自动控制原理-第1章-自动控制的一般概念

系统职能方框图的建立
[定义] 根据控制系统各部件的职能 画出的方框图。
输入量
环节
输出量
设定 水位
控制器 杠杆
人脑/手
误差
阀门
水箱
浮子/眼
干扰
实际 水位
正/负反馈液位控制系统
负反馈
正反馈
l1 H
Q1
l2 Q2
l1 Q1
H l2
Q2
室温控制系统元件框图
E
r ＋ －
e 空调器
热传导 室内空气等 c
y
-
计算 执行
测量 干扰 +
受控对象
被控量
测量
特点：主要扰动进行干扰补偿，并结合偏差控制实现 良好的控制效果。
最优控制：要求控制系统实现对某种性能标准最 好的控制。
自适应控制：当系统特性或元件参数变化时，能 自动测量这些变化并自动改变系统的结构和参数， 使系统适应环境的变化并始终保持最优的性能。
给定值：又称为指令输入信号，它与被控变量是同一 物理单位，用来表示被控变量的设定值（室内温度的 设定值） 。
参考输入信号：代表指令输入信号与反馈信号进 行比较的基准信号称为参考输入信号（电位器的 输出电压）。
偏差信号：参考输入信号与反馈信号之差称为偏 差信号（e= r - y）。
扰动信号：是加于系统上的不希望的外来信号， 它对被控变量产生不利的影响（周围环境温度的 变化及房间散热条件的变化等）。
热敏电阻
图 1-1 室温控#43; 元件 -
控制器
e 执行元 件
扰动信号
控制对 c 象
被控变量 输出信号
y
测量元件
室温控制系统功能框图
控制系统中常用的信号和变量
输入信号：由外部加到系统中的变量，它不 受系统中其他变量的影响和控制。
输出信号：由系统或元件产生的变量，其中 最受关注的输出信号又称为被控变量（室内 的实际温度）。
1.2 自动控制系统分类
一． 开环控制和闭环控制 按照控制方式和策略，系统可分为开环控制系统和
闭环控制系统两大类。
输入量
控制器
控制量
输出量 控制对象
输入量
偏差量
图1-3 开环控制系统
控制器
控制量
控制对象
输出量
反馈装置
图1-4 闭环控制系统
1、开环控制系统
控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的 输出量不会对控制器产生任何影响；
这些装置相互配合，承担着控制的职能，通常称之为控制器 （或控制装置）。任何一个控制系统，都是由被控对象和控制 器两部分所组成的。
自动控制系统
自动控制系统 ：被控对象和自动控制装置按照一 定方式连接起来，完成一定控制任务的总体（能 够对被控对象的工作状态实现自动控制的系统）
控制装置：对被控对象起控制作用的设备的总体 被控对象：需要控制的设备或生产过程
思考：被控对象、被控量？如何实现控制 控制目的：避免水过满或抽空，应使水池水位与预 定水位相等 控制手段：改变进水阀门的开度
人工控制过程：测量（眼）、决策（脑）、执行（手）
自动控制和人工控制极为相似，自动控制系统只不过 是把某些装置有机地组合在一起，以代替人的职能而 已。浮子（眼睛），连杆和电位器（大脑） ，电动机 （手）。
自动控制系统的基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
开环控制
输入信号
控制装置
输出信号
被控对象
输入端与输出端只有信号的前向通道, 不存在由输出端 到输入端的反馈通路,即,系统的输入不受输出的影响
优点：结构简单、成本低、稳定性好 缺点：抗干扰能力差，不能自动修正被控量产生的偏差
适用场合：干扰不强或可预测、元件比较稳定、控制精度 要求不高的场合，如洗衣机、红绿灯
对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。
5执行元件：
直接对受控对象进行操纵的元件，使被控量变化，如电动机、液压马达等。
6校正元件： 用以改善系统控制 质量的装置。
校正元件分为串联和并联两种。 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共 同起控制作用，统称为控制器。 实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰 动和外部扰动。但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与 被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控 制对象的干扰。
使设备或生产过程的物理量保持恒定或按一定规律的变化
被控对象 被控量 输入量、给定值、希望值
自动控制的概念
在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或 装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或 生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参 数（即被控量）自动地按照预定的规律（给定值） 运行。
下面以水池水位系统的人工控制与自动控制为 例说明自动控制的原理
[实质] 检测偏差 纠正偏差
系统原理方框图
控制系统的工作原理
从恒温箱控制系统功能框图（职能方框图）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）。
被控量位于系统的输出端，称为系统输出量。
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。
闭环控制系统的组成
1给定元件： 产生给定信号或输入信号。 2测量元件： 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。
注意：在机械、液压、气动、机 电等系统中存在着内在反馈，需要将这些量转化为电信号。
3比较元件：
对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。
4放大元件：
控制系统的组成
被控对象
控制系统
控制装置
测量元件 比较元件
放大元件 执行元件 校正装置 给定元件
控制系统的组成 被控对象：在自动化领域，被控制的装置、 物理系统或过程（室内空气） 。
控制器：对控制对象产生控制作用的装置称 为控制器，有时也称为控制元件、调节器等 （放大器） 。
执行元件：直接改变被控变量的元件称为执 行元件（空调器） 。
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。
2.恒温箱自动控制系统
[动态过程]
恒温箱实际温度由热电 偶转换为对应的电压u2
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。
反馈信号：指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入 端的信号。
偏差信号：指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈 信号的差值。
控制系统的工作原理
1.人工控制恒温箱
[动态过程]
1
2
观测恒温箱内的温度（被控 制量）
3
[实质]检测偏差再纠正偏差。
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
总之，自动控制技术的应用几乎无所不在 。
1.1 自动控制系统简介
控制 （人工控制和自动控制）
在许多工业生产过程或生产设备运行中，为了保证 正常的工作条件，往往需要对某些物理量(如温度、 压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制， 使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律 变化。要满足这种需要，就应该对生产机械或设备 进行及时的操作，以抵消外界干扰的影响。 控制：为了满足预期要求所进行的操作
显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式 是“检测偏差再纠正偏差”。
自动控制系统的工作原理— 负反馈
将系统的输出信号引回输入端，与输 入信号相比较，利用所得的偏差信号进行 控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。
____ 构成闭环控制系统的核心
闭环(反馈)控制系统的特点：
(1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭合回路 (2) 偏差起调节作用
智能控制：具有智能信息处理、智能反馈和智能 控制决策的控制方式。
自动控制：在无人直接参与的情况下，使被控对象的一个 物理量（被控量）按预定规律（给定量）运行。
自动控制系统：按照一定方式把被控对象和控制器连接起 来完成各种控制任务的有机整体。
基
被控对象：指完成一定技术要求的工作机器、装置或生产 过程等。
自动控制系统= 控制装置+被控对象 测量元件
控制器 执行元件
自动控制系统的方框图
方框图可直观的表达控制系统的组成及信
号之间的传递关系
出水量
水位给定值 ＋
偏差
控制器
进水量
进水调节阀
水池
水位实际值
水位测量值
浮子
方框图中各符号的意义
方框（块）图 中的符号
元部件 信号（物理量）及传递方向 比较点 引出点(分支点) 表示负反馈
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。
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，根据偏差值的大小产生控制作用，实现控制 任务，这是反馈控制的基本原理，故称之为反馈 控制。
闭环控制
输入信号 偏差信号
控制装置
被控对象
输出信号
反馈装置
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,应用反馈，减少偏差。