自动控制系统的基本概念
简易控制框图
2. 被控量/输出量c(t):指被控对象中要 求按一定规律变化的物理量,它与输入量 之间保持一定的函数关系。
3. 控制器:又称调节器、控制装置,由 控制元件组成,它接受指令信号,输出控 制信号。
4.
给
定
给 定
值值/
指
出水阀开度 n(t )
e(t )
脑
手 m(t)
令信号r(t)/输入
水箱
眼 简易控制框图
较完善的水位自动控制
第一章 自动控制概论
电位器
减速器
ua
ue
放大器
图1-3 较完善的水位自动控制系统
特点:无论出水量如何变化,最终的控制结果总能使 系统回归设定的期望水位。
给
一、技术术定值语
脑脑
手
水箱 被控对象
水位
c(t )
1. 被控对象:是指要求实现眼 自动控制的机 器、设备或生产控过制装程置。
自动控制理论的发展
❖ 自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的 过程中逐步形成和发展起来的,它是研究自动控 制技术的基础理论,是研究自动控制系统共同规 律的技术科学。
❖ 按其发展的不同阶段,可把自动控制理论分为 经典控制理论和现代控制理论两大部分。
❖ 40~50年代 经典控制理论
❖
适用范围:单输入单输出(SISO)系统
2.按干扰补偿/顺馈控制
测量
计算
执行
干扰
+
被控对象
被控量
图1.9 按干扰补偿框图
只能对可测的干扰进行补偿。
三、复合控制:闭环控制+开环控制
给定值
计算
-
计算 执行
干扰 测量
+
被控对象
被控量
测量
图1.10 复合控制框图
四、控制系统的分按类控制方式分类:
1、 按输入信号的特征分类 1. 闭环控制系统
❖ 主要方法:状态空间法 ❖ 数学基础:矩阵理论
MIMO: Multi-Input and Multi-Output
人工控制与自动控制
第一章 自动控制概论
控制系统可以由人工控制,也可以采用自动控制。 a、人工控制:
人工控 制水位 保持恒 定的供 水系统:
第一章 自动控制概论
人工控制(续)
•要求:在出水量随意的条件下,保持水位高度不
变。
•人工控制过程: 眼:测量实际液位H 。 ——检测过程。 脑:将实际液位H 和期望液位相比较,根
据两者偏差的正负及大小作出决策。 ——比较、分析、决策过程。
手:执行大脑命令,调节阀门开度。 ——执行过程。
•控制过程就是重复地进行测量、求偏差、实施控 制以减少或消除偏差的过程。
给
定 值
脑
手
水位 水箱
一、闭环控制
干扰
给定值
+
被控量
比较、计算
执行
被控对象
-
测量
图1.7 闭环控制框图
闭环控制也被称作反馈控制、偏差控制。
闭环控制有三大特点:
1. 信号按箭头方向传递是封闭的(闭环) 2. 负反馈 3. 按偏差控制,控制的目的是减小或消除偏差。
闭环控制的主要优点:
控制精度高,抗干扰能力强。
缺点:
使用的元件多,线路复杂,系统的分析和设计都 比较麻烦。
量被:控对控象
水位
制 c(t
)
着输出量变r(化t) 规律的b信(t) 号。眼
5. 干扰信号n(t):又称简扰易控动制框值图,是一种对
系统的控制起破坏作用的信号。
6. 反馈信号b(t):- 是指被控量经测量元件
检测后回馈送到系统输入端的信号。
7. 偏差信号e(t):指令信号与反馈信号
的差值。
8. 控制信号m(t):由控制器发出直接作
1.恒值系统
2.程控系统
2. 开环控制系统
2、 按描述元件的动态方程分类 dn y d3n.1y随动系dy 统
an dtn an1 dtn1 L a1 dt a0 y(t)
bm
dmx dt m
bm1
d m1x dt m1
L3.
b1复ddxt 合b0x控(t) 制(m系 n统)
1.线性系统:系统方程中输入/输出及其各阶导数均为一次 2.非线性系统
主要方法:时域法、根轨迹法、频域法
❖ 数学基础:微分方程、拉普拉斯变换
SISO: Single Input and Single Output
❖ 60 ~70年代 现代控制理论(状态空间法) 核心:状态变量的能控、能观性, 系统性能的最优化 适用范围: 统一处理SISO、MIMO系统、时 变系统、定常系统等
用于被控对象的信号。
二、自动控制的任务
r(t) 控制器
c(t) 被控对象
在没有人直接参与下,利用控制器操纵 被控对象,使被控量按照给定值的规律 变化。或
上式是自动控制任务的数学表达式。
三、反馈控制原理
在反馈控制系统中,控制器对被控对象施加控 制作用,而控制器接受的信号是取自被控量的 反馈信号与给定值相比较生成的偏差,根据偏 差产生控制作用,实现控制任务。
二、开环控制: 无闭合回路
1. 按给定值控制
给定值 计算干扰+被控量执行被控对象
图1.8 开环控制框图
特点:简单,控制精度低,无抗干扰能力。 优点:结构简单,成本低。
第一章 自动控制概论
例如:直流电机恒速控制系统。
任务是控制电机以恒定的转速带动负载。
ur
放 大
ur
Mc
放大
图1-4 直流电机恒速控制系统方框图
3、按信号的传递是否连续分类
1.连续控制系统 2.离散控制系统
4、 按系统参数是否随时间变化分类
1.定常系统
系统中的参数不随时间变化,ai ,bj 为常量。
2.时变系统
系统中有参数随时间而变化,ai ,bj 不全为常量。
dny
d n1 y
dy
dmx
d m1x
dx
an dtn an1 dtn1 L a1 dt a0 y(t) bm dtm bm1 dtm1 L b1 dt b0 x(t) (m n)
自动控制技术的应用
近几十年来,自动控制技术正在迅猛的发展, 并在工农业生产、交通运输、国防建设和航空航天 等领域中获得广泛应用。
人造卫星轨道姿态的控制 导弹的准确击中目标
交通灯 的控制
v转 速 v控 制
自动包装机器人
温度 控制
……………… 总之,控制技术无处不在。
只要是能够替代人来完成某种事情的系统或设备, 均有自动控制技术的存在。尽管自动控制系统各式 各样,结构和用途各不相同,但将它们抽象之后的 基本原理都是一样的。
反馈控制系统的特点
❖ (1)在结构上,系统具有反馈装置,目的是 取得偏差信号。
❖ (2)根据偏差产生控制作用。 ❖ (3)控制的目的是力图减小或消除偏差,使
被控量尽量接近期望值。
四、控制系统的职能方框图
给定值
+
比较、放大
-
测量 执行 测量
干扰
+
被控对象
被控量
图1.4 控制系统职能方框图
1-2 自动控制的基本方式及分类