机械工业出版社,第1章 自动控制系统的一般概念,1.1 引言,第1章 自动控制系统的一般概念,1,1.2 自动控制与自动控制系统,2,1.3 自动控制系统的基本类型,3,1.4 对自动控制系统的基本要求,4,1.5 本课程的任务,5,2,1.1 引言,3,自动控制原理是自动化学科的重要基础理论，专门研究有关自动控制系统的基本概念、基本原理和基本方法。,本章通过介绍自动控制和自动控制系统的基本概念，使读者对反馈控制系统的组成、特点、类型、常用术语、性能指标及经典控制理论的主要研究内容有个初步了解，为以后章节的学习打下基础。,1.1 引言,4,人类利用自动控制技术解决生产过程中实际问题的历史非常悠久。早在公元前300年，古希腊就运用反馈控制原理设计了浮子调节器，并应用于水钟和油灯中。我国也在久远的古代先后发明了铜壶滴漏计时器、指南车等控制装置。直到1769年瓦特（J.Watt）发明了控制蒸汽机转速的飞球控制器才标志着工业革命的开始。,1.2 自动控制与自动控制系统,5,一.人工控制与自动控制 二.控制系统的方框图表示法 三.开环控制与闭环控制 四.自动控制系统的基本组成,一. 人工控制与自动控制,6,要正确理解什么是自动控制，首先要了解什么是控制，以及相关的概念。,【例1-1】人开关灯的过程如图所示。,一. 人工控制与自动控制,7,在自动控制理论中，控制的定义是:为了达到预定的目标，对被控对象施加的作用，其目的是使得被控量按照预期的规律变化。,被控对象是指需要对它的某个特定量进行控制的设备或过程；,被控量是指被控对象的输出。,一. 人工控制与自动控制,8,【例1-2】人改变水温的过程。,【例1-3】红绿灯控制车流的过程。,一. 人工控制与自动控制,9,在对被控对象进行控制时，按照系统中是否有人直接参与，可分为人工控制和自动控制。若由人来完成对被控对象的控制，称为人工控制（或手动控制）。,若用自动控制装置代替人来完成控制任务，称为自动控制。,自动控制定义：自动控制就是在无人直接参与的情况下（即不需要人的交互作用），利用控制装置对被控对象进行合理的控制，使被控量自动地按预期的规律变化。,为完成预期的自动控制任务，而将被控对象与其他装置以某种方式相连的集合就构成了自动控制系统。,一. 人工控制与自动控制,10,【例1-4】水温人工控制系统。,【例1-5】水温自动控制系统,给定输入（也称预期输出、参考输入、输入量、期望值等）是控制被控量变化规律的指令信号。,二. 自动控制系统的方框图表示法,11,图1-6 方框图的基本组成单元,控制系统的方框图就是把系统各个环节用方框来表示，环节的名称写在方框内，进入方框的信号为输入，离开方框的为输出，如图1-6a所示；各信号名称写在有箭头的信号线上，信号线的箭头方向代表信号的流向；用圆圈里带交叉线的符号表示比较点（综合点），箭头指向比较点的那几个信号进行相加或相减运算（决定于那个信号的符号），箭头离开比较点的信号就是运算的结果，如图1-6b所示；用交叉线表示引出点（分支点），引出点表示信号的引出，如图1-6c所示。,二. 自动控制系统的方框图表示法,12,【例1-1】,【例1-2】,图1-7 例1-1和例1-2系统的方框图,三. 开环控制与闭环控制,13,自动控制有两种最基本的方式，即开环控制和闭环控制。,这种只存在控制器对被控对象的单方向控制作用，而没有被控对象到控制器的反向联系的过程称为开环控制。按开环控制方式所组成的系统称为开环控制系统。图1-8所示的两个系统都是开环控制系统。,图1-8 例1-2和例1-3系统方框图,三. 开环控制与闭环控制,14,控制器与被控对象之间不仅有正向控制作用，而且还存在被控对象到控制器的反向联系的过程称为闭环控制。按闭环控制方式所组成的系统称为闭环控制系统。,图1-9 例1-4和例1-5系统的方框图,三. 开环控制与闭环控制,15,由此可见，与开环控制系统不同，闭环控制系统增加了对被控量的检测，并将检测值与给定输入比较。将检测信号送回到输入端，并与给定输入比较的过程称为反馈。对被控量的检测值称为主反馈信号，给定输入与主反馈信号之差称为偏差。若主反馈信号符号为“-”，称为负反馈，反之若为“+”，则称为正反馈。,闭环控制系统的工作原理是，利用负反馈来产生偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制系统内部或外部干扰对被控量的影响，逐步减小以致消除这一偏差，达到自动控制的目的。因此闭环控制也称反馈控制，这种由偏差产生的控制作用又称为偏差控制。,四.自动控制系统的基本组成,16,如果把组成自动控制装置的物理部件按在完成自动控制任务中的工作职能归类，不同的物理系统就有了相同职能的方框图形式，如图1-10所示。,图1-10自动控制系统的职能方框图,1.3 自动控制系统的基本类型,17,一.恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统 二.线性系统和非线性系统 三.连续系统和离散系统,一.恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统,18,恒值控制系统的特点是:系统的给定值为某个恒定不变的常数，控制目的强调的是抑制各种干扰影响，使系统的被控量尽可能保持在期望值的附近。,【例1-6】 水箱水位自动控制系统。,图1-11 水箱水位自动控制系统及方框图,一.恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统,19,随动控制系统的特点是系统的给定输入为一个未知的时间函数，控制目的强调的是系统的被控量快速跟随给定输入信号的变化。,【例1-7】 一类典型随动控制系统的控制过程 。,图1-12 典型随动控制系统及方框图,一.恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统,20,程序控制系统的特点是系统的给定输入为一个预先知道的时间函数，控制目的是使系统的被控量按给定输入的信号变化，既要有一定的响应速度，又要有一定的精度。如电梯升降控制、数控车床和机器人控制系统。,二. 线性系统和非线性系统,21,当组成系统的各个环节输入和输出关系可以用线性微分方程（或线性差分方程）来描述时，称这种系统为线性控制系统（简称线性系统）。其特点是满足叠加原理，即同时具有叠加性和齐次性（或均匀性）。,图1-13 线性控制系统的叠加性和齐次性,二. 线性系统和非线性系统,22,如果组成系统的各个环节或元件的输入和输出关系至少存在一个非线性特性，则这类系统称为非线性控制系统（简称非线性系统）。非线性系统不具有叠加性和齐次性，因此也可以说,凡是不同时满足叠加性和齐次性的系统均为非线性系统。,23,若描述系统（环节）输入与输出关系的微分方程:,线性系统,方程中，输入输出函数及各阶导数皆为一次,非线性时变系统,线性定常系统,线性时变系统,三.连续系统和离散系统,24,若控制系统中各部分的信号均是时间变量t的连续函数，则称这类系统为连续时间系统（简称连续系统），对于这类随时间连续变化的信号量也称为模拟量。连续系统的运动方程或特性一般用微分方程来描述。,若在系统中一处或多处的信号是在时间上离散的脉冲序列或数码形式，则称这类系统为离散控制系统（简称离散系统）。如果离散时间信号以脉冲序列的形式出现，称为采样控制系统；如果离散时间信号是以数字量的形式在系统中传递，这类系统又称为数字控制系统（或计算机控制系统）。,图1-14 计算机控制系统的方框图,1.4 对自动控制系统的基本要求,25,一.稳定性 二.平稳性与快速性 三.准确性,一.稳定性,26,稳定性是保证控制系统能够正常工作的先决条件。,当系统受到干扰的作用，正处于某一工作状态的被控量（保持在给定值）都会发生变化而偏离给定值，当干扰消失后，如果被控量最终会回到给定值或在其期望的范围内，称这种现象为系统稳定，这样的系统为稳定系统。,一个稳定系统当受到干扰的作用能恢复到原来的工作状态，其被控量的变化将呈现衰减振荡或非周期过程。,图1-15 稳定系统的输出曲线,二.平稳性与快速性,27,稳定系统受到干扰的作用或给定输入发生变化时，被控量都要发生变化而偏离期望值。由于控制系统中一般都存在储能元件或惯性元件，被控量不能马上跟随输入信号的变化并达到期望值，控制系统总要经历一个反复调整的过程，才能到达一个新的平衡状态，使被控量跟随给定输入的变化并达到期望值。这个调整过程称为动态过程（过渡过程），而把被控量达到的新的平衡状态称为稳态。,图1-16 典型系统的阶跃响应曲线,三.准确性,28,一个稳定系统的动态过程结束后，系统进入稳态，理想情况下都希望被控量的稳态值达到给定值，但由于系统的结构、输入信号的形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响，被控量的稳态值与给定值之间总存在误差，称为稳态误差。稳态误差是衡量系统稳态精度的重要指标，通常希望系统的稳态误差尽可能的小，即希望系统具有较高的控制准确度或控制精度。,图1-17 型系统的斜坡响应曲线,1.5 本课程的任务,29,控制系统的分析是对于给定的控制系统，并已知其结构和参数，如何从理论上对它的稳定性、动态性能和稳态性能进行定性的分析和定量的计。,一.自动控制系统的分析,二.自动控制系统的校正,控制系统的综合与校正是分析的逆向问题。解决的是对不满足系统性能要求的固有系统，如何在适当的位置增加校正装置（或控制器），构成新的系统结构，使校正后系统的性能能全面地满足技术上的要求。,本章小结,30,本章以水温调节为主线索，依次自然解释了控制、自动控制及自动控制系统以及相关的一些重要概念，引出了自动控制系统的方框图表示法，自动控制系统的分类等内容。重点介绍了闭环控制系统及相关概念、如何用方框图来分析自动控制系统的组成及工作原理、以及自动控制系统的基本要求，即稳、准、快的要求。引出了自动控制理论需要解决的两个问题：系统的分析和系统的综合与校正。,习题,31,1-10 1-11 1-13 1-14 1-16,Thank you,本章结束,32,