自動控制原理及應(yīng)用 第1章 緒論

1、自動控制原理及應(yīng)用自動控制原理及應(yīng)用 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 董紅生主編董紅生主編第第1章章 緒論緒論本章小結(jié)本章小結(jié)1.4 自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用舉例自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用舉例1.3 自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)的基本要求1.2自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類1.1 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)：v理解自動控制和自動控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)的控制方式及自動控制系統(tǒng)的組成等基本概念；v了解自動控制系統(tǒng)的分類方法；v掌握對自動控制系統(tǒng)的基本要求；v熟悉自動控制系統(tǒng)實例分析方法。教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)：v理解自動控制和自動控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)的控制方式及自動控

2、制系統(tǒng)的組成等基本概念；v了解自動控制系統(tǒng)的分類方法；v掌握對自動控制系統(tǒng)的基本要求；v熟悉自動控制系統(tǒng)實例分析方法。1.1 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1.1.1 自動控制和自動控制系統(tǒng)自動控制和自動控制系統(tǒng) 控制是指由人或用控制裝置使被控對象按照一定目的動作所進行的 操作。如果控制任務(wù)是由人來完成，則稱為人工控制。如果人不直接參與，而是由控制裝置自動完成控制任務(wù)，則稱為自動控制。 1.人工控制 水位控制主要是通過控制閥門的開度來滿足水位控制的要求。水箱水位的人工控制系統(tǒng)如圖1-2所示， 其控制過程包括以下幾個環(huán)節(jié)： （1）通過測量元件（刻度標(biāo)尺），觀測水箱中的實際水位，即被

3、控量； （2）將實際水位與要求的水位（給定值）相比較，得出兩者偏差； （3）根據(jù)水位偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進水閥門的開度。當(dāng)實際水位高于要求值時，關(guān)小進水閥門開度，反之，則加大閥門開度。通過偏差的調(diào)節(jié)，可使水箱水位與要求值基本保持一致。 圖1-2 水箱水位的人工控制 人工控制的過程就是測量、求偏差、實施控制以糾正偏差的過程。簡單說，就是檢測偏差并糾正偏差的過程。2.自動控制水箱中的浮子：反映了實際水位的變化，起到水位測量的作用；連桿機構(gòu)：作為比較器，完成實際水位與期望水位的比較； 放大器、伺服電動機和減速器：水位的調(diào)節(jié)驅(qū)動裝置； 閥門：水位調(diào)節(jié)的執(zhí)行元件，其開度則由電位器上的電壓控制。 圖1-3

4、 水箱水位的自動控制 v人工控制和自動控制比較： 測量裝置人眼； 執(zhí)行機構(gòu)人手； 比較與控制環(huán)節(jié)人腦。 共同的特點：檢測偏差，并用檢測到的偏差去糾正偏差。 “以偏差糾正偏差”的控制原理又被稱為反饋控制原理。v自動控制術(shù)語： 被控對象（或稱為受控對象）：被控的設(shè)備或過程 被控量（或稱為被控參數(shù)）：表征設(shè)備或過程運行情況或狀態(tài)并加以控制的物理參量（或狀態(tài)參量） 給定值（或稱為參考輸入、設(shè)定值）：被控量所應(yīng)保持的期望值 干擾（或稱為擾動）：引起被控量的變化因素v 自動控制的任務(wù)描述為：使被控對象的被控量等于或按一定精度符合給定值。 系統(tǒng)的控制裝置和被控對象組合在一起就稱為自動控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的

5、方框圖如圖1-4所示。 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號 圖圖1-4自動控制系統(tǒng)的方框圖自動控制系統(tǒng)的方框圖3.自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成及控制過程通?？捎媒Y(jié)構(gòu)框圖的形式描述。水位自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖l-5所示。圖中，用“方框”表示系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)，用“箭頭”代表信號的傳遞方向，用“ ”表示比較環(huán)節(jié)，而反饋回路的“”號表示負(fù)反饋。圖1-5 水位自動控制系統(tǒng)的方框圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖既反映了反饋控制的基本原理，又清楚地表明了系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的作用及其它們之間的受控關(guān)系。1.1.2 自動控制系統(tǒng)的控制方式自動控制系統(tǒng)的控制方式基本控 制方式 開環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制 開環(huán)控制系

6、統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng) 1開環(huán)控制開環(huán)控制是指的系統(tǒng)的輸出量（被控量）對系統(tǒng)的控制作用沒有影響。 從系統(tǒng)的信號流向看：其控制信號的傳遞方向只有順向沒有反饋。開環(huán)控制的特點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法都比較簡單，系統(tǒng)的抗干擾能力差，控制精度完全取決于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的精度。當(dāng)系統(tǒng)存在干擾或系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，會直接影響被控量，而系統(tǒng)無法自動補償，因而控制精度難于保證。 適用場合：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定，且不存在干擾或干擾很弱，對被控量要求不高的場合，如家用電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制、自動洗衣機、包裝機以及一些自動化流水線，多屬于該類控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制的原理框圖如圖1-5 所示。 圖1-5 開環(huán)控制的原理框圖2閉環(huán)控

7、制是指系統(tǒng)的輸出量（被控量）對系統(tǒng)的控制作用有直接影響。閉環(huán)控制的原理框圖如圖1-7所示。 圖1-7 閉環(huán)控制的原理框圖從系統(tǒng)的信號流向看，系統(tǒng)輸出信號沿反饋通道（一般由檢測、變送器構(gòu)成）回送到系統(tǒng)的輸入端形成反饋信號。由于控制系統(tǒng)中存在反饋回路，故稱為閉環(huán)控制或反饋控制。 閉環(huán)控制的特點：系統(tǒng)達到較高的控制精度，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試較為困難。由于閉環(huán)控制存在反饋信號，若系統(tǒng)元件參數(shù)配合不當(dāng)，容易產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)不能正常工作。 開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的比較： 從控制系統(tǒng)的特點來看，當(dāng)系統(tǒng)的輸入量預(yù)先知道，且不存在其它任何擾動時，采用開環(huán)控制系統(tǒng)較為合適，而當(dāng)存在無法預(yù)計的外部擾動或系統(tǒng)參數(shù)變化

8、時，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)具有更多的優(yōu)越性。 從系統(tǒng)穩(wěn)定性的觀點來看，開環(huán)控制系統(tǒng)不存在穩(wěn)定性的問題，而在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定性始終是一個重要問題。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出對外部干擾和內(nèi)部參數(shù)變化不敏感，可以使用低精密的元件構(gòu)成高精密的控制系統(tǒng)，而這一點對于開環(huán)控制系統(tǒng)是不可能做到的； 閉環(huán)控制系統(tǒng)采用的元件數(shù)量較多，因此系統(tǒng)成本和功率要比開環(huán)控制系統(tǒng)高。3.復(fù)合控制是在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，附加一個給定或擾動信號的順饋通路，對該信號實行加強或補償，以達到精確的控制效果。 圖1-7給定補償?shù)膹?fù)合控制 圖1-8擾動補償?shù)膹?fù)合控制1.1.3 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 自動控制系統(tǒng)是由被控對象和控制裝

9、置兩部分組成。 圖圖1-9 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 在工業(yè)過程控制中，控制裝置主要包括檢測元件、變檢測元件、變送器、控制器（校正裝置）或計算機裝置、執(zhí)行機構(gòu)送器、控制器（校正裝置）或計算機裝置、執(zhí)行機構(gòu)等，分別完成檢測、運算和執(zhí)行等功能。給定元件：其功能是確定被控對象的目標(biāo)值，即給定值，要求給定值與測量值的信號種類和量綱保持一致，給定量可以是各種形式，如電量、非電量、數(shù)字量、模擬量等。測量元件：其功能是檢測被控量，并將檢測值轉(zhuǎn)換為便于處理的電壓或電流信號后，傳送到輸入比較裝置。通常測量元件出現(xiàn)在反饋回路中。比較元件：其功能是將給定值與測量值進行比較，求出兩者之間的偏差。放大元件：

10、其功能是將比較元件給出的偏差信號進行放大，以便有足夠的功率來推動執(zhí)行元件執(zhí)行控制。執(zhí)行元件：其功能是直接推動被控對象，使被控量發(fā)生變化。校正元件：是在系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上附加的元件或裝置，其參數(shù)可靈活調(diào)整，主要用于改善系統(tǒng)的控制性能。工程上又稱為調(diào)節(jié)器。通常采用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。被控對象：是指控制系統(tǒng)中需要控制的對象，通常為生產(chǎn)設(shè)備或工作機構(gòu)等。 1.2自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類1.2.1 按給定值的變化規(guī)律分類按給定值的變化規(guī)律分類1. 恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)特點：系統(tǒng)的給定值為一恒定值，控制的目的是要求系統(tǒng)的被控量等于給定值，且保持恒定不變。2. 隨動控制系統(tǒng)(又稱伺

11、服系統(tǒng) ）隨動控制系統(tǒng)又稱為跟蹤控制系統(tǒng)，其特點是系統(tǒng)給定值按事先未知的時間函數(shù)變化（有時是完全隨機的），控制的目的是要求系統(tǒng)的被控量能快速、準(zhǔn)確地跟隨給定值的變化。3. 程序控制系統(tǒng)在程序控制系統(tǒng)中，給定值是按事先預(yù)定的規(guī)律變化，是一個已知的時間函數(shù)，控制的目的是要求被控量按照確定的給定時間函數(shù)變化。 1.2.2 按系統(tǒng)的信號形式分類連續(xù)控制系統(tǒng) 離散控制系統(tǒng)1.2.3 按系統(tǒng)的特性分類線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng) 1.3 自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)的基本要求1.3.1 穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定性是指當(dāng)系統(tǒng)受到外加信號（給定或擾動）作用后，系統(tǒng)響應(yīng)的暫態(tài)過渡過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。 工程上

12、對系統(tǒng)性能的基本要求有三個方面： 穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性。 (a)穩(wěn)定系統(tǒng) (b)不穩(wěn)定系統(tǒng)圖1-11 穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)1.3.2 快速性系統(tǒng)的快速性可用系統(tǒng)動態(tài)過程的時間長短來描述。 一個實際控制系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)要具有穩(wěn)定性（指的是絕對穩(wěn)定性），而且其輸出響應(yīng)的動態(tài)過程的振蕩不宜過大（指的是相對穩(wěn)定性），否則無法滿足生產(chǎn)要求。 圖1-12 控制系統(tǒng)的快速性 系統(tǒng)快速性表征了輸出對輸入響應(yīng)的快慢程度。 1.3.3 準(zhǔn)確性系統(tǒng)的準(zhǔn)確性可用輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之差（ess）來描述。系統(tǒng)準(zhǔn)確性反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，若ess不為零，則為有差系統(tǒng)；反之，若ess等于零，則為無差系統(tǒng)。 圖1-13

13、 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度 對于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性的要求往對于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性的要求往往是相互制約的。過分提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，可能往是相互制約的。過分提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩加劇，甚至不穩(wěn)定；而過分強調(diào)改善相導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩加劇，甚至不穩(wěn)定；而過分強調(diào)改善相對穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)響應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致系統(tǒng)控對穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)響應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致系統(tǒng)控制精度降低。根據(jù)系統(tǒng)具體任務(wù)的不同，在分析和設(shè)制精度降低。根據(jù)系統(tǒng)具體任務(wù)的不同，在分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)時，對系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快三方面的性能計自動控制系統(tǒng)時，對系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快三方面的性能要求應(yīng)統(tǒng)籌考慮，并有所側(cè)重，從

14、而全面滿足系統(tǒng)性要求應(yīng)統(tǒng)籌考慮，并有所側(cè)重，從而全面滿足系統(tǒng)性能要求。能要求。 1.4 自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用舉例自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用舉例【例例1-1】電爐箱溫度控制系統(tǒng)如圖1-14 所示。試分析系統(tǒng)的工作原理，并畫出系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖。圖圖1-14 電爐箱溫度控制系統(tǒng)電爐箱溫度控制系統(tǒng)解：（解：（1）系統(tǒng)的工作原理）系統(tǒng)的工作原理 電爐箱溫度控制系統(tǒng)為一閉環(huán)恒溫控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用熱電偶檢測電爐箱實時溫度，并將爐溫轉(zhuǎn)換成電壓信號Uf（mV），反饋至輸入端與給定電壓Us進行比較，求得兩者的偏差U=Us-Uf，此偏差電壓作為控制信號，經(jīng)電壓放大和功率放大后驅(qū)動直流伺服電動機轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速器帶動調(diào)壓變壓器的滑

15、動觸頭移動，完成爐溫調(diào)節(jié)。（2）系統(tǒng)的原理框圖 圖1-15 電爐箱恒溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 【例例1-2】鍋爐液位控制系統(tǒng)如圖1-16 所示。 圖圖1-16 鍋爐液位控制系統(tǒng)鍋爐液位控制系統(tǒng)解：（1）系統(tǒng)的工作原理鍋爐液位控制系統(tǒng)為一閉環(huán)液位恒值控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽的耗汽量與鍋爐進水量相等時，液位保持為正常標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)鍋爐的給水量不變，而蒸汽負(fù)荷突然增加或減少時，液位就會降低或升高；或者當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變，而給水管道水壓發(fā)生變化時，也會引起鍋爐液位發(fā)生波動。不論出現(xiàn)哪種情況，測量變送器就會檢測出來，在調(diào)節(jié)器內(nèi)求出實際液位與給定液位之間的偏差，并給出適當(dāng)?shù)目刂屏?，?qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行控制，增大或減小給水閥門的開

16、度，使鍋爐液位迅速恢復(fù)到期望給定值。 （2）系統(tǒng)的原理框圖鍋爐液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-17所示。圖圖1-17 鍋爐液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖鍋爐液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖【例例1-3】機床工作臺位置隨動系統(tǒng)的原理圖如圖1-18所示。 解：（1）系統(tǒng)的工作原理圖圖1-18 機床工作臺位置隨動系統(tǒng)機床工作臺位置隨動系統(tǒng)解：（1）系統(tǒng)的工作原理 機床工作臺控制系統(tǒng)為一閉環(huán)的位置隨動控制系統(tǒng)。首先通過指令電位器W1的滑動觸點給出工作臺的位置指令信號xr ，并轉(zhuǎn)換為給定電壓信號ur。被控制工作臺的位移信號xc由反饋電位器W2 檢測，并轉(zhuǎn)換為反饋電壓信號xc。由于兩電位器連接為電橋電路，當(dāng)工作臺位置信號與給定

17、位置信號有偏差時，電橋輸出電壓為 rcuuu 當(dāng)指令電位器和反饋電位器滑動觸點都處于左端時，即 ，則 ，此時，放大器無輸出，直流伺服電動機不轉(zhuǎn)，工作臺靜止，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。0rcxx 0u 當(dāng)給出位置指令時，在工作臺改變位置之前的瞬間，有 ，則電橋輸出電壓為此偏差電壓經(jīng)放大器放大后控制直流伺服電動機轉(zhuǎn)動，帶動齒輪減速器和絲杠副工作，使工作臺右移。當(dāng)工作臺實際位置與給定位置之間的偏差隨工作臺的移動逐漸減小時，有 減小，則直流伺服電動機轉(zhuǎn)角減小，使得工作臺的位置逐漸接近給定位置。當(dāng)工作臺的實際位置與給定位置一致時，電橋重新平衡，有 ，伺服電動機停轉(zhuǎn)，工作臺則停止在給定位置，系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)。0cx 0rruuu u0u （2）系統(tǒng)的原理框圖機床工作臺位置隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-19所示。本章小結(jié)本章小結(jié)（1）自動控制是指沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置使被控量保持恒定或按預(yù)定的規(guī)律變化。自動控制系統(tǒng)包括被控對象和控制裝置兩個部分，一般控制裝置主要包括檢測元件、變送器、控制器（校正裝置）或計算機裝置、執(zhí)行機構(gòu)等，用于完成檢測、運