第1章自動控制系統基本概念

第1章自動控制系統基本概念第一頁，共34頁。

本課程的基本情況專業(yè)基礎課 先修課程：電路原理、電子技術、電機拖動參考教材

《自動控制原理》胡壽松科學技術出版社《自動控制原理及其應用》黃堅高等教育出版社考核期末考試70%+平時30%（5%實驗+10%考勤+5%作業(yè)）+10%期中）2第二頁，共34頁。自動控制原理王建輝顧樹生主編

楊自厚主審

清華大學出版社全國高等學校自動化專業(yè)系列教材

普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材

國家精品課程教材第三頁，共34頁。第1章自動控制系統的基本概念自動控制原理第四頁，共34頁。第1章自動控制系統的基本概念主要內容開環(huán)控制系統與閉環(huán)控制系統閉環(huán)控制系統的組成和基本環(huán)節(jié)自動控制系統的類型自動控制系統的性能指標小結5第五頁，共34頁。第1章自動控制系統的基本概念學習重點了解自動控制系統的基本結構和特點及其工作原理

了解閉環(huán)控制系統的組成和基本環(huán)節(jié)

掌握反饋控制系統的基本要求及反饋控制系統的作用學會分析自動控制系統的類型及本質特征6第六頁，共34頁。第1章自動控制系統的基本概念

課程的性質和特點

自動控制是一門技術學科，從方法論的角度來研究系統的建立、分析與設計問題。

《自動控制原理》是本學科的技術基礎課。7第七頁，共34頁。第1章自動控制系統的基本概念本課程與其它課程的關系自動控制原理電路理論電機與拖動大學物理信號與系統復變函數拉氏變換模擬電子技術線性代數微積分各類專業(yè)課線性系統現代控制理論8第八頁，共34頁。1.1開環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統自動控制自動控制是在沒有人的直接干預下，利用物理裝置對生產設備和工藝過程進行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī)律變化，例如礦井提升機的速度控制、軋鋼廠加熱爐溫度的控制等等。自動控制系統自動控制系統是為實現某一控制目標所需要的所有物理部件的有機組合體。9第九頁，共34頁。1.1開環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統1.開環(huán)控制系統例1-1溫度控制系統

性能指標工作過程10第十頁，共34頁。1.1開環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統12擾動量給定量輸出量1-

執(zhí)行器(自耦變壓器)2-被控對象(電阻爐)圖中：11第十一頁，共34頁。1.1開環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統（1）開環(huán)控制

只有輸入量對輸出量產生控制作用，輸出量不參與對系統的控制。（2）開環(huán)控制特點輸入量與輸出量一一對應輸出量不參與控制沒有抗干擾能力12第十二頁，共34頁。1.1開環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統2.閉環(huán)控制系統例1-2溫度閉環(huán)控制系統（1）人工閉環(huán)控制~220V12uc13第十三頁，共34頁。1.1開環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統（2）自動閉環(huán)控制閉環(huán)控制系統圖

1-熱電偶2-加熱器14第十四頁，共34頁。1.1開環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統給定量

閉環(huán)控制結構圖

1-控制器2-控制對象3-檢測裝置15第十五頁，共34頁。1.1開環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統①閉環(huán)控制把輸出量的一部分檢測出來,反饋到輸入端,與給定信號進行比較，產生偏差,此偏差經過控制器產生控制作用,使輸出量按照要求的規(guī)律變化。反饋信號與給定信號極性相反為負反饋,反之為正反饋。②閉環(huán)控制特點輸入量與輸出量一一對應輸出量參與控制具有抗干擾能力16第十六頁，共34頁。1.2閉環(huán)控制系統的組成和基本環(huán)節(jié)1.閉環(huán)控制系統的結構圖

1-給定環(huán)節(jié)；2-比較環(huán)節(jié)；3-校正環(huán)節(jié)；4-放大環(huán)節(jié)；5-執(zhí)行機構；6-被控對象；7-檢測裝置17第十七頁，共34頁。1.2閉環(huán)控制系統的組成和基本環(huán)節(jié)2.閉環(huán)控制系統的基本環(huán)節(jié)（1）控制對象或調節(jié)對象要進行控制的設備或過程。（2）執(zhí)行機構一般由傳動裝置和調節(jié)機構組成。執(zhí)行機構直接作用于控制對象，使被控制量達到所要求的數值。

（3）檢測裝置或傳感器該裝置用來檢測被控制量，并將其轉換為與給定量相同的物理量。18第十八頁，共34頁。1.2閉環(huán)控制系統的組成和基本環(huán)節(jié)（4）給定環(huán)節(jié)設定被控制量的給定值的裝置。（5）比較環(huán)節(jié)將所檢測的被控制量與給定量進行比較，確定兩者之間的偏差量。（6）中間環(huán)節(jié)一般包括比較環(huán)節(jié)和校正環(huán)節(jié)。19第十九頁，共34頁。1.2閉環(huán)控制系統的組成和基本環(huán)節(jié)

(1)

被控對象

(2)

被控量或輸出量

(3)

控制量

(4)

設定量或輸入量

(5)

擾動量

(6)

反饋量

(7)

偏差量3.閉環(huán)控制系統中的基本術語

(8)

前向通道或正向通道

(9)

反饋通道或反向通道

(10)

理想輸出

(11)

實際輸出20第二十頁，共34頁。1.3自動控制系統類型1.線性系統和非線性系統

——按照主要元件的輸入輸出特性劃分1）線性系統由線性元件組成的系統，其微分方程中輸出量及其各階導數都是一次的，并且各系數與輸入量（自變量）無關。

2）非線性系統存在非線性元件的系統，其微分方程式的系數與自變量有關。21第二十一頁，共34頁。1.3自動控制系統類型2.連續(xù)系統與離散系統

——按照信號傳遞方式劃分1）連續(xù)系統系統各部分的信號都是連續(xù)的模擬量。

2）離散系統系統的一處或幾處，信號是以脈沖序列或數碼的形式傳遞。

22第二十二頁，共34頁。1.3自動控制系統類型3.恒值系統、隨動系統和程序控制系統

——按照輸入量的變化規(guī)律劃分1）恒值系統給定量是恒定不變的。2）程序控制系統

給定量是按照一定的時間函數變化的。

3）隨動系統給定量按照事先未知的時間函數變化。23第二十三頁，共34頁。1.4自動控制系統的性能指標

穩(wěn)定性（穩(wěn)）、快速性（快）、準確性（準）

系統的過渡過程產生的原因：系統中儲能元件的能量不可能突變。“穩(wěn)”與“快”描述系統的動態(tài)（過渡過程）品質?！皽省泵枋鱿到y的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質。

對自動控制系統的基本要求24第二十四頁，共34頁。1.4自動控制系統的性能指標

穩(wěn)定性

是保證控制系統正常工作的先決條件。 線性控制系統的穩(wěn)定性由系統本身的結構與參數決定，與外部條件和初始狀態(tài)無關。1.穩(wěn)定性25第二十五頁，共34頁。1.4自動控制系統的性能指標2.穩(wěn)態(tài)性能指標穩(wěn)態(tài)誤差當系統從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統受擾動作用又重新平衡后，系統可能會出現偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。系統穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統的穩(wěn)態(tài)精度，它表明了系統控制的準確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統的穩(wěn)態(tài)精度越高。26第二十六頁，共34頁。1.4自動控制系統的性能指標有差系統（圖a

）若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統稱為有差系統。無差系統（圖b

）

若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統稱為無差系統。(a)(b)27第二十七頁，共34頁。1.4自動控制系統的性能指標3.暫態(tài)性能指標28第二十八頁，共34頁。（1）最大超調量輸出最大值與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對誤差。反映了系統的平穩(wěn)性。最大超調量越小，則說明系統過渡過程越平穩(wěn)。

（2）上升時間指系統的輸出量第一次到達輸出穩(wěn)態(tài)值所對應的時刻。

1.4自動控制系統的性能指標29第二十九頁，共34頁。（3）過渡過程時間（調節(jié)時間）系統的輸出量進入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值附近的允許誤差帶內所需的時間。允許誤差帶寬度一般取穩(wěn)態(tài)輸出值的2%或5%。調節(jié)時間的長短反映了系統的快速性。調節(jié)時間越小，系統的快速性越好。

（4）振蕩次數在調節(jié)時間內，輸出量在穩(wěn)態(tài)值附近上下波動的次數。它也反映系統的平穩(wěn)性。振蕩次數越少，說明系統的平穩(wěn)性越好。

1.4自動控制系統的性能指標30第三十頁，共34頁。小結1.開環(huán)控制系統結構簡單、穩(wěn)定性好，但不能自動補償擾動對輸出量的影響。當系統擾動量產生的偏差可以預先進行補償或影響不大時，采用開環(huán)控制是有利的。當擾動量無法預計或控制系統的精度達不到預期要求時，則應采用閉環(huán)控制。2.閉環(huán)控制系統具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)節(jié)進行自動調節(jié)，以克服擾動對系統的影響。閉環(huán)控制極大地提高了系統的精度。但是閉環(huán)使系統的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。31第三十一頁，共34頁。3.自動控制系統通常由給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對象、和反饋環(huán)節(jié)等部件組成。系統的作用量和被控量有：給定量、反饋量、擾動量、輸出量和各中間變量。4.結構圖（又簡稱框圖）可直觀地表達系統各環(huán)節(jié)（或各部件）間因果關系，可以表達各種作用量和中間變量的作用點和信號傳遞情況以及它們對輸出量的影響。