及其对控制过程的影响二、比例度及其对控制过程的影响 比例控制举例一只比例作
40、用的电动温度控制器,它的量程是 100200,电动控制器的输出是010mA,假如当指示值从140变化到160时,相应的控制器输出从3mA变化到8mA,这时的比例度为为%40%100010/38100200/14016013比例控制 当温度变化全量程的40%时,控制器的输出从0mA变化到10mA。在这个范围内,温度的变化和控制器的输出变化p是成比例的。但是当温度变化超过全量程的40%时(在上例中即温度变化超过40时),控制器的输出就不能再跟着变化了。这是因为控制器的输出最多只能变化100%。所以,比例度实际上就是使控制器输出变化全范围时,输入偏差改变量占满量程的百分数。14 比例控制15图9-9
41、 比例度与输入输出的关系%100)(1minmaxminmaxxxppKC即（9-8）%100)(minmaxminmaxxxpppe将式（9-7）改写后得minmaxminmaxxxppK 对于一只具体的比例控制器，仪表的量程和控制器的输出范围都是固定的,令（9-9）比例控制对一只控制器来说，K是一个固定常数。%100CKK将式(9-9)代入式(9-8)，得（9-10）epKC而 KC值与值与 值都可以用来表示值都可以用来表示比例控制作用的强弱。比例控制作用的强弱。%1001CK在单元组合式仪表中（9-11）16 比例控制17左下图为简单水槽的比例控制系统的过渡过程。左下图为简单水槽的比例控
42、制系统的过渡过程。图9-10 简单水槽的比例控制过程液位开始下降作用在控制阀上的信号进水量增加偏差的变化曲线图9-11 比例度对过渡过程的影响在t=t0时，系统外加一个干扰作用 比例控制：反应快，控制及时：存在余差 若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。结论结论18 积分控制 一、积分控制规律及其特点19 当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。edtKpI 积分控制作用的输出变化量p与输入偏差e的积分成正比，即（9-
43、12）图9-12 积分控制规律对式(9-12)微分,可得eKdtpdI（9-14）AtKedtKpII当输入偏差是常数A时（9-13）积分控制 20 积分控制图9-13 液位控制系统图9-14 积分控制过程21 积分控制 二、比例积分控制规律与积分时间比例积分控制规律可用下式表示 edtKeKpIC（9-15）图9-15 比例积分控制规律22 积分控制23IKT1由于（9-16）则edtTeKpIC1（9-17）AtTKAKpppICCIP若偏差是幅值为A的阶跃干扰（9-18）PCCCIPpAKAKAKppp2在时间t=TI时，有（9-19）积分控制 三、积分时间对系统过渡过程的影响图9-16
44、 积分时间对过渡过程的影响 当缩短积分时间当缩短积分时间,加强积分加强积分控制作用时控制作用时,一方面克服余差一方面克服余差的能力增加。另一方面会使过的能力增加。另一方面会使过程振荡加剧程振荡加剧,稳定性降低。积稳定性降低。积分时间越短分时间越短,振荡倾向越强烈振荡倾向越强烈,甚至会成为不稳定的发散振荡。甚至会成为不稳定的发散振荡。24 微分控制比例积分控制器对于多数系统都可采用，两个参数均可调整。当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大；负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分作用。25 微分控制 一、微分控制规律及其特点26 图9-17 微分控制的动
45、态特性dtdeTpD（9-20）微分控制 二、实际的微分控制规律及微分时间在偏差存在但不变化时,微分作用都没有输出。27 微分控制图9-18 实际微分器输出变化曲线tTKDDPDDeKAAppp1当输入是一幅值为 A的阶跃信号时(9-21)可见，t=0时,p=KDA；t=时,p=A。微分控制器在阶跃信号的作用下,输出p一开始就立即升高到输入幅值A的KD倍,然后再逐渐下降,到最后就只有比例作用A了。微分放大倍数KD决定了微分控制器在阶跃作用瞬间的最大输出幅度。28微分控制 微分时间TD是表征微分作用强弱的一个重要参数，它决定了微分作用的衰减快慢，且它是可以调整的。tTKDDDDeKAp1(9-2
46、2)在t=T时,整个微分控制器的输出为1368.0DTKAAp(9-25)1368.011DDDKAeKApDDKTT 假定则(9-23)(9-24)29 微分控制n 三、比例微分控制系统的过渡过程三、比例微分控制系统的过渡过程dtdeTeKpppDCDP当比例作用和微分作用结合时,构成比例微分控制规律（9-27）比例微分控制器的输出比例微分控制器的输出p等于比例作用的输出等于比例作用的输出pP与微分作用的输出与微分作用的输出pD之和。改变比例度之和。改变比例度(或或KC)和微和微分时间分时间 TD分别可以改变比例作用的强弱和微分作用的分别可以改变比例作用的强弱和微分作用的强弱。强弱。说明说明：30 微分控制图9-19 微分时间对过渡过程的影响 微分作用具有抑制振荡的效果，可以提高系统的稳定性,减少被控变量的波动幅度,并降低余差。微分作用也不能加得过大。微分控制具有“超前”控制作用。31 微分控制 四、比例积分微分控制 同时具有比例、积分、微分三种控制作用的控制器称为。dtdeTedtTeKppppDICDIP1（9-28）32 微分控制图9-20 PID控制器输出特性 比例度、积分时间 TI和微分时间 TD。三个可调参数适用场合 对象滞后较大、负荷变化较快、不允许有余差的情况。控制规律 比例控制、积分控制、微分控制。33谢谢
