1.2.自动控制系统的的基本原理与结构

③系统反映速度快,但没有抗干扰能力, 控制精度不高。
1.2.2 闭环控制 (closed-loop control)
一. 闭环控制定义： 闭环控制是指控制装置与被控对象之间既 有顺向作用，又有反向联系的控制过程。 这种控制系统由于存在输出对输入的反馈， 因此对系统的输出形成了一个闭合的回路，故称 为闭环控制系统，又称反馈控制系统。
扰动量 输入量 偏差量 反馈量
控制信号
输出量 被控对象
控制器 测量元件
①按偏差控制原则
②信号传递是双方向的：既有输入量对输出量的作用，
又有输出量对输入量的作用。
扰动量 输入量 偏差量 反馈量
控制信号
输出量 被控对象
控制器 测量元件
③系统具有服从给定,抵抗扰动的能力。 ④提高了控制精度。
1.2.4 复合控制系统
工作原理分析：
当系统受到扰动影响，如电动机的负载转矩 TL ↑→流经电动机电枢中的电流Id↑→电枢电阻上的 压降↑→ n↓→ Uf ↓→ △U= (Ug- Uf) ↑→Uk↑→ Ud ↑→ n↑
图1-8直流电动机转速闭环控制方框图
• 例 图1-17是一个控制导弹发射架方位的角位置随动系统原 理图。图中，电位器P1,P2并联后跨接到同一电源E0的两端， 其滑臂分别与输入轴和输出轴相连接，以组成方位角的给 定装置和反馈装置。输入轴由手轮操纵，输出轴则由电动 机经减速器后带动，电动机采用电枢控制方式工作。它的 原理框图如图1-18所示。
一. 复合控制定义： 将开环和闭环控制结合在一起构成开环— 闭环控制方式，称为复合控制。 复合控制实质上是在闭环控制回路的基础 上附加一个输入信号或扰动信号的前馈通路，对 该信号实行加强或补偿以提高系统的控制精度。
1. 按输入信号补偿的复合控制系统
图1-9 按输入信号补偿的复合控制系统方框图
按输入信号补偿的复合控制是一种对控制能力的加强作用。 通常，补偿装置可提供一个输入信号的微分作用，并作为 前馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制， 以提高系统的跟踪精度。
二. 闭环控制系统的组成
给定元件 Command input 测量元件 Measuring Device 比较元件 Comparator
控制器 Controller
放大元件 Amplifier
执行元件 Actuator
被控对象 Controlled system
Disturbance input
三. 闭环控制系统的结构原理图
• 程序自动控制系统
(Programmed Automatic Control System) 特点：输入量是已知时间函数，要求输出以 最快速度跟随输入变化
功能: 自动控制系统给定环节给出的给定作用是 一个预定的程序,系统按该预定程序来控制 被控量
• 线性系统 • 非线性系统 • 连续系统
按系统性能分
• 2．工作原理分析： • 设在出口处的湿度测量装置测量输出谷物的实际湿度并将信号反 馈到调节器，构成系统的主反馈通道。若输出谷物湿度与调节器 中设定的湿度值不一致，就会产生偏差信号，通过调节器控制阀 门调节水量，使谷物湿度向设定值调节。入口处的湿度测量装置 测量入口处的谷物湿度，并将信号直接传到调节器，构成系统的 前馈通道。若从入口处进入的谷物的湿度与设定值不一致，调节 器可以及时调节阀门，对谷物湿度进行预先调节，使系统输出湿 度的调节过程更加平稳、准确。
• • • • •
1．各组成元件功能分析： 给定量：手轮的角位移 被控对象：导弹发射架 被控量：导弹发射架的角位移 控制装置： 给定元件—发送电位器 测量与比较元件 —电位器P1，P2,把系统的输 入与输出的位置信号转换成与之成比例的电压 信号，并进行比较 • 执行元件 — 电动机与减速器
四. 闭环控制的特点：
.
此方程的特点是系数与变量有关，或者方程中 含有变量及其导数的高次幂或乘积项。
按系统内部信号性质分
• 1. 系统内部每个信号均是时间的连续函 数——叫连续控制系统 • 2. 系统内部有一个或两个信号是时间的 离散函数——叫离散控制系统（7章）
按系统变量个数分
1.单变量控制系统 在一个控制系统中，如果只有一个输入 量和一个输出量则这类系统称为单变量 控制系统，又叫单输入单输出系统。
被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来组 成的一个有机总体。
金属切削机床的速度在电网电压或负载变化时，能自动保持近似地不变,
按照预定的程序自动地切削工件
机 器 人按照预定的程序进行工作
宇宙飞船能准确地在月球着陆，并进行成功回收
1.2.1 开环控制 (Open-loop control)
一.
按输入量变化规律分
• 随动系统
• 程序自动控制系统
• 恒值自动调节系统
（Constant Automatic Regulating System） 特点： 输入量是恒定值 功能：克服各种对被调节量的扰动而保持被 调节量为恒值
• 随动系统
（Servo-mechanism） 特点：输入量是未知时间函数，要求输出以最小 误差跟随输入 功能：按预先未知的规律来控制被控量
例
图1-2 直流电动机转速开环控制系统原理图
图1-3 直流电动机转速开环控制方框图
例
图1-2 直流电动机转速开环控制系统原理图
工作原理分析： • Rw向上→ Ug ↑ →晶闸管整流装置的触发 电路便产生一串与电压Ug相对应的、具有一 定相位的触发脉冲去控制晶闸管的导通角→晶 闸管放大器的输出电压Ud ↑ → n ↑
图1-17 角位置随动系统的原理图
• 图1-17 角位置随动系统的原理图
图1-17 角位置随动系统的原理图
图1-18 角位置随动系统的方框图
• 2．工作原理分析： • 当发送电位器P1与接收电位器P2的转角相等，即导弹发射 架的方位角与输入轴方位角一致时 o i ，Ue= Ui-Uo =Ua=0， 此时，两环形电位器组成的桥式电路处于平衡状态，无电压输出， 表示此时跟踪无偏差，电动机不动，系统处于静止状态。 •
0 1
m
m 1
式中：c（t）是被控量
r（t）是系统输入量
j • a i ,b 只要有一个以上随时间变化，就叫线性时 变系统（9章） • 2.非线性系统 描述系统r(t)与y(t)之间关系用非线性方程 （8章）
..
y ( t ) y (t ) y (t ) y (t ) r (t )
2
• 放大元件：将比较元件给出的偏差进行放 大，用来推动执行元件去控制被控对象。
• 执行元件：直接推动被控对象，使其被控 量发生变化。
• 校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参 数便于调整的元件，用串联或反馈的方式 连接在系统中，以改善系统性能。
图1-7直流电动机转速闭环控制系统
图1-8直流电动机转速闭环控制方框图
开环控制定义 开环控制是指控制装置与被控对象之间只
有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种 控制方式组成的系统称为开环控制系统。
分类： 1.按给定量控制方式组成的开环控制系统 2.按扰动控制方式组成的开环控制系统
1.按给定量控制方式组成的开环控制系统
图1-1 按给定量控制方式组成的开环控制系统框图
• 离散系统
• 定常系统 • 时变系统 • 确定性系统 • 不确定性系统
从描述系统微分方程分
• ⒈线性控制系统
n n 1
dc ( t ) d c ( t ) d c ( t ) a a ...... a n 1 a n c(t ) n n 1 dt dt dt
0 1
dr ( t ) d r ( t ) d r ( t ) b ...... b r ( t ) m 1 m b b m m 1 dt dt dt
自动控制理论
• 古典控制理论
（20世纪40年代） 以传递函数为工具和 基础，以频域法和根 轨迹法为核心，研究 单输入-单输出线性 定常控制系统的分析 与设计问题。
• 现代控制理论
（20世纪60年代） 以状态空间法为标志 和基础，以矩阵论和 近代数学方法作为工 具，研究多输入-多 输出、变参数（时 变）、非线性、高精 度等各种复杂系统的 分析与设计问题。
图1-3 直流电动机转速开环控制方框图
• • • •
各组成元件功能分析： 输入量（控制量）:用以控制电动机M转速的给定电压Ug 被控对象:电动机 输出量（被控制量）:负载的转速n
二. 开环控制特点：
输入量 控制器 控制信号 扰动量 被控对象 输出量
①输入量与输出量一一对应。
②信号单方向传递 即只有输入量对输出量产生控制作用。
偏差量
反馈量
控制器 测量元件 补偿器 控制器 测量元件
Fra Baidu bibliotek
扰动量 输出量 被控对象
复合
＋ 输入量 偏差量
扰动量 被控对象 输出量
反馈量
1.3 自动控制系统分类
开环控制
• 按控制方式分
闭环控制(反馈控制)
复合控制
• 温度控制系统
• 按系统功用分
• 压力控制系统 • 位置控制系统 •
• 恒值自动调节系统
• 2．工作原理分析： • 当摇动手轮使电位器P1的滑臂转过一个输入角 i 的瞬间， 由于输出轴的转角 o i ,于是出现了一个误差角 e i o ， u e 经放大 该误差角通过电桥P1，P2转换成偏差电压 ue ui u0 ， 后驱动电动机转动，在通过减速器带动导弹发射架转动的同时， 通过输出轴带动电位器P2的滑臂向 i 要求的方向偏转，直到 • o i 为止。此时，ui u0 ，偏差电压 ue 0 ，系统达到新的平 衡状态，电动机停止转动，这时，导弹发射架停留在相应的发射 角上。只要 o i ，偏差就会产生调节作用，控制的结果是消 除偏差 e ，使输出量 o 严格地跟随输入量 i 而变化，从而达 到角位置跟踪的目的。
2.按扰动信号补偿的复合控制系统 补偿器 ＋ 扰动量 输出量 控制器 被控对象
输入量
偏差
反馈量 图1-10 按扰动信号补偿的复合控制系统方框图
按扰动作用补偿的补偿装置，能够在可测扰动对 系统的不利影响产生前，提供一个控制作用以抵消 扰动对系统输出的影响。
3. 复合控制特点：
①控制精度高。
②可抑制几乎所有的可测扰动量。
第一章
绪论
★ 主要内容
1.1.引言
1.2.自动控制系统的的基本原理与结构 1.3. 自动控制系统分类 1.4. 对自动控制系统的基本要求
1.1引言
自动控制理论
• 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术 科学。它是采用数学的方法对自动控制系统进行分 析与综合的一般理论。 • 所谓分析指在给出系统数学模型的基础上确定系 统的性能。 • 所谓综合指在对系统性能提出要求的基础上，确 定一个满足要求的系统模型。
湿度传感器
扰动量
输入量
调节器 反馈量
阀门
传送装置
输出量
湿度传感器
输入量 → 期望的谷物湿度
输出量 → 输出的谷物湿度 扰动量 → 输入的谷物湿度 控制装置：测量元件 — 湿度传感器 执行元件 —调节器、阀门 被控对象 → 传送装置上的谷物
开环
输入量 控制器
控制信号
扰动量 被控对象
输出量
闭环
输入量
1.2自动控制系统的基本原理与结构
自动控制(Automatic control):
所谓自动控制是指在没有人直接参与的情 况下，利用外加的设备或装置(称为控制器)， 使机器、设备或生产过程(称为被控对象)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。
自动控制系统
自动控制系统是为实现某一控制目标，将
图1-6 闭环控制系统组成框图
图中，用“ ”代表多路信号汇合点， “+”表示信号相加， “-” 表示信号相减。
• 测量元件：其职能是测量被控制的物理量;
• 给定元件：其职能是给出与期望的被控量 相对应的系统输入量（即参据量）。
• 比较元件：把测量元件检测的被控量实际 值与给定元件给出的参据量进行比较，求 出它们之间的偏差。
• 例 图1-23是一个谷物湿度自动控制系统示意图。 它的原理框图如图1-24所示。在谷物磨粉的生 产过程中，有一个出粉最多的湿度，因此，磨 粉之前要给谷物加水以得到给定的湿度。图中， 谷物用传送装置按一定流量通过加水点，加水 量由自动阀门控制。加水过程中，谷物流量、 加水前谷物湿度以及水压都是对谷物湿度控制 的扰动作用。为了提高控制精度，系统中采用 了谷物湿度的前馈控制。