1、Page 12022-12-16第第1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 v1.1 自动控制理论的发展史及内容 v1.2 开环控制和闭环控制 v1.3 自动控制系统的组成 v1.4 自动控制系统的分类 v1.5 对自动控制系统的基本要求 v1.6 自动控制系统实例 v习题 Page 22022-12-161.1 自动控制理论的发展史及内容自动控制理论的发展史及内容 v自动控制自动控制v就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自置对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要动的调节
2、与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。求的指标。v自动控制系统性能的优自动控制系统性能的优劣，将直接影响到产品劣，将直接影响到产品的产量、质量、成本、劳动条件和预期目标的的产量、质量、成本、劳动条件和预期目标的完成。完成。Page 32022-12-16v1788年年,瓦特瓦特(Watt),蒸汽机蒸汽机v1868年年,麦克斯韦（麦克斯韦（Maxwell）,轮船摆动轮船摆动（稳定性）（稳定性）v 20世纪，世纪，自动控制技术的真正发展自动控制技术的真正发展Page 42022-12-16正在研究蒸汽机的瓦特正在研究蒸汽机的瓦特 这是正在研究蒸汽机的瓦特。这是正在研究蒸汽机的瓦特。瓦特经过不断
3、地努力改进，终于瓦特经过不断地努力改进，终于使蒸汽机变成适用于一切工业部使蒸汽机变成适用于一切工业部门的动力机械。蒸汽机成了机器门的动力机械。蒸汽机成了机器的动力之源。这幅图现由伦敦私的动力之源。这幅图现由伦敦私人收藏。人收藏。Page 52022-12-16世界上第一台蒸汽机世界上第一台蒸汽机 这是陈列在英国伦敦科学博这是陈列在英国伦敦科学博物馆内的瓦特制成的世界上第一物馆内的瓦特制成的世界上第一台蒸汽机，其许多主体部件都是台蒸汽机，其许多主体部件都是用木头制造的。用木头制造的。Page 62022-12-16 瓦特画像瓦特画像瓦特出身于苏格兰，从小便瓦特出身于苏格兰，从小便酷爱学习，勤于思
4、考。正是由酷爱学习，勤于思考。正是由于他敏锐的观察力和顽强的毅于他敏锐的观察力和顽强的毅力，最终完成了第一台改良蒸力，最终完成了第一台改良蒸汽机的制作。使蒸汽机变成适汽机的制作。使蒸汽机变成适用于一切工业部门的动力机械用于一切工业部门的动力机械。今天我们仍然用今天我们仍然用“瓦特瓦特”作作为计算功率的一种单位。为计算功率的一种单位。Page 72022-12-16瓦特铜像瓦特铜像 1819年年8月月25日，英国著名科学日，英国著名科学家詹姆斯家詹姆斯瓦特逝世，终年瓦特逝世，终年85岁。岁。这是坐落于英国苏格兰格拉斯哥这是坐落于英国苏格兰格拉斯哥市乔治广场的詹姆斯市乔治广场的詹姆斯瓦特铜像。瓦特
5、铜像。它于它于1832年修建。年修建。Page 82022-12-16v自动控制理论自动控制理论v 1)经典控制理论：经典控制理论：20世纪世纪4060年代年代v 2)现代控制理论：现代控制理论：20世纪世纪60年代中期年代中期v 3)智能控制理论：智能控制理论：20世纪世纪70年代以后年代以后vP2：基础、核心、对象、数学模型、分：基础、核心、对象、数学模型、分析方法、主要内容、控制装置、技术工析方法、主要内容、控制装置、技术工具类型、用途。具类型、用途。Page 92022-12-16图1-1 对自动控制理论的具体描述 Page 102022-12-161.2 开环控制和闭环控制开环控制和
6、闭环控制 v 1.开环控制系统开环控制系统 (Open loop Control System)v 若系统的输出量不被引回来对系统的控制部若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则这样的系统称为开环控制分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。系统。Page 112022-12-16图 1 2 数控加工机床示意图 加 工 程序 指 令控 制 脉 冲(程 序 编 码)运 算控 制 器脉 冲发 生 器分 配 器步 进 电 动 机步 进 电 动 机精 密 传 动精 密 传 动工 作 台工 作 台xyPage 122022-12-16图 1-3 数控加工机床开环控制方框图 控制器执行元件控制
7、对象输入量(控制脉冲)(脉冲分配器)(步进电动机及传动机构)(工作台)输出量(位 移)Page 132022-12-16v开环系统的特点开环系统的特点v优点：无反馈环节，一般结构简单、系统稳定优点：无反馈环节，一般结构简单、系统稳定性好、成本低。性好、成本低。v缺点：抗干扰能力差，系统不能自动进行补偿。缺点：抗干扰能力差，系统不能自动进行补偿。Page 142022-12-16v2.闭环控制系统闭环控制系统 (Closed loop Control System)v若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称为部分，形成闭合
8、环路，则这样的系统称为闭环闭环控制系统，又称为反馈控制系统控制系统，又称为反馈控制系统(Feedback Control System)。Page 152022-12-16图 1-4 电炉箱恒温自动控制系统 加热电阻丝电炉箱热电偶工件UfTUsTUaUUR给定电位器电压放大器功率放大器直流伺服电动机减速器调压变压器 220 V温度计M)C(TPage 162022-12-16图 1-5 电炉箱自动控制方框图 UsTUUfTT热电偶电压放大功率放大电动机减速器调压器电炉Page 172022-12-16图 1-6 炉温自动调节过程 UfTU(UsT UfT)Ua电机正转URT自动补偿，直至T给定
9、值，U0时止(0)(0)TPage 182022-12-16v闭环系统的特点闭环系统的特点v优点：有反馈环节，可对系统自动进行补偿，优点：有反馈环节，可对系统自动进行补偿，抗干扰能力强，精度高。抗干扰能力强，精度高。v缺点：结构复杂、成本高，系统稳定性有可能缺点：结构复杂、成本高，系统稳定性有可能变差变差。Page 192022-12-16图 1-7 自动控制系统的方框图()T 炉温UsTUfT给定电位器Ua电枢电压UR电炉电压电炉电动机、减速器、调压器热电偶(输出量)给定元件输入量()反馈量放大器放大元件执行元件控制对象()扰动量 Q2工件增减散热检测元件U反馈回路1.3 自动控制系统的组成
10、自动控制系统的组成Page 202022-12-16v一般自动控制系统包括：一般自动控制系统包括：v(1)给定元件给定元件(Command Element)v(2)检测元件检测元件(Detecting Element)v(3)比较环节比较环节(Comparing Element)v(4)放大元件放大元件(Amplifying Element)v(5)执行元件执行元件(Executive Element)v(6)控制对象控制对象(Controlled Plant)v(7)反馈环节反馈环节(Feedback Element)Page 212022-12-16v 顺馈通道顺馈通道(Feedforwo
11、rd Path)或前向通道或前向通道(Forword Path)v 反馈通道或反馈回路反馈通道或反馈回路 (Feedback Path)Page 222022-12-16v自动控制系统中的作用量和被控制量包括：自动控制系统中的作用量和被控制量包括：v(1)输入量：又称控制量或参考输入量输入量：又称控制量或参考输入量，角标常，角标常用用i(或或 r)表示。表示。v(2)输出量：又称被控制量，输出量：又称被控制量，角标常用角标常用o(或或 c)表示。表示。v(3)反馈量：通过检测元件将输出量转变成与给反馈量：通过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同定信号性质相同且数量级相同的信号。且数量级相同
12、的信号。Page 232022-12-16v(4)扰动量扰动量:又称干扰或又称干扰或“噪声噪声”，角标常以角标常以d(或或n)表示。表示。v(5)中间变量中间变量:系统中各环节之间的作用量。系统中各环节之间的作用量。Page 242022-12-16 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 v1.按输入量变化的规律分类按输入量变化的规律分类v1)恒值控制系统恒值控制系统 (Fixed Set-Point Control System)特点：输入量是恒量，要求系统的输出量相应特点：输入量是恒量，要求系统的输出量相应地保持恒定地保持恒定。Page 252022-12-16v2)随动控制系统随
13、动控制系统 (Follow-Up Control System)特点：输入量是随机变化着的，要求系统的输特点：输入量是随机变化着的，要求系统的输出量能跟随输入量出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。的变化而作出相应的变化。Page 262022-12-16v3)程序控制系统程序控制系统 (Programme Control System)特点：输入量按照一定的时间函数变化特点：输入量按照一定的时间函数变化,要求要求输出量随之变化。例如数控伺服系统以及一些输出量随之变化。例如数控伺服系统以及一些自动化生产线等。自动化生产线等。Page 272022-12-16v 2.按系统传输信号对时间的关系
14、分类按系统传输信号对时间的关系分类v 1)连续控制系统连续控制系统 (Continuous Control System)特点：各元件的输入量与输出量都是连续量特点：各元件的输入量与输出量都是连续量 (模 拟 量模 拟 量)，又 称 为 模 拟 控 制 系 统，又 称 为 模 拟 控 制 系 统(Analogue Control System)。Page 282022-12-16v2)离散控制系统离散控制系统 (Discrete Control System)又称采样数据控制系统（又称采样数据控制系统（Sampted-Date Control System）特点：系特点：系统中有的信号是脉冲序
15、列，或采样统中有的信号是脉冲序列，或采样数据量、数字量。数据量、数字量。Page 292022-12-16v 3.按系统的输出量和输入量间的关系分类按系统的输出量和输入量间的关系分类v 1)线性系统线性系统(Liner System)特点：系统全部由线性元件组成，它的输出量与特点：系统全部由线性元件组成，它的输出量与输入量间的关系用线性微输入量间的关系用线性微分方程来描述。分方程来描述。v 2)非线性系统非线性系统(Non Liner System)特点：系统中存在有非线性元件，如具有死区、特点：系统中存在有非线性元件，如具有死区、出现饱和、含有库仑摩擦等出现饱和、含有库仑摩擦等非线性特性的元
16、件，非线性特性的元件，它的输出量与输入量间的关系要用非线性微分方它的输出量与输入量间的关系要用非线性微分方程来描述。程来描述。Page 302022-12-16v4.按系统参数对时间的变化情况分类按系统参数对时间的变化情况分类v1)定常系统（定常系统（Time-Invariant System）特点：系统的全部参数不随时间变化，特点：系统的全部参数不随时间变化，它的它的输出量与输入量间的关系用输出量与输入量间的关系用定常微分方程来描定常微分方程来描述。述。v2)时变系统时变系统 (Time-Varying System)特点：系统中有的参数是时间特点：系统中有的参数是时间t的函数，的函数，它随
17、它随时间变化而改变。时间变化而改变。Page 312022-12-161.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求v1.稳定性稳定性(Stability)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。v2.快速性快速性(Rapidity)系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其 过渡过程的形式和快慢提出要求，即动态性能。过渡过程的形式和快慢提出要求，即动态性能。v3.准确性准确性(Accuracy)理想情况下，当过渡过程结束后，被控量达到稳理想情况下，当过渡过程结束后，被控量达到稳 态值（即平衡状态）应与
18、期望值一致。态值（即平衡状态）应与期望值一致。Page 322022-12-161.6 自动控制系统实例自动控制系统实例 v先明确以下问题：先明确以下问题：v(1)哪个是控制对象？被控量是什么？影响被哪个是控制对象？被控量是什么？影响被控量的主扰动量是什么？控量的主扰动量是什么？v(2)哪个是执行元件？哪个是执行元件？v(3)测量被控量的元件有哪些？有哪些反馈环测量被控量的元件有哪些？有哪些反馈环节？节？v(4)输入量由哪个元件给定？反馈量与给定量输入量由哪个元件给定？反馈量与给定量如何进行比较？如何进行比较？v(5)此外还有哪些元件（环节）此外还有哪些元件（环节）?它们在系统它们在系统中处于
19、什么地位？中处于什么地位？起什么作用？起什么作用？Page 332022-12-16v1.轧钢计算机控制系统轧钢计算机控制系统v系统的工作原理图如图系统的工作原理图如图 1-8 所示。所示。v系统的原理方框图如图系统的原理方框图如图 1-9 所示。所示。Page 342022-12-16图 1 8 轧钢计算机控制系统的原理图 电动机张力传感器D/AA/D数字计算机张力给定厚度给定开卷机轧辊厚度控制张力控制厚度传感器Page 352022-12-16v被控对象：被控对象：轧辊。轧辊。v被控量：轧辊的输出量被控量：轧辊的输出量厚度和张力。厚度和张力。v干扰量：主要是元件参数的变化而引起的干扰干扰量
20、：主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩。力矩。v测量元件：厚度传感器和张力传感器。测量元件：厚度传感器和张力传感器。v给定量：厚度给定、张力给定，是人们设计的给定量：厚度给定、张力给定，是人们设计的希望值。希望值。v计算装置：数字计算机。计算装置：数字计算机。v执行元件：电动机。执行元件：电动机。Page 362022-12-16图 1 9 轧钢计算机控制系统的原理方框图 厚度张力A/D数字计算机D/A轧辊厚度或张力传感器Page 372022-12-16v2.机床台控制系统机床台控制系统v控制系统的工作原理图如图控制系统的工作原理图如图1-10 所示。所示。v系统的原理方框图如图系统的原理方
21、框图如图 1-11 所示。所示。Page 382022-12-16图 1 10 机床台控制系统的原理图 电动机xixo测速机角位移测量装置滚珠丝杆u(t)控制器放大变换工作台Page 392022-12-16v被控对象：工作台。被控对象：工作台。v被控量：工作台的输出量被控量：工作台的输出量位移位移xo。v干扰量：主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩。干扰量：主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩。v测量元件：角位移测量装置和测速机。测量元件：角位移测量装置和测速机。v给定量：给定量：xi，设计者要把零件的毛胚加工成理想的那个模，设计者要把零件的毛胚加工成理想的那个模线。线。v计算装置：控制器用
22、来把三个输入信号比较后得到的差值计算装置：控制器用来把三个输入信号比较后得到的差值输出给放大变换器，进而控制电动机的转动。输出给放大变换器，进而控制电动机的转动。v执行元件：电动机，用来拖动工作台按理想的模线运动。执行元件：电动机，用来拖动工作台按理想的模线运动。Page 402022-12-16图 1 11 机床台控制系统的原理方框图xi控制器放大变换电动机工作台xo测速机角位移测量装置Page 412022-12-16v3.液位控制系统液位控制系统v控制系统的工作原理图如图控制系统的工作原理图如图1-12 所示。所示。v控制系统的原理方框图如图控制系统的原理方框图如图1-13 所示。所示。
23、Page 422022-12-16图 1-12 液位控制系统的原理图 Q1调节阀液体储罐调节器变送器阀门HQ2Page 432022-12-16v被控对象：被控对象：液体储罐。液体储罐。v被控量：被控量：液体储罐的输出量液体储罐的输出量液位液位xo。v扰动量：扰动量：主要是主要是Q2的变化。的变化。v给定量：给定量：液体储罐中液位的希望高度液体储罐中液位的希望高度xi。v测量元件：测量元件：液位变送器。液位变送器。v计算装置：计算装置：调节器。调节器。v执行元件：执行元件：调节阀。调节阀。Page 442022-12-16图 1-13 液位控制系统的原理方框图 xixo干扰量调节器调节阀液体储
24、罐变送器Page 452022-12-16v4.转速、转速、电流双闭环直流调速系统电流双闭环直流调速系统v调速系统的原理图图如图调速系统的原理图图如图 1-14 所示。所示。v调速系统的方框图如图调速系统的方框图如图 1-15 所示。所示。Page 462022-12-16图 1-14 转速、电流双闭环直流调速系统原理图+RP1UsnR0RP2RP3UUsiUcUfnLdUdTAASRUfi0RR0R1C1R0R0Usi0RACRR2C2TGMPage 472022-12-16图 1-15 转速、电流双闭环直流调速系统方框图 给定电位器给定UsnUn速度环n(转速）RP1UsiASRACRMU
25、cUd电流环UfiIdUfnnTG电流互感器整流电路速度调节器电流调节器Ui触发电路整流电路电动机测速发电机UTAPage 482022-12-16v 由图由图 1-14 可见可见v 该系统有双闭环：电流环、速度环。该系统有双闭环：电流环、速度环。v ASR（速度调节器）和（速度调节器）和ACR（电流调节器）实行串（电流调节器）实行串级连接，即由级连接，即由ASR去去“驱动驱动”ACR，再由，再由ACR去去“控制控制”触发电路。触发电路。v ASR和和ACR均为比例均为比例积分积分（PI）调节器。）调节器。Page 492022-12-16习习 题题 v1-1 分析比较开环控制与闭环控制的特征
26、、分析比较开环控制与闭环控制的特征、优优缺点和应用场合的不同。缺点和应用场合的不同。Page 502022-12-16v 1-2 指出下列系统中哪些属开环控制，哪些属闭环控制指出下列系统中哪些属开环控制，哪些属闭环控制:v (1)家用电冰箱家用电冰箱 v (2)家用空调家用空调 v (3)家用洗衣机家用洗衣机v (4)抽水马桶抽水马桶 v (5)普通车床普通车床v (6)电饭煲电饭煲 v (7)多速电风扇多速电风扇v (8)高楼水箱高楼水箱 v (9)调光台灯调光台灯 v (10)自动报时电子钟自动报时电子钟Page 512022-12-16v 1-3 衡量一个自动控制系统的性能指标通常有哪些
27、？衡量一个自动控制系统的性能指标通常有哪些？图图 1-16 为某自动控制系统启动时的动态曲线，其中为某自动控制系统启动时的动态曲线，其中x(t)为被控量，为被控量，xo为期望稳态值。曲线为期望稳态值。曲线、对应不同的调节参对应不同的调节参数。试分析比较数。试分析比较、两种情况技术性能的优劣。两种情况技术性能的优劣。图 1-16 某自动控制系统的启动曲线t/(1 s/格)xox(t)/(1 cm/格)5%Page 522022-12-16v1-4 组成自动控制系统的主要环节有哪些？组成自动控制系统的主要环节有哪些？它们各有什么特点它们各有什么特点?起什么作用？起什么作用？v1-5 恒值控制系统和
28、随动控制系统的主要区恒值控制系统和随动控制系统的主要区别是什么？判断下列系统属于哪一类系统：电别是什么？判断下列系统属于哪一类系统：电饭煲、空调、燃气热水器、饭煲、空调、燃气热水器、自动跟踪雷达、自动跟踪雷达、家用交流稳压器。家用交流稳压器。Page 532022-12-16v1 6 画出电冰箱温度自动控制系统的方框画出电冰箱温度自动控制系统的方框图，并说明在该系统中可能存在哪些扰动量？图，并说明在该系统中可能存在哪些扰动量？v提示提示v 电冰箱是依靠由电动机驱动的压缩机，电冰箱是依靠由电动机驱动的压缩机，将氟里昂气将氟里昂气体压缩成液体，体压缩成液体，此液体在冰箱柜内的管道中气化膨此液体在冰
29、箱柜内的管道中气化膨胀，胀，产生致冷效应。产生致冷效应。v检测冰箱内温度的是一个内有液体的温包，检测冰箱内温度的是一个内有液体的温包，温包内温包内液体通过毛细管与波纹管内腔液体相通。液体通过毛细管与波纹管内腔液体相通。v当温度升高时，当温度升高时，温包液体膨胀，温包液体膨胀，使波纹管伸长，使波纹管伸长，它它通过连杆带动微动开关，通过连杆带动微动开关，使微动开关合上，使微动开关合上，接通电接通电动压缩机的电源，动压缩机的电源，压缩机工作，压缩机工作，使温度降低。使温度降低。Page 542022-12-16v 1-7 锅炉液位控制系统如图锅炉液位控制系统如图 1-17 所示，所示，气动薄膜调节阀
30、设置在给水进水管上，液位气动薄膜调节阀设置在给水进水管上，液位检测变送器、调节器、定值器（即给定器）检测变送器、调节器、定值器（即给定器）全部采用气动单元组合（全部采用气动单元组合（QDZ）仪表。）仪表。v(1)试画出该液位控制系统的原理方框图，试画出该液位控制系统的原理方框图，要求标出各环节对应的信号。要求标出各环节对应的信号。v(2)说明被控量、给定值及可能的干扰量各说明被控量、给定值及可能的干扰量各是什么？是什么？v(3)从系统的结构、给定值变化的规律及对从系统的结构、给定值变化的规律及对象特点来分类，该自动控制系统应分别属于象特点来分类，该自动控制系统应分别属于哪类控制系统？哪类控制系统？精品课件精品课件！精品课件精品课件！Page 572022-12-16图 1-17 锅炉液位控制系统示意图 气源定值器调节器给水自动调节阀省煤器过热 器蒸汽去用户汽锅测量变送器
