《自动控制原理》第一章第三节解读课件

1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.3.1 按信号传送的特点或系统结构特点分类按信号传送的特点或系统结构特点分类1.3.2 按给定值的特点分类按给定值的特点分类1.3.3 按数学描述分类按数学描述分类1.3.4 按时间信号的性质分类按时间信号的性质分类1.3.5 按系统参数是否随时间变化分类按系统参数是否随时间变化分类第一章第一章 绪论绪论1.3 自动控制系统的分类1.3.1 按信号传送的特点或1 按信号传送特点或系统结构特点可按信号传送特点或系统结构特点可以将控制系统分为开环控制系统、闭环以将控制系统分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统三大类，前已控制系统和复合控制系统三大类，前已述及，故不赘述。述及，故不赘述。1.3.1 从信号传送的特点或系统结构特点分类从信号传送的特点或系统结构特点分类第一章第一章 绪论绪论 按信号传送特点或系统结构特点可1.3.1 从信21.3.2 按给定值的特点分类按给定值的特点分类一、恒值系统：一、恒值系统：1.定义定义输入信号输入信号r(t)为常值的系统。为常值的系统。2.目的目的保证输出信号保证输出信号c(t)恒定。恒定。3.例如：调速系统（当给定电压例如：调速系统（当给定电压ug不变不变 时），水池水位控制系统，空调、冰时），水池水位控制系统，空调、冰 箱以及工业炉温控制系统等。箱以及工业炉温控制系统等。按给定信号特点可以将控制系统分为恒按给定信号特点可以将控制系统分为恒值系统、随动系统和程控系统三大类。值系统、随动系统和程控系统三大类。第一章第一章 绪论绪论1.3.2 按给定值的特点分类一、恒值系统：按3图图1 112 12 电阻炉微机温度控制系统电阻炉微机温度控制系统恒值系统（续）恒值系统（续）上图为电阻炉微机温度控制系统，电阻丝通过晶闸上图为电阻炉微机温度控制系统，电阻丝通过晶闸管主电路加热，炉温期望值用计算机键盘预先设置，实管主电路加热，炉温期望值用计算机键盘预先设置，实际炉温由热电偶检测，并转换成电压（际炉温由热电偶检测，并转换成电压（mv），经放大），经放大滤波后，由模滤波后，由模/数转换器（数转换器（A/D）将模拟信号）将模拟信号数字信数字信第一章第一章 绪论绪论图112 电阻炉微机温度控制系统恒值系统（续）4图图1 112 12 电阻炉微机温度控制系统电阻炉微机温度控制系统恒值系统（续）恒值系统（续）号送入计算机。在计算机中与所设置的期望值比较后产生偏号送入计算机。在计算机中与所设置的期望值比较后产生偏差信号。计算机便根据预定的控制算法（即控制差信号。计算机便根据预定的控制算法（即控制 规律）计规律）计算相应的控制量，再经算相应的控制量，再经D/A转换变为转换变为010mA的电流，通过的电流，通过第一章第一章 绪论绪论图112 电阻炉微机温度控制系统恒值系统（续）号送入计算5图图1 112 12 电阻炉微机温度控制系统电阻炉微机温度控制系统恒值系统（续）恒值系统（续）触发器控制晶闸管的控制角触发器控制晶闸管的控制角，从而改变晶闸管的，从而改变晶闸管的整流电压，也就改变了电阻丝中电流的大小，达到整流电压，也就改变了电阻丝中电流的大小，达到控制炉温的目的。控制炉温的目的。第一章第一章 绪论绪论图112 电阻炉微机温度控制系统恒值系统（续）触发器控制64.优点优点:计算机温度控制系统，具有精度高、功能计算机温度控制系统，具有精度高、功能 强、经济性好、无噪声、显示醒目、读数强、经济性好、无噪声、显示醒目、读数 直观、打印存档方便、操作简单、灵活性直观、打印存档方便、操作简单、灵活性 和适应性好等一系列优点。和适应性好等一系列优点。恒值系统（续）恒值系统（续）图图1 112 12 电阻炉微机温度控制系统方框图电阻炉微机温度控制系统方框图第一章第一章 绪论绪论4.优点:计算机温度控制系统，具有精度高、功能恒值系73、例如：跟踪目标的雷达系统、火炮群控、例如：跟踪目标的雷达系统、火炮群控 制系统、制系统、导弹制导系统、参数的自动检验系统、导弹制导系统、参数的自动检验系统、X-Y记录仪、船舶驾驶舵位跟踪系统、记录仪、船舶驾驶舵位跟踪系统、飞机自动驾驶仪等等。飞机自动驾驶仪等等。二、随动系统二、随动系统1、定义：给定值随意变化而事先无法知道的系统。、定义：给定值随意变化而事先无法知道的系统。2、目的：使、目的：使c(t)按一定精度跟踪按一定精度跟踪r(t)的变化。的变化。第一章第一章 绪论绪论3、例如：跟踪目标的雷达系统、火炮群控 制系统、二、随动系统8图1 113 13 船舶船舶驾驶舵角位置跟踪系舵角位置跟踪系统随动系统（续）随动系统（续）其任务是使船舵角位置按给定指令变化，即要求其任务是使船舵角位置按给定指令变化，即要求0跟跟随随i:0(t)=i(t)。第一章第一章 绪论绪论图113 船舶驾驶舵角位置跟踪系统随动系统（续）其任务是9图1 113 13 船舶船舶驾驶舵角位置跟踪系舵角位置跟踪系统随动系统（续）随动系统（续）该系统由船舵（受控对象）、电位计（测量、比较元该系统由船舵（受控对象）、电位计（测量、比较元件）、电机、减速器、电压和功率放大器等组成。件）、电机、减速器、电压和功率放大器等组成。第一章第一章 绪论绪论图113 船舶驾驶舵角位置跟踪系统随动系统（续）该系统由10图图1 11414 图图1 115 15 船舶驾驶舵角位置跟踪系统方框图船舶驾驶舵角位置跟踪系统方框图随动系统（续）随动系统（续）由两个电位计组成桥式连由两个电位计组成桥式连接，接，u=ui-ua。若。若0=i，则预先整定则预先整定ui=u0,则则u=0，电机不动，系统处于平衡电机不动，系统处于平衡状态。状态。第一章第一章 绪论绪论图114 图115 船舶驾驶舵角位置跟踪系统方框图随动11若若i 变了，而变了，而0 未变，则有未变，则有0i，uiu0，u0，从而使电机转动，带动船舵角位置，从而使电机转动，带动船舵角位置0向向i 要求的位置变化，直至要求的位置变化，直至0=i，u=0，电机，电机才停止。系统重又平衡。才停止。系统重又平衡。随动系统（续）随动系统（续）第一章第一章 绪论绪论若i 变了，而0 未变，则有0i，uiu0，12随动系统（续）随动系统（续）4.优点：优点：控制对象简单，指令信号事先无法知道控制对象简单，指令信号事先无法知道其变化规律。可用功率很小的指令信号操纵功其变化规律。可用功率很小的指令信号操纵功率很大的工作机械，还可进行远距离控制。率很大的工作机械，还可进行远距离控制。三、程控系统：三、程控系统：1、定义：给定值或指令输入信号按预定程序变化、定义：给定值或指令输入信号按预定程序变化 的系统。的系统。2、目的：、目的：c(t)按预定的程序去运行。按预定的程序去运行。3、举例：顺序控制器、数控机床、仿形机床等。、举例：顺序控制器、数控机床、仿形机床等。第一章第一章 绪论绪论随动系统（续）4.优点：控制对象简单，指令信号事先无法13程控系统（续）程控系统（续）如图所示为数控机床，其中的输入处理、插补计算如图所示为数控机床，其中的输入处理、插补计算和控制功能可由逻辑电路实现，也可由计算机来完成。和控制功能可由逻辑电路实现，也可由计算机来完成。一般都将加工轨迹编好程序。并转换成脉冲输入，再将一般都将加工轨迹编好程序。并转换成脉冲输入，再将工作台移动轨迹也换算成脉冲侧出来与输入脉冲比较后工作台移动轨迹也换算成脉冲侧出来与输入脉冲比较后再换算成模拟信号用以控制再换算成模拟信号用以控制伺服电动机伺服电动机SM。第一章第一章 绪论绪论程控系统（续）如图所示为数控机床，其中的输入处14 按数学描述可以将控制系统分为线性系统和非线按数学描述可以将控制系统分为线性系统和非线性系统。性系统。1.线性系统：线性系统：组成系统的所有元件均为线性元件时，即它们的组成系统的所有元件均为线性元件时，即它们的 输入输入-输出特性是线性的，这样的系统称为线性系输出特性是线性的，这样的系统称为线性系 统。这类系统的运动过程可用线性微分方程（差统。这类系统的运动过程可用线性微分方程（差 分方程）来描述，其主要特点是具有齐次性和叠分方程）来描述，其主要特点是具有齐次性和叠 加性，最大的优点是数学处理简便，理论体系完加性，最大的优点是数学处理简便，理论体系完 整。整。1.3.3 按数学描述分类按数学描述分类第一章第一章 绪论绪论 按数学描述可以将控制系统分为线性系统和非线性系统15 严格地讲，实际的物理系统中很少存在理想的线性严格地讲，实际的物理系统中很少存在理想的线性系统，总是或多或少地存在着不同程度的非线性特性。系统，总是或多或少地存在着不同程度的非线性特性。为研究问题方便，当非线性特性不显著或系统在非线性为研究问题方便，当非线性特性不显著或系统在非线性特性区域的工作范围不大时，可将它们线性化，然后按特性区域的工作范围不大时，可将它们线性化，然后按线性系统处理。那么，可以线性化的元件称为非本质性线性系统处理。那么，可以线性化的元件称为非本质性非线性元件，而不能线性化的元件称为本质性非线性元非线性元件，而不能线性化的元件称为本质性非线性元件。系统中只要包含一个本质性非线性元件，就得用非件。系统中只要包含一个本质性非线性元件，就得用非线性微分方程来描述其运动过程。这种用非线性微分方线性微分方程来描述其运动过程。这种用非线性微分方程来描述的系统就称为非线性系统。在这类系统中，不程来描述的系统就称为非线性系统。在这类系统中，不能使用叠加原理。能使用叠加原理。2.非线性系统：非线性系统：第一章第一章 绪论绪论 严格地讲，实际的物理系统中很少存在理想的线性系统，总161.3.4 按时间信号的性质分类按时间信号的性质分类1.连续系统：连续系统：若系统各环节间的信号若系统各环节间的信号 均为时间均为时间 的连续函数，的连续函数，则称这类系统为连续系则称这类系统为连续系 统。统。0t连续信号连续信号按时间信号的性质可分为连续系统和离散系统。按时间信号的性质可分为连续系统和离散系统。连续系统的运动规律可用微分方程描述。上连续系统的运动规律可用微分方程描述。上述的水位控制系统和电动机调速系统均属这类系述的水位控制系统和电动机调速系统均属这类系统。统。第一章第一章 绪论绪论1.3.4 按时间信号的性质分类1.连续系统：0t连续信172.离散控制系统：离散控制系统：0t离散信号离散信号系统中一处或几处的系统中一处或几处的信号为脉冲序列或数信号为脉冲序列或数字编码，则称这类系字编码，则称这类系统为离散系统。统为离散系统。离散系统的运动规律可用差分方程描述。离散系统的运动规律可用差分方程描述。上述的电阻炉微机温度控制系统和数控机床控上述的电阻炉微机温度控制系统和数控机床控制系统均属这类系统。制系统均属这类系统。第一章第一章 绪论绪论2.离散控制系统：0t离散信号系统中一处或几处的信号为脉冲181.定常系统：定常系统：系统的参数不随时间变化的系统。描述其动态系统的参数不随时间变化的系统。描述其动态 特性的微分方程或差分方程的系数为常数。特性的微分方程或差分方程的系数为常数。2.时变系统：时变系统：系统的参数随时间而变化。描述其动态特性的系统的参数随时间而变化。描述其动态特性的 微分方程或差分方程的系数不为常数。微分方程或差分方程的系数不为常数。按系统参数是否随时间变化可分为定常系统按系统参数是否随时间变化可分为定常系统与时变系统。与时变系统。1.3.5 按系统参数是否随时间变化分类按系统参数是否随时间变化分类第一章第一章 绪论绪论1.定常系统：按系统参数是否随时间变化可分为19 自自动控制系控制系统的分的分类方法很多，方法很多，其中最常其中最常见的是按的是按给定信号特点定信号特点进行分行分类，可分，可分为恒恒值系系统、随、随动系系统和和程控系程控系统；以及按以及按系统结构特系统结构特点点进行分类，可分为进行分类，可分为开环控制系统、开环控制系统、闭环控制系统闭环控制系统和和复合控制系统复合控制系统。小小 结结1.3 控制系统分类控制系统分类 自动控制系统的分类方法很多，其中最常见的是按给定信号20