自动控制系统基本知识

专业理论课教案

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授课内容 授课 课时 第1章 节 课题：自动控制系统基时间 本知识 总课时第 课时 作业题数 拟用时间 方式授课讲 授 2 15＇ 教学目的

1、了解自动控制基本概念、定义 2、了解系统构成、分类及技术要求 3、掌握控制器基本规律 选用教具挂图 无 重点教学回顾 备注检查人： 检查时间： 年 月 日

1、掌握闭环控制系统的构成及其与开环控制系统的区别 2、掌握系统方框图的绘制方法 难点1、闭环控制系统的构成及其与开环控制系统的区别 2、PID控制规律 教学回馈良好 科课时计划

1．1/1.2

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在工业生产过程或设备运行中，为了维持正常的工作条件，需要对某些物理量进行控制，使其维持在某个数值附近，或按一定规律变化，要满足这种要求，可用人工操作完成，又可用自动装置的操作完成，前者为手动控制，后者为自动控制。

自动控制和手动控制极为相似，自动控制系统只是把某些装置有机的组合在一起，代替人的职能。任何一个控制系统，都由被控对象和控制器两大部分组成。

自动控制定义：

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（简称控制器）使整个生产过程或工作机械（被控对象）自动地按预定的规律运行，或使它的某些物理量（被控量）按预定的要求变化。1．3

根据信号传送的特点或系统的结构形式，控制系统分为开环控制和闭环控制。开环控制系统：只有输入量有任何影响和联系，即系统的输入与输出之间不存在反馈回路。开环系统没有抵抗外部干扰的能力，参数稳定、无干扰或小干扰的场合大量使用。闭环控制系统：以求减小或消除偏差的控制系统。闭环控制原理：

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负反馈：指反馈信号为控制之用。

自动控制系统的特征：1、2、3、1．4 自动控制系统的组成：由测量反馈元件、比较元件、校正元件、组成。

Ugd对n的单向控制作用，而输出量n对输入量Ugd却没

故控制精度低。但结构简单、造价低，所以在系统

并按偏差ue的性质产生控制作用，

Uen Uf （=Ugd-Uf） Ua n

Uf的正负极性必须与给定值Ugd的极性相反，以便取得偏差值作

放大元件、执行元件以及被控对象等基本环节通过反馈回路使系统形成闭合环路， 系统必须具有反馈装置，并按反馈的原则组成系统。 由偏差产生控制作用。 控制的目的是力图减小或消除偏差，使被控量尽量接近期望值。科课时计划

如图1-8 典型自动控制系统功能框图，各元件功能见P7页。 方框图的绘制：

1）组成：由方框、带箭头的信号线、综合点和分支点组成。

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方框代表设备或部件；信号线代表信号流动方向；综合点又称相加点，对信号作比较；分支点称引出点。

2）绘制步骤：

1、弄清系统的工作原理及各元器件的作用，明确输入、输出

2、对组成系统的各个元件绘出基本单元图，标出输入3、系统给定值和综合点置于图形最左端，被控对象置于最右端，其输出信号就是系统输出，即被控量。

4、按系统变量传递顺序，将变量连接，即为系统方框图。例： 书 P10 1．5系统分类 按输入信号分：

1、 恒值控制系统：给定值不变2、 程序控制系统：给定值是变化的，如何变化也是早知道的3、 随动系统：又称伺服系统，给定值是变化的而且不知道如何变1．6应用事例

1．7对系统的基本要求：稳、快、准1．8 PID控制器

控制器是对偏差信号进行加工、的规律称为控制规律，又称控制算法。一、

若控制器输出量与输入量成正比即：Uo=Kp△U

则称控制器为比例控制器，如图：—11

处理的重要环节，

P

，

/输出量字母代号。

图 1其输出信号随偏差信号的变化而变化比例控制器科课时计划

R1 R0 - Δ∞ U0 + 共 页

△U

可见，该比例器其实是个反相放大器，其输出电压U0为：

U0=-R1/R0△U=Kp△U

Kp为放大倍数，由R1和R0的比值确定，负号是由放大器为反相输入所致，使输出电压极性和输入偏差电压的极性相反。

比例控制器具有作用及时、快速、控制作用强的优点，且Kp的绝对值越大，系统的偏差就越小。但Kp过大会造成系统的不稳定。故在工程设计中一般不单独使用，而与其他控制规律一起使用，以达到更好的效果。

多级输入信号的比例控制器：将多个输入信号在放大器的输入段并联连接。

二、 积分控制器I

若控制器的输出量与输入量对时间的积分成正比， 即：Uo=K1∫t0△Udt

则称控制器为积分控制器，如图：

C1 R0 - Δ∞ U0 + △U

可见，该比例器其实是个运算放大积分电路，其输出电压为： U0=-1/R0C1∫t0△Udt

根据特性曲线表明：因电容C1的充电性能，使控制器最终形成“无输入，但有输出：

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的状态。用这种输出去控制系统，可使其保持在△U=0的条件下正常运行，可见，I控制器可以消除系统输出量的稳态误差，实现无静差控制，就是积分控制的最大优点。但由于I控制器的U0是随时间积累而逐渐增强的，其过程缓慢，时间上落后于偏差信号的变化，故控制过程不及时。所以I控制器通常作为辅助控制手段。

三、 比例积分控制器（PI）

PI控制器的输出U0实际上是由比例和积分两个分量叠加而成的，其比例作用使系统的动态响应速度加快，而积分作用又使系统的静态性能显著提高，实现无静差控制。原理图如下：

C1 R1 R0 - Δ∞ U0 + △U

四、 比例微分（PD）控制器

“预见性”“超前性”是比例微分控制规律的突出优点，能反映偏差的大小及其变化趋势，并能在偏差信号的数值尚未变得太大之前，就在系统中引进一个有效的早期修正信号。有助系统的稳定性，并抑制过大的超调量。但也存在放大干扰信号的缺点。原理图如下：

C1 R0 - Δ∞ U0 + R1 △U

五、 比例积分微分（PID）控制器

如前所述，积分控制可以减小或消除静差，提高精度；微分控制则可以抑制过大的超调量，提高稳定性，加快过度过程。若将，比例、积分、微分结合起来，就可以得到更完善的控制效果。如图

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C0 R1 C1 共 页

△U - R0 + Δ∞ U0

由于PID控制规律全面的综合了比例、积分、微分的优点，不但实现了系统无静差控制，而且动态响应速度快。故PID控制器是一种相当完善的控制器，在工程中广泛应用。

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