自动控制系统基本知识

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1、专 业 理 论 课 教 案 （ 首页）共 1 页授课内容第1章节课题：自动控制系统基本知识授课时间课时总课时第课时授课讲授作业题数2拟用时间15/教 学 目 的1、了解自动控制基本概念、定义2、了解系统构成、分类及技术要 求3、掌握控制器基本规律选 用 教 具 挂 图无重点1、掌握闭环控制系统的构成 及其与开环控制系统的区别2、掌握系统方框图的绘制方 法难点1、闭环控制系统的构成及其与 开环控制系统的区别2、PID控制规律教学回顾教学回馈良好检查人： 检查时间： 年 月 日11/1.2 在工业生产过程或设备运行中，为了维持正常的工作条件，需要对某些物理量进行控制， 使其维持在某个数值附近，或按

2、一定规律变化，要满足这种要求，可用人工操作完成，又可 用自动装置的操作完成，前者为手动控制，后者为自动控制。自动控制和手动控制极为相似，自动控制系统只是把某些装置有机的组合在一起，代替 人的职能。任何一个控制系统，都由被控对象和控制器两大部分组成。自动控制定义：自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（简称控制器）使整个 生产过程或工作机械（被控对象）自动地按预定的规律运行，或使它的某些物理量（被控 量）按预定的要求变化。13 根据信号传送的特点或系统的结构形式，控制系统分为开环控制和闭环控制。开环控制系统：只有输入量Ugd对n的单向控制作用，而输出量n对输入量Ugd却没 有任何

3、影响和联系，即系统的输入与输出之间不存在反馈回路。开环系统没有抵抗外部干扰的能力，故控制精度低。但结构简单、造价低，所以在系统 参数稳定、无干扰或小干扰的场合大量使用。闭环控制系统：通过反馈回路使系统形成闭合环路，并按偏差 ue 的性质产生控制作用， 以求减小或消除偏差的控制系统。闭环控制原理：MfzzZz负反馈：指反馈信号Uf的正负极性必须与给定值Ugd的极性相反，以便取得偏差值作 为控制之用。自动控制系统的特征：1、系统必须具有反馈装置，并按反馈的原则组成系统。2、由偏差产生控制作用。3、控制的目的是力图减小或消除偏差，使被控量尽量接近期望值。14 自动控制系统的组成： 由测量反馈元件、比

4、较元件、校正元件、放大元件、执行元件以及被控对象等基本环节 组成。如图1-8典型自动控制系统功能框图，各元件功能见P7页。方框图的绘制：1）组成：由方框、带箭头的信号线、综合点和分支点组成。方框代表设备或部件；信号线代表信号流动方向；综合点又称相加点，对信号作比较； 分支点称引出点。2）绘制步骤：1、弄清系统的工作原理及各元器件的作用，明确输入、输出2、对组成系统的各个元件绘出基本单元图，标出输入/输出量字母代号。3、系统给定值和综合点置于图形最左端，被控对象置于最右端，其输出信号就是系统 输出，即被控量。4、按系统变量传递顺序，将变量连接，即为系统方框图。例： 书 P10 图 11115系统

5、分类按输入信号分：1、恒值控制系统：给定值不变2、程序控制系统：给定值是变化的，如何变化也是早知道的3、随动系统：又称伺服系统，给定值是变化的而且不知道如何变16应用事例17 对系统的基本要求：稳、快、准18 PID 控制器控制器是对偏差信号进行加工、处理的重要环节，其输出信号随偏差信号的变化而变化 的规律称为控制规律，又称控制算法。一、比例控制器 P若控制器输出量与输入量成正比，即：Uo=KpAU则称控制器为比例控制器，如图：可见，该比例器其实是个反相放大器，其输出电压U0为：U0=-R1/R0U=KpUKp为放大倍数，由R1和R0的比值确定，负号是由放大器为反相输入所致，使输出电 压极性和

6、输入偏差电压的极性相反。比例控制器具有作用及时、快速、控制作用强的优点，且Kp的绝对值越大，系统的偏 差就越小。但Kp过大会造成系统的不稳定。故在工程设计中一般不单独使用，而与其他控 制规律一起使用，以达到更好的效果。多级输入信号的比例控制器：将多个输入信号在放大器的输入段并联连接。二、积分控制器 I若控制器的输出量与输入量对时间的积分成正比即：Uo=KlJtQudt则称控制器为积分控制器，如图：可见，该比例器其实是个运算放大积分电路，其输出电压为：U0=-1/R0C1 f tUdt根据特性曲线表明：因电容C1的充电性能，使控制器最终形成“无输入，但有输出: 的状态。用这种输出去控制系统，可使

7、其保持在皿=0的条件下正常运行，可见，I控制器 可以消除系统输出量的稳态误差，实现无静差控制，就是积分控制的最大优点。但由于控 制器的U0是随时间积累而逐渐增强的，其过程缓慢，时间上落后于偏差信号的变化，故控 制过程不及时。所以I控制器通常作为辅助控制手段。三、比例积分控制器（PI）PI控制器的输出U0实际上是由比例和积分两个分量叠加而成的，其比例作用使系统的 动态响应速度加快，而积分作用又使系统的静态性能显著提高，实现无静差控制。原理图如 下：四、比例微分（PD）控制器“预见性”“超前性”是比例微分控制规律的突出优点，能反映偏差的大小及其 变化趋势，并能在偏差信号的数值尚未变得太大之前，就在系统中引进一个有效的早 期修正信号。有助系统的稳定性，并抑制过大的超调量。但也存在放大干扰信号的缺 点。原理图如下：五、比例积分微分（PID）控制器如前所述，积分控制可以减小或消除静差，提高精度；微分控制则可以抑制过大 的超调量，提高稳定性，加快过度过程。若将，比例、积分、微分结合起来，就可以 得到更完善的控制效果。如图由于 PID 控制规律全面的综合了比例、积分、微分的优点，不但实现了系统无静 差控制，而且动态响应速度快。故PID控制器是一种相当完善的控制器，在工程中广 泛应用。