控制系统的基本概念讲解.ppt

第1章 控制系统的基本概念 目 录 1.1 控制系统的工作原理及其组成 1.1.1 工作原理 1.1.2 开环控制和闭环控制 1.1.3 闭环控制系统的组成 1.2 控制系统的基本类型 1.2.1 按输入量的特征分类 1.2.2 按系统中传递信号的性质分类 1.3 对控制系统的基本要求 1.4 控制工程发展概况 1.1 控制系统的工作原理及其组成 1.1.1 工作原理 实现恒温控制有人工控制和自动控制两种办法。图1.1为人 工控制的恒温箱简图。人工控制的任务是克服外界干扰（如电源 电压波动、环境温度变化，等等），保持箱内温度恒定，以满足 物体对温度的要求。操作者可以通过调压器改变通过加热电阻丝 的电流，以达到控制温度的目的。箱内温度是由温度计测量的。 人工调节过程可归结如下： (1) 观测由测量元件（温度 计）测出的恒温箱内的温度 （被控制量）。 ??? (2) 与要求的温度值（给定 值）进行比较，得出偏差的大 小和方向。 ?? (3) 根据偏差的大小和方向 再进行控制。当恒温箱内温度高 于所要求的给定温度值时，就移 动调压器使电流减小，温度降低。若温度低于给定的值，则移动 调压器，使电流增加，温度升到正常范围。? ? ? 人工控制过程实际上测量、求偏差，再控制以纠正偏差的过程。 图1.2就是一个自动控制系统。其中，恒温箱的所需温度由 电压信号u1给定。当外界因素引起箱内温度变化时，作为测量 元件的热电偶，把温度转换成对应的电压信号 u2 ，并反馈回去 与给定信号 u1 相比较，所得结果即为温度的偏差信号 Δu = u1- u2 。经过电压、功率放大后，用以改变执行电动机的 转速和方向，并通过传动装置拖动调压器动触头。当温度偏高 时，动触头向着减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度 达到给定值为止。即只有在偏差信号Δu = 0 时，电动机才停转。 这样就完成了所要求的控制任务。而所有这些装置便组成了一个 自动控制系统。 自动控制系统和人工控制系统非常相似。这里，测量装置相 当于人的眼睛，控制器类似于人 脑，执行机构好比人手。它们 的共同特点都是要检测偏差，并用检测到的偏差去纠正偏差。因 此，可以说没有偏差就不会有控制调节过程。 在控制系统中，给定量又称系统的输入量，被控制量也称系 统的输出量。输出量的返回过程称为反馈，它表示输出量通过 测量装置将信号的全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行 比较。比较产生的结果称为偏差。在人工控制中，这一偏差是通 过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的；而在自动控制中，偏 差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。 自动控制将检测偏差、再纠正偏差过程自动化。 控制系统的工作原理如下： (1) 检测输出量的实际值。 (2) 将实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差值。 (3) 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。 这种基于反馈原理、通过“检测偏差再纠正偏差”的系统称为 反馈控制系统。可见，作为反馈控制系统至少应具备测量、比较 （或计算）和执行三个基本功能。 ??? 控制系统的控制过程可以用系统的职能框图清晰而形象地表 示。图1.3所示为恒温箱温度自动控制系统的职能框图。 代表 比较元件，箭头代表作用方向，每个职能框代表一个环节，各环 节的作用是单向的，其输出受输入控制。从图中可以清楚地看到 反馈控制的基本原理。 1.1.2 开环控制和闭环控制 1.开环控制系统 如果系统只是根据输入量和干扰量进行控制，而输出端和输 入端之间不存在反馈回路，输出量在整个控制过程中对系统的控 制不产生任何影响，这样的系统称为开环控制系统。图1.4所示 的数控机床进给系统，由于没有反馈通道，所以是一个开环控制 系统。系统的输出量仅受输入量的控制。 ????????????????????????????? 开环系统的控制精度较低。但是如果组成系统的元件特性和 参数值比较 稳定，而且 外界的干扰 也比较小， 则这种控制 系统也可以 保证一定的 精度。开环 控制系统的最大优点是系统简单，一般都能稳定可靠地工作， 因此对于要求不高的系统可以采用。?????????????????? 2.闭环控制系统 如果系统的输出端和输入端之间存在