开环控制系统和闭环时课件

第一章 自动控制系统的一般概念1.1 控制系统工作原理和组成1.2 自动控制系统的分类和基本要求本章主要内容1.1 控制系统工作原理和组成一、控制系统工作原理例：电炉恒温箱的控制 1、人工控制恒温箱 2、自动控制恒温箱 第一章 自动控制系统的一般概念v人工控制恒温箱123动态过程v观测恒温箱内的温度（被控制量）v与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向v根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。测量、比较、判断、操作 实质实质 检测偏差和纠正偏差检测偏差和纠正偏差。第一章 自动控制系统的一般概念控制器：大脑被控对象：恒温箱被控量：恒温箱内的温度测量元件：眼睛执行元件：手和调压器 第一章 自动控制系统的一般概念l自动控制恒温箱温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向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，此时，偏差u=0,电机停止转动。动态过程动态过程动态过程动态过程 恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u=u1-u2实质检测偏差纠正偏差 第一章 自动控制系统的一般概念把实际物理系统按信号传递过程画成方框图（或称方块图）比较元件，它的输出信号等于各输入信号代数相加（用十、一号表示，十可以不标）。箭头,表示信号的方向。引出点，表示信号在此分两路，两路信号相同，不存在分流问题方框表示系统的组成元件,注明名称或功能.系统输入量，也称为参考输入量（信号）被控制量,系统输出量偏差信号反馈信号反馈通路 第一章 自动控制系统的一般概念 由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。第一章 自动控制系统的一般概念 【自动控制】：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（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。第一章 自动控制系统的一般概念 【自动控制系统】由相互关联的部件按一定的结构构成的，它通过一定的控制方法，使系统能够达到要求的性能，提供预期的系统响应。自动控制系统控制器：能够对被控对象起控制 作用的设备总称被控制对象 第一章 自动控制系统的一般概念控制系统工作原理：v检测输出量（被控制量）的实际值；v将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；v用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。第一章 自动控制系统的一般概念二、反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的一般组成控制器 第一章 自动控制系统的一般概念1.1.给定元件给定元件 产生给定信号或输入信号产生给定信号或输入信号。2.2.反馈元件（测量元件）反馈元件（测量元件）测量被控制量（输出量），测量被控制量（输出量），产产 生主反馈信号生主反馈信号。5.5.执行元件执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件，使被控量与希望值趋于直接对受控对象进行操纵的元件，使被控量与希望值趋于直接对受控对象进行操纵的元件，使被控量与希望值趋于直接对受控对象进行操纵的元件，使被控量与希望值趋于一致。一致。一致。一致。3.比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。4.放大元件 对偏差信号进行放大，输出足够的能量驱对偏差信号进行放大，输出足够的能量驱动执行元件实现控制功能。动执行元件实现控制功能。第一章 自动控制系统的一般概念6.6.校正元件校正元件 参数或结构便于调参数或结构便于调参数或结构便于调参数或结构便于调整的元件，用以改善系统整的元件，用以改善系统整的元件，用以改善系统整的元件，用以改善系统性能。分为串联和并联两性能。分为串联和并联两性能。分为串联和并联两性能。分为串联和并联两种。种。种。种。实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动。但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。偏差信号：控制信号与主反馈信号之差。误差信号：系统输出量的实际值与希望值之差。注意：误差与偏差不是同一概念，只有在全反馈系统中，误差=偏差 第一章 自动控制系统的一般概念1.2 自动控制系统的分类和基本要求一、自动控制系统的分类按有无反馈作用按有无反馈作用按输入量特征分类按输入量特征分类按传递信号分类按传递信号分类开环控制开环控制恒值控制恒值控制连续控制连续控制闭环控制闭环控制程序控制程序控制离散（数字）控制离散（数字）控制随动控制随动控制 第一章 自动控制系统的一般概念按系统元件特按系统元件特性分类性分类按元件参数是否随时按元件参数是否随时间变化间变化按被调量是否存在稳按被调量是否存在稳态误差态误差线性系统线性系统时变系统时变系统有差系统有差系统非线性系统非线性系统定常系统定常系统无差系统无差系统 第一章 自动控制系统的一般概念v开环系统系统的输出、输入端之间不存在反馈电路，输出量 对系统的控制作用没有影响。机械连接分压器电位器信号放大,功率放大机械连接,减速,变矩控制信号被控制信号 第一章 自动控制系统的一般概念v闭环系统 闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响路，输出量对控制过程有直接影响。前向通道反向通道1-控制器 2-被控制对象 3-反馈元件 第一章 自动控制系统的一般概念优点优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。精度。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。开环系统与闭环系统的优点和缺点闭环系统：优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设 计麻烦。开环系统：第一章 自动控制系统的一般概念 一般来说，当系统控制量的变化规律能预先知道，并且不存在外部扰动（或有办法抑制）时，采用开环控制较好。特别是被控制量很难进行测量时更是如此。如果系统的控制量和干扰量均无法事先预知时，或系统中元件参数不稳定时，采用闭环控制的优点就显得特别突出。如果要求实现复杂而准确度较高的控制任务，则可将开环控制与闭环控制结合起来一起应用，组成一个比较经济而又性能较好的复合控制系统。开环控制系统和闭环控制系统设计时的选择原则 第一章 自动控制系统的一般概念v恒值系统恒值系统：输出量以一定精度等于给定值，而给定值一般不变或变化很缓慢（扰动可随时变化）的系统。压力控制系统 第一章 自动控制系统的一般概念随动系统随动系统 随随动动系系统统（伺伺服服系系统统）：输输入入量量的的变变化化规规律律不不能能预预先先确确知知，其其控控制制要要求求是是输输出出量量迅迅速速、平平稳稳地地跟跟随随输输入入量量的的变变化化，并并能能排排除除各各种种干干扰扰因因素素的的影影响响，准准确确地地复复现现输输入入信信号号的的变变化化规律规律。雷达天线随动系统 输入信号：随机信号输出信号 第一章 自动控制系统的一般概念v程序控制系统程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。第一章 自动控制系统的一般概念 有差系统：如果某个系统的扰动作用经过一段时间而趋于某一恒定的稳态值，而被调量的实际值和希望值之差也逐渐趋于某一不为零的恒值（这个值取决于扰动作用的大小）。无差系统：如果一个系统的扰动作用经过一段时间而趋于某一恒定的稳态值，而被调量的实际值和希望值之差逐渐趋于零，且与扰动作用的大小无关。第一章 自动控制系统的一般概念有差、无差系统有差系统 无差系统 被控量扰动注：同一系统可能对扰动输入是有差的，而对给定输入量是无差的，或者相反。因此，在研究一个自动控制系统是有差的还是无差的，必须指出是对扰动或给定输入而言。第一章 自动控制系统的一般概念系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。统。离散控制系统通常采用差分方程描述。统。离散控制系统通常采用差分方程描述。统。离散控制系统通常采用差分方程描述。连续控制系统 离散（数字）控制系统 第一章 自动控制系统的一般概念二、对控制系统的基本要求 性能指标是评价系统动态品质的定量指标，是定量分析的基础。控制系统应用于不同的场合，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度来看，对控制系统却有一些共同的要求，一般可归结为稳、快、准。即：稳定性、快速性、准确性（稳态精度）第一章 自动控制系统的一般概念稳定性：系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的稳定性是控制系统正常工作的先决条件先决条件。控制系统稳定。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致致。第一章 自动控制系统的一般概念快速性：快速性：快速性：快速性：输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。快速性好的系统，它消除偏差的过渡时间就短，就能复现快速变化的输入信号，因而具有较好的动态性能。系统的快速性可以用调整时间来衡量。第一章 自动控制系统的一般概念准确性：准确性：准确性：准确性：控制精度，以稳态误差来衡量。控制精度，以稳态误差来衡量。注意：1不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。2系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。稳态误差:是指以一定变化规律的输入信号作用于系统后，当调整过程结束而趋向于稳定时，输出量的实际值与期望值之间的误差值。第一章 自动控制系统的一般概念小 结v自动控制及自动控制系统的概念v反馈和反馈控制的概念v控制系统的工作原理、组成和分类v能够确定实际控制系统的被控对象，被控量和给定量；v能够绘制控制系统的方块图 第一章 自动控制系统的一般概念本 章 结 束谢 谢！第一章 自动控制系统的一般概念