04第1章 自动控制系统的基本概念.ppt

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1、自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 1.1.1自控系统的工作原理自控系统的工作原理1.速度控制系统速度控制系统实实现现车车床床主主轴轴变变速速的的直直流流电电动动机机转转速速控控制制系统系统如图如图1-1所示。所示。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 图图11直流电动机转速控制系统直流电动机转速控制系统自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 图图12直流电动机转速控制系统原理图直流电动机转速控制系统原理图自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 当当电电动动机机的的负负载载转转矩矩变变化化很很小小，系系统统元元件件特特性性比比较较稳稳定定时时，图图11所所示示的的

2、控控制制系系统统可可以以满满足足预预期期的的要要求求。否否则则，电电动动机机的的实实际际转转速速与与期期望望值值相相比比将将有有较较大的误差。大的误差。为为了了克克服服或或减减小小负负载载转转矩矩变变化化对对转转速速的的影影响响，可可以以采采用用干干扰扰补补偿偿的的办办法法，但但是是，一一般般不不能能解解决决由由于于元件特性不稳定所产生的输出误差。元件特性不稳定所产生的输出误差。而而图图13所所示示的的带带偏偏差差控控制制作作用用的的速速度度控控制制系系统统则可以减小或消除由各种因素所引起的转速变化。则可以减小或消除由各种因素所引起的转速变化。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 图图

3、13带偏差控制作用的速度控制系统带偏差控制作用的速度控制系统自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 图图14带偏差控制作用的速度控制系统原理图带偏差控制作用的速度控制系统原理图自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 2.随动系统随动系统随随动动控控制制系系统统的的任任务务是是保保证证输输出出轴轴始始终终紧紧紧紧跟跟踪踪输输入入轴轴变变化化，由由于于输输入入轴轴的的位位置置无无法法预预先先确确定定(如如雷雷达达导导引引系系统统)，因因此此该该系系统统是是一个位置随动系统。一个位置随动系统。如图如图15所示。所示。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 图15 随动控制系统 自动

4、控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 如如果果cr，则则ue0，放放大大后后的的电电压压ua驱驱动动电电机机转转动动，转转动动方方向向最最终终应应使使c向向r接接近近，使使e减减小小。最最后后，两两者者取取得得一一致致，cr，则则ue0，电电机机停停止止转转动动，系系统统进进入入平平衡衡状状态态(假假定定元元件件没没有有死死区区)。这这样样就就保保证证了了输输出出轴轴紧紧紧紧地地跟跟随着输入轴变化。随着输入轴变化。在在随随动动系系统统中中，当当指指令令信信号号变变化化时时，输输出出轴轴便便精精确确地地复复现现着着输输入入轴轴的的变变化化规规律律。这这个个系系统的原理如图统的原理如图16所示

5、。所示。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 图图16随动系统的原理图随动系统的原理图自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 由上面两种系统的讨论可知：由上面两种系统的讨论可知：(1)自自动动控控制制系系统统是是由由控控制制装装置置和和被被控控对对象象(或或被被控控过过程程)两两大大部部分分组组成成的的。对对被被控控对对象象(或或被被控控过过程程)产产生生控控制制调调节节作作用用的的设设备备或或装装置置称为控制装置。称为控制装置。自动控制系统的典型结构如图自动控制系统的典型结构如图17表示。表示。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 图图17自动控制系统的基本组成自动控制

6、系统的基本组成自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 一般的控制装置包括如下环节：一般的控制装置包括如下环节：检检测测装装置置。检检测测装装置置的的任任务务是是对对系系统统被被控控量量进进行行检检测测，并并把把它它转转换换成成与与参参考考输输入入相相同同的的物物理理量量后后，送送入入比比较较环环节节。前前述述系系统统中中的的测测速速发发电电机机和和测测量量电电位位计等就是检测反馈元件。计等就是检测反馈元件。比比较较器器。比比较较器器的的作作用用是是将将检检测测反反馈馈装装置置送送来来的的信信号号与与参参考考输输入入进进行行比比较较，得得出出两两者者偏偏差差(误误差差)信信号号。比比较较器

7、器往往往往是是由由综综合合电电路路或或检检测测装装置置兼兼而而完完成成的的，一一般般用用符符号号 表表示示；“-”表表示示输输入入信信号号与与反反馈馈信信号号相相减，即负反馈；减，即负反馈；“+”表示正反馈。表示正反馈。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 放放大大元元件件。放放大大元元件件的的作作用用是是将将比比较较环环节节输输出出的的微微弱弱信信号号进进行行放放大大。前前述述系系统统中中的的电电压压放放大大器器和和功功率放大器等都是放大元件。率放大器等都是放大元件。执执行行机机构构。执执行行机机构构将将放放大大元元件件的的输输出出信信号号转转变变成成机机械械运运动动，从从而而对对受

8、受控控对对象象施施加加控控制制调调节节作作用用。前述系统中的电机就是执行机构。前述系统中的电机就是执行机构。校校正正装装置置。校校正正装装置置(或或称称控控制制器器、调调节节器器)是是对对偏偏差差信信号号进进行行比比例例、积积分分、微微分分等等运运算算的的元元件件，参参数或结构便于调整，用于改善系统性能。数或结构便于调整，用于改善系统性能。被被控控对对象象。被被控控对对象象是是指指接接受受控控制制的的设设备备(或或过程过程)，如前述系统中的工作机械等。，如前述系统中的工作机械等。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 (2)自自动动控控制制系系统统是是在在没没有有人人直直接接参参与与的的

9、情情况况下下，利利用用控控制制装装置置对对受受控控对对象象进进行行控控制制操操纵纵，使使被被控控量量按按照照参参考考输输入入保保持持常常值值或或者者跟跟随随参参考考输入的变化规律而变化的。输入的变化规律而变化的。被被控控量量：指指系系统统的的输输出出，它它是是受受控控对对象象中中被被控控制制的的一一个个物物理理量量，如如速速度度控控制制系系统统中中工工作作机机械械的的速度、随动系统中的转角等。速度、随动系统中的转角等。参参考考输输入入：又又称称给给定定值值，它它是是对对系系统统进进行行控控制制的的给给定定输输入入，如如速速度度控控制制系系统统中中的的给给定定电电压压ug、随动系统中的角度随动系

10、统中的角度r等。等。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 (3)对对系系统统参参与与控控制制或或施施加加影影响响的的信信号号可可能能来自不同的方面，除了参考输入量还有干扰。来自不同的方面，除了参考输入量还有干扰。干干扰扰：指指除除参参考考输输入入和和反反馈馈信信号号以以外外的的对对系系统统被被控控量量产产生生影影响响的的其其他他因因素素。干干扰扰可可能能来来自自系系统统的的内内部部或或外外部部。来来自自系系统统外外部部的的干干扰扰，是是环环境境对对系系统统的的一一种种作作用用，所所以以它它也也是是系系统统的的一一种种输输入。入。偏偏差差：又又称称为为误误差差信信号号，就就是是比比较较环

11、环节节的的输输出出，即即被被控控量量经经过过检检测测反反馈馈环环节节之之后后与与给给定定参参考考输输入量进行比较所得的差值。入量进行比较所得的差值。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 (4)前前面面讨讨论论的的几几种种系系统统，可可分分别别归归属属于于如如下类型：下类型：恒恒值值系系统统。图图11和和图图13所所示示的的速速度度控控制制系系统统，它它们们的的给给定定值值都都是是恒恒定定值值，故故这这类类系统称为恒值系统。系统称为恒值系统。随随动动系系统统。给给定定值值(控控制制指指令令)是是事事先先未未知知的的时时间间函函数数的的系系统统称称为为随随动动系系统统。在在随随动动系系统统

12、中中，当当指指令令信信号号变变化化时时，工工作作机机械械便便精精确确地地复复现现着着指指令令信信号号的的变变化化规规律律。图图15所所示示的的系系统为随动系统。统为随动系统。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 程程序序控控制制系系统统。控控制制指指令令已已预预先先知知道道的的系统，称为程序控制系统。系统，称为程序控制系统。自自动动调调节节系系统统或或镇镇定定系系统统。图图13所所示示的的带带偏偏差差控控制制作作用用的的速速度度控控制制系系统统是是根根据据偏偏差差产产生生控控制制作作用用，对对系系统统进进行行自自动动调调节节，使使被被控控量量保保持持恒恒定定的的。故故这这类类系系统统又

13、又常常称称为为自自动动调调节节系系统或镇定系统。统或镇定系统。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 1.1.2自动控制的基本方式自动控制的基本方式1.开环控制开环控制被被控控量量(输输出出)不不影影响响系系统统控控制制的的控控制制方方式式称称为为开开环环控控制制。所所以以在在开开环环控控制制中中，不不对对被被控控量量进进行行任任何何检检测测，在在输输出出端端和和输输入入端端之之间间不不存存在反馈联系。在反馈联系。这这种种控控制制方方式式的的特特点点是是，在在给给定定输输入入端端到到输输出出端端之之间间的的信信号号传传递递是是单单向向进进行行的的。图图11所所示示的的直直流流电电机机转转

14、速速控控制制系系统统就就采采用用的的是是这这种种控制方式。控制方式。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 图图18用给定值操作的开环控制系统用给定值操作的开环控制系统自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 这这种种控控制制方方式式的的缺缺点点是是，当当被被控控对对象象或或控控制制装装置置受受到到干干扰扰，或或者者在在工工作作过过程程中中元元件件特特性性发发生生变变化化而而影影响响被被控控量量时时，系系统统不不能能进进行行自自动动补偿，补偿，控制精度难以保证控制精度难以保证。但但是是由由于于它它的的结结构构比比较较简简单单，所所以以在在控控制制精精度度要要求求不不高高或或者者元元件

15、件工工作作特特性性比比较较稳稳定定而而干干扰扰又很小的场合应用比较广泛。又很小的场合应用比较广泛。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 2.闭环控制闭环控制被被控控量量参参与与系系统统控控制制的的控控制制方方式式称称为为闭闭环环控制。控制。在在闭闭环环控控制制中中，在在给给定定值值和和被被控控量量之之间间，除除了了有有一一条条从从给给定定值值到到被被控控量量方方向向传传递递信信号号的的前前向向通通道道外外，还还有有一一条条从从被被控控量量到到比比较较元元件件传传递递信信号号的的反反馈馈通通道道。控控制制信信号号沿沿着着前前向向通通道道和和反馈通道循环传递，故闭环控制又称反馈控制。反馈通

16、道循环传递，故闭环控制又称反馈控制。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 图图19闭环控制系统闭环控制系统自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 在在闭闭环环控控制制中中，被被控控量量时时时时刻刻刻刻被被检检测测，再再经经过过信信号号变变换换，并并通通过过反反馈馈通通道道回回送送到到比比较较元元件件和和给给定定值值进进行行比比较较。比比较较后后得得到到的的偏偏差差信信号号经经放放大大元元件件放放大大后后送送入入执执行行元元件件。执执行行件件根根据据所所接接受受的的信信号号的的大大小小和和极极性性，直直接接对对受受控控对对象象进进行行调调节节，以以进一步减小偏差。进一步减小偏差。只

17、只要要闭闭环环控控制制系系统统出出现现偏偏差差，而而不不论论该该偏偏差差是是干干扰扰造造成成的的，还还是是由由于于系系统统元元件件或或受受控控对对象象工工作作特特性性变变化化所所引引起起的的，系系统统都都能能自自行行调调节节以以减减小小偏偏差差。故闭环控制系统又称按照偏差调节的控制系统。故闭环控制系统又称按照偏差调节的控制系统。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 闭闭环环控控制制从从原原理理上上提提供供了了实实现现高高精精度度控控制制的的可可能能性性，它它对对控控制制元元件件的的要要求求比比开开环环控控制制的的低低。但但与与开开环环控控制制系系统统相相比比，闭闭环环控控制制系系统统设

18、设计计比比较麻烦，结构也比较复杂，因而成本较高。较麻烦，结构也比较复杂，因而成本较高。闭闭环环控控制制是是自自动动控控制制中中广广泛泛采采用用的的一一种种控控制制方方式式。当当控控制制精精度度要要求求较较高高，干干扰扰影影响响较较大大时时，一一般般都都采采用用闭闭环环控控制制。图图13所所示示的的速速度度控控制制系系统统及及图图15所所示示的的随随动动系系统统都都是是闭闭环环控控制制系系统。统。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 1.1.3对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求控控制制系系统统工工作作的的场场合合不不同同，对对它它的的性性能能要要求求也也就就不不同同。控控制制系系统

19、统的的任任务务是是使使被被控控量量按按参参考考输输入入保保持持常常值值或或跟跟随随参参考考输输入入变变化化。但但要要在在任何时间做到这一点并不容易。任何时间做到这一点并不容易。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 控控制制系系统统的的调调节节过过程程称称为为动动态态过过程程(或或瞬瞬态态过过程程、暂暂态态过过程程、过过渡渡过过程程等等)。当当系系统统结结构构及及其其参参数数匹匹配配合合理理时时，经经过过一一定定时时间间后后，被被控控量量将趋于希望值，称为进入将趋于希望值，称为进入稳态稳态。图图110表表示示了了在在阶阶跃跃输输入入信信号号作作用用下下，几几种种系系统统的的被被控控量量的

20、的变变化化过过程程。图图中中x(t)表表示示输输入入，y(t)表示输出。表示输出。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 图图110控制系统的阶跃输入和输出控制系统的阶跃输入和输出自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 并并不不是是所所有有系系统统都都能能正正常常工工作作。系系统统要要能能正正常工作，必须满足如下基本要求：常工作，必须满足如下基本要求：(1)稳稳定定性性。稳稳定定性性是是指指系系统统被被控控量量偏偏离离给给定定值值而而振振荡荡时时，系系统统抑抑制制振振荡荡的的能能力力。对对于于稳稳定定的的系系统统，随随着着时时间间的的增增长长，被被控控量量将将趋趋近近于于希望值希望

21、值。可可见见，稳稳定定性性是是保保证证系系统统正正常常工工作作的的先先决决条件。不稳定的系统不能工作。条件。不稳定的系统不能工作。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 (2)快快速速性性。快快速速性性是是指指被被控控量量趋趋近近希希望望值值的快慢程度。的快慢程度。快快速速性性好好的的系系统统，它它的的过过渡渡过过程程时时间间短短，能能复复现现快快速速变变化化的的控控制制信信号号，因因而而具具有有较较高高的的动动态态精精度度。稳稳定定性性和和快快速速性性是是反反映映动动态态过过程程好好坏坏的尺度。的尺度。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 (3)精精确确性性。精精确确性性是是指

22、指过过渡渡过过程程结结束束后后，被被控控量量与与希希望望值值接接近近的的程程度度。也也就就是是当当系系统统过过渡渡到到新新的的平平衡衡工工作作状状态态后后，被被控控量量对对希希望望值值的的偏差的大小。偏差的大小。系统的这一性能指标称为稳态精度。系统的这一性能指标称为稳态精度。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 1.1.4计算机控制系统的一般构成计算机控制系统的一般构成微微机机不不仅仅在在科科学学计计算算、信信息息处处理理、事事务务管管理理和和自自动动控控制制等等方方面面占占据据重重要要地地位位，并并且且在在日日常生活中也发挥着不可或缺的作用。常生活中也发挥着不可或缺的作用。计计算算机

23、机控控制制系系统统的的结结构构与与前前面面介介绍绍的的反反馈馈控控制制系系统统十十分分相相似似，只只是是将将控控制制器器由由数数字字控控制制器器来来实实现现，就就组组成成了了一一个个典典型型的的计计算算机机控控制制系系统。统。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 图图111计算机控制系统计算机控制系统自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 从从本本质质上上看看，计计算算机机控控制制系系统统的的控控制制过过程程可以归纳为以下四个方面：可以归纳为以下四个方面：(1)实实时时数数据据采采集集。对对被被控控制制量量的的瞬瞬时时值值进行检测，并且将采样结果输入到计算机。进行检测，并且将采样

24、结果输入到计算机。(2)实实时时决决策策。对对输输入入的的实实时时给给定定值值与与被被控控量量的的数数值值进进行行处处理理后后，按按照照预预先先规规定定的的控控制制规律进行运算，则称实时决策，或简称决策。规律进行运算，则称实时决策，或简称决策。(3)实实时时控控制制。根根据据实实时时决决策策结结果果，适适时时地对执行装置发出控制信号。地对执行装置发出控制信号。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 (4)信信息息管管理理。随随着着网网络络技技术术和和控控制制策策略略的的发发展展，信息共享和管理也介入到控制系统之中。信息共享和管理也介入到控制系统之中。上上述述测测、算算、控控、管管的的过过

25、程程不不断断重重复复，使使整整个个系系统统能能按按一一定定的的动动态态(过过渡渡过过程程)指指标标进进行行工工作作，且且可可对对被被控控制制量量和和设设备备本本身身所所出出现现的的异异常常状状态态及及时时进进行行监监督督并并迅迅速速做做出出处处理理，这这就就是是计计算算机机控控制制系系统统最最基基本的功能。本的功能。控控制制过过程程中中的的实实时时概概念念，是是指指信信号号的的输输入入、计计算算和和输输出出都都要要在在一一定定的的时时间间(采采样样间间隔隔)内内完完成成。如如果果计计算算机机能能够够在在工工艺艺要要求求的的时时间间范范围围内内及及时时对对被被控控参参数数进行测量、计算和控制输出

26、，则称为实时控制。进行测量、计算和控制输出，则称为实时控制。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 实实时时控控制制的的概概念念与与工工艺艺要要求求紧紧密密相相连连，如如快快速速变变化化的的压压力力对对象象的的实实时时控控制制时时间间要要比比缓缓慢慢变化的温度对象的实时控制时间短；变化的温度对象的实时控制时间短；实实时时控控制制的的性性能能通通常常受受一一次次仪仪表表的的传传输输延延迟迟、控控制制算算法法的的复复杂杂程程度度、微微处处理理器器的的运运算算速速度度和和控制量输出控制量输出的延迟等因素的影响。的延迟等因素的影响。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 采用采用计算机控制

27、计算机控制具有下述优点：具有下述优点：(1)可可以以消消除除常常规规模模拟拟调调节节器器的的许许多多难难以以克克服的缺点。服的缺点。不存在模拟调节器的漂移问题；不存在模拟调节器的漂移问题；参数整定范围宽；参数整定范围宽；比例、积分和微分系数可以单独调节；比例、积分和微分系数可以单独调节；可以在整个控制范围内实行多参数调节。可以在整个控制范围内实行多参数调节。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 采用采用计算机控制计算机控制具有下述优点：具有下述优点：(1)可可以以消消除除常常规规模模拟拟调调节节器器的的许许多多难难以以克克服的缺点。服的缺点。当信号噪声大时，数字低通滤波器与模拟滤波器当信号噪声大时，数字低通滤波器与模拟滤波器相配合，对高频的脉冲噪声相配合，对高频的脉冲噪声有较好的滤波效果，有较好的滤波效果，特别是数字滤波可抑制甚低频的周期干扰。特别是数字滤波可抑制甚低频的周期干扰。自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 (2)使用灵活使用灵活。便于实现特殊的控制规律；便于实现特殊的控制规律；修修改改部部分分程程序序就就能能改改变变调调节节规规律律，而而无无需需改改变变硬件硬件设备；设备；可以可以在线改变控制方案在线改变控制方案。可可以以在在不不增增加加硬硬件件设设备备的的情情况况下下逐逐步步提提高高控控制制水平。水平。