自动控制-控制系统的基本概念

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1、自动控制原理主讲人：****本门课程的性质:1.重要的技术基础课，阐述有关自动控制技术的基础理论——经典控制论，研究“控制论”在工程中的应用。基本内容——控制论的基本理论、方法、特点、综合设计方法。研究对象——自动控制系统，揭示自动控制系统中存在的信息转换、传递和反馈。2.学习目的：①自动化发展的需要②与信息科学、系统科学关系紧密③掌握控制系统分析与设计的基本方法第1章控制系统的基本概念1.1引言1.2开环控制系统和闭环控制系统1.3自动控制系统的组成1.4自动控制系统的分类1.5自动控制系统的应用实例1.6自动控制理论发展简史

2、1.7对自动控制系统的基本要求1.1引言一、控制系统基本概念1.控制（Control）：根据某种原理或方法，使特定对象（被控对象）的某些物理量（被控量）按照预期规律变化的操纵过程。2.人工控制（ManualControl）：由人直接或间接操作执行装置的控制方式。3.自动控制（AutomaticControl）：是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（或称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律运行。4.自动控制理论：是研究有关自动控制共同规律的一

3、门技术科学，是自动控制技术的基础理论，根据发展的不同阶段，其内容可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。二、人工控制与自动控制示例——水池水位控制1.人工控制被控对象：水池被控量：水池的水位观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者之差为误差。根据误差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水池水位，使之与要求值保持一致。人脑：记住水位的期望值；人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构）人脑：将水池的期望值-实际值；比较（比较机构）人手

4、：调节进水阀门的开度，执行控制作用。执行（执行机构）是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值之间的差值减为0。人工控制精度不高，人的反应不够快，不少恶劣的场合人无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。2.自动控制当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使进水阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。电位计+连杆—人脑：记住水位的期望值；浮子—人眼：观察水池的实际水位；电位计+连杆—人脑

5、：反映误差（=水位的期望值-实际值）；电动机—人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值间的差值减为0，即误差为0。控制过程：测量（测量反馈机构）—浮子比较（比较机构）—电位计+连杆执行（执行机构）—电动机1.2开环控制系统和闭环控制系统控制系统的类型很多，它们的结构类型和所完成的任务也各不相同。控制系统中最常见的两种控制方式是开环控制和闭环控制，这两种控制的组合——即为复合控制，相对应的控制系统称为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。示例——直流电动机转

6、速开环控制系统给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。+_电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+电位器1.2.1开环控制系统只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来影响输入量的控制作用，因而，将它称为开环控制系统（Open-LoopControlSystem）。扰动控制信号被控制量给定电压ug转速n被控对象控制装置Mc电压放大器功率放大器直流电动机开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在

7、输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。开环控制的缺点——当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，抗干扰性能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。1.2.2闭环控制系统电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+_uf电位器测速发电机+_ue=ug-uf偏差直流电动机转速闭环控制系统方块图设上述系统原已在

8、某个给定电压ug相对于的转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。偏差始终存在正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue=ug-uf）↑→ua↑→n↑n电压放大