自控原理课件第1章自动控制系统概

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1、1自动控制原理及应用主讲张华曹西安理工大学电子工程系2目录第1章自动控制系统概述第2章自动控制系统的数学模型第3章MATLAB与SIMULINK简介第4章自动控制系统的时域分析第5章自动控制系统的频率分析第6章自动控制系统的性能分析第7章自动控制系统控制器及其设计3第1章自动控制系统概述1.1自动控制系统基础知识45开环控制系统是一种最简单的控制系统。下面举例说明其结构特点和工作原理。图1.1所示是一个电阻炉温度控制系统，希望电阻炉的温度Tc保持在允许范围内。在该系统中，可以通过调整自耦变压器滑动端的位置来改变电阻炉的温度，并使其保持在允许范围内。因而被控对象就

2、是电阻炉，被控量就是电阻炉的温度。自耦变压器滑动端的位置对应了一个电压值uc，也就对应了一个电阻炉的温度Tc，改变Mc也就改变了T”在这个控制系统中，没有对电阻炉的实际温度进行测量，就是说，实际温度Tc是多少不得而知。当系统中出现外部扰动(如炉门开关频繁变化)或内部扰动(如电源电压波动)时，了c将偏离“c所对应的数值，结果温度可能比希望值偏高或偏低。67图1.2表明了该系统的输入量和输出量之间的作用关系。如图1.2中表示了系统信号的流动，这种图称为方框图，箭头表示信号流动的方向。从图中可以看山，这种系统只有输入量经过一定方式影响输出量，而对输出量不进行测量，也不

3、知它和输入量的要求究竞差多少，即输出量没有参与对系统的控制，所以这种系统称为开环控制系统。当出现扰动时，给定量与输出量之间的对应关系将改变，也即系统的输出量(实际输出)将偏离给定且所要求的数值(理想输出)。显然，图1．1所承系统实现不了保持温度恒定的控制日标。开环控加的特点决定了它不具备抗干扰的能力。因此，这类开环控制系统只能用于输出量和输入量之间的关系固定且内部或外部扰动影响不大、控制精度要求不高的场合。1.2.2闭环控制系统力了解决抗干扰问题，必须采用闭环控制。闭环控制是由在开环控制基础上引入人工干预过程演变而来的。例如，在图1.1中，如果要实现无扰动都要保

4、持炉温恒定、可以让操作者参与对被控制量的控制、那么操作者如何来保持炉温恒定呢?首先，操作人员必须要测量炉子的实际温度，然后与工艺所要求的温度进行比较，再根据二者之间的差值(又称为偏差)调整自耦变压器的滑动端位置，来减少甚至消除偏差，从而保持炉温的恒定。从这里可以看出，操作者的关键作用是使系统输出量参与了系统的控制，系统一旦受到扰动的作用产生偏差，就及时调整控制量，从而保持输出量的恒定。如果用物理装置来取代操作者的上述功能、就构成了上述的闭环控制系统。111213下面对该系统的控制过程做一简单分析。当炉温由于扰动作用而偏低时，UsT＞UfT,⊿U=(USt-UfT

5、)＞0，此时偏差电压极性为正，此偏差电压经放大后，产生电压Ut，(设Ut＞0)，供给电动机电枢，使电动机正转，带动变压器滑动端右移，从而使电炉供电压增加，炉温上升，直到炉温升至给定值，达到UfT＝USt，即⊿U=0为止。这样炉温能够自动回升、并保持恒定。反之，当温炉偏高时，则UfT＞USt，⊿U为负，经放大后使电动机反转，变压器滑动端左移，供电压减小，炉温降低至给定值。当炉温处于给定值时，⊿U＝0，电动机停转。14这种系统是把输出量直接或间接地反馈到输入端形成闭环，使输出量参与了系统的控制，所以称为闭环控制系统。由于闭环系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的，因此

6、也称为反馈控制系统或偏差控制系统。在工业生产中，按照偏差控制的闭环系统种类繁多，尽管它们完成的控制任务不同，具体结构可能不一样，但是从检测偏差、利用偏差信号对被控对象进行控制以减少或消除输出量的偏差这一控制过程却是相同的。通过这种反馈控制、使控制系统的性能得到显著的改善。现将开环系统和闭环系统的特点归纳如下：1．在开环系统中，只有输入量对输出量产生控制作用。从结构上看，只有从输入端到输出端的信号传递通道(该通道称为正向通道)，没有反馈。所以系统结构简单，系统稳定性好，成本也低，这是开环控制的优点，因为没有反馈，系统不具备抗干扰能力，这是开环控制系统的缺点。所以开

7、环系统只能用在输人量与输出量之间关系固定，且内部或外部扰动不大或这些扰动因素可以预计确定并能进行补偿的场合。2.在闭环控制系统中，除输入量对输出量产生控制作用外，输出量也参与系统控制。从结构上看，除正向通道外，还必须有从输出端到输入端的信号传递通道，使输出也参与控制作用，该通道称为反馈通道。闭环系统就是由正向通道和反向通道组成的。因为有了反馈，闭环系统具有抗干扰能力，这是闭环控制系统最突出的优点。同时，由于有了反馈，就必须要检测偏差，所以闭环系统必须有检测环节来直接或间接检测出输出量，并将其转换为与输人量相同的物理量，再与给定量比较得出偏差信号。因此闭环系统结构

8、相对复杂，成本较高，而且