《自動控制理論》第一章 自動控制的一般概念

1、PAGE PAGE 7第1章 自動控制的一般概念 重點與難點一、基本概念1.自動控制被控對象在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置，使被控對象的被控量自動按預(yù)定規(guī)律運行。檢測裝置2.控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)執(zhí)行器 控制器3.負(fù)反饋控制原理將系統(tǒng)輸出信號引回輸入端，與輸入信號相比較，利用所得的偏差信號進(jìn)行控制，使偏差減小或消除。4. 控制系統(tǒng)分類 按控制方式分：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制； 接輸入信號：恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)； 按系統(tǒng)輸入輸出多少：單輸入單輸出（SISO）、多輸入多輸出（MISO）； 按系統(tǒng)的性能分類：線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、確定性系統(tǒng)和非確定

2、性系統(tǒng)。5.對控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)基本要求；準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)要求：穩(wěn)態(tài)誤差要?。豢靹討B(tài)要求：超調(diào)量要小，調(diào)節(jié)時間要短。二、基本要求（1）正確理解和掌握負(fù)反饋控制原理；（2）了解控制系統(tǒng)的組成與分類；（3）能確定控制系統(tǒng)的被控對象、被控量和控制量；掌握根據(jù)工作原理圖繪制系統(tǒng)方框圖的方法。三、重點與難點1.自動控制和自動控制系統(tǒng)的含義。2.反饋和反饋控制系統(tǒng)的概念、反饋控制系統(tǒng)的特點；3.控制系統(tǒng)的組成和分類；4.確定控制系統(tǒng)的被控對象、被控量、調(diào)節(jié)量、給定量，繪制控制系統(tǒng)的方塊圖，分析實際系統(tǒng)的控制原理。 例題解析電加熱器溫控開關(guān)測溫元件冷水熱水水箱圖1-1 電加熱系統(tǒng)例1-1 設(shè)熱水電加熱器如圖1-1所

3、示。為了保持希望的溫度，由溫度開關(guān)接通或斷開電加熱器的電源。在使用熱水時，水箱中流出熱水并補充冷水。試說明系統(tǒng)的被控對象、輸出量、輸入量、工作原理并畫出系統(tǒng)原理方塊圖。解：在熱水電加熱器系統(tǒng)中，輸入量為預(yù)定的希望溫度（給定值），設(shè)為T希；被控量（輸出量）為水箱實際水溫，設(shè)為T，控制對象為水箱。擾動信號主要是由于放出熱水并注入冷水而產(chǎn)生的降溫作用，(熱水流出量，冷水流入量)。當(dāng)TT希時，溫控開關(guān)斷開， 電加熱器不工作，此時水箱中水溫保持在希望水溫上。當(dāng)使用熱水時，由于擾動作用使實際水溫下降，測溫元件感受TT希的變化，并把這一溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號使溫控開關(guān)接通電源，電加熱器工作，使水箱中的水溫上升

4、，直到TT希為止。系統(tǒng)原理方框圖如下：擾動信號溫控開關(guān)電加熱器水箱測溫元件 T希 T圖1-2 系統(tǒng)原理方塊圖例1-2 船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)如圖1-3所示。試分析其工作原理，并畫出系統(tǒng)方塊圖。圖1-3 船舶舵角位置跟蹤系統(tǒng)解：該系統(tǒng)的任務(wù)是實現(xiàn)船舶舵角位置0,跟蹤操縱桿角位置i。被控對象是船舵，被控量（輸出量）是船舵的角位置0，給定量是操縱桿角位置。理想跟蹤情況下，0i，兩環(huán)形電位計組成的橋式電路處于平衡狀態(tài)，輸出電壓ue0，電動機不轉(zhuǎn)。系統(tǒng)相對靜止。如果操縱桿角i改變了，而船舵仍處于原位，則電位器輸出不為零，ue經(jīng)放大后使電動機通過減速器連同船舵和輸出電位計滑臂一起做跟隨給定值i的運動。當(dāng)

5、0i時，電動機停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡，從而實現(xiàn)角位置跟蹤的目的。由上分析可知，操縱桿是輸入裝置，電位計組同時完成測量和比較功能，電壓功率放大器完成調(diào)節(jié)工作，電動機和減速器共同起執(zhí)行器的作用。系統(tǒng)的原理方塊圖如下：電位計組電壓放大器功率放大器電動機減速器船舵操縱桿 i0圖1-4 船舶舵角位置跟蹤系統(tǒng)原理方塊圖例1-3 倉庫大門自動控制原理示意圖如圖1-5所示，試說明自動控制大門開關(guān)的工作原理并畫出方塊圖。解：當(dāng)合上開門開關(guān)時，電位器橋式測量電路的偏差電壓經(jīng)放大器放大后，驅(qū)動伺服電動機帶動絞盤轉(zhuǎn)動，將大門向上提起，與此同時，和大門連在一起的電刷也向上移動。直到大門實際位置與要求的開啟位置一致，橋式

6、測量電路達(dá)到平衡，電動機停止轉(zhuǎn)動，大門到達(dá)開啟位置。反之當(dāng)和上關(guān)門開關(guān)時，電動機帶動絞盤使大門關(guān)閉?？刂葡到y(tǒng)方塊圖如下：圖1-5 船舶舵角位置跟蹤系統(tǒng)開關(guān)門位置 實際位置橋式電路放大器電動機絞盤大門圖 1-6 大門自動控制系統(tǒng)方塊圖圖1-7 電冰箱制冷系統(tǒng)原理圖例1-4 電冰箱制冷系統(tǒng)工作如圖1-7所示。試簡述系統(tǒng)工作原理，指出被控對象，被控量和給定量，畫出系統(tǒng)方框圖。 SHAPE * MERGEFORMAT 解：系統(tǒng)的任務(wù)是保持冰箱內(nèi)溫度Tc等于設(shè)定的溫度Tr。冰箱箱體是被控對象，箱內(nèi)溫度是被控量,由控制器旋鈕設(shè)定的電位器輸出電壓（與希望的溫度Tr值對應(yīng)）是給定量。溫度控制器中的雙金屬溫度傳

7、感器（測量元件）感受冰箱內(nèi)的溫度并把它轉(zhuǎn)換為電壓信號uc，與控制器旋紐設(shè)定的電位器（給定元件）輸出電壓ur（對應(yīng)希望溫度Tr）相比較，利用偏差電壓u（表征實際溫度Tc與希望溫度Tr的偏差）控制繼電器。當(dāng)u大到一定值時，繼電器接通，壓縮機起動，將蒸發(fā)器中的高溫低壓氣態(tài)制冷液送經(jīng)冷卻器散熱；降溫后的低溫低壓制冷液被壓縮成低溫高壓液態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器,急速降低擴散成氣體,吸收箱體內(nèi)的熱量,使箱體內(nèi)的溫度降低;而高溫低壓制冷劑又被吸入冷卻器。如此循環(huán)流動，使冰箱達(dá)到制冷的效果。繼電器、壓縮機、蒸發(fā)器和冷卻器組成系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，完成降溫功能。電冰箱制冷系統(tǒng)方框圖如圖1-8所示。 Tcuauur繼電器壓縮機蒸發(fā)

8、器冰箱體溫度傳感器 uc圖1-8 電冰箱制冷系統(tǒng)方框圖 圖1-9 位置隨動系統(tǒng)原理圖例1-5 角位置隨動系統(tǒng)工作原理圖如圖1-9所示，試簡述其工作原理并畫出系統(tǒng)方框圖。解: 系統(tǒng)的任務(wù)是控制工作機械角位置c跟蹤手柄轉(zhuǎn)角r。工作機械是被控對象，工作機械的角位置是被控量，手柄角位移是給定量。當(dāng)工作機械轉(zhuǎn)角c與手柄轉(zhuǎn)角r一致時，兩環(huán)行電位計組成的橋式電路處于平衡狀態(tài)，輸出電壓us=0,電機不動。系統(tǒng)相對靜止。如果手柄轉(zhuǎn)角r變化了，而工作機械仍處于原位，則電橋輸出uc0，此電位計信號經(jīng)放大器放大后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速器拖動工作機械向r 要求的方向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)c=r時，電機停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，從而實

9、現(xiàn)角位置跟蹤目的。系統(tǒng)中手柄是給定元件，電橋電路同時完成測量、比較功能，電機和減速器組成執(zhí)行機構(gòu)。系統(tǒng)方框圖見圖1-10。 手柄電位計放大器電動機減速器工作機械 ruusmc 圖1-10 位置隨動系統(tǒng)方框圖例1-6 圖1-11為液位自動控制系統(tǒng)示意圖。在任何情況下，希望液面高度c維持不變，試說明系統(tǒng)工作原理，并畫出系統(tǒng)原理方框圖。解：系統(tǒng)的控制任務(wù)是保持液面高度不變。水箱是被控對象，水箱液位是被控量。電位器設(shè)定電壓ur（表征液位的希望值cr）是給定量。當(dāng)電位器電刷位于中點位置（對應(yīng)ur）時，電動機不動，控制閥門有一定的開度，使水箱中流入水量與流出水量相等，從而液面保持在希望高度cr上。一但流入

10、水量或流出水量發(fā)生變化，例如當(dāng)液面升高時，浮子位置也相應(yīng)升高，通過杠桿作用使電位器電刷從中點位置下移，從而給電動機一定的控制電壓，驅(qū)動電動機通過減速器減小閥門開度，使進(jìn)入水箱的液體流量減少。這時，水箱液面下降，浮子位置相應(yīng)下降，直到電位器電刷回到中點位置，系統(tǒng)重新處于平衡狀態(tài)，液面恢復(fù)給定高度。反之，若水箱液面下降，則系統(tǒng)會自動增大閥門開度，加大流入量，使液位升到給定高度cr。圖1-11 液位自動控制系統(tǒng)示意圖 系統(tǒng)原理方框圖如圖1-12所示： 電動機減速器閥門水箱浮子連桿設(shè)定電位uruc uf 圖1-12 液位自動控制系統(tǒng)方框圖 自測題1. T圖1-1所示的是一晶體管穩(wěn)壓電源。試畫出其方框圖并說明在該電源里哪些起著測量、放大、執(zhí)行的作用，以及系統(tǒng)里的干擾量和給定量是什么？T圖 1-12. 兩水位控制系統(tǒng)如T圖12(a)、(b)所示，要求：(1