自動控制基礎(chǔ)知識.詳解

水工藝儀表與控制給水排水工程專業(yè)第一章自動控制基礎(chǔ)知識

§1.1

自動控制系統(tǒng)的作用與構(gòu)成一、自動控制系統(tǒng)的概念1自動控制:在人不直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置使整個生產(chǎn)過程或工作機(jī)械（被控對象）自動地按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行，或使其某個參數(shù)（被控量）按預(yù)定要求變化。組成:測量元件比較元件調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件

2水位自動控制系統(tǒng)圖1.1

水位自動控制系統(tǒng)示意圖進(jìn)水閥門出水電位器放大器電動機(jī)＋＋－－浮子連桿水池減速器要求水位實(shí)際水位3方框圖方框圖:控制系統(tǒng)的元件作用圖。圖中每一個方框表示組成系統(tǒng)的一個部分（如元件或設(shè)備），稱之為環(huán)節(jié)，用帶箭頭的直線表示信號的相互聯(lián)系和傳遞方向。水位自動控制方框圖放大元件調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件控制對象測量元件比較元件給定量被控量（控制對象部分）（控制器部分）擾動作用圖1.2

水位自動控制方框圖被控量——輸出量給定量——輸入量給定輸入:決定系統(tǒng)輸出量的變化規(guī)律或要求值擾動輸入:系統(tǒng)不希望的外作用自動控制系統(tǒng)（給定量）輸出量（被控量）輸入量輸入量（擾動作用）圖1.3

控制系統(tǒng)簡圖4自動控制系統(tǒng)的工作原理、主要特點(diǎn)（1）工作原理:當(dāng)被控量偏離給定要求值時，測量元件測得被測量或經(jīng)物理量變換后由比較元件將其給定值比較得出偏差，根據(jù)偏差大小，經(jīng)放大、調(diào)節(jié)、執(zhí)行等元件后產(chǎn)生控制作用，控制作用使被控量回復(fù)到或趨近于要求值，從而使偏差消除或減小。（2）主要特點(diǎn):從信號傳送來看，輸出量經(jīng)測量后回送到輸入端，回送的信號使信號回路閉合，構(gòu)成閉環(huán)，即為負(fù)反饋。從控制作用的產(chǎn)生看，由偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿減少或消除偏差的方向運(yùn)動?！羁刂贫?、自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成整定元件:給出被控量應(yīng)取的值。測量元件:檢測被控量的大小——傳感器比較元件:用來得到給定值與被控量之間的誤差。放大元件:將誤差信號放大。執(zhí)行元件:執(zhí)行控制命令，推動被控對象。校正元件:改善系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。能源元件:提供控制系統(tǒng)所需的能量。專業(yè)術(shù)語被控量和控制量對象系統(tǒng)擾動三、自動控制系統(tǒng)的分類1閉環(huán)控制比較、計算執(zhí)行受控對象被控量干擾給定量測量圖1.4

閉環(huán)控制框圖2開環(huán)控制（1）按給定值控制計算執(zhí)行受控對象被控量干擾給定量圖1.5

開環(huán)控制框圖計算執(zhí)行受控對象被控量干擾給定量圖1.5

開環(huán)控制框圖（2）按干擾補(bǔ)償計算執(zhí)行受控對象被控量測量干擾圖1.6

按干擾補(bǔ)償框圖3復(fù)合控制計算執(zhí)行受控對象被控量計算干擾測量測量給定值圖1.7

復(fù)合控制框圖

§1.2傳遞函數(shù)與環(huán)節(jié)特性一、比例環(huán)節(jié)其傳遞函數(shù)為:特點(diǎn):當(dāng)輸人信號變化時，輸出信號會同時以一定的比例復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化。x(t)Ay(t)AAKA圖1.8

比例環(huán)節(jié)動態(tài)特性二、一階環(huán)節(jié)其傳遞函數(shù)為:圖1.9

一階非周期環(huán)節(jié)反應(yīng)曲線三、積分環(huán)節(jié)特點(diǎn):當(dāng)這些環(huán)節(jié)的輸入信號作階躍變化時，它們的輸出信號將等速地一直變化到最大或最小。其傳遞函數(shù)為:x(t)y(t)0tAt0圖1.10

階躍輸入積分環(huán)節(jié)反應(yīng)曲線四、微分環(huán)節(jié)特點(diǎn):在信號加入瞬間變化速度極大，所以微分環(huán)節(jié)的輸出信號也極大。一般采用等速信號作為輸入信號，即(常數(shù))。在這種情況下微分環(huán)節(jié)的輸出y(t)＝Td?M，其傳遞函數(shù)為:圖1.11

等速信號微分環(huán)節(jié)反應(yīng)曲線五、純滯后環(huán)節(jié)特點(diǎn):當(dāng)輸入信號產(chǎn)生一個階躍變化時，它的輸出信號既不是立刻反映輸入信號的變化，也不是慢慢地反映，而是要經(jīng)過一段純滯后時間τ以后才等量地復(fù)現(xiàn)輸人信號的變化。其傳遞函數(shù)為:Qi(t)Qi(t)0tt0τ圖1.12

純滯后環(huán)節(jié)反應(yīng)曲線§1.3

自動控制系統(tǒng)的過渡過程及品質(zhì)指標(biāo)一、典型輸入信號tr(t)0(a)階躍函數(shù)tr(t)0tr(t)0tr(t)0(b)速度函數(shù)(c)加速度函數(shù)(d)脈沖函數(shù)aatat2Δ1/Δ不同的函數(shù)表示不同的輸入信號:二、自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)系統(tǒng)的靜態(tài):被控參數(shù)不隨時間變化的狀態(tài)系統(tǒng)的動態(tài):被控參數(shù)隨時間變化的狀態(tài)三、過渡過程定義:系統(tǒng)在動態(tài)過程中被控量不斷變化，這種隨時間而變化的過程稱為自動控制系統(tǒng)的過渡過程。實(shí)質(zhì):系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。典型的過渡過程（a）（b）給定值給定值C(t)C(t)（d）（c）給定值給定值C(t)C(t)tC(t)給定值（e）四、品質(zhì)指標(biāo)（1）要求系統(tǒng)的動態(tài)過程“穩(wěn)”、“快”、“準(zhǔn)”（2）過渡過程的5個品質(zhì)指標(biāo)最大偏差A(yù)過渡時間ts余差C衰減比ψ振蕩周期Tp圖1.13定值系統(tǒng)的過渡過程y

§1.4

自動控制的基本方式控制系統(tǒng)的控制方式:控制器接受了偏差信號以后，它的輸出信號的變化方式。被控對象控制器fucr0ec圖1.14控制系統(tǒng)方框圖實(shí)質(zhì):控制器的輸入信號e(t)與其輸出信號u(t)之間的關(guān)系，即u(t)=f[e(t)]基本控制方式位式控制比例控制積分控制微分控制一、位式控制1雙位控制圖1.15雙位控制原理圖（a）水池液位控制示意圖（b）雙位控制電路圖雙位控制在給排水工程中采用普遍,如:水池、水箱的液位控制,實(shí)驗(yàn)室恒溫箱的溫度控制等。雙位控制的特點(diǎn):控制器只有最大和最小兩個輸出值，執(zhí)行器只有“開”和“關(guān)”兩個極限位置。被控對象中物料量或能量總是處于不平衡狀態(tài)，被控變量總是劇烈振蕩，得不到比較平衡的控制過程?？刂破鞯妮敵隹梢栽黾右粋€中間值,即當(dāng)被控變量在某一個范圍內(nèi)時,執(zhí)行器可以處于某一中間位置,以使系統(tǒng)中物料量或能量的不平衡狀態(tài)得到緩解?！豢刂?多位控制50％100％0eu圖1.16三位控制器特性示意圖二、比例控制定義:使被控量的偏差量與調(diào)節(jié)閥的開關(guān)量對應(yīng)起來，如圖1.15所示的系統(tǒng)，當(dāng)液面高于給定值Lo后，閥門不是全關(guān)，而是關(guān)小，液面越高，閥關(guān)得越??；反之．液面低于給定值Lo，閥也不是全開，而是開大，液面越低，閥開得越大。例如，液面低于給定值Lo的10％時，則調(diào)節(jié)信號也能使閥門開大10％。這樣當(dāng)對象負(fù)荷變化時，調(diào)節(jié)作用就會與之相適應(yīng)。這種控制器的輸出與被控量的偏差值成比例的調(diào)節(jié)方式稱為比例控制，又稱P控制。舉例:浮球閥液位控制系統(tǒng)圖1.17簡單的比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖三、比例積分控制積分環(huán)節(jié)的特性是當(dāng)有輸入信號存在時,其輸出就會一直積累下去,直到極值。利用積分環(huán)節(jié)構(gòu)成的控制器就叫積分控制器。在自動控制系統(tǒng)中只要被調(diào)參數(shù)有偏差,積分控制器就會為消除這個偏差繼續(xù)控制?？刂葡到y(tǒng)中設(shè)置的控制作用都要大于干擾的作用,因此積分控制器就一定可以克服偏差,直到偏差為零時,控制的過渡過程才停止。一個既具有比例作用又有積分作用的調(diào)節(jié)器稱為比例積分調(diào)節(jié)器。它是在比例作用的基礎(chǔ)上,又引入了積分作用。兩者之間的關(guān)系是比例加積分。EPp0tAt0P1ΔP0tAt0(a)階躍干擾輸入(b)比例輸出(c)積分輸出(d)比例加積分輸出KcAKcATiKcAKcATi比例積分作用的特性可理解為:比例粗調(diào)和積分細(xì)調(diào)的組合。四、比例積分微分控制微分控制規(guī)律是根據(jù)被調(diào)參數(shù)的變化趨勢即變化速度而輸出控制信號,具有明顯的超前作用。它是根據(jù)偏差的變化速度而引入的控制作用,只要偏差的變化一露頭,就立即動作,這樣控制的效果將會更好。輸入變化越快,輸出的值越大。微分控制器不能獨(dú)立作為控制器使用,因?yàn)槠罟潭ú蛔儠r,微分作用停止,控制器不起作業(yè)。比例微分調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)是具有超前作用的調(diào)節(jié)規(guī)律。它既有和偏差大小成比例的調(diào)節(jié)作用,又有和偏差變化率成比例的微分作用,有利于克服干擾,降低最大偏差,因此,當(dāng)對象時間常數(shù)T。較大時,常用比例微分調(diào)節(jié)器。比例積分微分控制（PID）:是比例、積分、微分三種控制規(guī)律組合。以比例作為基本控制規(guī)律，以微分的超前作用克服容量滯后、測量滯后，以積分作用消除余差。在容量滯后大而又要消除余差的場合廣泛使用。5控制方式的選擇6控制參數(shù)整定

§1.5

雙位邏輯控制系統(tǒng)一、邏輯代數(shù)初步1邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算(1)單變量運(yùn)算表示“相等”、“相同”，表達(dá)式為:“是”函數(shù)可用常開開關(guān)符號代表:a.“是”函數(shù)設(shè)邏輯變量a，函數(shù)S。有如下運(yùn)算:b.“非”函數(shù)“非”函數(shù)的基本性質(zhì)如下:“非”函數(shù)可用常閉開關(guān)符號代表:“反置”運(yùn)算，表示“相反”、“否定”，表達(dá)式為:(2)雙變量(多變量)運(yùn)算設(shè)變量“a、b、c、d…”，函數(shù)S，有如下運(yùn)算:a.“與”函數(shù)又稱“邏輯乘”，表示“同時”、“共同”表達(dá)式為:等價于兩個常開開關(guān)串聯(lián):基本性質(zhì):置換律:結(jié)合律:幾個特殊關(guān)系:當(dāng)有n個變量時，“與”函數(shù)可表示為:上述性質(zhì)均成立b.“或”函數(shù)又稱“邏輯加”，“選一”、“取一”之意，表達(dá)式為:等價于兩個常開開關(guān)并聯(lián):置換律:結(jié)合律:幾個特殊關(guān)系:基本性質(zhì):當(dāng)有n個變量時，“與”函數(shù)可表示為:上述性質(zhì)均成立2邏輯代數(shù)基本規(guī)則(1)分配律邏輯乘對于邏輯加的分配律邏輯加對于邏輯乘的分配律(2)吸收律(3)反置關(guān)系3邏輯關(guān)系式的簡化以圖1.18電路為例，對應(yīng)的邏輯關(guān)系式為:圖1.18簡單的比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖根據(jù)前述邏輯代數(shù)運(yùn)算規(guī)則,可以簡化為:等效、簡化前后的電路分別如（a），（b）所示:（a）原始電路圖（b）簡化電路圖turs+-二、真值表真值表是研究因果問題的一種表格形式.在表中把各種因素全部考慮進(jìn)去，然后研究其結(jié)果。一個邏輯問題若有n個變量,在真值表中就有(n＋1)列,其中包括n列變量和1列結(jié)果；橫向有2n項(xiàng)（行）,每2項(xiàng)（行）反映一個變量的取值變化(0或1)。每一項(xiàng)（行）最后,根據(jù)要求在結(jié)果列中給出相應(yīng)邏輯表達(dá)式的取值,滿足結(jié)果的項(xiàng)為“1”,不滿足結(jié)果的項(xiàng)為“o”,不確定項(xiàng)不填或以“—”表示。舉例:例1:“非”函數(shù)的真值表例2:“是”函數(shù)的真值表例3:“與”函數(shù)的真值表例4:“或”函數(shù)的真值表三、卡諾圖卡諾圖:就是按一定規(guī)則畫出的方塊圖。圖中一個方塊就代表變量的一種取值情況,和真值表類似,有n個邏輯變量,在卡諾圖中就有2n個格。aaabababababcabcabcabcabcabcabcabc010100011110a01bab01c圖1.19單變量卡諾圖圖1.20雙變量卡諾圖圖1.21三變量卡諾圖a利用卡諾圖,可以簡化已知的邏輯表達(dá)式。①將邏輯關(guān)系式或真值表中的各項(xiàng)對應(yīng)地填入圖中.標(biāo)為“1”，余下的空格填“0”；③按每個合并塊盡量大的原則,以卡諾圖中每一個合并塊為一項(xiàng),各項(xiàng)之間以邏輯加符號相連,就可得到最簡的邏輯表達(dá)式;④每一項(xiàng)中變量的符號(以變量a為例):如該變量取值發(fā)生了變化(合并塊中該變量分別出現(xiàn)了0和1)，則該變量消去不寫；如該變量取值恒為1，則保留，記為a;如該變量取值恒為0，則保留，記為a。更一般地,在有n個變量的卡諾圖中(2n個格),若有2k個相鄰格(k<n)的值為1,則可簡化為含(n-k)個變量的邏輯表達(dá)式。這些相鄰格應(yīng)是偶數(shù)個,且是對稱的。②當(dāng)相鄰的偶數(shù)個格(對稱的)皆為“1”時,就可將之合并簡化為邏輯表達(dá)式的一項(xiàng),其中變量之間為邏輯乘關(guān)系,其余“0”項(xiàng)不考慮;基本方法:例1:簡化最終的簡化邏輯表達(dá)式為:abc四、雙位邏輯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法1邏輯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式:組合式和記憶式。設(shè)有一個雙位系統(tǒng)，輸人為n個變量的變量組E(e1.e2…en)，輸出為m個參數(shù)組成的參數(shù)組S(s1.s2…sm)，由輸入到輸出經(jīng)過了運(yùn)算過程F(如圖)。若任一時刻，在輸出與輸入之間有一一對應(yīng)的關(guān)系:S＝F(E)。則將該邏輯系統(tǒng)稱為組合式系統(tǒng)。反之，若在某一時刻，系統(tǒng)的輸出不僅與輸入變量有關(guān)，還與系統(tǒng)內(nèi)部的當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)。則這種邏算系統(tǒng)就稱為有記憶的系統(tǒng)。圖1.22組合式系統(tǒng)舉例:圖1.23水泵運(yùn)行過程分析參數(shù)階段maM12345(1)一臺水泵,由按鈕m和a來控制它的運(yùn)行。當(dāng)m動作一下,水泵啟動,當(dāng)a動作一下,水泵停止。水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)就是系統(tǒng)的輸出,用M表示,運(yùn)行為1,停止為o；按鈕m和a就是兩個輸入變量,動作(按下狀態(tài))為1,不動作(彈起狀態(tài))為o。2邏輯功能的實(shí)現(xiàn)方法邏輯系統(tǒng)中的變量只有兩種取值:0和l，分別代表兩種狀態(tài)。這種邏輯變量又稱為開關(guān)量，可以由多種技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)。對于有記憶的邏輯系統(tǒng),要增加記憶單元,可以由計算機(jī)的工作程序容易地實(shí)現(xiàn),也可以由各種常規(guī)電器元件實(shí)現(xiàn),如常用的交流接觸器、繼電器,就是通過電磁技術(shù)實(shí)現(xiàn)記憶功能的裝置。氣動技術(shù):氣壓的高、低；液動技術(shù):液體的通、斷；電子技術(shù):利用二極管P—N結(jié)的單向?qū)ㄌ匦裕淖兤鋬啥穗妷旱母叩?即可實(shí)現(xiàn)通、斷兩種狀態(tài)。3常規(guī)邏輯控制常用元件及符號常規(guī)邏輯控制系統(tǒng)是由電器元件等裝置組合起來進(jìn)行工作的系統(tǒng)。常用的元件有開關(guān)、熔斷器、繼電器、接觸器等。(1)開關(guān)（a）單極開關(guān)（b）雙極開關(guān)（c）常開開關(guān)（d）常閉開關(guān)圖1.23

常用開關(guān)符號(2)

熔斷器熔斷器的作用是在電流過大時斷開電路,保護(hù)設(shè)備安全。熔斷器的圖形符號見圖。圖1.24熔斷器圖形符號(3)繼電器常見的繼電器有電磁繼電器、熱繼電器和時間繼電器等。圖1.25電磁繼電器結(jié)構(gòu)圖熱繼電器是將兩片熱膨脹系數(shù)不同的金屬片復(fù)合在一起，當(dāng)熱繼電器通過電流過大時.金屬片受熱變形，使常閉觸點(diǎn)斷開.常開觸點(diǎn)閉和。熱繼電器一般用