第1章自動控制系統(tǒng)的基本概念

1、12 王建輝王建輝 顧樹生顧樹生 主編主編楊自厚楊自厚 主審主審清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社全國高等學(xué)校自動化專業(yè)系列教材全國高等學(xué)校自動化專業(yè)系列教材普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材國家精品課程教材國家精品課程教材工程學(xué)院電氣工程系5主要內(nèi)容主要內(nèi)容n開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)n閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)n自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的類型n自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)n小結(jié)小結(jié)工程學(xué)院電氣工程系6學(xué)習(xí)重點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)v了解自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)及其工了解自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特

2、點(diǎn)及其工作原理作原理 v了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) v掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求及反饋控制系掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求及反饋控制系統(tǒng)的作用統(tǒng)的作用v學(xué)會分析自動控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征學(xué)會分析自動控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征工程學(xué)院電氣工程系7 課程的性質(zhì)和特點(diǎn)課程的性質(zhì)和特點(diǎn) 自動控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角自動控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計問題。度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計問題。 自動控制原理自動控制原理是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課。是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課。工程學(xué)院電氣工程系8本課程與其它課程的關(guān)系本課程與其它課程的關(guān)系自動控制

3、原理自動控制原理電路理論電路理論電機(jī)與拖動電機(jī)與拖動大學(xué)物理大學(xué)物理信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)復(fù)變函數(shù)復(fù)變函數(shù)拉氏變換拉氏變換模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)線性代數(shù)微積分微積分各各 類類專業(yè)課專業(yè)課線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)現(xiàn)代控現(xiàn)代控制理論制理論工程學(xué)院電氣工程系9自動控制是在沒有人的直接干預(yù)下，利用物自動控制是在沒有人的直接干預(yù)下，利用物理裝置對生產(chǎn)設(shè)備和工藝過程進(jìn)行合理的控制，理裝置對生產(chǎn)設(shè)備和工藝過程進(jìn)行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī)使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī)律變化，例如礦井提升機(jī)的速度控制、軋鋼廠加律變化，例如礦井提升機(jī)的速度控制、軋鋼廠加熱爐溫度的控制等等

4、。熱爐溫度的控制等等。自動控制系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要自動控制系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的所有物理部件的有機(jī)組合體。的所有物理部件的有機(jī)組合體。工程學(xué)院電氣工程系10例1-1 溫度控制系統(tǒng) 性能指標(biāo)性能指標(biāo) 工作過程工作過程220Vuc21工程學(xué)院電氣工程系1112擾動量擾動量給定量給定量輸出量輸出量 1 - 執(zhí)行器執(zhí)行器(自耦變壓器自耦變壓器) 2 - 被控對象被控對象(電阻爐電阻爐)圖中：圖中：工程學(xué)院電氣工程系12（1 1）開環(huán)控制）開環(huán)控制 只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出量不參與對系統(tǒng)的控制。（2 2）開環(huán)控制特點(diǎn)）開環(huán)控制特點(diǎn)n輸入量與輸出量一一對應(yīng)n輸出量不參與控制

5、沒有抗干擾能力工程學(xué)院電氣工程系13例1-2 溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)（1 1）人工閉環(huán)控制220V12uc工程學(xué)院電氣工程系14（2 2）自動閉環(huán)控制）自動閉環(huán)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 1-熱電偶 2-加熱器工程學(xué)院電氣工程系15給定量給定量 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 1-控制器 2-控制對象 3-檢測裝置工程學(xué)院電氣工程系16 閉環(huán)控制閉環(huán)控制把輸出量的一部分檢測出來,反饋到輸入端,與給定信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差,此偏差經(jīng)過控制器產(chǎn)生控制作用,使輸出量按照要求的規(guī)律變化。反饋信號與給定信號極性相反為負(fù)反饋,反之為正反饋。 閉環(huán)閉環(huán)控制特點(diǎn)控制特點(diǎn)n輸入量與輸出量一一對應(yīng)n輸出量參與控制n具有抗干擾能力工程學(xué)院電氣工

6、程系171.1.閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 1-給定環(huán)節(jié)；給定環(huán)節(jié)；2-比較環(huán)節(jié)；比較環(huán)節(jié)；3-校正環(huán)節(jié)；校正環(huán)節(jié)；4-放大環(huán)節(jié)；放大環(huán)節(jié)；5-執(zhí)行機(jī)構(gòu)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；6-被控對象；被控對象；7-檢測裝置檢測裝置工程學(xué)院電氣工程系182.2.閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)（1 1）控制對象或調(diào)節(jié)對象 要進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。（2 2）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一般由傳動裝置和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接作用于控制對象，使被控制量達(dá)到所要求的數(shù)值。 （3 3）檢測裝置或傳感器 該裝置用來檢測被控制量，并將其轉(zhuǎn)換為與給定量相同的物理量。工程學(xué)院電氣工程系19（4）給定環(huán)節(jié)設(shè)定被控制量的給定值

7、的裝置。（5）比較環(huán)節(jié)將所檢測的被控制量與給定量進(jìn)行比較，確定兩者之間的偏差量。（6）中間環(huán)節(jié)一般包括比較環(huán)節(jié)和校正環(huán)節(jié)。工程學(xué)院電氣工程系20 (1) 被控對象 (2) 被控量或輸出量 (3) 控制量 (4) 設(shè)定量或輸入量 (5) 擾動量 (6) 反饋量 (7) 偏差量3.3.閉環(huán)控制系統(tǒng)中的基本術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)中的基本術(shù)語 (8) 前向通道或正向通道 (9) 反饋通道或反向通道 (10) 理想輸出 (11) 實(shí)際輸出工程學(xué)院電氣工程系211 1）線性系統(tǒng)）線性系統(tǒng)由線性元件組成的系統(tǒng)，其微分方程中輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)都是一次的，并且各系數(shù)與輸入量（自變量）無關(guān)。 2 2）非線性系統(tǒng)）非線性

8、系統(tǒng)存在非線性元件的系統(tǒng)，其微分方程式的系數(shù)與自變量有關(guān)。工程學(xué)院電氣工程系221 1）連續(xù)系統(tǒng)）連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)各部分的信號都是連續(xù)的模擬量。 2 2）離散系統(tǒng)）離散系統(tǒng)系統(tǒng)的一處或幾處，信號是以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞。 工程學(xué)院電氣工程系231 1）恒值系統(tǒng)）恒值系統(tǒng)給定量是恒定不變的。2 2）程序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng) 給定量是按照一定的時間函數(shù)變化的。 3 3）隨動系統(tǒng)）隨動系統(tǒng) 給定量按照事先未知的時間函數(shù)變化。工程學(xué)院電氣工程系24 系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因 ： 系統(tǒng)中儲能元件系統(tǒng)中儲能元件的能量不可能突變。的能量不可能突變。 “穩(wěn)穩(wěn)”與與“快快”描述系統(tǒng)的動

9、態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。描述系統(tǒng)的動態(tài)（過渡過程）品質(zhì)?！皽?zhǔn)準(zhǔn)”描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)。描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)。 工程學(xué)院電氣工程系25 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參 數(shù)決定，與外部條件和初始狀態(tài)無關(guān)。數(shù)決定，與外部條件和初始狀態(tài)無關(guān)。工程學(xué)院電氣工程系26穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差 當(dāng)系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受當(dāng)系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)偏差，這擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為種偏差

10、稱為穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度精度，它表明了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則它表明了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。 工程學(xué)院電氣工程系27n有差系統(tǒng)（有差系統(tǒng)（圖圖a a ） 若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱為若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)有差系統(tǒng)。n無差系統(tǒng)無差系統(tǒng)（圖（圖b b ） 若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱為若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)無差系統(tǒng)。(a a)(b b)工程學(xué)院電氣工程系28工程學(xué)院電氣工程系29（1 1）最大超調(diào)量）最大超調(diào)量輸出最大值與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對誤差

11、。輸出最大值與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對誤差。反映了系統(tǒng)的反映了系統(tǒng)的平穩(wěn)性平穩(wěn)性。最大超調(diào)量越小，則。最大超調(diào)量越小，則說明系統(tǒng)過渡過程越平穩(wěn)。說明系統(tǒng)過渡過程越平穩(wěn)。 （2 2）上升時間）上升時間 指系統(tǒng)的輸出量第一次到達(dá)輸出穩(wěn)態(tài)值所對應(yīng)指系統(tǒng)的輸出量第一次到達(dá)輸出穩(wěn)態(tài)值所對應(yīng)的時刻。的時刻。 cmax()%100%()ccxxxrt工程學(xué)院電氣工程系30（3 3）過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）系統(tǒng)的輸出量進(jìn)入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值系統(tǒng)的輸出量進(jìn)入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值附近的允許誤差帶內(nèi)所需的時間。允許誤差附近的允許誤差帶內(nèi)所需的時間。允許誤差帶寬度一般取穩(wěn)態(tài)輸出值的帶寬度一般取穩(wěn)

12、態(tài)輸出值的2%2%或或5%5%。調(diào)節(jié)時間的長短反映了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間的長短反映了系統(tǒng)的快速性快速性。調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)時間越小，系統(tǒng)的快速性越好。時間越小，系統(tǒng)的快速性越好。 （4 4）振蕩次數(shù)）振蕩次數(shù)在調(diào)節(jié)時間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值附近上下波在調(diào)節(jié)時間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值附近上下波動的次數(shù)。動的次數(shù)。它也反映系統(tǒng)的它也反映系統(tǒng)的平穩(wěn)性平穩(wěn)性。振蕩次數(shù)越少，說。振蕩次數(shù)越少，說明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好。明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好。 st工程學(xué)院電氣工程系311. 1. 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，但不能自開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，但不能自動補(bǔ)償擾動對輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾動量產(chǎn)動補(bǔ)償擾動對輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾

13、動量產(chǎn)生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)償或影響不大時，采生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)償或影響不大時，采用開環(huán)控制是有利的。當(dāng)擾動量無法預(yù)計或控用開環(huán)控制是有利的。當(dāng)擾動量無法預(yù)計或控制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時，則應(yīng)采用閉制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時，則應(yīng)采用閉環(huán)控制。環(huán)控制。2. 2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以克服擾動對系統(tǒng)的影響。節(jié)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以克服擾動對系統(tǒng)的影響。閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán)閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。工程學(xué)

14、院電氣工程系323.3.自動控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、自動控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對象、和反饋環(huán)比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對象、和反饋環(huán)節(jié)等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控量有：節(jié)等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控量有：給定量、反饋量、擾動量、輸出量和各中間給定量、反饋量、擾動量、輸出量和各中間變量。變量。 4.4.結(jié)構(gòu)圖（又簡稱框圖）可直觀地表達(dá)系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)圖（又簡稱框圖）可直觀地表達(dá)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)（或各部件）間因果關(guān)系，可以表達(dá)各環(huán)節(jié)（或各部件）間因果關(guān)系，可以表達(dá)各種作用量和中間變量的作用點(diǎn)和信號傳遞情種作用量和中間變量的作用點(diǎn)和信號傳遞情況以及它們對輸出量的影響。況以及它們對輸出量的影響。工程學(xué)院電氣工程系335.5.在不同輸入量作用下對系統(tǒng)的輸出量的要求，在不同輸入量作