1、第1章 自動控制原理的基本概念第1章 自動控制原理的基本概念l主要內容l開環控制系統與閉環控制系統l閉環控制系統的組成和基本環節l自動控制系統的類型l自動控制系統的性能指標l小結第1章 自動控制原理的基本概念l學習重點v了解自動控制系統的基本結構和特點及其工作原理； v了解閉環控制系統的組成和基本環節； v掌握反饋控制系統的基本要求；v學會分析自動控制系統的類型及本質特征。第1章 自動控制原理的基本概念l 課程的性質和特點l 自動控制是一門技術學科，從方法論的角度來研究系統的建立、分析與設計自動控制原理是本學科的技術基礎課。第1章 自動控制原理的基本概念l本課程與其它課程的關系：自動控制理論自

2、動控制理論電路理論電路理論電機與拖動電機與拖動大學物理大學物理信號與系統信號與系統復變函數復變函數拉氏變換拉氏變換模擬電子技術模擬電子技術線性代數線性代數微積分微積分各各 類類專業課專業課線性系統線性系統現代控現代控制理論制理論1.1 開環控制系統和閉環控制系統l自動控制是在沒有人的直接干預下，利用物理裝置對生產設備和工藝過程進行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規律變化，例如礦井提升機的速度控制、軋鋼廠加熱爐溫度的控制等等。l自動控制系統是為實現某一控制目標所需要的所有物理部件的有機組合體。1.1 開環控制系統和閉環控制系統l例例1-1 溫度控制系統溫度控制系統 性能指標性

3、能指標 工作過程工作過程220Vuc211.1 開環控制系統和閉環控制系統12擾動量擾動量給定量給定量輸出量輸出量 1 - 控制器控制器(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：1.1 開環控制系統和閉環控制系統l（1）開環控制l 只有輸入量對輸出量產生控制作用，輸出量只有輸入量對輸出量產生控制作用，輸出量不參與對系統的控制不參與對系統的控制。l（2）開環控制特點輸入控制輸出輸入控制輸出輸出不參與控制輸出不參與控制系統沒有抗干擾能力系統沒有抗干擾能力1.1 開環控制系統和閉環控制系統l例例1-2 溫度閉環控制系統溫度閉環控制系統l（1）人工閉環控制）人工閉環

4、控制220V12uc1.1 開環控制系統和閉環控制系統（2）自動閉環控制）自動閉環控制1.1 開環控制系統和閉環控制系統給定量給定量 閉環控制結構圖 1-控制器 2-控制對象 3-檢測裝置1.1 開環控制系統和閉環控制系統l 反饋控制l把輸出量的一部分檢測出來把輸出量的一部分檢測出來, ,反饋到輸入端反饋到輸入端, ,與給定信與給定信號進行比較，產生偏差號進行比較，產生偏差, ,此偏差經過控制器產生控制作用此偏差經過控制器產生控制作用, ,使使輸出量按照要求的規律變化輸出量按照要求的規律變化l反饋信號與給定信號極性相反為負反饋反饋信號與給定信號極性相反為負反饋, ,反之為正反饋反之為正反饋l

5、反饋控制特點l輸入控制輸出輸入控制輸出l輸出參與控制輸出參與控制l檢測偏差糾正偏差檢測偏差糾正偏差l具有抗干擾能力具有抗干擾能力1.2 閉環控制系統的組成和基本環節1.1.閉環控制系統的結構圖閉環控制系統的結構圖 1-給定環節；給定環節；2-比較環節；比較環節；3-校正環節；校正環節；4-放大環節；放大環節；5-執行機構；執行機構；6-被控對象；被控對象；7-檢測裝置檢測裝置1.2 閉環控制系統的組成和基本環節l2.閉環控制系統的基本環節l（1）控制對象或調節對象l要進行控制的設備或過程。l（2）執行機構l一般由傳動裝置和調節機構組成。執行機構直接作用于控制對象，使被控制量達到所要求的數值。

6、l（3）檢測裝置或傳感器l該裝置用來檢測被控制量，并將其轉換為與給定量相同的物理量。1.2 閉環控制系統的組成和基本環節l（4）給定環節l設定被控制量的給定值的裝置。l（5）比較環節l將所檢測的被控制量與給定量進行比較，確定兩者之間的偏差量。l（6）中間環節l一般包括比較環節和校正環節。1.2 閉環控制系統的組成和基本環節l (1) 被控對象l (2) 被控量或輸出量l (3) 控制量l (4) 設定量或輸入量l (5) 擾動量l (6) 反饋量l (7) 偏差量3.3.閉環控制系統中的基本術語閉環控制系統中的基本術語 (8) 前向通道或正向通道前向通道或正向通道 (9) 反饋通道或反向通道反

7、饋通道或反向通道 (10) 理想輸出理想輸出 (11) 實際輸出實際輸出1.3 自動控制系統類型l1）線性系統l由線性元件組成的系統，其微分方程中輸出量由線性元件組成的系統，其微分方程中輸出量及其各階導數都是一次的，并且各系數與輸入及其各階導數都是一次的，并且各系數與輸入量（自變量）無關。量（自變量）無關。 l2）非線性系統l由非線性元件組成的系統，其微分方程式的系由非線性元件組成的系統，其微分方程式的系數與自變量有關。數與自變量有關。1.3 自動控制系統類型l1）連續數據系統l系統各部分的信號都是模擬的連續函數。系統各部分的信號都是模擬的連續函數。 l2）離散數據系統l系統的一處或幾處，信號

8、是以脈沖系列或數系統的一處或幾處，信號是以脈沖系列或數碼的形式傳遞。碼的形式傳遞。 1.3 自動控制系統類型l1）恒值系統l給定量是恒定不變的。給定量是恒定不變的。l2）隨動系統l給定量是按照一定的時間函數變化的。給定量是按照一定的時間函數變化的。 l3）程序控制系統l給定量按照事先未知的時間函數變化。給定量按照事先未知的時間函數變化。1.4 自動控制系統的性能指標l l “穩”與“快”是說明系統動態（過渡過程）品質。l 系統的過渡過程產生的原因 ： 系統中儲能元件的能量不可能突變。l “準”是說明系統的穩態（靜態）品質。l 穩定性 是保證控制系統正常工作的先決條件。線性控制系統的穩定性由系統

9、本身的結構與參數所決定的，與外部條件和初始狀態無關。1.4 自動控制系統的性能指標l穩態誤差l 當系統從一個穩態過渡到新的穩態，或系統受擾動作用又重新平衡后，系統可能會出現偏差，這種偏差稱為穩態誤差。l 系統穩態誤差的大小反映了系統的穩態精度，它表明了系統控制的準確程度。穩態誤差越小，則系統的穩態精度越高。 1.4 自動控制系統的性能指標l無差系統（圖a） l 若穩態誤差不為零，則系統稱為有差系統。l有差系統（圖b） l 若穩態誤差為零，則系統稱為無差系統。1.4 自動控制系統的性能指標l（1）最大超調量輸出最大值與輸出穩態值的相對誤差。反映了系統的平穩性。最大超調量越小，則說明系統過渡過程越

10、平穩。 l（2）上升時間l 指系統的輸出量第一次到達輸出穩態值所對應的時刻。 1.4 自動控制系統的性能指標max()%100%()ccxxxrtl（3）過渡過程時間（調節時間）系統的輸出量進入并一直保持在穩態輸出值附近的允許誤差帶內所需的時間。允許誤差帶寬度一般取穩態輸出值的2%或5%。調節時間的長短反映了系統的快速性。調節時間越小，系統的快速性越好。 l（4）振蕩次數在調節時間內，輸出量在穩態值附近上下波動的次數。它也反映系統的平穩性。振蕩次數越少，說明系統的平穩性越好。 1.4 自動控制系統的性能指標st小 結l1. 開環控制系統結構簡單、穩定性好，但不能自動補償擾動對輸出量的影響。當系統擾動量產生的偏差可以預先進行補償或影響不大時，采用開環控制是有利的。當擾動量無法預計或控制系統的精度達不到預期要求時，則應采用閉環控制。l2. 閉環控制系統具有反饋環節，它能依靠反饋環節進行自動調節，以克服擾動對系統的影響。閉環控制極大地提高了系統的精度。但是閉環使系統的穩定性變差，需要重視并加以解決。l3.自動控制系統通常由給定環節、檢測環節、比較環節、放大元件、被控對象、和反饋環節等部件組成。系統的作用量和被控量有：給定量、反饋量、擾動量、輸出量和各中間變量。 l4.結構圖（又簡稱框圖）可直觀地表達系統各環節（或各部件）間因果關系，可