第一章控制系统的一般概念

一、教学目的及基本要求

1、明确自动控制的任务，正确理解受控对象、控制量、被控量、输入量、输出 量、

控制装置和自动控制系统等概念。

2、正确理解两种控制方式 —— 开环控制和闭环控制，特别是反 馈控制。 3、初步掌握控制系统的分类。

4、掌握反馈控制系统的组成及基本要求。

二、重点与难点

1、理解控制系统中的各个物理量的含义 2、理解开环控制和闭环控制的含义 3、理解反馈的含义

4、掌握基本控制系统的组成

三、授课内容与课时

第一章 控制系统的一般概念 （共 4 课时）

（ 1） 引言

（ 2） 开环控制与闭环控制

（ 3） 控制系统举例

（ 4） 控制系统的组成与对控制系统的基本要求

四、教学方法与手段

采用多媒体教学及其它方法

五、教学过程

1.1引言

所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称 控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或 参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。

由控制器、被控对象等部件为了一定的目的有机地联结成一个进行自动控制 的总体，称为自动控制系统。

自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。 它的发展初期，是以反 馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了 设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其他基于 反馈原理的军用装备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。

二战后，已形

成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为数学工具，采用频率域方法， 研究单输入一单输出的线性定常系统的分析和设计问题。

20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的 应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段一一现代控制理 论。它主要研究多输入一多输出、时变和非线性等控制系统的分析与设计问题。 基本方法是时域方法，研究内容十分广泛，主要有线性系统理论、最优控制理论、 最佳滤波、自适应控制、系统辩识、随机控制等。

近年来，随着技术和大规模复杂系统的发展， 已促使自动控制理论开始 向第三代发展即第三代控制理论一一大系统理论和智能控制理论发展。

本书重点阐述经典控制理论。

1.2开环控制与闭环控制

1. 2. 1开环控制系统

一个控制系统，如果控制装置与被控对象之间只有正向控制作用而没有反向 联系的控制过程，按这种方式组成的系统称为开环控制系统，如图 1-1所示。

输入量・控制器 控制量.受控对象

图1—1开环控制系统

其特点是这种控制系统结构较简单， 控制作用直接由系统的输入量产生， 对应于 每一个给定值，其被控量便有一个对应的固定工作状态， 控制精度完全取决于所 用的元件及校准的精度。当系统存在干扰时，会直接影响被控量，而无法自动补 偿，因而控制精度难于保证。所以这种系统只适合于输入与输出关系已知， 统不存在干扰(或干扰很弱)的场合，如一些自动化流水线，多属这类系统。

且系

1. 2. 2闭环控制系统

若将系统的输出量反馈到它的输入端，并与参考输入进行比较，则构成闭环控 制系统。其系统框图如图1-4所示。

图1—2闭环系统框图

闭环控制系统的特点是，在控制器输入量与被控对象之间，不仅存在正向作用 而且存在反馈作用。若反馈信号与输入信号相减，则称为负反馈；反之，若反馈 信号与输入信号相加，则称为正反馈。输入信号与反馈信号之差，称为偏差信号。 此信号通过控制器，产生控制量使输出量趋于给定的数值。 闭环控制系统的实质 是按偏差进行控制，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时， 必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于 一致。可以说，按反馈控制方式组成的负反馈控制系统，具有抑制任何内、外扰 动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。但这种系统使用的元件多，结 构复杂，特别是系统的性能分析和设计也较麻烦。 尽管如此，它仍是一种重要的 并被广泛应用的控制方式，自动控制理论主要的研究对象就是用这种控制方式组 成的系统。

1.3控制系统举例

1、恒值系统

电机调速系统，其方框图如图1-3所示。

(1) 比较元件1,用来对信号进行比较。如电位计、弹簧一膜片、自整角机等。 本例用电位计。(2)2和3是放大元件，用来放大偏差信号，使偏差信号具有一 定的功率以便推动后面执行元件。如电子放大器、电机放大机、晶闸管功率放大 器等。

本例中电流、电压放大是根据性能指标要求选的电子放大电路， 功率放大 用的是电机放大机。

(3)4和5是执行元件，根据偏差信号产生调整作用，通过执行元件对被控制量 进行控制。如各种驱动电动机、油缸的活塞等]本例是电动机C

⑷6是被控制对象。如电动机、油罐、加热炉等 °本咧是匕动机「

(5)7是反馈元件，包括测量元件和校正元件。测量元件是用来测量执行电机的 输出信号。如测速发电机、膜片、热电偶等。本例用的是测速发电机。校正元件 是用来改善系统性能。如各种调节器。本例用的是 PID

图1 — 3电机调速系统方框图

1-5电机调速系统方框图

2. |

根据随动.系统的定义，训知该系统的特点是：

(1) 能以一定精度跟踪(复现)变化规律事先未知的控制信号； (2)

导弹发射架系统就是一个典型随动系统，其方框图如图

1— 4所示

图1-4导弹发射架系统

(5) 7是反馈元件，包括测量元件和校正元件。测量元件本例是测速发电机；校 正元件，本例用的是PID 3、程序控制系统

电炉温度微机控制系统就是一个典型的程序控制系统，其方框图如图 5

所示’ (1)比较元件仁

1 —

⑵放大整形电路2 ’本洌山已子线略完成■

(3)A/D

⑷ 计算机，本例由80C196单

(5) D/A

(6) 功率放大器，本例是由晶闸管SCRS成， (7) 被控制对象7. (8) 测量元件8.

比较元件放大元件

计算机 执行元件

电子线路电子芯片8098单片机电子芯片

被控对象

热电偶

图1-5电炉温度微机控制系统

1.4控制系统的组成与对控制系统的基本要求

1.4.1闭环控制系统的组成

闭环控制系统是由各种结构不同的系统部件组成的。 从完成“自动控制”这 一职能看，一个控制系统必然包含被控对象和控制装置两个部分。

控制装置由具

有一定职能的各种基本元件组成的。 在不同系统中，结构完全不同的元部件都可 以具有相同的职能。组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种。

测量元件：其职能是测量被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般 再转换为电量。

给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量

(即参变量)。

比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比 较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、 机械差动装置和电桥

放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控 对象。如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压 放大器和功率放大级加以放大。

执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的 有阀、电动机、液压马达等。

校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件， 用串联或反馈 的方式连接在系统中，以改善系统性能。最简单的校正元件是由电阻、电容组成 的无源或有源网络，复杂的则用电子计算机。

142控制系统的基本要求

各类系统对被控量变化全过程所提出的基本要求是一样的， 一般可归纳为稳 定性、快速性和准确性，即稳、快、准。

1)稳定性

所谓系统稳定是指受扰动作用前系统处于平衡状态， 受扰动作用后系统偏离 了原来的平衡状态，如果扰动消失后系统能够回到受扰以前的平衡状态，则称系 统是稳定的，如图1-6( a)所示，如果扰动消失以后，不能回到原来的平衡状 态，甚至随时间的推移对原来平衡状态的偏离越来越大，这样的系统就是不稳定

的系统，如图1-6 (b)所示。稳定是保证系统正常工作的先决条件，不稳定的系 统是无法完成预定控制任务的

t

(a) (b)

图1-6自动控制系统扰动过程

线性自动控制系统的稳定性是由系统本身的结构与参数决定的， 与外界因素 无关，自动控制理论应研究系统的稳定性与系统的结构及参量间的关系， 并给出 稳定性的判别方法，因此稳定性的研究是自动控制理论中的一个基本问题。

2 ）快速性

这是对稳定系统暂态性能的要求。 因为工程上的控制系统总是存在惯性， 如 电动机的电磁惯性， 机械惯性等等， 致使系统在扰动量或给定量发生变化时， 被 控量不能突变，需要有一个过渡过程，即暂态过程。这个暂态过程的时间很短， 也可能经过一个漫长的过程达到稳态值， 或经过一个振荡过程达到稳态值， 这反 应了系统的暂态性能。 在工程上暂态性能是很重要的。 一般来说， 为了提高生产 效率，系统应有足够的快速性，但是如果过渡时间太短，系统机械冲击会很大， 容易影响机械寿命，甚至损坏设备；反之过渡时间太长，会影响生产效率等。因 此工程上对自动控制系统有相应的暂态性能要求， 通常用超调量、 调整时间、 振 荡次数等指标来表示。 超调量是衡量系统相对稳定性的指标， 调整时间是衡量系 统快速性的指标，这些指标的具体定义及计算方法将在系统分析中详细介绍。 3 ）准确性

准确性又称稳态精度。 系统在过渡过程结束后实际输出量与给定期望值之间 的偏差，称 为稳态误差。 稳态误差越小， 表明系统的控制精度越高越准确。 稳态误差是衡量 控制系统性能好坏的另一项重要指标， 设计者的任务之一就是在兼顾控制系统其 他性能指标的同时，使稳态误差尽可能小或小于某个允许的误差范围。

应当指出， 上面提出的三个基本要求， 对于不同的控制系统， 具体的技术标 准也各有侧 重点。

(1) 比较元件(兼直放)1 *本洌山口邪加I)1 2 3 4 [.完成■■

(2) 2和3是放大元件(2是进一步直放兼串联校正；3是功率放大器)，本例由电 机放大机完成：

(3) 4和5是执fJ儿件，本例山那动巳动t'I.和賊:虫器完成•■: (4) 6 ;