自動控制原理

1、第一章自動控制的一般概念1.1引言自動控制理論是研究關(guān)于自動控制系統(tǒng)組成、分析和設(shè)計的一般性理論，是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。自動控制理論的任務(wù)是研究自動控制系統(tǒng)中變量的運動規(guī)律以及改變這種運動規(guī)律的可能性和途徑，為建立高性能的自動控制系統(tǒng)提供必要的理論根據(jù)。1.2 自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念1.2.1 自動控制問題的提出在許多工業(yè)生產(chǎn)過程或生產(chǎn)設(shè)備運行中，往往需要對某些物理量（如溫度、壓力、流量、液位、電壓、位移、轉(zhuǎn)速等）進行控制，使其盡量維持在某個數(shù)值附近，或使其按一定規(guī)律變化。如圖1-1所示是鍋爐給水人工控制示意圖。人工調(diào)節(jié)是一個“檢測偏差、糾正偏差”的過程?？梢杂靡徽鬃詣?/p>

2、控制儀表（自動調(diào)節(jié)器）來代替操作人員的作用。圖1-2所示是鍋爐給水汽包水位自動控制示意圖。圖1-2汽包鍋爐給水自動調(diào)節(jié)示意圖1過熱器；2一汽包；3一省煤器；4一給水凋節(jié)閥；5一水位計任何一個控制系統(tǒng)，都包含著被控對象和控制器兩個組成部分。圖1-4烘箱溫度開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖圖1-5烘箱溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)常見的控制方式有三種：開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制。系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-3所示的烘箱溫度控制系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。烘箱是被控對象，烘箱的溫度是被控量，也稱為系統(tǒng)輸出量。開關(guān)設(shè)定位置為系統(tǒng)的給定量或輸入量，電阻及加熱元件可看成是調(diào)

3、壓器（控制器）。該系統(tǒng)中只有輸入量對輸出量的單向控制作用，輸出量對輸入量沒有任何影響和聯(lián)系。烘箱溫度開環(huán)控制系統(tǒng)可用圖1-4所示的方框圖表示。1.2.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)1-5所示的烘箱在圖1-3所示的烘箱溫度開環(huán)控制系統(tǒng)中，加入一些裝置，構(gòu)成了如圖溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中，烘箱是被控對象，爐溫是被控量，給定量是由給定電位器設(shè)定的電壓ur（表征烘箱溫度的希望值）。系統(tǒng)方框圖如圖1-6所示。通常，把從系統(tǒng)輸入量到輸出量之間的通道稱為前向通道；從輸出量到反饋信號之間的通道稱為反饋通道。方框圖中用符號表示比較環(huán)節(jié)，其輸出量等于各個輸入量的代數(shù)和。這種通過反饋通道使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)，并按偏差產(chǎn)生控制作用，用以

4、減小或消除偏差的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱反饋控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)主反饋通道中，只有采用負反饋才能達到控制的目的。干擾溫度T被控量圖1-6烘箱溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖閉環(huán)系統(tǒng)中系統(tǒng)的輸出信號引回到輸入端,與輸入信號相比較，利用所得的偏差信號對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，達到減小偏差或消除偏差的目的。這就是負反饋控制原理，是閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心機理。1.2.4 復(fù)合控制系統(tǒng)反饋控制只有在外部作用（輸入信號或干擾）對控制對象產(chǎn)生影響之后才能做出相應(yīng)的控制。前饋控制能使系統(tǒng)及時感受輸入信號，使系統(tǒng)在偏差即將產(chǎn)生之前就注意糾正偏差。將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，構(gòu)成復(fù)合控制，可以有效提高系統(tǒng)的控制精度。溫度拴制器圖1

5、-7所示的水溫控制系統(tǒng)是一個按干擾補償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)。其中，熱交換器是被控對象，實際熱水溫度是被控量，給定量（希望溫度）在控制器中設(shè)定，冷水流量是干擾量。系統(tǒng)方框圖如圖1-8所示。給定溫度溫度傳感器熱水溫度T圖1-8水溫控制系統(tǒng)方框圖1.3 控制系統(tǒng)示例室溫自動控制系統(tǒng)圖1-9所示為一室溫自動控制系統(tǒng)，目的是將恒溫室溫度保持在希望值。敏感元件測得的實際溫度?？刂破鲗囟炔钔ㄟ^執(zhí)行機構(gòu)（如可逆轉(zhuǎn)電機等）開大或關(guān)小調(diào)節(jié)閥，控制熱水流量的增大或減小，再由風(fēng)將熱量送入恒溫室，直到室溫與希望值一致。圖1-9室溫自動控制系統(tǒng)示意圖室溫1熱水加熱器；2敏感元件；3一控制器;4一執(zhí)行機構(gòu)；5一調(diào)節(jié)閥干擾這是一

6、個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，恒溫室是被控對象，室溫是被控量。系統(tǒng)方框圖如圖1-10所示。電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1-11所示。圖1-11電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖量器該系統(tǒng)中，發(fā)電機是被控對象，發(fā)電機的輸出電壓是被控量，給定量是給定電位器設(shè)定的電壓Ur。系統(tǒng)方框圖如圖1-12所示。負載擾動tir也1tlU2LU電位器1f放大器f由動機電位器f發(fā)電機-il圖1-12電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖水位控制系統(tǒng)圖1-13所示的水位控制系統(tǒng)目的是控制水位到希望高度。浮子是測量元件，連桿起比較作用，比較期望水位與實際水位之差，同時推動電位器滑臂移動。電位器輸出電壓反映誤差的大小和方向，電壓經(jīng)放大器放大后驅(qū)動直流伺服電動機，其

7、轉(zhuǎn)軸經(jīng)減速器后拖動進水閥n,對系統(tǒng)施加控制作用。閥門!減速器rd>-電動機圖1-13水位控制系統(tǒng)示意圖水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，水池是被控對象，水池的水位是被控量，給定量是給定電位器設(shè)定的電壓Ue。系統(tǒng)方框圖如圖1-14所示。圖1-14水位控制系統(tǒng)方框圖制冷系統(tǒng)制冷系統(tǒng)通常由冷凝器、壓縮機、蒸發(fā)器及電子膨脹閥等裝置組成，其工作原理如圖1-15所示。壓縮機將制冷劑壓縮后送入冷凝器，在冷凝器中制冷劑被冷卻后變成液體，液體制冷劑進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收熱量蒸發(fā)。系統(tǒng)中蒸發(fā)回路的任務(wù)是通過電子膨脹閥的開度來控制蒸發(fā)器的熱量。圖1-15制冷系統(tǒng)工作原理圖電子膨脹閥制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)控制回路方框圖見圖控對象，蒸

8、發(fā)器的過熱度為被控值。1-16,其中電子膨脹閥是執(zhí)行機構(gòu)，蒸發(fā)器為被設(shè)定值過熱度自動控制系統(tǒng)的基本組成圖1-17是典型自動控制系統(tǒng)的功能框圖。圖中的每一個方框，代表一個具有特定功能的元件。除被控對象外，控制裝置通常是由測量元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行機構(gòu)、校正元件以及給定元件組成。圖1-17典型反饋系統(tǒng)方框圖被控對象指生產(chǎn)過程中需要進行控制的工作機械、裝置或生產(chǎn)過程。描述被控對象工作狀態(tài)的、需要進行控制的物理量是被控量。給定元件主要用于產(chǎn)生給定信號或控制輸入信號。測量元件用于檢測被控量或輸出量，產(chǎn)生反饋信號。如果測出的物理量屬于非電量，一般要轉(zhuǎn)換成電量以便處理。比較元件用來比較輸入信號和反饋

9、信號之間的偏差?？梢允且粋€差動電路，也可以是一個物理元件（如電橋、自整角機等）。放大元件用來放大偏差信號的幅值和功率，使之能夠推動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)被控對象。例如功率放大器、電液伺服閥等。執(zhí)行機構(gòu)用于直接對被控對象進行操作，調(diào)節(jié)被控量。如閥門，伺服電動機等。校正元件用來改善或提高系統(tǒng)的性能。常用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。例如RC網(wǎng)絡(luò)、測速發(fā)電機等。自動控制系統(tǒng)的分類及基本要求.5.1自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)按照不同的特征和標準，有不同的分類方法。1,按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。.按給定信號的形式，可將控制系統(tǒng)劃分為恒值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)。3,按系統(tǒng)

10、參數(shù)是否隨時間變化，可以將控制系統(tǒng)分為定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)。.按控制系統(tǒng)的動態(tài)特性分類，可分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。.按控制系統(tǒng)閉環(huán)回路的數(shù)目分類，可分為單回路控制系統(tǒng)和多回路控制系統(tǒng)。.按照輸入信號和輸出信號的數(shù)目分類，可將系統(tǒng)分為單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸人多輸出系統(tǒng)。.按控制動作和時間的關(guān)系分類，可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。1.5.2對自動控制系統(tǒng)的基本要求在輸入量的作用下，系統(tǒng)的輸出變量由初始狀態(tài)達到最終穩(wěn)態(tài)的中間變化過程稱過渡過程，又稱瞬態(tài)過程。過渡過程結(jié)束后的輸出響應(yīng)稱為穩(wěn)態(tài)過程。系統(tǒng)的輸出響應(yīng)由過渡過程和穩(wěn)態(tài)過程組成。對系統(tǒng)品質(zhì)指標的基本要求可以歸納為三個字：穩(wěn)、準、快。穩(wěn)：是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。任何一個能夠正常工作的控制系統(tǒng)，首先必須是穩(wěn)定的。穩(wěn)定是對自動控制系統(tǒng)的最基本要求。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)有反饋作用，控制過程有可能出現(xiàn)振蕩或發(fā)散。如圖1-18中曲線3、曲線4和5所示。這些情況就稱系統(tǒng)不穩(wěn)定。準：是對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）性能的要求。對一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，當過渡過程結(jié)束后，系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，是衡量系統(tǒng)控制精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差越小，系統(tǒng)的準確性越好。快：是對系統(tǒng)動態(tài)性能（過渡過程性能）的要求。描述系統(tǒng)動態(tài)性能可以用平