自动控制原理-第一章-自动控制的一般概念

1-1 自动控制的任务 通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念的概念控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出流出 Q2Q2H H水位自动控制系统水位自动控制系统控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自动控制系统水位自动控制系统控制任务：控制任务：维持水箱内水位恒定；维持水箱内水位恒定；控制装置：控制装置：气动阀门、控制器；气动阀门、控制器；受控对象：受控对象：水箱、供水系统；水箱、供水系统；被控量：被控量：水箱内水位的高度；水箱内水位的高度；控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自动控制系统水位自动控制系统给定值：给定值：控制器刻度盘指针标定控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；的预定水位高度；测量装置：测量装置：浮子；浮子；比较装置：比较装置：控制器刻度盘；控制器刻度盘；干扰：干扰：水的流出量和流入量的水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持变化都将破坏水位保持恒定；恒定；自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。对象，使被控制量等于给定值。自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置控制装置和被控对象被控对象组成。由此可见：由此可见：1-自动控制的基本方式被控量被控量比较比较执行执行测量测量被控对象被控对象实测值实测值干扰干扰测量测量给定值给定值H自动控制方框图H在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。u测量元件：用以测量被控量或干扰量。u比较元件：将被控量与给定值进行比较。u执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。开环控制开环控制按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按干扰补偿的开环控制 按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制 复合控制复合控制下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式一、按给定值操纵的开环控制一、按给定值操纵的开环控制计算计算执行执行受控对象受控对象给定值给定值干扰干扰被控量被控量按给定值操纵的开环控制系统原理方框图按给定值操纵的开环控制系统原理方框图开开环控制系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。炉温控制系统炉温控制系统原理方框图定时开关炉子电阻丝0T给定炉温T实际炉温按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制特点：特点：控制装置只按给定值来控制受控对象控制装置只按给定值来控制受控对象优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。二、按干扰补偿的开环控制q定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。补偿干扰对被控量的直接影响。计算计算测量测量受控对象受控对象执行执行干扰干扰被控量被控量特点特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图三、按偏差调节的闭环控制q 特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。q优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化 而引起的变动。而引起的变动。计算比较计算比较给定值给定值E执行执行被控对象被控对象干扰干扰被控量被控量测量测量按偏差调节的系统原理方框图按偏差调节的系统原理方框图如上图所示，反馈回来的信号与给定值如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。馈，反之称为正反馈。这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。正常工作。飞机自动驾驶系统原理图控制任务控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象被控对象：飞机。被控量被控量：飞机的俯仰角 。俯仰角控制系统原理方框图四、复合控制复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。控制装置被控对象 CR补偿装置a.按输入作用补偿b.按扰动作用补偿n控制装置被控对象 CR补偿装置1-对控制系统的性能要求 定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。稳：稳：指动态过程的平稳性。指动态过程的平稳性。快：快：指动态过程的快速性。指动态过程的快速性。准：准：指动态过程的最终精度。指动态过程的最终精度。稳：稳：指动态过程的平稳性指动态过程的平稳性控制系统动态过程曲线如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。快：快：指动态过程的快速性指动态过程的快速性快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。的动态精度高。精品课件精品课件！精品课件精品课件！准：准：指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。