文章目录第一章 自动控制系统的基本概念第一节 自动控制系统的基本结构第二节 闭环控制系统的基本组成第三节 自动控制系统的分类第四节 对控制系统的基本要求习题一、单项选择题10 题二、填空题10 空三、判断题10 题对打√错打 ×四、计算题 / 分析简答题3 道习题答案一、单项选择题答案二、填空题答案三、判断题答案四、计算题 / 分析简答题参考答案第 1 题解答第 2 题解答第 3 题解答开环、闭环控制对比表第一章 自动控制系统的基本概念第一节 自动控制系统的基本结构一、两个定义1自动控制在没有人直接参与的情况下利用控制装置使某种设备、装置或生产过程中的某些物理量或工作状态能自动地按照预定规律变化或数值运行的方法称为自动控制。2自动控制系统由控制器(含测量元件)和被控对象组成的有机整体。或由相互关联、相互制约、相互影响的一些元部件组成的具有自动控制功能的有机整体称为自动控制系统。在控制系统中把影响系统输出量的外界输入量称为系统的输入量。系统的输入量通常指两种给定输入量和扰动输入量。给定输入量又常称为参考输入量它决定系统输出量的要求值或某种变化规律。扰动输入量又常称为干扰输入量它是系统不希望但又客观存在的外部输入量例如电源电压的波动、环境温度的变化、电动机拖动负载的变化等都是实际系统中存在的扰动输入量。扰动输入量影响给定输入量对系统输出量的控制。例水温控制系统手动控制水温的手动控制示意图操作员要用手通过感觉来测试水的温度并将此温度与他要求的值给定值相比较通过大脑。同时他要决定通过大脑 他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门和旋转多大的角度。—麻烦、费力、辛苦、不准确水温的自动控制的示意图采用自动控制时上述功能都用相应的元件和仪表来代替。例如用温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。这个能够解决上述水温手动控制系统的缺点。二、基本控制方式(3种)1、开环控制方式(1)定义控制系统的输出量对系统不产生作用的控制方式称为开环控制方式。具有这种控制方式的有机整体称为开环控制系统。如果从系统的结构角度看开环控制方式也可表达为没有系统输出量反馈的控制方式。举例开环调速系统工作原理改变电位器滑动端的位置相应地改变了电压Ug值的大小 其值经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端 由于直流电动机具有恒定的励磁电流因此随着电枢电压值的不同电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是改变 Ug的大小便控制了电动机转速的高低。系统中Ug 是给定输入量电动机的转速n是系统的输出量即被控量电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等是扰动输入量。系统的输出量即电动机的转速并没有参与系统的控制。(2) 职能方框图任何开环控制系统从组成系统元部件的职能角度看均可用下面的方框图表示。2、闭环控制方式(1) 定义系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端参与了系统控制的方式称为闭环控制方式。从系统的结构看闭环控制方式也可表达为有系统输出量反馈的控制方式。举例速度控制系统工作原理开环调速结构基础上引入一台测速发电机作为检测系统输出量即电动机转速并转换为电压。反馈电压与给定电压比较 (相减)后产生一偏差电压经电压和功率放大器放大后去控制电动机的转速。当系统处于稳定运行状态时电动机就以电位器滑动端给出的电压值所对应的希望转速运行。当系统受到某种干扰时(例如负载变大)电动机的转速会发生变化(下降)测速反馈电压跟着变化(变小)由于给定电压值未变偏差电压值发生变化(变大)经放大后使电动机电枢电压变化(提高)从而电动机转速也变化(上升)去减小或消除由于干扰引起的转速偏差。举例发电机励磁控制系统(2)闭环控制系统职能框图任何闭环控制系统从组成系统元部件的职能角度看均可用下面的结构框图表示。3、复合控制方式开环控制方式闭环控制方式。两种结构按输入信号补偿按扰动信号补偿。4、控制方式比较(1) 从系统组成结构看开环控制方式简单复合控制方式复杂闭环控制方式介于两者间(2) 从性能看开环控制方式较差闭环控制方式较好复合控制方式最好(3) 现代工程应用系统中闭环控制方式应用最广泛。第二节 闭环控制系统的基本组成1被控对象要进行控制的设备或生产过程。例工作机械2执行机构作用于被控制对象的装置或设备。(例电动机)3测量装置用来检测被控量并将其转换成与给定量相同物理量的装置。例测速发电机4放大环节对信号进行放大或能量形式的转换使之适合执行机构工作。例电压放大器可控硅整流功放5给定环节产生系统的给定输入信号。电位器6比较环节将所测的被控量与给定量进行比较。7校正环节用于改善系统性能的电路。校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内也可加于某一局部反馈通道内。前者称为串联校正环节后者称为并联校正或(局部)反馈校正环节。闭环控制系统框图前向通道信号从输入端沿箭头方向到达系统输出端的传输通道 又称正向通道。反馈通道又可分为主反馈通道和局部反馈通道。系统输出量经由测量装置反馈到系统输入端的传输通道或简称系统输出量与输入量间的反馈通道称为主反馈通道。局部部件间反馈通道称为局部反馈通道。单回路系统只有一个(主)反馈通道的系统。多回路系统有二个以上反馈通道的系统。注意 反馈有正、负之分。反馈信号的极性与输入信号的极性相反从而产生一偏差信号的反馈方式称负反馈反馈信号的极性与输入信号的极性相同称正反馈正反馈方式只可能在局部反馈中采用所有闭环系统都是负反馈控制系统。例电动机速度控制系统根据图所示的电动机速度控制系统工作原理图完成(1) 将abcd用线连接成负反馈方式(2)画出系统方框图。1负反馈连接方式应为因为放大器输入端的电压应为给定电压与反馈电压两者之差才产生偏差电压。根据基尔霍夫回路电压定律应a接 db接c。2首先系统中的每个部件各用一方框表示各方框内写入该部件的名称然后根据系统信号的流向方块间用带箭头的信号线连接如图所示。例工业炉温自动控制系统1分析系统的工作原理指出被控对象、被控量和给定量2 画出系统方框图。解加热炉采用的是电加热的方式。由电路可知电热器产生的热量与调压器输出电压的平方成正比而调压器输出电压的高低与调压器滑动触点的位置有关而该滑动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经放大后输出电压为uf 并作为系统的反馈电压与给定电压Ur进行比较得出偏差电压ue经电压放大器、功率放大器放大后作为电动机的电枢电压驱动电机转动。当加热炉达热平衡时反馈电压与给定电压相等偏差电压为零可逆电动机不转动 调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上加热电压不变温度保持恒定的期望值。当炉膛温度由于某种原因变化时 偏差电压不 为0 电动机的电枢电压也不为0电动机的转动带动滑动触点上移或下移使加热电压变化使炉膛温度变化直至炉膛温度的实际值等于期望值为止。系统中加热炉是被控对象炉温是被控量给定量是由给定电位器设定的电压。(2) 系统方框图系统中的每个元部件各用一方框表示各方框内写入该部件 的名称根据系统信号的流向方块间用带箭头的信号线连接 如图所示。第三节 自动控制系统的分类一、按数学描述形式分类1线性系统和非线性系统1线性系统用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。重要性质满足叠加性和齐次性2非线性系统用非线性微分方程或差分方程描述的系统。注意不满足叠加性和齐次性2连续系统和离散系统1连续系统系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述系统中各部分信号都是模拟量。2离散系统系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。二、按给定信号分类1恒值控制系统给定值不变要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。2随动控制系统给定值按未知时间函数变化要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。3程序控制系统给定值按一定时间函数变化。如程控机床。第四节 对控制系统的基本要求总体上来说对任何控制系统的基本要求集中体现在系统性能的“稳定性”、 “动态特性”和 “稳态特性”三个方面或简称为“稳” 、“快”和 “准”。一、稳定性控制系统 “稳定性” 的定义有多种表达。一种较通常的表达是一个处于靜止或某一平衡工作状态的系统在受到任何输入(给定信号或扰动)作用时系统的输出会离开靜止状态或偏离原来的平衡位量;当作用消除后若系统能回到原来的靜止状态或平衡位量则称系统是稳定的。否则称系统是不稳定的。对于线性定常系统也可表达为在阶跃信号作用下若系统输出会有一个确定值相对应则称系统是稳定的;若系统输出越来越大称系统是不稳定的。如图所示稳定性是系统能否工作的前题条件是对系统最起码的要求二、动态特性稳定的控制系统当受到阶跃输入信号作用后系统的输出要经历一过程才能达到某一稳定筐。系统输出随时间t交化的这一过程称为系统的响应过程。响应过程又分为动态过程和稳态过程如图所示。动态特性就是反映系统在动态过程中踪输入或抑制干扰的能力。动态特性好的系统表现为动态过程具有较好的平稳性、调节时间短、振荡次数少。三、稳态特性系统在过渡过程结束后其输出量的状态一般由稳态特性来措述。稳态误差的大小反映了系统稳态特性的好坏。稳态误差值越小的系统稳态特性越好意味着控制精度愈高。**注意**对于同一个系统体现稳定性、动态特性和稳态特性的稳、快、准这三个要求是相互制约的。习题一、单项选择题10 题自动控制系统中决定系统输出希望值的输入量称为A. 扰动输入量 B. 给定输入量 C. 干扰量 D. 输出量开环控制系统的主要特点是A. 输出量反馈到输入端参与控制B. 输出量不参与系统的控制C. 一定是负反馈结构D. 抗干扰能力强闭环控制系统最核心的特征是A. 结构简单 B. 存在输出量反馈构成负反馈C. 没有扰动 D. 输出不受外界影响下列系统中属于恒值控制系统的是A. 雷达跟踪卫星天线系统B. 程控机床加工系统C. 电炉恒温温度控制系统D. 导弹跟踪目标系统对控制系统三大基本要求 “稳、快、准”其中系统能够正常工作的首要前提条件是A. 快速性 B. 准确性 C. 稳定性 D. 灵敏度线性系统最重要的性质是A. 只可以处理阶跃输入B. 满足叠加性与齐次性C. 一定是离散系统D. 不存在扰动随动控制系统的特点是A. 给定输入保持恒定不变B. 给定信号按照预先设定的时间函数变化C. 给定信号是未知的时间函数输出跟随给定变化D. 没有反馈通道复合控制方式是由哪两种控制组合而成A. 开环 闭环 B. 正反馈 负反馈C. 连续 离散 D. 线性 非线性热电偶在炉温自动控制系统当中属于A. 执行机构 B. 测量检测装置 C. 被控对象 D. 放大环节下面说法正确的是A. 闭环主反馈通道一般使用正反馈B. 闭环控制系统主反馈一定是负反馈C. 负反馈只能用在局部反馈D. 正反馈可以用于系统主反馈二、填空题10 空自动控制是在________直接参与的情况下利用控制装置使被控物理量按照预定规律运行。控制系统输入分为两类________输入量和________输入量。闭环控制系统三大基本要求稳代表________快代表________准代表________。复合控制分为按________补偿和按________补偿两种形式。闭环系统组成部件被控对象、执行机构、________、 放大环节、给定环节、比较环节、 ________。离散系统用________方程描述连续系统用微分方程描述。三、判断题10 题对打√错打 ×开环控制系统输出量对系统控制没有影响。稳定性只要求系统动态过程振荡小和扰动消失之后能否回到平衡状态无关。非线性系统不满足叠加性、齐次性。程序控制系统的给定信号是按照预先确定的时间规律变化。前向通道指信号从输出端反馈回到输入端的通道。稳态误差越小代表系统的控制精度越高。测速发电机在直流调速闭环系统中作为测量装置检测电动机转速。闭环控制系统结构一定比复合控制系统复杂。同一个控制系统稳、快、准三项性能指标之间会互相制约。计算机控制系统属于典型的连续控制系统。四、计算题 / 分析简答题3 道本章节计算题侧重系统分析绘制框图、识别部件原理分析有直流电机闭环调速系统给定电压(u_g)测速发电机输出反馈电压(u_f)两者相减得到偏差电压经过电压放大、功率放大驱动直流电动机带动负载。要求1指出被控对象、被控量、给定量、扰动量2画出该系统职能方框图。2. 工业电炉温度自动控制系统电炉为电加热热电偶测量炉温作为反馈信号给定电位器输出给定电压偏差经过电压放大、功率放大驱动可逆电机调节调压器改变加热电压维持炉温恒定。回答1被控对象、被控量、给定量是什么2简述该系统克服炉温降低干扰的完整工作过程。3. 区分开环控制、闭环控制的特点从结构、抗干扰能力、控制精度、系统复杂程度四个维度对比。习题答案一、单项选择题答案B解析给定输入量参考输入规定输出的期望值扰动输入是不希望的外界干扰。B解析开环系统没有输出反馈输出量不会参与控制A、C、D 都是闭环系统特点。B解析闭环系统核心是把输出检测反馈回输入端采用负反馈利用偏差消除偏差。C解析恒值控制系统给定值固定维持输出恒定A、D 属于随动系统B 属于程序控制系统。C解析稳定性是系统工作最基本前提系统不稳定快速性、准确性没有意义。B解析线性系统核心性质为叠加性、齐次性非线性系统不具备该性质。C解析随动系统伺服系统给定是未知变化函数输出跟随给定A 是恒值系统B 是程序控制系统。A解析复合控制 开环补偿控制 闭环负反馈控制分为按输入补偿、按扰动补偿。B解析热电偶用来测量实际炉温属于测量检测装置。被控对象是加热电炉。B解析闭环主反馈通道全部使用负反馈正反馈只会用于局部反馈主反馈不能使用正反馈否则系统发散不稳定。二、填空题答案没有人解析自动控制定义没有人直接参与依靠控制装置自动完成控制。给定参考扰动干扰解析系统两类输入给定输入期望扰动输入外界干扰。稳定性动态特性快速性稳态特性准确性解析稳稳定性快动态响应快速性准稳态误差小稳态精度高。输入信号扰动信号解析复合控制两种结构按输入信号补偿按扰动信号补偿。测量装置校正环节解析闭环七大部件被控对象、执行机构、测量装置、放大环节、给定环节、比较环节、校正环节。差分解析连续系统→微分方程离散系统计算机控制→差分方程。三、判断题答案√解析开环无反馈输出量不对控制过程产生作用。×解析稳定性定义扰动消失后系统能够回到原来平衡状态是系统能否正常运行的基础。√解析叠加性、齐次性是线性系统专属性质非线性系统不满足。√解析程序控制系统给定按照预先设定好的时间函数变化例如程控机床。×解析前向通道信号从输入到输出的通道反馈通道是输出回到输入端的通道。√解析稳态误差是过渡过程结束之后输出与期望值差值稳态误差越小控制精度越高。√解析测速发电机将转速物理量转化为电压信号实现转速测量属于检测装置。×解析复杂度排序开环最简单闭环中等复合控制结构最复杂。√解析实际系统三者互相制约例如追求过快响应会增大振荡牺牲稳定性。×解析计算机控制系统信号为数字脉冲是典型离散系统不是连续系统。四、计算题 / 分析简答题参考答案第 1 题解答1被控对象直流电动机以及所带动的生产机械负载被控量电动机转速n给定量给定电压Ug扰动量负载转矩变化、电源电压波动、放大器放大系数漂移等2直流闭环调速系统职能方框图第 2 题解答(1)被控对象工业加热电炉被控量炉膛实际温度炉温给定量电位器输出给定电压对应期望炉温(2) 克服炉温降低的工作过程当外部散热等干扰炉温下降热电偶检测实际炉温输出反馈电压随之减小给定电位器输出给定电压不变比较后得到的偏差电压增大偏差经过电压放大、功率放大驱动可逆电动机转动电机带动调压器滑动触点使电炉的加热电压升高电炉电阻丝加热功率上升炉膛温度回升直到实际炉温等于期望温度反馈电压等于给定电压偏差电压等于 0可逆电机停止转动炉温维持在期望值。(3) 炉温控制系统职能方框图框图说明给定电压代表期望炉温热电偶测量实际炉温转化为电压信号负反馈回到比较点比较得到偏差电压经过两级放大驱动可逆电机执行机构调节调压器输出电压改变电炉加热功率扰动作用在加热电炉代表散热、电网电压波动等干扰因素。第 3 题解答开环、闭环控制对比表补充文字总结开环控制系统结构简单价格低廉但是无法自动克服外部干扰闭环负反馈控制系统是工程应用最广泛能够自动抵抗扰动提升控制精度但是引入反馈之后会带来系统稳定性问题往往需要增加校正环节。
第一章 自动控制系统的基本概念
文章目录第一章 自动控制系统的基本概念第一节 自动控制系统的基本结构第二节 闭环控制系统的基本组成第三节 自动控制系统的分类第四节 对控制系统的基本要求习题一、单项选择题10 题二、填空题10 空三、判断题10 题对打√错打 ×四、计算题 / 分析简答题3 道习题答案一、单项选择题答案二、填空题答案三、判断题答案四、计算题 / 分析简答题参考答案第 1 题解答第 2 题解答第 3 题解答开环、闭环控制对比表第一章 自动控制系统的基本概念第一节 自动控制系统的基本结构一、两个定义1自动控制在没有人直接参与的情况下利用控制装置使某种设备、装置或生产过程中的某些物理量或工作状态能自动地按照预定规律变化或数值运行的方法称为自动控制。2自动控制系统由控制器(含测量元件)和被控对象组成的有机整体。或由相互关联、相互制约、相互影响的一些元部件组成的具有自动控制功能的有机整体称为自动控制系统。在控制系统中把影响系统输出量的外界输入量称为系统的输入量。系统的输入量通常指两种给定输入量和扰动输入量。给定输入量又常称为参考输入量它决定系统输出量的要求值或某种变化规律。扰动输入量又常称为干扰输入量它是系统不希望但又客观存在的外部输入量例如电源电压的波动、环境温度的变化、电动机拖动负载的变化等都是实际系统中存在的扰动输入量。扰动输入量影响给定输入量对系统输出量的控制。例水温控制系统手动控制水温的手动控制示意图操作员要用手通过感觉来测试水的温度并将此温度与他要求的值给定值相比较通过大脑。同时他要决定通过大脑 他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门和旋转多大的角度。—麻烦、费力、辛苦、不准确水温的自动控制的示意图采用自动控制时上述功能都用相应的元件和仪表来代替。例如用温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。这个能够解决上述水温手动控制系统的缺点。二、基本控制方式(3种)1、开环控制方式(1)定义控制系统的输出量对系统不产生作用的控制方式称为开环控制方式。具有这种控制方式的有机整体称为开环控制系统。如果从系统的结构角度看开环控制方式也可表达为没有系统输出量反馈的控制方式。举例开环调速系统工作原理改变电位器滑动端的位置相应地改变了电压Ug值的大小 其值经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端 由于直流电动机具有恒定的励磁电流因此随着电枢电压值的不同电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是改变 Ug的大小便控制了电动机转速的高低。系统中Ug 是给定输入量电动机的转速n是系统的输出量即被控量电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等是扰动输入量。系统的输出量即电动机的转速并没有参与系统的控制。(2) 职能方框图任何开环控制系统从组成系统元部件的职能角度看均可用下面的方框图表示。2、闭环控制方式(1) 定义系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端参与了系统控制的方式称为闭环控制方式。从系统的结构看闭环控制方式也可表达为有系统输出量反馈的控制方式。举例速度控制系统工作原理开环调速结构基础上引入一台测速发电机作为检测系统输出量即电动机转速并转换为电压。反馈电压与给定电压比较 (相减)后产生一偏差电压经电压和功率放大器放大后去控制电动机的转速。当系统处于稳定运行状态时电动机就以电位器滑动端给出的电压值所对应的希望转速运行。当系统受到某种干扰时(例如负载变大)电动机的转速会发生变化(下降)测速反馈电压跟着变化(变小)由于给定电压值未变偏差电压值发生变化(变大)经放大后使电动机电枢电压变化(提高)从而电动机转速也变化(上升)去减小或消除由于干扰引起的转速偏差。举例发电机励磁控制系统(2)闭环控制系统职能框图任何闭环控制系统从组成系统元部件的职能角度看均可用下面的结构框图表示。3、复合控制方式开环控制方式闭环控制方式。两种结构按输入信号补偿按扰动信号补偿。4、控制方式比较(1) 从系统组成结构看开环控制方式简单复合控制方式复杂闭环控制方式介于两者间(2) 从性能看开环控制方式较差闭环控制方式较好复合控制方式最好(3) 现代工程应用系统中闭环控制方式应用最广泛。第二节 闭环控制系统的基本组成1被控对象要进行控制的设备或生产过程。例工作机械2执行机构作用于被控制对象的装置或设备。(例电动机)3测量装置用来检测被控量并将其转换成与给定量相同物理量的装置。例测速发电机4放大环节对信号进行放大或能量形式的转换使之适合执行机构工作。例电压放大器可控硅整流功放5给定环节产生系统的给定输入信号。电位器6比较环节将所测的被控量与给定量进行比较。7校正环节用于改善系统性能的电路。校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内也可加于某一局部反馈通道内。前者称为串联校正环节后者称为并联校正或(局部)反馈校正环节。闭环控制系统框图前向通道信号从输入端沿箭头方向到达系统输出端的传输通道 又称正向通道。反馈通道又可分为主反馈通道和局部反馈通道。系统输出量经由测量装置反馈到系统输入端的传输通道或简称系统输出量与输入量间的反馈通道称为主反馈通道。局部部件间反馈通道称为局部反馈通道。单回路系统只有一个(主)反馈通道的系统。多回路系统有二个以上反馈通道的系统。注意 反馈有正、负之分。反馈信号的极性与输入信号的极性相反从而产生一偏差信号的反馈方式称负反馈反馈信号的极性与输入信号的极性相同称正反馈正反馈方式只可能在局部反馈中采用所有闭环系统都是负反馈控制系统。例电动机速度控制系统根据图所示的电动机速度控制系统工作原理图完成(1) 将abcd用线连接成负反馈方式(2)画出系统方框图。1负反馈连接方式应为因为放大器输入端的电压应为给定电压与反馈电压两者之差才产生偏差电压。根据基尔霍夫回路电压定律应a接 db接c。2首先系统中的每个部件各用一方框表示各方框内写入该部件的名称然后根据系统信号的流向方块间用带箭头的信号线连接如图所示。例工业炉温自动控制系统1分析系统的工作原理指出被控对象、被控量和给定量2 画出系统方框图。解加热炉采用的是电加热的方式。由电路可知电热器产生的热量与调压器输出电压的平方成正比而调压器输出电压的高低与调压器滑动触点的位置有关而该滑动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经放大后输出电压为uf 并作为系统的反馈电压与给定电压Ur进行比较得出偏差电压ue经电压放大器、功率放大器放大后作为电动机的电枢电压驱动电机转动。当加热炉达热平衡时反馈电压与给定电压相等偏差电压为零可逆电动机不转动 调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上加热电压不变温度保持恒定的期望值。当炉膛温度由于某种原因变化时 偏差电压不 为0 电动机的电枢电压也不为0电动机的转动带动滑动触点上移或下移使加热电压变化使炉膛温度变化直至炉膛温度的实际值等于期望值为止。系统中加热炉是被控对象炉温是被控量给定量是由给定电位器设定的电压。(2) 系统方框图系统中的每个元部件各用一方框表示各方框内写入该部件 的名称根据系统信号的流向方块间用带箭头的信号线连接 如图所示。第三节 自动控制系统的分类一、按数学描述形式分类1线性系统和非线性系统1线性系统用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。重要性质满足叠加性和齐次性2非线性系统用非线性微分方程或差分方程描述的系统。注意不满足叠加性和齐次性2连续系统和离散系统1连续系统系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述系统中各部分信号都是模拟量。2离散系统系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。二、按给定信号分类1恒值控制系统给定值不变要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。2随动控制系统给定值按未知时间函数变化要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。3程序控制系统给定值按一定时间函数变化。如程控机床。第四节 对控制系统的基本要求总体上来说对任何控制系统的基本要求集中体现在系统性能的“稳定性”、 “动态特性”和 “稳态特性”三个方面或简称为“稳” 、“快”和 “准”。一、稳定性控制系统 “稳定性” 的定义有多种表达。一种较通常的表达是一个处于靜止或某一平衡工作状态的系统在受到任何输入(给定信号或扰动)作用时系统的输出会离开靜止状态或偏离原来的平衡位量;当作用消除后若系统能回到原来的靜止状态或平衡位量则称系统是稳定的。否则称系统是不稳定的。对于线性定常系统也可表达为在阶跃信号作用下若系统输出会有一个确定值相对应则称系统是稳定的;若系统输出越来越大称系统是不稳定的。如图所示稳定性是系统能否工作的前题条件是对系统最起码的要求二、动态特性稳定的控制系统当受到阶跃输入信号作用后系统的输出要经历一过程才能达到某一稳定筐。系统输出随时间t交化的这一过程称为系统的响应过程。响应过程又分为动态过程和稳态过程如图所示。动态特性就是反映系统在动态过程中踪输入或抑制干扰的能力。动态特性好的系统表现为动态过程具有较好的平稳性、调节时间短、振荡次数少。三、稳态特性系统在过渡过程结束后其输出量的状态一般由稳态特性来措述。稳态误差的大小反映了系统稳态特性的好坏。稳态误差值越小的系统稳态特性越好意味着控制精度愈高。**注意**对于同一个系统体现稳定性、动态特性和稳态特性的稳、快、准这三个要求是相互制约的。习题一、单项选择题10 题自动控制系统中决定系统输出希望值的输入量称为A. 扰动输入量 B. 给定输入量 C. 干扰量 D. 输出量开环控制系统的主要特点是A. 输出量反馈到输入端参与控制B. 输出量不参与系统的控制C. 一定是负反馈结构D. 抗干扰能力强闭环控制系统最核心的特征是A. 结构简单 B. 存在输出量反馈构成负反馈C. 没有扰动 D. 输出不受外界影响下列系统中属于恒值控制系统的是A. 雷达跟踪卫星天线系统B. 程控机床加工系统C. 电炉恒温温度控制系统D. 导弹跟踪目标系统对控制系统三大基本要求 “稳、快、准”其中系统能够正常工作的首要前提条件是A. 快速性 B. 准确性 C. 稳定性 D. 灵敏度线性系统最重要的性质是A. 只可以处理阶跃输入B. 满足叠加性与齐次性C. 一定是离散系统D. 不存在扰动随动控制系统的特点是A. 给定输入保持恒定不变B. 给定信号按照预先设定的时间函数变化C. 给定信号是未知的时间函数输出跟随给定变化D. 没有反馈通道复合控制方式是由哪两种控制组合而成A. 开环 闭环 B. 正反馈 负反馈C. 连续 离散 D. 线性 非线性热电偶在炉温自动控制系统当中属于A. 执行机构 B. 测量检测装置 C. 被控对象 D. 放大环节下面说法正确的是A. 闭环主反馈通道一般使用正反馈B. 闭环控制系统主反馈一定是负反馈C. 负反馈只能用在局部反馈D. 正反馈可以用于系统主反馈二、填空题10 空自动控制是在________直接参与的情况下利用控制装置使被控物理量按照预定规律运行。控制系统输入分为两类________输入量和________输入量。闭环控制系统三大基本要求稳代表________快代表________准代表________。复合控制分为按________补偿和按________补偿两种形式。闭环系统组成部件被控对象、执行机构、________、 放大环节、给定环节、比较环节、 ________。离散系统用________方程描述连续系统用微分方程描述。三、判断题10 题对打√错打 ×开环控制系统输出量对系统控制没有影响。稳定性只要求系统动态过程振荡小和扰动消失之后能否回到平衡状态无关。非线性系统不满足叠加性、齐次性。程序控制系统的给定信号是按照预先确定的时间规律变化。前向通道指信号从输出端反馈回到输入端的通道。稳态误差越小代表系统的控制精度越高。测速发电机在直流调速闭环系统中作为测量装置检测电动机转速。闭环控制系统结构一定比复合控制系统复杂。同一个控制系统稳、快、准三项性能指标之间会互相制约。计算机控制系统属于典型的连续控制系统。四、计算题 / 分析简答题3 道本章节计算题侧重系统分析绘制框图、识别部件原理分析有直流电机闭环调速系统给定电压(u_g)测速发电机输出反馈电压(u_f)两者相减得到偏差电压经过电压放大、功率放大驱动直流电动机带动负载。要求1指出被控对象、被控量、给定量、扰动量2画出该系统职能方框图。2. 工业电炉温度自动控制系统电炉为电加热热电偶测量炉温作为反馈信号给定电位器输出给定电压偏差经过电压放大、功率放大驱动可逆电机调节调压器改变加热电压维持炉温恒定。回答1被控对象、被控量、给定量是什么2简述该系统克服炉温降低干扰的完整工作过程。3. 区分开环控制、闭环控制的特点从结构、抗干扰能力、控制精度、系统复杂程度四个维度对比。习题答案一、单项选择题答案B解析给定输入量参考输入规定输出的期望值扰动输入是不希望的外界干扰。B解析开环系统没有输出反馈输出量不会参与控制A、C、D 都是闭环系统特点。B解析闭环系统核心是把输出检测反馈回输入端采用负反馈利用偏差消除偏差。C解析恒值控制系统给定值固定维持输出恒定A、D 属于随动系统B 属于程序控制系统。C解析稳定性是系统工作最基本前提系统不稳定快速性、准确性没有意义。B解析线性系统核心性质为叠加性、齐次性非线性系统不具备该性质。C解析随动系统伺服系统给定是未知变化函数输出跟随给定A 是恒值系统B 是程序控制系统。A解析复合控制 开环补偿控制 闭环负反馈控制分为按输入补偿、按扰动补偿。B解析热电偶用来测量实际炉温属于测量检测装置。被控对象是加热电炉。B解析闭环主反馈通道全部使用负反馈正反馈只会用于局部反馈主反馈不能使用正反馈否则系统发散不稳定。二、填空题答案没有人解析自动控制定义没有人直接参与依靠控制装置自动完成控制。给定参考扰动干扰解析系统两类输入给定输入期望扰动输入外界干扰。稳定性动态特性快速性稳态特性准确性解析稳稳定性快动态响应快速性准稳态误差小稳态精度高。输入信号扰动信号解析复合控制两种结构按输入信号补偿按扰动信号补偿。测量装置校正环节解析闭环七大部件被控对象、执行机构、测量装置、放大环节、给定环节、比较环节、校正环节。差分解析连续系统→微分方程离散系统计算机控制→差分方程。三、判断题答案√解析开环无反馈输出量不对控制过程产生作用。×解析稳定性定义扰动消失后系统能够回到原来平衡状态是系统能否正常运行的基础。√解析叠加性、齐次性是线性系统专属性质非线性系统不满足。√解析程序控制系统给定按照预先设定好的时间函数变化例如程控机床。×解析前向通道信号从输入到输出的通道反馈通道是输出回到输入端的通道。√解析稳态误差是过渡过程结束之后输出与期望值差值稳态误差越小控制精度越高。√解析测速发电机将转速物理量转化为电压信号实现转速测量属于检测装置。×解析复杂度排序开环最简单闭环中等复合控制结构最复杂。√解析实际系统三者互相制约例如追求过快响应会增大振荡牺牲稳定性。×解析计算机控制系统信号为数字脉冲是典型离散系统不是连续系统。四、计算题 / 分析简答题参考答案第 1 题解答1被控对象直流电动机以及所带动的生产机械负载被控量电动机转速n给定量给定电压Ug扰动量负载转矩变化、电源电压波动、放大器放大系数漂移等2直流闭环调速系统职能方框图第 2 题解答(1)被控对象工业加热电炉被控量炉膛实际温度炉温给定量电位器输出给定电压对应期望炉温(2) 克服炉温降低的工作过程当外部散热等干扰炉温下降热电偶检测实际炉温输出反馈电压随之减小给定电位器输出给定电压不变比较后得到的偏差电压增大偏差经过电压放大、功率放大驱动可逆电动机转动电机带动调压器滑动触点使电炉的加热电压升高电炉电阻丝加热功率上升炉膛温度回升直到实际炉温等于期望温度反馈电压等于给定电压偏差电压等于 0可逆电机停止转动炉温维持在期望值。(3) 炉温控制系统职能方框图框图说明给定电压代表期望炉温热电偶测量实际炉温转化为电压信号负反馈回到比较点比较得到偏差电压经过两级放大驱动可逆电机执行机构调节调压器输出电压改变电炉加热功率扰动作用在加热电炉代表散热、电网电压波动等干扰因素。第 3 题解答开环、闭环控制对比表补充文字总结开环控制系统结构简单价格低廉但是无法自动克服外部干扰闭环负反馈控制系统是工程应用最广泛能够自动抵抗扰动提升控制精度但是引入反馈之后会带来系统稳定性问题往往需要增加校正环节。
