《机电一体化系统设计》课程教学资源（PPT课件讲稿）第四章 控制系统

第四章控制系统 ■4.1概述 ■4.2控制系统的数学模型 ■4.3微机控制技术基础 ■4.4数字控制器的设计

第四章 控制系统 ◼ 4.1 概述 ◼ 4.2 控制系统的数学模型 ◼ 4.3 微机控制技术基础 ◼ 4.4 数字控制器的设计

4.1概述 ·一、控制与控制系统 二、系统的分类 三、系统的过渡过程和性能指标

4.1 概述 ◼ 一、控制与控制系统 ◼ 二、系统的分类 ◼ 三、系统的过渡过程和性能指标

一、控制与控制系统 控制是指为达到预先给定的目的，作用于系统 有目的的动作。控制系统是指由被控对象和控制 装置所构成的，能够对被控对象的工作状态进行 调节、使之具有一定的状态和性能的系统。 例如： 自动化装量 给定值 变送器 控制器

一、控制与控制系统 ◼ 控制是指为达到预先给定的目的，作用于系统 有目的的动作。控制系统是指由被控对象和控制 装置所构成的，能够对被控对象的工作状态进行 调节、使之具有一定的状态和性能的系统。 ◼ 例如：

控制与控制系统 组成： (1)传感器它将贮槽液位高低的信息转换为 种特定的信号（如电压、电流等），并传送到控制 器，相当于人工控制时的眼睛。 (2)控制器它接受变送器送来的信号，与生 产工艺要求所预先设定的液位高度信号相比较得出 偏差，并按某种运算规则算出结果，然后将此结果 用特定信号发送到执行器，相当于人工控制时的大 脑。 (3)执行器在这里就是控制阀，它可以根据 控制器送来的信号以及信号值的大小自动调节阀门 的开启度，相当于人工控制时手和阀的组合

一、控制与控制系统 组成： (1) 传感器 它将贮槽液位高低的信息转换为 一种特定的信号(如电压、电流等)，并传送到控制 器，相当于人工控制时的眼睛。 (2) 控制器 它接受变送器送来的信号，与生 产工艺要求所预先设定的液位高度信号相比较得出 偏差，并按某种运算规则算出结果，然后将此结果 用特定信号发送到执行器，相当于人工控制时的大 脑。 (3) 执行器 在这里就是控制阀，它可以根据 控制器送来的信号以及信号值的大小自动调节阀门 的开启度，相当于人工控制时手和阀的组合

控制与控制系统 给定值十 偏差 控制器 控制器 控制阀 操纵 被控变量 被控对象 输出 变量 测量值 传感器 自动控制系统方框图 利用系统框图可以清楚、方便地表示自动控制系 统中各个组成部分之间的相互关系，在研究自动控 制系统时，通常用方框图表示控制系统的组成。 BA⊙K

一、控制与控制系统 控制器 控制阀 被控对象 传感器 给定值 偏差 控制器 输出 操纵 变量 被控变量 测量值 - + 自动控制系统方框图 干 扰 利用系统框图可以清楚、方便地表示自动控制系 统中各个组成部分之间的相互关系，在研究自动控 制系统时，通常用方框图表示控制系统的组成

二、系统的分类 ■1.按照有无反馈测量装置分类 输入 控制器 被控对象 输出 开环控制系统 输入十偏差 控制器 被控对象 输出 测量值 传感器 闭环控制系统

二、系统的分类 ◼ 1．按照有无反馈测量装置分类 控制器 被控对象 传感器 输入 偏差 输出 测量值 - + 输入 控制器 被控对象 输出 开环控制系统 闭环控制系统

系统的分类 开环控制系统是没有反馈环节的控制系统， 其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格 便宜。它的主要缺点是精度低，对环境变化和 干扰十分敏感。 闭环控制系统亦称为反馈控制系统。闭环控 制系统与开环控制系统相比，具有精度高，动 态性能好，抗干扰能力强等优点，它的缺点是 结构复杂，维修困难，价格昂贵等

二、系统的分类 开环控制系统是没有反馈环节的控制系统, 其主要优点是简单、经济、容易维修以及价格 便宜。它的主要缺点是精度低，对环境变化和 干扰十分敏感。 闭环控制系统亦称为反馈控制系统。闭环控 制系统与开环控制系统相比，具有精度高，动 态性能好，抗干扰能力强等优点，它的缺点是 结构复杂，维修困难，价格昂贵等

二、 系统的分类 2.按照信号处理技术分类 控制系统可以分为模拟控制系统和数字控制系统 凡是采用模拟技术处理信号的控制系统都称为模拟控制 系统， 而采用数字技术处理信号的控制系统则称为数字控制系 统。 现在许多控制系统都采用微处理机直接作为控制器，负 责采集信号、运算控制规律以及产生控制指令等。机械系 统是连续的物理过程，而微处理机控制器处理离散的数字 信号，二者之间必须通过采样器和数据保持器连接起来通 常，这类计算机控制系统通常称为采样一数据控制系统

二、系统的分类 2．按照信号处理技术分类 控制系统可以分为模拟控制系统和数字控制系统 凡是采用模拟技术处理信号的控制系统都称为模拟控制 系统， 而采用数字技术处理信号的控制系统则称为数字控制系 统。 现在许多控制系统都采用微处理机直接作为控制器，负 责采集信号、运算控制规律以及产生控制指令等。机械系 统是连续的物理过程，而微处理机控制器处理离散的数字 信号，二者之间必须通过采样器和数据保持器连接起来通 常，这类计算机控制系统通常称为采样—数据控制系统

系统的分类 3.按照应用分类 控制系统可分为调节系统、跟踪系统和过程控制系统 调节系统是在干扰作用下使被控变量保持常数的一种 控制系统，调节系统的输入是它的设定点。 跟踪系统是保持其被控变量尽可能接近时变的指令值， 跟踪系统的一个实例是数控机床的刀具必须跟踪给定的路 径，以加工出合适形状的零件，这一实例就是常见的伺服 系统。伺服系统是一类被控变量为位移、速度或加速度的 跟踪系统。 温度自动调节系统不是伺服系统，而是过程控制系统。 典型的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流速、液 位以及化学浓度等

二、系统的分类 3．按照应用分类 控制系统可分为调节系统、跟踪系统和过程控制系统 调节系统是在干扰作用下使被控变量保持常数的一种 控制系统，调节系统的输入是它的设定点。 跟踪系统是保持其被控变量尽可能接近时变的指令值， 跟踪系统的一个实例是数控机床的刀具必须跟踪给定的路 径，以加工出合适形状的零件，这一实例就是常见的伺服 系统。伺服系统是一类被控变量为位移、速度或加速度的 跟踪系统。 温度自动调节系统不是伺服系统，而是过程控制系统。 典型的过程控制系统的被控变量有温度、压力、流速、液 位以及化学浓度等

系统的分类 4.按系统给定信号的特点分类 (1)恒值控制系统 在控制过程中，如果要求被控变量保持在一个指标上不变， 或者说系统的给定信号是恒定值，那么就需要采用恒值控制系 统。 (2)程序控制系统 这类系统的给定值是变化的，但它是一个已知的时间函数， 或按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控 机床的数控程序加工，就是这类系统的例子。 (3)随动控制系统 这类系统的特点是给定信号不仅在不断地变化，而且这种变 化不是预先规定好的，也就是说给定信号是按未知规律变化的 任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精 确地复现给定信号的变化规律。比如显示记录仪表采用的自动 平衡电位计伺服系统、雷达天线伺服系统等，都是随动系统的 些例子。 BAC区

二、系统的分类 4．按系统给定信号的特点分类 (1)恒值控制系统 在控制过程中，如果要求被控变量保持在一个指标上不变， 或者说系统的给定信号是恒定值，那么就需要采用恒值控制系 统。 (2)程序控制系统 这类系统的给定值是变化的，但它是一个已知的时间函数， 或按预定的规律变化。比如金属热处理的温度控制装置、数控 机床的数控程序加工，就是这类系统的例子。 (3) 随动控制系统 这类系统的特点是给定信号不仅在不断地变化，而且这种变 化不是预先规定好的，也就是说给定信号是按未知规律变化的 任意函数。随动系统的根本任务就是能够自动地、连续地、精 确地复现给定信号的变化规律。比如显示记录仪表采用的自动 平衡电位计伺服系统、雷达天线伺服系统等，都是随动系统的 一些例子