自动控制原理第01讲

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1、控制工程基础主讲：张济民Email:zjm397a@163.com第一讲第一章控制系统的基本概念一、控制系统的工作原理及其组成二、控制系统的基本类型三、对控制系统的基本要求四、控制工程发展概况五、本课程的任务及主要内容六、小结第一章控制系统的基本概念一、控制系统的工作原理及其组成自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。第一章控制系统的基本概念工作原理加热电阻丝~220V调压器人工控制

2、的恒温箱温度计第一章控制系统的基本概念人工控制恒温箱调节过程：观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。第一章控制系统的基本概念大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图温度计第一章控制系统的基本概念加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1++u恒温箱自动控制系统第一章控制系统的基本概念恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2

3、恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u＝u1u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u＝0，电机停止转动。第一章控制系统的基本概念给定信号电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温箱(控制对象)热电偶u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图第一章控制系统的基本概念从恒温箱控制系统功能框图可见：给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称

4、为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。第一章控制系统的基本概念综上所述，控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。第一章控制系统的基本概念由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在

5、偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。第一章控制系统的基本概念这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。第一章控制系统的基本概念开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：开环控制系统闭环控制系统半闭环控制系统第一章控制系统的基本概念开环控制系统特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统

6、的控制不产生任何影响。输入装置指令系统输入控制装置伺服驱动装置工作台工作台位置系统输出数控机床的开环控制系统框图第一章控制系统的基本概念优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力控制器对象或过程输入量输出量开环控制系统框图第一章控制系统的基本概念闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。第一章控制系统的基本概念控制器对

7、象或过程输入量输出量测量元件半闭环控制系统框图反馈量半闭环控制系统特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。第一章控制系统的基本概念闭环控制系统的组成给定元件+串联校正元件放大变换元件执行元件控制对象_+_并联校正元件局部反馈反馈元件主反馈控制部分比较元件比较元件输入信号xi偏差信号e主反馈信号xb扰动信号输出xo闭环控制系统的组成第一章控制系统的基本概念给定元件产生给定信号或输入信号。反馈元件测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号