1、第一章 控制系统的基本概念一、控制系统的工作原理及其组成二、控制系统的基本类型三、对控制系统的基本要求四、小结第一章 控制系统的基本概念10/23/20221一、控制系统的工作原理及其组成l 自动控制自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置控制装置或控制器控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量被控量）自动地按照预定的规律运行。第一章 控制系统的基本概念对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。如：钢铁轧制:轧出厚度一致的高精度铁板l 控制控制10/23/20222例.控制实例-液面控制如：数控机床、室内温度控制、机车、
2、船舶 及飞机自动驾驶、导弹制导等。10/23/20223l 工作原理工作原理加热电阻丝220V调压器人工控制的恒温箱 温度计第一章 控制系统的基本概念10/23/20224人工控制恒温箱调节过程：观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度 偏差的大小和方向 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差。第一章 控制系统的基本概念10/23/20225大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图温度计第一章 控制系统的基本概念10/23/20226加热电阻丝22
3、0V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1+u恒温箱自动控制系统第一章 控制系统的基本概念10/23/20227恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号uu1 u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差u0，电机停止转动。第一章 控制系统的基本概念10/23/20228给定信号电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温箱(控制对
4、象)热电偶u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图第一章 控制系统的基本概念10/23/20229从恒温箱控制系统功能框图可见：给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏 差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统，即输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。第一章 控制系统的基本概念10/23/202210综上所述，控制系统的工作原理：综上
5、所述，控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比 较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。第一章 控制系统的基本概念10/23/202211由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差并纠正偏差检测偏差并纠正偏差”。第一章 控制系统的基本概念10/23/202212这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈
6、控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。第一章 控制系统的基本概念10/23/202213自动控制系统方框图的绘制步骤(重点掌握)：（1）分析控制系统的工作原理，找出被控对象。（2）分清系统的输入量、输出量。（3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。（4）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连接起来10/23/202214节流阀节流阀H(t)放大器+E+E.电动机减速器例 分析图示液位自动控制系统工作原理并绘 制系统功能框图10/23/202215解
7、解：1、电位器滑动触点位于中间位置，电动机停转，阀门保持原有开度，水箱中流入水量与流出水量相等，液面保持在希望的高度。2、若系统收到扰动使液面升高，则浮子相应升高，通过杠杆作用使电位器滑动触点下移，给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使输入流量减小，液位下降，直到电位器滑动触点回到中间位置，液面恢复给定高度；10/23/202216 3、若系统收到扰动使液面下降，则系统会自动加大阀门开度，使输入流量增加，液面恢复到给定高度。给定液位杠杆电位器放大器电动机减速器阀门水箱实际液位浮子10/23/202217l 开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：开
8、环控制系统：如步进驱动的数控机床、普通洗衣机、家用电烤箱、微波炉等 闭环控制系统：如伺服驱动的数控机床、恒温箱（冰箱、空调）等 半闭环控制系统第一章 控制系统的基本概念10/23/202218 开环控制系统特点特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端 和输入端之间不存在反馈回路；输出量 在整个控制过程中对系统的控制不产生 任何影响。输入装置指令系统输入控制装置伺服驱动装置工作台工作台 位置系统输出数控机床的开环控制系统框图第一章 控制系统的基本概念10/23/202219优点优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件 特性和参数值比较稳定，且外界干扰较 小，开环控制能够保持一定的精度。缺点缺点：
9、精度通常较低、无自动纠偏能力控制器对象或过程输入量输出量开环控制系统框图第一章 控制系统的基本概念10/23/202220 闭环控制系统特点特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输 出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。优点优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不 敏感 缺点缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性 能分析和设计麻烦。第一章 控制系统的基本概念10/23/202221控制器对象或过程输入量输出量测量元件闭环控制系统框图反馈量 半闭环控制系统特点特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。第一章 控制系统的基本概念10/23/202222l 闭环控制系统的组成给
10、定元件+串联校正元件放大变换元件执行元件控制对象_+_并联校正元件局部反馈反馈元件主反馈控制部分比较元件比较元件输入信号 xi偏差信号 e主反馈信号 xb扰动信号输出 xo闭环控制系统的组成第一章 控制系统的基本概念10/23/202223 给定元件 产生给定信号或输入信号。反馈元件 测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。注意：在机械、液压、气动、机电等系统中 存在着内在反馈，这种反馈无须专门 的反馈元件，是系统内部各参数相互 作用产生的，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。第一章 控制系统的基本概念10/23/202224 比较元件 对给定信号和反馈信号
11、进行比较，产生偏差 信号；放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能。执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、液压马达等；第一章 控制系统的基本概念10/23/202225 校正元件 用以改善系统控制质量的装置。控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。校正元件分为串联和并联两种。第一章 控制系统的基本概念10/23/202226二、控制系统的基本类
12、型l 按输入量的特征分类按输入量的特征分类 恒值控制系统系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。程序控制系统输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。第一章 控制系统的基本概念10/23/202227 随动系统（伺服系统）输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。第一章 控制系统的基本概念10/23/202228l 按系
13、统中传递信号的性质分类按系统中传递信号的性质分类 连续控制系统系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。离散（数字）控制系统系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。第一章 控制系统的基本概念10/23/202229 线性系统由线性元件组成，输入输出问具有叠加性和均匀性性质，以线性微分方程来表述。非线性系统系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。用非线性微分方程来表述。l 按系统原件性质分类按系统原件性质分类 10/23/202230l 其它分类方法其它分类方法 定常系统和时变系统 机械、电气、
14、机电、液压、气动、热力等控 制系统 温度、压力、位置等控制系统第一章 控制系统的基本概念10/23/202231三、对控制系统的基本要求l 稳定性稳定性 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制系统稳定性由系统结构所决定由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。第一章 控制系统的基本概念10/23/202232l 准确性准确性 控制精度，以稳态误差来衡量。稳态误差稳态误差：系统的
15、调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的差值。第一章 控制系统的基本概念10/23/202233l 快速性快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。注意：不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快 速性要求各有侧重。系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应 根据实际需求合理选择。第一章 控制系统的基本概念10/23/202234本章作业：P8 1-3、1-4四、小结本章主要内容：掌握反馈控制工作原理及相关概念了解控制系统的类型掌握对控制系统的基本要求第一章 控制系统的基本概念了解控制工程基础的研究对象与任务10/23/2022351.仓库大门自动控制系统原理如图所示，试说明其工作原理并绘制系统框图。放大器电动机门u2u1反馈开关绞盘10/23/2022362.分析图示两个液位自动控制系统工作原理并绘制系统功能框图hqiqoa)10/23/202237放大器1放大器2厚度检测器减速器直线执行器uauu1u3u2vbda钢板3.分析图示钢板厚度控制系统工作原理并绘 制系统功能框图10/23/202238
