自動控制原理與應(yīng)用ppt課件

1、第1章 自動控制系統(tǒng)概論 自動控制原理與應(yīng)用主講 劉光乾2019年9月第1章 自動控制系統(tǒng)概論 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.1 概述概述 1.2 自動控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語自動控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語 1.3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 1.4 自動控制系統(tǒng)示例自動控制系統(tǒng)示例 1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求習題習題1 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 圖1-1 小球離心調(diào)速器原理圖 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.1 概概 述述 1769年，瓦特利用圖1-1所示為小球離心調(diào)速器使蒸汽機的轉(zhuǎn)速保持恒定，此調(diào)速器是利用飛錘、彈簧和杠桿系統(tǒng)來調(diào)節(jié)閥門的開度，從而達到控制蒸汽機

2、轉(zhuǎn)速的目的的。 其工作原理為：如果負載增加， 則蒸汽機轉(zhuǎn)速下降，飛錘(1)下降，滑套(2)將通過杠桿(3)使蒸汽閥門開大，蒸汽供給量增加，從而使蒸汽機轉(zhuǎn)速上升。反之若負載減小， 蒸汽機轉(zhuǎn)速上升，則通過調(diào)節(jié)可使轉(zhuǎn)速下降。這樣， 離心調(diào)速器可自動地抵制負載的變化，使蒸汽機轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。第1章 自動控制系統(tǒng)概論 但是在使用過程中發(fā)現(xiàn)，有時小球離心調(diào)速器并不使蒸汽機很好調(diào)速和穩(wěn)定，而且常常還會出現(xiàn)劇烈振蕩，即轉(zhuǎn)速不夠穩(wěn)定。 此后很多科學家對此問題進行了研究，并提出了很多判定系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法如：奈奎斯特法、伯德法等），1954年，我國科學家錢學森創(chuàng)立了工程控制論等，至此自動控制的古典控制論已基本發(fā)展形成

3、。 隨著航天航空技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，古典控制論暴露出很多局限性，不能夠?qū)Υ笮拖到y(tǒng)進行綜合分析。因此現(xiàn)代控制理論有了突飛猛進的發(fā)展。第1章 自動控制系統(tǒng)概論 可以說，現(xiàn)代控制理論已經(jīng)綜合了控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)等各方面的成就，達到或正在進行著以下幾個方面的工作： 最優(yōu)控制 對某種性能指標實現(xiàn)最佳控制，即目標函數(shù)法； 自適應(yīng)控制 系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力，當環(huán)境發(fā)生變化時， 系統(tǒng)本身可適應(yīng)環(huán)境的變化，而使系統(tǒng)保持最優(yōu)； 自學習控制 這是一種較完善的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)辨識、判別、積累經(jīng)驗和學習的功能。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.2 自動控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語自動控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語 1

4、.2.1 1.2.1 自動控制的基本概念與組成自動控制的基本概念與組成所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用控所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對象制裝置操縱被控對象( (被控量被控量) )，使其按照預(yù)定的規(guī)律運動或變，使其按照預(yù)定的規(guī)律運動或變化。化。 被控對象是控制系統(tǒng)的主體，是在系統(tǒng)中要求對其參數(shù)進被控對象是控制系統(tǒng)的主體，是在系統(tǒng)中要求對其參數(shù)進行控制的設(shè)備或過程。如溫度控制系統(tǒng)中的加熱爐，轉(zhuǎn)速控制行控制的設(shè)備或過程。如溫度控制系統(tǒng)中的加熱爐，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的拖動電機，過程控制系統(tǒng)中的化學反應(yīng)爐等。系統(tǒng)中的拖動電機，過程控制系統(tǒng)中的化學反應(yīng)爐等。

5、 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 控制裝置一般由三部分組成： 自動檢測裝置 包括測量元件和變送元件，起自動檢測被控對象的作用，如轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的測速發(fā)電機，溫度控制系統(tǒng)中的熱電偶等。 自動調(diào)節(jié)裝置 起綜合、分析、比較、判斷和運算的作用，并能按一定的規(guī)律發(fā)出控制信號或指令。 執(zhí)行裝置 起具體執(zhí)行控制信號或指令的作用，給被控對象施加某種作用，使其改變輸出量。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 對控制系統(tǒng)的組成進行詳細分類， 其還可以由下列各部分組成： 測量變送元件 屬于反饋元件， 職能是把被控物理量測量出來； 設(shè)定元件 職能是給出被控量應(yīng)取的數(shù)值信號，即是設(shè)定給定值的元件； 比較元件 職能是將測量信號與給定信號

6、進行比較，并得到差值(偏差信號)，起信號綜合作用； 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 放大元件 職能是對差值信號進行放大，使其足以推動下一級工作； 執(zhí)行元件 職能是直接推動被控對象，改變其被控物理量， 使輸出量與希望值趨于一致； 校正元件 職能是改變由于結(jié)構(gòu)或參數(shù)的原因而引起的性能指標的不適應(yīng)； 能源元件 職能是為系統(tǒng)提供必要的能源。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.2.2 1.2.2 系統(tǒng)術(shù)語系統(tǒng)術(shù)語 被控量被控量( (被控參數(shù)被控參數(shù)) ) 要求被控對象保持恒定或為按一要求被控對象保持恒定或為按一定規(guī)律變化的物理量。通常它是決定被控對象工作狀態(tài)或產(chǎn)定規(guī)律變化的物理量。通常它是決定被控對象工作狀態(tài)或產(chǎn)

7、品產(chǎn)量、質(zhì)量的主要變量。如加熱爐的溫度，電動機的轉(zhuǎn)速，品產(chǎn)量、質(zhì)量的主要變量。如加熱爐的溫度，電動機的轉(zhuǎn)速，流體的流量、壓力等。被控量一般是輸出量，是時間的函數(shù)。流體的流量、壓力等。被控量一般是輸出量，是時間的函數(shù)。 給定信號給定信號( (參考輸入信號參考輸入信號) ) 控制系統(tǒng)的輸入信號，控制系統(tǒng)的輸入信號， 是是時間的函數(shù)。時間的函數(shù)。 偏差信號偏差信號 是比較元件的輸出信號，是比較元件的輸出信號， 即給定信號與反即給定信號與反饋丈量信號之差。饋丈量信號之差。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 誤差信號 系統(tǒng)被控量的希望值與實際值之差。在單位反饋系統(tǒng)中偏差信號等于誤差信號，在非單位反饋系統(tǒng)中， 兩

8、者雖然都反映了系統(tǒng)被控量的希望值與實際值之差，但它們的信號類型與量綱是不同的，這一點一定要引起重視。 干擾信號 破壞系統(tǒng)平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)的被控量偏離其給定值的因素，稱為干擾信號。干擾信號是系統(tǒng)不希望的信號， 它可能來自系統(tǒng)的內(nèi)部或系統(tǒng)的外部，它們進入系統(tǒng)的作用點也可能不同，但都是影響系統(tǒng)控制質(zhì)量的不利因素。 反饋信號 從系統(tǒng)的輸出端引出，經(jīng)過變換(或直接)回送至輸入端與給定信號進行比較的信號，稱為反饋信號。此信號是為了達到控制目的而有意識地從輸出端回送到輸入端的信號。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.2.3 1.2.3 自動控制系統(tǒng)的方塊圖表示自動控制系統(tǒng)的方塊圖表示在研究自動控制系統(tǒng)的工作原理時

9、，為了清楚地表示系統(tǒng)在研究自動控制系統(tǒng)的工作原理時，為了清楚地表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成，說明各元件間信號傳遞的因果關(guān)系，我們在分的結(jié)構(gòu)和組成，說明各元件間信號傳遞的因果關(guān)系，我們在分析系統(tǒng)時常采用方塊圖框圖的方式表示。方塊圖的繪制原析系統(tǒng)時常采用方塊圖框圖的方式表示。方塊圖的繪制原則是：則是： 組成系統(tǒng)的每一環(huán)節(jié)組成系統(tǒng)的每一環(huán)節(jié)( (或元件或元件) )用一方框表示，符號為用一方框表示，符號為“”。環(huán)節(jié)間用帶箭頭的線段環(huán)節(jié)間用帶箭頭的線段“”聯(lián)接起來，此線段稱為信號線聯(lián)接起來，此線段稱為信號線或作用線），箭頭的方向表示信號的傳遞方向，或作用線），箭頭的方向表示信號的傳遞方向， 即作用方即作用方向，

10、向， 信號只能單方向傳遞。一個環(huán)節(jié)的輸入信號是環(huán)節(jié)發(fā)生信號只能單方向傳遞。一個環(huán)節(jié)的輸入信號是環(huán)節(jié)發(fā)生運動的原因，而其輸出信號是環(huán)節(jié)發(fā)生運動的結(jié)果。運動的原因，而其輸出信號是環(huán)節(jié)發(fā)生運動的結(jié)果。 信號的比較點用信號的比較點用“”表示，它有對幾個信號進行求代數(shù)表示，它有對幾個信號進行求代數(shù)和的功能。一般在多個輸入信號的信號線旁邊標以和的功能。一般在多個輸入信號的信號線旁邊標以“+ +”或或“- -”， 表示各輸入信號的極性。表示各輸入信號的極性。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 圖1-2 自動控制系統(tǒng)方框圖的舉例 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類1.3.1 1.3

11、.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)1. 1. 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間只有順向作用，而沒有反向若系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間只有順向作用，而沒有反向聯(lián)系，則該系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，控制聯(lián)系，則該系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，控制信息只能單方向傳遞，沒有反向作用，輸入信號通過控制裝置信息只能單方向傳遞，沒有反向作用，輸入信號通過控制裝置作用于被控對象，作用于被控對象， 而被控對象的輸出對輸入沒有影響。而被控對象的輸出對輸入沒有影響。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 圖1-3 開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 圖1-3

12、所示為一個由可控硅供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。 該系統(tǒng)由給定電位器、信號放大器、可控硅觸發(fā)及整流裝置、 直流電動機等組成。系統(tǒng)用電位器取出電壓Ug作為系統(tǒng)的給定信號，電動機的轉(zhuǎn)速n作為系統(tǒng)的被控量輸出量）。Ug通過放大器、觸發(fā)裝置和可控硅裝置實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速n的控制。觸發(fā)裝置和可控硅裝置等組成控制器。輸入信號通過控制器作用于受控對象以控制輸出，而電動機的轉(zhuǎn)速輸出則對控制器不產(chǎn)生影響，這樣的控制系統(tǒng)就屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。按控制的要求， 一定的給定電壓Ug對應(yīng)于一定的轉(zhuǎn)速n。但是由于電動機的轉(zhuǎn)速n要受到軸上負載、電動機磁場、可控硅裝置的交流電源電壓等的影響， 故不可能完全達到Ug的要求，而這些對轉(zhuǎn)速產(chǎn)

13、生影響的變化量就是系統(tǒng)的干擾量或擾動量。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 開環(huán)系統(tǒng)特點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計維護方便，但是控制精度差，抗干擾性能差。如全自動洗衣機、計時器、 自動機床、 自動生產(chǎn)線等均是開環(huán)控制系統(tǒng)。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)如果改進開環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)法把輸出信號受干擾影響而變化的信息傳遞到控制裝置中去，使控制器根據(jù)這個信息進行控制以消除擾動的影響，那么系統(tǒng)就能夠更好地完成自動控制的任務(wù)。這種輸入量與輸出量之間不僅有順向作用，而且有反向作用的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖1-4所示就是將上述開環(huán)控制系統(tǒng)的例子加以改進而形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 第1章 自動控制系統(tǒng)概

14、論 圖1-4 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 閉環(huán)系統(tǒng)特點：與開環(huán)控制系統(tǒng)最明顯的不同之處在于系統(tǒng)有檢測變送元件(此例中為測速發(fā)電機)，它可以將系統(tǒng)的輸出情況及時地反饋到系統(tǒng)的輸入端進行比較，這樣就使系統(tǒng)具有控制精度高，適應(yīng)性強，抗干擾性好等優(yōu)點；但由于系統(tǒng)存在檢測變送元件，因此系統(tǒng)就比開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，設(shè)計維護困難。如自動火炮系統(tǒng)(雷達、 計算機、火炮群)、高級自動機床、自動恒溫箱、隨動系統(tǒng)等均是閉環(huán)控制系統(tǒng)。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.3.2 1.3.2 定值、定值、 隨動和程序控制系統(tǒng)隨動和程序控制系統(tǒng)1. 1. 定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值系統(tǒng)的

15、給定值( (參考輸入?yún)⒖驾斎? )為恒定的常數(shù)，此種控制系統(tǒng)稱為恒定的常數(shù)，此種控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可通過反饋控制使系統(tǒng)的被控參數(shù)為定值控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可通過反饋控制使系統(tǒng)的被控參數(shù)( (輸出輸出) )保持恒定的、希望的數(shù)值。如在過程控制系統(tǒng)中，一般保持恒定的、希望的數(shù)值。如在過程控制系統(tǒng)中，一般都要求將過程參數(shù)都要求將過程參數(shù)( (如溫度、壓力、流量、液位和成份等如溫度、壓力、流量、液位和成份等) )維持維持在工藝給定的狀態(tài)，所以，多數(shù)過程控制系統(tǒng)都是定值控制系在工藝給定的狀態(tài)，所以，多數(shù)過程控制系統(tǒng)都是定值控制系統(tǒng)。統(tǒng)。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 2. 2. 隨動控制系統(tǒng)隨

16、動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值系統(tǒng)的給定值( (參考輸入?yún)⒖驾斎? )隨時間任意變化的控制系統(tǒng)稱為隨時間任意變化的控制系統(tǒng)稱為隨動控制系統(tǒng)。也就是說，此類系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律是無法隨動控制系統(tǒng)。也就是說，此類系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律是無法預(yù)先確定的時間函數(shù)。這種系統(tǒng)的任務(wù)是在各種情況下保證系預(yù)先確定的時間函數(shù)。這種系統(tǒng)的任務(wù)是在各種情況下保證系統(tǒng)的輸出以一定的精度跟隨參考輸入的變化而變化，所以這種統(tǒng)的輸出以一定的精度跟隨參考輸入的變化而變化，所以這種系統(tǒng)又稱為跟蹤系統(tǒng)。如運動目標的自動跟蹤瞄準和攔截系統(tǒng)，系統(tǒng)又稱為跟蹤系統(tǒng)。如運動目標的自動跟蹤瞄準和攔截系統(tǒng)， 工業(yè)控制中的位置控制系統(tǒng)，過程控制中的串級控

17、制系統(tǒng)的副工業(yè)控制中的位置控制系統(tǒng)，過程控制中的串級控制系統(tǒng)的副回路等都屬于此類系統(tǒng)。另外，工業(yè)自動化儀表中的位置控制回路等都屬于此類系統(tǒng)。另外，工業(yè)自動化儀表中的位置控制系統(tǒng)、顯示記錄儀表等也是閉環(huán)隨動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)、顯示記錄儀表等也是閉環(huán)隨動控制系統(tǒng)。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 3. 程序控制系統(tǒng)若系統(tǒng)給定值(參考輸入)是隨時間變化并有一定的規(guī)律， 且為事先給定了的時間函數(shù)，則稱這種系統(tǒng)為程序控制系統(tǒng)。 如熱處理爐的溫度調(diào)節(jié)，要求溫度按一定的時間程序的規(guī)律變化自動升溫、保溫及降溫等）；間隙生產(chǎn)的化學反應(yīng)器溫度控制以及機械加工中的程序控制機床等均屬于此類系統(tǒng)。也可以說，程序控制系統(tǒng)是隨動控制

18、系統(tǒng)的一種特殊情況，其分析研究方法也和隨動控制系統(tǒng)相同。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.3.3 1.3.3 線性和非線性控制系統(tǒng)線性和非線性控制系統(tǒng)1. 1. 線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)或特性可以用線性微分系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)或特性可以用線性微分方程方程( (或差分方程或差分方程) )來描述時，這種系統(tǒng)就稱為線性控制系統(tǒng)。來描述時，這種系統(tǒng)就稱為線性控制系統(tǒng)。 線性控制系統(tǒng)的特點是可以使用疊加原理，當系統(tǒng)存在幾個線性控制系統(tǒng)的特點是可以使用疊加原理，當系統(tǒng)存在幾個輸入時，系統(tǒng)的總輸出等于各個輸入分別作用于系統(tǒng)時系統(tǒng)輸入時，系統(tǒng)的總輸出等于各個輸入分別作用于系統(tǒng)

19、時系統(tǒng)的輸出之和，當系統(tǒng)輸入增大或減小時，系統(tǒng)的輸出也按比的輸出之和，當系統(tǒng)輸入增大或減小時，系統(tǒng)的輸出也按比例增大或減小。例增大或減小。 如果描述系統(tǒng)運動狀態(tài)的微分如果描述系統(tǒng)運動狀態(tài)的微分( (或差分或差分) )方程的系數(shù)是常方程的系數(shù)是常數(shù)，不隨時間變化，則這種線性系統(tǒng)稱為線性定常數(shù)，不隨時間變化，則這種線性系統(tǒng)稱為線性定常( (或時不變或時不變) )系統(tǒng)。若微分系統(tǒng)。若微分( (或差分或差分) )方程的系數(shù)是時間的函數(shù)，則這種線方程的系數(shù)是時間的函數(shù)，則這種線性系統(tǒng)稱為線性時變系統(tǒng)。性系統(tǒng)稱為線性時變系統(tǒng)。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 2. 非線性控制系統(tǒng)當系統(tǒng)中存在有非線性特性的組成環(huán)

20、節(jié)或元件時，系統(tǒng)的特性就由非線性方程來描述，這樣的系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。 對于非線性控制系統(tǒng)，疊加原理是不適用的。嚴格地講，實際的控制系統(tǒng)都不是線性的，各種系統(tǒng)總是不同程度地具有非線性特性，例如系統(tǒng)中應(yīng)用的放大器的飽和特性，運動部件的間隙、摩擦和死區(qū)，彈性元件的非線性關(guān)系等等。非線性特性根據(jù)其處理方法不同可以分為本質(zhì)非線性和非本質(zhì)非線性兩種。對于非本質(zhì)的非線性特性，其輸入、輸出關(guān)系曲線沒有間斷點和折斷點，且呈單值關(guān)系，因此當系統(tǒng)變量變化范圍不大時，為便于研究，可簡化為線性關(guān)系處理， 這樣可以應(yīng)用相當成熟的線性控制理論進行分析和討論。對于本質(zhì)非線性特性，其輸入、輸出關(guān)系或具有間斷點和折斷點，

21、 或具有非單值關(guān)系， 這類系統(tǒng)需要用非線性控制理論來分析研究。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.3.4 1.3.4 連續(xù)和離散控制系統(tǒng)連續(xù)和離散控制系統(tǒng)1. 1. 連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)當系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是時間的連續(xù)當系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是時間的連續(xù)函數(shù)時，稱此類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)，亦稱模擬控制系統(tǒng)。函數(shù)時，稱此類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)，亦稱模擬控制系統(tǒng)。 連續(xù)控制系統(tǒng)的運動狀態(tài)或特性一般是用微分方程來描述的。連續(xù)控制系統(tǒng)的運動狀態(tài)或特性一般是用微分方程來描述的。 模擬式的工業(yè)自動化儀表以及用模擬式儀表來實現(xiàn)自動化過模擬式的工業(yè)自動化儀表以及用模擬式儀表來實現(xiàn)自動化

22、過程控制的系統(tǒng)都屬于連續(xù)控制系統(tǒng)。程控制的系統(tǒng)都屬于連續(xù)控制系統(tǒng)。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 2. 離散控制系統(tǒng)當系統(tǒng)中某些組成環(huán)節(jié)或元件的輸入、輸出信號在時間上是離散的，即僅在離散的瞬時取值時，稱此類系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別僅在于信號只是特定的離散瞬時上的時間的函數(shù)。離散信號可由連續(xù)信號通過采樣開關(guān)獲得，具有采樣功能的控制系統(tǒng)又稱為采樣控制系統(tǒng)。 離散控制系統(tǒng)的運動狀態(tài)或特性一般用差分方程來描述， 其分析研究方法也不同于連續(xù)控制系統(tǒng)。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.3.5 1.3.5 單變量和多變量控制系統(tǒng)單變量和多變量控制系統(tǒng)1. 1. 單變量控制系統(tǒng)單變量控制系統(tǒng)在一

23、個控制系統(tǒng)中，如果只有一個被控制的參數(shù)和一個控在一個控制系統(tǒng)中，如果只有一個被控制的參數(shù)和一個控制作用來控制對象，則此系統(tǒng)為單變量控制系統(tǒng)，又叫單輸入制作用來控制對象，則此系統(tǒng)為單變量控制系統(tǒng)，又叫單輸入單輸出系統(tǒng)。單輸出系統(tǒng)。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 2. 多變量控制系統(tǒng)如果一個控制系統(tǒng)中的被控參數(shù)多于一個，控制作用也多于一個，且各控制回路相互之間有耦合關(guān)系，則稱這種系統(tǒng)為多變量控制系統(tǒng)， 也叫多輸入多輸出系統(tǒng)。 自動控制系統(tǒng)的分類方法除上述幾種外還有很多，且各種分類方法只是人們站在不同的角度來看問題的一種方法， 對于一個自動控制系統(tǒng)，可以用不同的方法來分類，但是這并不影響控制系統(tǒng)本身。

24、第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.4 自動控制系統(tǒng)示例自動控制系統(tǒng)示例 要分析一個實際的自動控制系統(tǒng)， 首先要了解它的工作原理，明白系統(tǒng)的組成等，也就是要求我們明白如下一些問題： 系統(tǒng)的被控對象是什么? 哪些狀態(tài)參量要求控制(亦即被控量是什么)? 作用在被控對象上的主要干擾有哪些? 操縱哪個機構(gòu)可改變被控量? 系統(tǒng)有哪些檢測元件? 檢測的是被控量還是干擾? 系統(tǒng)給定值(參考輸入)或指令由哪個裝置提供? 如何實現(xiàn)各信號的偏差計算和判斷偏差? 控制作用通過什么部件來實現(xiàn)? 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.4.1 1.4.1 溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)溫度在很多場合是重要的被控參數(shù)之一，它與流量、壓溫度在很

25、多場合是重要的被控參數(shù)之一，它與流量、壓力等均屬于典型的被控參數(shù)。圖力等均屬于典型的被控參數(shù)。圖1-51-5所示為烘烤爐溫度控制系所示為烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖。統(tǒng)原理圖。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 圖1-5 烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 根據(jù)圖1-5可以知道，控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持爐膛溫度的恒定；系統(tǒng)的被控對象為烘烤爐；系統(tǒng)被控量為烘烤爐的爐膛溫度；干擾量有工件數(shù)量、環(huán)境溫度和煤氣壓力等；調(diào)節(jié)煤氣管道上閥門開度可改變爐溫；系統(tǒng)的檢測元件是熱電偶， 它將爐膛溫度轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量Ut；系統(tǒng)的給定裝置為給定電位器，其輸出電壓Ug作為系統(tǒng)的參考輸入，對應(yīng)于給定的爐膛溫度；系統(tǒng)的

26、偏差為U，為爐溫與給定溫度的偏差，由Ug和Ut計算得到U=Ug-Ut），兩電壓極性反接，就可完成減法運算；系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)為電動機、傳動裝置和閥門。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 爐溫既受工件數(shù)量及環(huán)境溫度的影響，又受由混合器輸出的煤氣流量的影響，因此，調(diào)整煤氣流量便可控制爐溫。 烘烤爐溫度控制系統(tǒng)的控制原理如下： 假定爐溫恰好等于給定值，這時Ug=Ut，(即U0)，故電動機和調(diào)節(jié)閥都靜止不動，煤氣流量恒定，烘烤爐處于給定溫度狀態(tài)。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 如果增加工件，烘烤爐的負荷加大，則爐溫下降，溫度下降將導(dǎo)致Ut減小，由于給定值Ug保持不變，則使U0，產(chǎn)生Ua使電動機轉(zhuǎn)動，開大煤氣閥門，增加

27、煤氣供給量，從而使爐溫回升，直至重新等于給定值(即Ug=Ut)為止。這樣在負荷加大的情況下仍然保持了規(guī)定的溫度。 如果負荷減小或煤氣壓力突然加大，則爐溫升高。Ut隨之加大，U0，故電動機反轉(zhuǎn)，關(guān)小閥門，減少煤氣量，從而使爐溫下降，直至等于給定值為止。 由此看出，系統(tǒng)通過爐溫與給定值之間的偏差來控制爐溫， 所以此控制系統(tǒng)是按偏差調(diào)節(jié)的自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中除烘烤爐及供氣設(shè)備外，其余統(tǒng)稱溫度控制裝置或溫度調(diào)節(jié)器。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 表示系統(tǒng)各功能部件之間相互聯(lián)系的框圖如圖1-6所示。 圖中每個功能部件用一個方框表示，箭頭表示信號的輸入、 輸出通道。最右邊的方框習慣于表示被控對象，其輸出信號即

28、為被控量， 而系統(tǒng)的總輸入量包括給定值和外部干擾。 圖1-6 烘烤爐溫度控制系統(tǒng)方框圖 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.4.2 位置隨動系統(tǒng)位置隨動系統(tǒng) 圖1-7 機床工作臺位置隨動系統(tǒng)原理圖 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 在圖1-7所示的系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制工作臺的位置， 使之按指令電位器給出的規(guī)律變化；系統(tǒng)的被控對象為工作臺； 被控量為工作臺的位置；檢量元件是反饋電位器W2，它將工作臺的位置xc轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量uc；系統(tǒng)的給定裝置為指令電位器W1，其輸出電壓ur作為系統(tǒng)的參考輸入，以確定工作臺的希望位置；系統(tǒng)的偏差為u，為工作臺的希望位置與實際位置之差，由ur和uc計算得到u=ur-u

29、c）；系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)為直流伺服電動機、 齒輪減速器和絲杠副。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 機床工作臺位置隨動系統(tǒng)的工作原理是：通過指令電位器W1的滑動觸點給出工作臺的位置指令xr，并轉(zhuǎn)換為控制電壓ur。被控制工作臺的位移xc由反饋電位器W2檢測，并轉(zhuǎn)換為反饋電壓uc，兩電位器接成橋式電路。當工作臺位置xc與給定位置xr有偏差時，橋式電路的輸出電壓為u=ur-uc。設(shè)開始時指令電位器和反饋電位器滑動觸點都處于左端，即xr=xc=0，則u=ur-uc=0，此時，放大器無輸出，直流伺服電動機不轉(zhuǎn)， 工作臺靜止不動，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 當給出位置指令xr時，在工作臺改變位置之前

30、的瞬間，xc=0，uc=0，則電橋輸出為u=ur-uc=ur-0=ur，該偏差電壓經(jīng)放大器放大后控制直流伺服電動機轉(zhuǎn)動，直流伺服電動機通過齒輪減速器和絲杠副驅(qū)動工作臺右移。隨著工作臺的移動，工作臺實際位置與給定位置之間的偏差逐漸減小，即偏差電壓u逐漸減小。當反饋電位器滑動觸點的位置與指令電位器滑動觸點的給定位置一致，即輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入時，電橋平衡，偏差電壓u=0，伺服電動機停轉(zhuǎn)，工作臺停止在由指令電位器給定的位置上，系統(tǒng)進入新的平衡狀態(tài)。當給出反向指令時，偏差電壓極性相反，伺服電動機反轉(zhuǎn)，工作臺左移，當工作臺移至給定位置時，系統(tǒng)再次進入平衡狀態(tài)。如果指令電位器滑動觸點的位置不斷改變， 則工作臺

31、位置也跟著不斷變化。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 圖1-8 機床工作臺位置隨動系統(tǒng)方框圖 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.4.3 自動調(diào)速系統(tǒng)自動調(diào)速系統(tǒng)圖圖1-9所示為自動調(diào)速系統(tǒng)原理圖。由圖可以明確：控制所示為自動調(diào)速系統(tǒng)原理圖。由圖可以明確：控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持工作機械恒轉(zhuǎn)速運行；系統(tǒng)的被控對象為工系統(tǒng)的任務(wù)是保持工作機械恒轉(zhuǎn)速運行；系統(tǒng)的被控對象為工作機械；被控量為電動機的轉(zhuǎn)速作機械；被控量為電動機的轉(zhuǎn)速n；系統(tǒng)的檢測元件是測速發(fā)；系統(tǒng)的檢測元件是測速發(fā)電機，它能將電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量電機，它能將電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量Uf；系統(tǒng)的給；系統(tǒng)的給定裝置為給定電位器，其輸出電壓

32、定裝置為給定電位器，其輸出電壓Ug作為系統(tǒng)的參考輸入；系作為系統(tǒng)的參考輸入；系統(tǒng)的偏差為統(tǒng)的偏差為U，為系統(tǒng)給定量與反饋量之差，由，為系統(tǒng)給定量與反饋量之差，由Ug和和Uf計算計算得到得到U=Ug-Uf）；系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)為直流電動機。）；系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)為直流電動機。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 圖1-9 自動調(diào)速系統(tǒng)原理圖 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 自動調(diào)速系統(tǒng)的工作原理是：測速發(fā)電機測量電動機的轉(zhuǎn)速n，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓Uf，與給定電位器的輸出電壓Ug進行比較，得到的偏差信號U經(jīng)放大裝置放大后控制電動機的工作電壓Ud，而電壓Uf即代表了系統(tǒng)所要求的轉(zhuǎn)速。 如果工作機械的負載增大，使電動機轉(zhuǎn)

33、速下降，則測速發(fā)電機輸出電壓Uf減小，與給定電壓Ug比較后的偏差電壓U=Ug-Uf增大，經(jīng)放大后的觸發(fā)控制電壓Uk增大，從而使可控硅整流裝置輸出電壓Ud增大，增大的Ud加在電動機電樞兩端，則電動機的轉(zhuǎn)速n將提高，從而使電動機轉(zhuǎn)速得到補償。 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 圖1-10 自動調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 第1章 自動控制系統(tǒng)概論 1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求 1. 1. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性對一個自動控制系統(tǒng)的首要要求是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。對一個自動控制系統(tǒng)的首要要求是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性指的是系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性指的是系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受擾后偏離了原來的工作狀態(tài)，平衡工作狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受擾后偏離了原來的工作狀態(tài)， 而控制裝置再也不能使系統(tǒng)恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)，并且越偏而控制裝置再也