企業(yè)培訓(xùn)_自動(dòng)控制原理培訓(xùn)

工控機(jī)培訓(xùn) 自動(dòng)控制原理 2011年3月 工控機(jī)培訓(xùn) 工控機(jī)培訓(xùn) 引言術(shù)語閉環(huán)控制和開環(huán)控制自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求線性控制系統(tǒng)的校正 工控機(jī)培訓(xùn) 18世紀(jì) JamesWatt為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器 是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果 1922年 Minorsky研制出船舶操縱自動(dòng)控制器 并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法 1932年 Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng) 對(duì)穩(wěn)態(tài)正弦輸入 確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法 1934年 Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)的概念 討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號(hào)的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu) 引言 工控機(jī)培訓(xùn) 19世紀(jì)40年代 頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法 Evans提出并完善了根軌跡法 19世紀(jì)50年代末 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的重點(diǎn)從設(shè)計(jì)許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng) 轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)在某種意義上的最佳系統(tǒng) 19世紀(jì)60年代 數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能 從1960年到1980 確定性系統(tǒng) 隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制 及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制 都得到充分的研究 從1980年到現(xiàn)在 現(xiàn)代控制理論進(jìn)展集中于魯棒控制 H 控制及其相關(guān)課題 工控機(jī)培訓(xùn) 古典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入 單輸出一類定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題 這些理論由于其發(fā)展較早 現(xiàn)已臻成熟 現(xiàn)代控制以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ) 研究多輸入 多輸出 時(shí)變 非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題 系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn) 工控機(jī)培訓(xùn) 工控機(jī)培訓(xùn) 工控機(jī)培訓(xùn) 術(shù)語 自動(dòng)控制對(duì)象過程系統(tǒng)擾動(dòng)反饋控制反饋控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 1自動(dòng)控制在無人直接參與的情況下 通過控制器使被控對(duì)象或過程自動(dòng)地按照預(yù)定要求進(jìn)行 工控機(jī)培訓(xùn) 2對(duì)象是一個(gè)設(shè)備 它是由一些機(jī)器零件有機(jī)地組合在一起的 其作用是完成一個(gè)特定的動(dòng)作 工控機(jī)培訓(xùn) 3過程稱任何被控制的運(yùn)行狀態(tài)為過程 其具體例子如化學(xué)過程 經(jīng)濟(jì)學(xué)過程 生物學(xué)過程 4系統(tǒng)完成一定任務(wù)的一些元 部件的組合 5擾動(dòng) 擾動(dòng)是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào) 如果擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾 擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)外部 則稱為外擾 外擾是系統(tǒng)的輸入量 工控機(jī)培訓(xùn) 6反饋控制 反饋控制是這樣一種控制過程 它能夠在存在擾動(dòng)的情況下 力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量 也稱參據(jù)量 或者任意變化的希望的狀態(tài) 之間的偏差 而且其工作正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的 7反饋控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是一種能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較 并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng) 它利用輸出量與輸入量的偏差來進(jìn)行控制 工控機(jī)培訓(xùn) 8隨動(dòng)系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng) 在這種系統(tǒng)中 輸出量是機(jī)械位移 速度或者加速度 因此 隨動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語 與位置 或速度或加速度 控制系統(tǒng)是同義語 在現(xiàn)代工業(yè)中 廣泛采用著隨動(dòng)系統(tǒng) 9過程控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中 諸如對(duì)壓力 溫度 濕度 流量 頻率以及原料 燃料成分比例等方面的控制 稱為過程控制 工控機(jī)培訓(xùn) 閉環(huán)控制與開環(huán)控制 開環(huán)控制系統(tǒng) 例 烤面包機(jī) 輸入 定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間輸出 面包的顏色控制對(duì)象 烤箱的加熱系統(tǒng) 控制器與被控對(duì)象之間只有正向的控制作用 輸出量對(duì)控制量沒有影響 輸入輸出間沒有反饋回路 工控機(jī)培訓(xùn) 工控機(jī)培訓(xùn) 開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 造價(jià)低 系統(tǒng)的控制精度取決于給定信號(hào)的標(biāo)定精度及控制器及被控對(duì)象參數(shù)的穩(wěn)定性 開環(huán)系統(tǒng)沒有抗干擾的能力 因此精度較低 應(yīng)用場(chǎng)合 控制量的變化規(guī)律可以預(yù)知 可能出現(xiàn)的干擾可以抑制 被控量很難測(cè)量 應(yīng)用較為廣泛 如家電 加熱爐 車床等等 液位控制示意圖 調(diào)節(jié)容器內(nèi)液面位置的人工閉環(huán)控制系統(tǒng) 工控機(jī)培訓(xùn) 閉環(huán)控制系統(tǒng) 將輸出量引入到輸入端 使輸出量對(duì)控制作用產(chǎn)生直接的影響 形成閉環(huán)控制系統(tǒng) 工控機(jī)培訓(xùn) 前向通道 系統(tǒng)輸入量到輸出量之間的通道 反饋通道 從輸出量到反饋信號(hào)之間的通道 比較環(huán)節(jié) 輸出量為各輸入量的代數(shù)和 輸入量 ur輸出量 n反饋量 uf控制量 ua偏差量 ue 給定量 ur 反饋量 uf 工控機(jī)培訓(xùn) 閉環(huán)控制系統(tǒng) 通過反饋回路使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)并按偏差的性質(zhì)產(chǎn)生控制作用 以求減小或消除偏差 從而減小或消除誤差 的控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 系統(tǒng)對(duì)外部或內(nèi)部干擾 如內(nèi)部件參數(shù)變動(dòng) 的影響不甚敏感 出于采用反饋裝置 導(dǎo)致設(shè)備增多 線路復(fù)雜 閉環(huán)系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題 由于反饋通道的存在 對(duì)于那些慣性較大的系統(tǒng) 若參數(shù)配合不當(dāng) 控制性能可能變得很差 甚至出現(xiàn)發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況 注意 對(duì)于主反饋必須采用負(fù)反饋 若采用正反饋將使偏差越來越大 工控機(jī)培訓(xùn) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的特征 1 結(jié)構(gòu)上必須有反饋裝置并按負(fù)反饋的原則構(gòu)成系統(tǒng) 2 由偏差產(chǎn)生控制作用 控制的目的是盡量的減小或消除偏差 使輸出量接近于期望值 自動(dòng)控制系統(tǒng)定義 是一個(gè)帶有反饋裝置的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng) 系統(tǒng)能自動(dòng)而連續(xù)地測(cè)量被控制量 并求出偏差 進(jìn)而根據(jù)偏差的大小和正負(fù)極性進(jìn)行控制 而控制的目的是力圖減小或消除所存在的偏差 工控機(jī)培訓(xùn) 控制系統(tǒng)的組成 工控機(jī)培訓(xùn) 測(cè)量反饋元件 用以測(cè)量被控量并將其轉(zhuǎn)換成與輸入量同一物理量后 再反饋到輸入端以作比較 比較元件 用來比較輸人信號(hào)與反饋信號(hào) 放大元件 將微弱的信號(hào)作線性放大 校正元件 按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào) 并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào) 以利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能 執(zhí)行元件 根據(jù)偏差信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用 以便使被控量按期望值變化 控制對(duì)象 又稱被控對(duì)象或受控對(duì)象 通常是指生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行控制的工作機(jī)械或生產(chǎn)過程 出現(xiàn)于被控對(duì)象中需要控制的物理量稱為被控量 工控機(jī)培訓(xùn) 工控機(jī)培訓(xùn) 工控機(jī)培訓(xùn) 閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較 閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用了反饋 因而使系統(tǒng)的響應(yīng)對(duì)外部干擾和內(nèi)部系統(tǒng)的參數(shù)變化均相當(dāng)不敏感 這樣 對(duì)于給定的控制對(duì)象 有可能采用不太精密且成本較低的元件構(gòu)成精密的控制系統(tǒng) 在開環(huán)情況下 就不可能做到這一點(diǎn) 從穩(wěn)定性的觀點(diǎn)出發(fā) 開環(huán)控制系統(tǒng)比較容易建造 因?yàn)閷?duì)開環(huán)系統(tǒng)來說 不存在穩(wěn)定性的問題 但是在閉環(huán)系統(tǒng)中 穩(wěn)定性則始終是一個(gè)重要問題 因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)可能引起過調(diào)誤差 從而導(dǎo)致系統(tǒng)做等幅振蕩或變幅振蕩 工程上常采用的復(fù)合控制方法 就是把兩者結(jié)合起來使用 復(fù)合控制實(shí)質(zhì)上是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上 附加一個(gè)輸入信號(hào) 給定或擾動(dòng) 的順饋通路 對(duì)該信號(hào)實(shí)行加強(qiáng)或補(bǔ)償 以達(dá)到精確的控制效果 工控機(jī)培訓(xùn) 常見的方式有以下兩種 1 附加給定輸入補(bǔ)償 通常 附加的補(bǔ)償裝置可提供一個(gè)順饋控制信號(hào) 與原輸入信號(hào)一起對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制 以提高系統(tǒng)的跟蹤能力 工控機(jī)培訓(xùn) 2 附加擾動(dòng)輸入補(bǔ)償該種復(fù)合控制方框圖 附加的補(bǔ)償裝置所提供的控制作用 主要起到對(duì)擾動(dòng)影響 防患未然 的效果 工控機(jī)培訓(xùn) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 按控制方式分 開環(huán)控制閉環(huán)控制 反饋控制 復(fù)合控制 工控機(jī)培訓(xùn) 按系統(tǒng)性能分 線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng) 離散系統(tǒng) 定常系統(tǒng) 時(shí)變系統(tǒng) 工控機(jī)培訓(xùn) 按參據(jù)量變化規(guī)律分 恒值控制系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng) 工控機(jī)培訓(xùn) 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求 可以歸結(jié)為穩(wěn)定性 長期穩(wěn)定性 準(zhǔn)確性 精度 和快速性 相對(duì)穩(wěn)定性 穩(wěn)定性 1對(duì)恒值系統(tǒng) 要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后 經(jīng)過一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來的期望值 2對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng) 被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化 穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求 不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù) 穩(wěn)定性 通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān) 工控機(jī)培訓(xùn) 快速性 對(duì)過渡過程的形式和快慢提出要求 一般稱為動(dòng)態(tài)性能 穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng) 雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo) 但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速 而炮身行動(dòng)遲緩 仍然抓不住目標(biāo) 準(zhǔn)確性 用穩(wěn)態(tài)誤差來表示 在參考輸入信號(hào)作用下 當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后 其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差 顯然 這種誤差越小 表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高 穩(wěn) 準(zhǔn) 快是相互制約的 工控機(jī)培訓(xùn) 1 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 穩(wěn)定性好 但不能自動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響 當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)量產(chǎn)生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)償或影響不大時(shí) 采用開環(huán)控制是有利的 當(dāng)擾動(dòng)量無法預(yù)計(jì)或控制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時(shí) 則應(yīng)采用閉環(huán)控制 2 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié) 它能依靠反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié) 以克服擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響 閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度 但是閉環(huán)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差 需要重視并加以解決 結(jié)論 值得自豪的是 1954年 中國科學(xué)家錢學(xué)森全面地歸納總結(jié)了經(jīng)典控制理論 在美國出版了國際上第一本經(jīng)典控制理論的著作 工程控制論 工控機(jī)培訓(xùn) 工控機(jī)培訓(xùn) 線性控制系統(tǒng)的校正方法 在工程實(shí)踐中 由于控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)不能滿足要求 需要在系統(tǒng)中加入一些適當(dāng)?shù)脑蜓b置去補(bǔ)償和提高系統(tǒng)的性能 以滿足性能指標(biāo)的要求 這一過程我們稱為校正 目前工程實(shí)踐中常用的校正方式有串聯(lián)校正 反饋校正 前饋校正和復(fù)合校正四種 工控機(jī)培訓(xùn) 串聯(lián)校正裝置一般接在系統(tǒng)誤差測(cè)量點(diǎn)之后和放大器之前 串接于系統(tǒng)前向通道之中 反饋校正裝置接在系統(tǒng)局部反饋通路之中 串聯(lián)校正與反饋校正連接方式如圖所示 工控機(jī)培訓(xùn) 前饋校正又稱順饋校正 是在系統(tǒng)主反饋回路之外采用的校正方式 如圖所示 工控機(jī)培訓(xùn) 復(fù)合校正方式是在反饋控制回路中 加入前饋校正通路 組成一個(gè)有機(jī)整體 如圖所示 工控機(jī)培訓(xùn) 基本控制規(guī)律1比例控制規(guī)律具有比例控制規(guī)律的控制器 稱為P控制器 如圖所示 其中稱為P控制器增益 P控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大器 在串聯(lián)校正中 加大控制器增益 可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益 減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差 提高系統(tǒng)的控制精度 但會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性 甚至造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定 因此 在系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)中 很少單獨(dú)使用比例控制規(guī)律 工控機(jī)培訓(xùn) 2比例 微分控制規(guī)律具有比例 微分控制規(guī)律的控制器 稱為PD控制器 PD控制器中的微分控制規(guī)律 能反應(yīng)輸入信號(hào)的變化趨勢(shì) 產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào) 以增加系統(tǒng)的阻尼程度 從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性 在串聯(lián)校正時(shí) 使系統(tǒng)的相角裕度提高 因而有助于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的改善 工控機(jī)培訓(xùn) 3積分 控制規(guī)律具有積分控制規(guī)律的控制器 稱為 控制器 在串聯(lián)校正時(shí) 采用 控制器可以提高系統(tǒng)的型別 無差度 有利于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的提高 但積分控制使系統(tǒng)使信號(hào)產(chǎn)生的相角滯后 對(duì)系統(tǒng)不利 因此 在控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)中 通常不宜采用單一的 控制器 工控機(jī)培訓(xùn) 4比例 積分控制規(guī)律具有比例 積分控制規(guī)律的控制器 稱P 控制器 在串聯(lián)校正時(shí) P 控制器可以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能 同時(shí)可以緩和P 控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及記過程產(chǎn)