1、教学目标知识目标：熟练掌握开、闭环控制的特点 掌握自控系统的分类 了解自控系统性能指标和研究方法能力目标：能掌握开、闭环控制的特点 能了解自控系统的分类、性能指标和 研究方法素质目标:培养自学能力 培养文献检索、资料查找与阅读能力 2.闭环控制系统(ClosedLoop Control System)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，则这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统(Feedback Control System)。图 1-3 为电炉箱恒温自动控制系统。图 1-3 电炉箱恒温自动控制系统 图 1-4 电炉箱自动控制系统的组成框图 图 1 5 炉温自动调
2、节过程 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 现以图 1-3和图 1-4 所示的恒温控制系统来说明自动控制系统的组成和有关术语。图 1-6 自动控制系统的组成框图 由图 1-6 可以看出，一般自动控制系统包括：(1)给定元件（Command Element）：由它调节给定信号（UsT），以调节输出量的大小。(2)检测元件（Detecting Element）：由它检测输出量（如炉温T）的大小，并反馈到输入端。(3)比较环节（Comparing Element）：在此处，反馈信号与给定信号进行叠加，信号的极性以“+”或“-”表示。(4)放大元件（Amplifying Element）：由于偏差信
3、号一般很小，因此要经过电压放大及功率放大，以驱动执行元件。(5)执行元件（Executive Element）：驱动被控制对象的环节。(6)控制对象（Controlled Plant）：亦称被调对象。(7)反馈环节（Feedback Element）：由它将输出量引出，再回送到控制部分。由图 1-6 可见，系统中的各种作用量和被控制量包括 (1)输入量（Input Variable）：又称控制量或调节量（Reference Input Variable），所以输入量的角标常用i(或 r)表示。它通常由给定信号电压构成,或通过检测元件将非电输入量转换成信号电压。(2)输出量（Output Var
4、iable）：又称被控制量（Controlled Variable）,所以输出量角标常用o(或 c)表示。它是被控制对象的输出，是自动控制的目标。(3)反馈量（Feedback Variable）：通过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同且数量级相同、数值相近的信号电压。(4)扰动量（Disturbance Variable）:又称干扰或“噪声”（Noise），所以扰动量的角标常以d（或n）表示。它通常指引起输出量发生变化的各种因素。(5)中间变量(Semifinisbed Variable)：系统中各环节之间的作用量。课题二课题二 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 自动控制系统可以从
5、不同的角度来进行分类，常见的有以下几种。1.按输入量变化的规律分类 自动控制系统按输入量变化的规律可分为以下三类。1)恒值控制系统(Fixed Set-Point Control System)恒值控制系统的特点是：系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。2)随动系统（Follow-Up Control System）随动控制系统又称伺服系统（Serve-System），其特点是：输入量是随机变化着的，并且要求系统的输出量，能跟随输入量的变化而作出相应的变化。3)过程控制系统(Programme Control System)过程控制系统的特点是：输入量按照一定的时间函数变化，
6、并且要求输出量随之变化。例如数控伺服系统以及一些自动化生产线等。2.按系统传输信号对时间的关系分类 自动控制系统按系统传输信号对时间的关系可分为两类。1)连续控制系统（Continuous Control System）连续控制系统的特点是：控制作用的信号都是连续量或模拟量，因此它又称为模拟控制系统（Analogue Control System）。图 1-3 所示的恒温控制系统就是连续控制系统。连续控制系统的运动规律通常可用微分方程来描述。2)离散控制系统(Discrete Control System)离散控制系统又称采样数据控制系统（Sampted-Date Control System
7、）。它的特点是：系统中有的信号是断续量，或采样数据量、数字量。3.按系统的输出量和输入量间的关系分类 自动控制系统按系统的输出量和输入量间的关系可分为两类。1)线性控制系统(Liner Control System)线性控制系统的特点是：系统由线性元件构成，它的各个环节或系统都可以用关系用线性微分方程来描述。2)非线性控制系统(Non Liner Control System)非线性控制系统的特点是：系统中存在有非线性元件，如具有死区、出现饱和、含有摩擦等非线性特性的元件，它的输出量与输入量间的关系要用非线性微分方程来描述。4.按系统中的参数对时间的变化情况分类 自动控制系统按系统中的参数对时
8、间的变化情况可分为两类。1)定常系统（Time-Invariant System）定常系统(又称时不变系统),其特点是：系统的全部参数不随时间变化，它的输出量与输入量间的关系用定常微分方程来描述。2)时变系统(Time-Varying System)时变系统的特点是：系统中有的参数是时间t的函数，它随时间变化而改变。课题三课题三 对自动控制系统性能的要求对自动控制系统性能的要求 1.系统的稳定性系统的稳定性 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。图1-7 稳定系统和不稳定系统 a)稳定系统 b)不稳定系统2、系统
9、的稳态性能指标、系统的稳态性能指标(Steaty-State Performance Specification)当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统会出现偏差，这种偏差称为稳态误差ess(Steady-State Error)。系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度(或静态精度)(Static Accuracy)，它表明了系统的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。.有静差系统:ess0，如图1-8a所示。.无静差系统:ess=0，如图1-8b所示。图1-8 自动控制系统的稳态性能a)有静差系统 b)无静差系统3、系统的动态性能指标、系统的动态性能指标(
10、Dynamic Performance Specification)系统从一个稳态过渡到新的稳态都需要经历一段时间，亦即需要经历一个过渡过程。表征这个过渡过程性能的指标叫做动态指标。图1-9为系统对突加给定信号的动态响应曲线（1）.最大超调量最大超调量()(Maximum Overshoot)最大超调量是输出量c(t)与稳态值 的最大偏差与稳态值 之比。即 =/100%最大超调量反映了系统的动态精度，最大超调量越小，则说明系统过渡过程进行得越平稳。（2 2）.调整时间调整时间()(Settling Time)()(Settling Time)调整时间()是给定量作用于系统开始，到输出量进入并一
11、直保持在离稳态值的允许误差带内所需要的时间。（3 3）.振荡次数振荡次数()(Order Number)()(Order Number)振荡次数是指在调整时间内，输出量在稳态值上下摆动的次数。结论结论 在上述指标中，最大超调量和振荡次数反映了系统的稳定性能。调整时间反映了系统的快速性。稳态误差反映了系统的准确度。一般说来，我们总是希望最大超调量小一点，振荡次数少一点，调整时间短一些，稳态误差小一点。总之，希望系统能达到稳、快、准。以后的分析将表明，这些指标要求，在同一个系统中往往是相互矛盾的。这就需要根据具体对象所提出的要求，对其中的某些指标有所侧重，同时又要注意统筹兼顾。性能指标是衡量自动控
12、制系统技术品质的客观标准，它是订货、验收的基本依据，也是技术合同的基本内容。研究自动控制系统的方法研究自动控制系统的方法 对自动控制系统进行分析研究，首先是对系统进首先是对系统进行定性分析行定性分析。所谓定性分析，主要是搞清各个单元及各个元件在系统中的地位和作用，以及它们之间的相互联系，并在此基础上搞清系统的工作原理。然后，在定性分析的基础上，可以建立系统的数学模型建立系统的数学模型；再应用自动控制理论对系统的稳定性、稳态性能和动态稳定性、稳态性能和动态性能进行定量分析性能进行定量分析。在系统分析的基础上就可以找到改善系统性能，提高系统技术指标的有效途径，这也就是系统的校正和设计。自动控制理论
13、又分为经典控制理论(Classical Control Theory)和现代控制理论(Modern Control Theory)。经典控制理论是建立在传递函数(Transfer Function)概念基础之上的，它对单输入单输出系统是十分有效的。现代控制理论是建立在状态变量(State Variable)概念基础之上的，它适用于复杂的多输入多输出控制系统及变参数非线性系统，实现自适应控制(Adaptive Control)、最佳控制(Optimal Control)等。在经典控制理论中，又有时域分析法(TimeDomain Analysis Method)、频率响应法(Freguency R
14、esponse ethod)和根轨迹法(The Root Locus Method)等几种分析方法。课题四课题四 自动控制技术的发展历史自动控制技术的发展历史 在工业、农业、交通运输和国防各个方面都离不开自动控制。所谓自动控制，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、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。自动控制系统性能的优劣，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完成。自动控制技术的应用可以追溯到18世纪(1788年)瓦特(Watt)利用小球离心调速器使蒸汽机转速保持恒定的开创性的突破，以及19世纪(1868年)麦克斯威尔
15、（Maxwell）对轮船摆动（稳定性）的研究。但在初期，自动控制技术的应用进展很缓慢。自动控制技术的真正发展是在20世纪。自动控制理论通常可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。1)经典控制理论 经典控制理论产生并发展于20世纪4060年代。2)现代控制理论 现代控制理论于20世纪60年代中期发展成熟。3)智能控制理论 智能控制理论是20世纪70年代后，控制理论向广度和深度发展的结果。智能控制系统是指具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的就是智能机器人。对自动控制理论的具体描述可表示为下图。对自动控制理论的具体描述 习习 题题 1-1 分析比较开环控制与闭环控制的特征、
16、优缺点和应用场合的不同。1-2 指出下列系统中哪些属开环控制，哪些属闭环控制:(1)家用电冰箱 (2)家用空调 (3)家用洗衣机 (4)抽水马桶(5)普通车床(6)电饭煲 (7)多速电风扇 (8)高楼水箱(9)调光台灯 (10)自动报时电子钟 1-3 衡量一个自动控制系统的性能指标通常有哪些？下图 为某自动控制系统启动时的动态曲线，其中x(t)为被控量，xo为期望稳态值。曲线、对应不同的调节参数。试分析比较、两种情况技术性能的优劣。某自动控制系统的启动曲线t/(1 s/格)xox(t)/(1 cm/格)5%1-4 组成自动控制系统的主要环节有哪些？它们各有什么特点?起什么作用？1-5 恒值控制
17、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：电饭煲、空调、燃气热水器、自动跟踪雷达、家用交流稳压器。1-6 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？（提示：电冰箱是依靠由电动机驱动的压缩机，将氟里昂气体压缩成液体，此液体在冰箱柜内的管道中气化膨胀，产生致冷效应。检测冰箱内温度的是一个内有液体的温包，温包内液体通过毛细管与波纹管内腔液体相通。当温度升高时，温包液体膨胀，使波纹管伸长，它通过连杆带动微动开关，使微动开关合上，接通电动压缩机的电源，压缩机工作，使温度降低。)1-7 锅炉液位控制系统如下图 所示，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）全部采用气动单元组合（QDZ）仪表。(1)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。(2)说明被控量、给定值及可能的干扰量各是什么？(3)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哪类控制系统？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50 结束语结束语
