自动控制的一般概念习题.ppt

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1、第1章 自动控制的一般概念,1.1 自动控制系统实例,1.2 方框图中各符号的意义,1.3 控制系统的组成,1.4 对控制系统的基本要求,1.5 基本控制方式,1.6 习题分析,例 1 炉温控制系统,1.1 自动控制系统实例,炉温控制系统方框图,炉温控制系统方框图,元部件 方框（块）图 信号（物理量）及传递方向 中的符号 比较点 引出点 表示负反馈,1.2 方框图中各符号的意义,例 2 函数记录仪,函数记录仪方框图,1.3 控制系统的组成(1),控制系统,被控对象,控制装置,测量元件 比较元件 放大元件 执行机构 校正装置 给定元件,控制系统的组成(2),1.稳：（基本要求）要求系统要稳定 2

2、.准：（稳态要求）系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高 3.快：（动态要求）系统阶跃响应的过渡过程 要平稳，快速,1.4 对控制系统的基本要求,稳定性,系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。,稳定性：,系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。,否则为不稳定的。,r(t),c(t),不稳定的系统是无法正常工作的。,扰动信号作用下 的不稳定系统:,c(t),d(t),一个能在生产实际中应用的系统,不仅应具有稳定性,而且在动态过程中的震荡也不能过于强烈.,通过动态过程时间长短表征快速性。,快速性,r(t),c1(t),c2(t),快速性表明了系统输

3、出对输入响应的快慢程度,过渡过程时间越短，表明快速性越好。,反之亦然。,t1,t2,由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。,准确性,ess,它反映了系统的稳态精度。若系统最终的误差为零，则称为无差系统，否则为有差系统。,c(t),r(t),稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中,若过分强调某方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到影响.,怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。,按给定信号的形式 恒值系统/随动系统 按系统是否满足叠加原理 线性系统/非线性系统 按系统参数是否随时间

4、变化 定常系统/时变系统 按信号传递的形式 连续系统/离散系统 按输入输出变量的多少 单变量系统/多变量系统,控制系统的分类,1.开环控制 2.闭环控制 3.复合控制,1.5 基本控制方式,在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。,自动控制,将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。_ 构成闭环控制系统的核心 闭环(反馈)控制系统的特点：(1)系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路(2)偏差起调节作用,负反馈原理,经典控制理论(19世纪初)时域法 复域

5、法(根轨迹法)频域法 现代控制理论(20世纪60年代)线性系统 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统辨识 集散控制 大系统复杂系统 智能控制理论(20世纪70年代)专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法,自动控制理论发展简史,水温调节系统,水温调节系统工作原理图,1-1 根据题1-15图所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成：(1)将a，b与c，d用线连接成负反馈状态；(2)画出系统方框图。,解（1）负反馈连接方式为：,，,（2）系统方框图如图解1-1 所示。,1.6 习题分析,1-2 题1-16图是仓库大门自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门开、闭的工作原理，

6、并画出系统方框图。,图1-16 仓库大门自动开闭控制系统,解 当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。系统方框图如图解1-2所示。,1-3 图1-17为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。,图1-17 炉温自动控制系统原理图,正常时：电机不转动,解:

7、加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压 的平方成正比，增高，炉温就上升，的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压 作为系统的反馈电压与给定电压 进行比较，得出偏差电压 经电压放大器、功率放大器放大成 后，作为控制电动机的电枢电压。,正常时：电机不转动,被控对象,被控量,1-4图1-18是控制导弹发射架方位的电位器式随动系统原理图。图中、并联后跨接到同一电源 电位器的两端，其滑臂分别与输入轴和输出轴相联结，组成方位角的给定元件和测量反馈元件。输入轴由手轮操纵；输出轴则由直流电动机经减速后带动，电动机采用电枢控制的方

8、式工作。试分析系统的工作原理，指出系统的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。,图1-18 导弹发射架方位角控制系统原理图,解：当导弹发射架的方位角与输入轴方位角一致时，系统处于相对静止状态。系统中，导弹发射架是被控对象，发射架方位角 是被控量，通过手轮输入的角度 是给定量。,手轮输入角度 驱动电机使导弹发射架转动，直至，偏差电压，电动机停止转动。这时，导弹发射架停留在相应的方位角上。只要，偏差就会产生调节作用，控制的结果是消除偏差，使输出量 严格地跟随输入量 的变化而变化。,1-5 采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统如图1-19所示。其工作原理是：当蒸汽机带动负载转动的同时，通过圆锥齿

9、轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠杆，杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度。在蒸汽机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果由于负载增大使蒸汽机转速 下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过杠杆增大供汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速回升。同理，如果由于负载减小使蒸汽机的转速 增加，则飞锤因离心力增加而使套筒上滑，并通过杠杆减小供汽阀门的开度，迫使蒸汽机转速回落。这样，离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速 保持在某个期望值附近。指出系统中

10、的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。,解：在本系统中，蒸汽机是被控对象，蒸汽机的转速是被控量，给定量是设定的蒸汽机希望转速。离心调速器感受转速大小并转换成套筒的位移量，经杠杆传调节供汽阀门，控制蒸汽机的转速，从而构成闭环控制系统。,1-6 摄像机角位置自动跟踪系统如图1-20所示。当光点显示器对准某个方向时，摄像机会自动跟踪并对准这个方向。试分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量及给定量，画出系统方框图。,解：控制系统的任务是使摄像机自动跟踪光点显示器指示的方向。当摄像机方向角与光点显示器指示的方向一致时，自整角机输出，交流放大器输出电压，电动机静止，摄像机保持原来的协调方向。当光

11、点显示器转过一个角度，时，自整角机输出与失谐 角 成比例的电压信号（其大小、极性反映了失谐角的幅值和方向），经电位器后变成，经放大器放大后驱动伺服电动机旋转，并通过减速器带动摄像机跟踪光点显示器的指向，使偏差减小，直到摄像机与光点显示器指向重新达到一致时为止。测速发电机测量电动机转速，进行速度反馈，用以改善系统性能。,系统中，摄像机是被控对象，摄像机的方向角 是被控量，给定量是光点显示器指示的方向角。,1-7图1-21(a)，(b)所示的系统均为电压调节系统。假设空载时两系统发电机端电压均为110V，试问带上负载后，图1-21(a)，(b)中哪个能保持110V不变，哪个电压会低于110V？为什

12、么?,图1-21 电压调节系统工作原理图,解:带上负载后，开始由于负载的影响，图1-21(a)与(b)系统的端电压都要下降，但图(a)中所示系统能恢复到110伏而图(b)系统却不能。理由如下：图(a)系统,当 u 低于给定电压时，其偏差电压经放大器 K放大后，驱动电机D转动，经减速器带动电刷，使发电机 F 的激磁电流If 增大，发电机的输出电压会升高，从而使偏差电压减小，直至偏差电压为零时，电机才停止转动。因此，图(a)系统能保持110伏不变。,图(b)系统，当 u 低于给定电压时，其偏差电压经放大器K 后，直接使发电机激磁电流增大，提高发电机的端电压，使发电机 G 的端电压回升，偏差电压减小

13、，但不可能等于零，因为当偏差电压为 0时，If=0，发电机就不能工作。即图(b)所示系统的稳态电压会低于110伏。,1-8 图1-22为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图，并说明为了保持热水温度为期望值，系统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置各是什么？,解:工作原理：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在温度控制器中与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。如果由于某种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通过温度控制器，开

14、大阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷水流量进行顺馈补偿，保证热交换器出口的水温不发生大的波动。其中，热交换器是被控对象，实际热水温度为被控量，给定量（希望温度）在控制器中设定；冷水流量是干扰量。,这是一个按干扰补偿的复合控制系统。,1-9 许多机器，像车床、铣床和磨床，都配有跟随器，用来复现模板的外形。图1-23就是这样一种跟随系统的原理图。在此系统中，刀具能在原料上复制模板的外形。试说明其工作原理，画出系统方框图。,解:模板与原料同时固定在工作台上。X、Y轴直流伺服马达接受控制器的指令，按输入命令带动工作台做X、Y方向运动。模板随工作台移动时，触针会在模板表面滑动，跟随刀具中的位移传

15、感器将触针感应到的反映模板表面形状的位移信号送到跟随控制器，控制器的输出驱动Z轴直流伺服马达带动切削刀具连同刀具架跟随触针运动，当刀具位置与触针位置一致时，两者位置偏差为零，Z轴伺服马达停止。系统中，刀具是被控对象，刀具位置是被控量，给定量是由模板确定的触针位置。系统方框图如图解1-9所示。最终原料被切割加工成模板的形状。,1-10图1-24(a)，(b)所示均为调速系统。(1)分别画出图1-24(a)、图(b)所示系统的方框图。给出图1-24(a)所示系统正确的反馈连线方式。(2)指出在恒值输入条件下，图1-24(a)、(b)所示系统中哪个是有差系统，哪个是无差系统，说明其道理。,图1-24

16、 调速系统工作原理图,解(1)系统方框图如图解1-10所示。,图1-24(a)正确的反馈连接方式如图1-24(a)中虚线所示。(2)图1-24(a)的系统是有差系统，图1-24(b)的系统是无差系统。图1-24(a)中，当给定恒值电压信号，系统运行达到稳态时，电动机转速的恒定是以发电机提供恒定电压为条件，对应发电机激磁绕组中电流一定是恒定值。这意味着放大器前端电压是非零的常值。因此，常值偏差电压存在是系统稳定工作的前提，故系统有差。图1-24(b)中，给定恒定电压，电动机达到稳定转速时，对应发电机激磁绕组中的励磁电流恒定，这意味着执行电动机处于停转状态，放大器前端电压必然为0，故系统无差。,1

17、-11 图1-25为谷物湿度控制系统示意图。在谷物磨粉的生产过程中，有一个出粉最多的湿度，因此磨粉之前要给谷物加水以得到给定的湿度。图中，谷物用传送装置按一定流量通过加水点，加水量由自动阀门控制。加水过程中，谷物流量、加水前谷物湿度以及水压都是对谷物湿度控制的扰动作用。为了提高控制精度，系统中采用了谷物湿度的顺馈控制，试画出系统方块图。,解:系统中，传送装置是被控对象；输出谷物湿度是被控量；希望的谷物湿度是给定量。系统方框图如图解1-11 所示。这是一个按干扰补偿的复合控制系统。,自动控制原理课程的研究内容,课程的体系结构,1.自动控制的一般概念 基本控制方式 控制系统的基本组成 控制系统的分类 对控制系统的要求 课程研究的内容 2.要求掌握的知识点 负反馈控制系统的特点及原理 由系统工作原理图绘制方框图,课 程 小 结,