第一章控制系统的基本概念.

第1章控制系统的基本概念目录1.1控制系统的工作原理及其组成1.1.1工作原理1.1.2开环控制和闭环控制1.1.3闭环控制系统的组成1.2控制系统的基本类型1.2.1按输入量的特征分类1.2.2按系统中传递信号的性质分类1.3对控制系统的基本要求1.4控制工程发展概况返回总目录1.1控制系统的工作原理及其组成1.1.1工作原理实现恒温控制有人工控制和自动控制两种办法。图1.1为人工控制的恒温箱简图。人工控制的任务是克服外界干扰（如电源学习目的1.掌握控制系统的工作原理、组成及其分类2.理解对控制系统的基本要求3.了解控制工程的发展概况内容提要本章主要阐述控制系统的工作原理、组成及其分类和对控制系统的基本要求重点控制系统的工作原理难点确定系统的输入量和输出量；寻找反馈通道电压波动、环境温度变化，等等），保持箱内温度恒定，以满足物体对温度的要求。操作者可以通过调压器改变通过加热电阻丝的电流，以达到控制温度的目的。箱内温度是由温度计测量的。人工调节过程可归结如下：(1)观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱内的温度（被控制量）。(2)与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差的大小和方向。(3)根据偏差的大小和方向再进行控制。当恒温箱内温度高于所要求的给定温度值时，就移动调压器使电流减小，温度降低。若温度低于给定的值，则移动调压器，使电流增加，温度升到正常范围。图1.1人工控制的恒温箱人工控制过程实际上测量、求偏差，再控制以纠正偏差的过程。图1.2就是一个自动控制系统。其中，恒温箱的所需温度由电压信号u1给定。当外界因素引起箱内温度变化时，作为测量图1.2恒温箱的自动控制系统元件的热电偶，把温度转换成对应的电压信号u2，并反馈回去与给定信号u1相比较，所得结果即为温度的偏差信号Δu=u1-u2。经过电压、功率放大后，用以改变执行电动机的转速和方向，并通过传动装置拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向着减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止。即只有在偏差信号Δu=0时，电动机才停转。这样就完成了所要求的控制任务。而所有这些装置便组成了一个自动控制系统。自动控制系统和人工控制系统非常相似。这里，测量装置相当于人的眼睛，控制器类似于人脑，执行机构好比人手。它们的共同特点都是要检测偏差，并用检测到的偏差去纠正偏差。因此，可以说没有偏差就不会有控制调节过程。在控制系统中，给定量又称系统的输入量，被控制量也称系统的输出量。输出量的返回过程称为反馈，它表示输出量通过测量装置将信号的全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。比较产生的结果称为偏差。在人工控制中，这一偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的；而在自动控制中，偏差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。自动控制将检测偏差、再纠正偏差过程自动化。控制系统的工作原理如下：(1)检测输出量的实际值。(2)将实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差值。(3)用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。这种基于反馈原理、通过“检测偏差再纠正偏差”的系统称为反馈控制系统。可见，作为反馈控制系统至少应具备测量、比较（或计算）和执行三个基本功能。控制系统的控制过程可以用系统的职能框图清晰而形象地表示。图1.3所示为恒温箱温度自动控制系统的职能框图。代表比较元件，箭头代表作用方向，每个职能框代表一个环节，各环节的作用是单向的，其输出受输入控制。从图中可以清楚地看到反馈控制的基本原理。1.1.2开环控制和闭环控制1.开环控制系统如果系统只是根据输入量和干扰量进行控制，而输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响，这样的系统称为开环控制系统。图1.4所示的数控机床进给系统，由于没有反馈通道，所以是一个开环控制系统。系统的输出量仅受输入量的控制。图1.3恒温箱温度自动控制系统职能框图开环系统的控制精度较低。但是如果组成系统的元件特性和参数值比较稳定，而且外界的干扰也比较小，则这种控制系统也可以保证一定的精度。开环控制系统的最大优点是系统简单，一般都能稳定可靠地工作，因此对于要求不高的系统可以采用。图1.4数控机床的开环控制系统滑动台面系统（开环系统）2.闭环控制系统如果系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生直接影响，这种系统称为闭环控制系统。反馈控制系统必是闭环控制系统。闭环控制系统的突出优点是控制精度高，不管遇到什么干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值，闭环控制就会产生控制作用来减小这一偏差。闭环控制系统也有它的缺点，这类系统是靠偏差进行控制的，因此，在整个控制过程中始终存在着偏差，由于元件的惯性（如负载的惯性），若参数配置不当，很容易引起振荡，使系统不稳定而无法工作。由11台小型电动机驱动的战神汽车“Sojourner”3.半闭环控制系统如果控制系统的反馈信号不是直接从系统的输出端引出，而是间接地取自中间的测量元件，例如在数控机床的进给伺服系统中，若将位置检测装置安装在传动丝杠的端部，间接测量工作台的实际位移，则这种系统称为半闭环控制系统。半闭环控制系统可以获得比开环系统更高的控制精度，但比闭环系统要低；与闭环系统相比，它易于实现系统的稳定。目前大多数数控机床都采用这种半闭环控制进给伺服系统。配有高灵敏相机、用于检查半导体芯片镀膜层的三轴控制系统（半闭环控制）1.1.3闭环控制系统的组成图1.5所示为一个较完整的闭环控制系统。由图可见，闭环控制系统一般应该包括给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件等。图1.5闭环控制系统的组成1．给定元件主要用于产生给定信号或输入信号。例如，图1.2中电位计里的可变电阻。2．反馈元件它测量被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便于传输，主反馈信号多为电信号。因此，反馈元件通常是一些用电量来测量非电量的元件。必须指出，在机械、液压、气动、机电、电机等系统中存在着内在反馈。这是一种没有专设反馈元件的信息反馈，是系统内部各参数相互作用而产生的反馈信息流，如作用力与反作用力之间形成的直接反馈。内在反馈回路由系统动力学特性确定，它所构成的闭环系统是一个动力学系统。3．比较元件用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差值的偏差信号。例如，图1.2中的电位计。4．放大元件对偏差信号进行放大的元件。例如，电压放大器、功率放大器、电液伺服阀、电气比例/伺服阀等。放大元件的输出一定要有足够的能量，才能驱动执行元件，实现控制功能。5．执行元件直接对受控对象进行操纵的元件。例如，伺服电动机、液压（气）马达、伺服液压（气）缸等。6．校正元件为保证控制质量，使系统获得良好的动、静态性能而加入系统的元件。校正元件又称校正装置。串接在系统前向通路上的称为串联校正装置；并接在反馈回路上的称为并联校正装置。1.2控制系统的基本类型1.2.1按输入量的特征分类1．恒值控制系统这种控制系统的输入量是一个恒定值，一经给定，在运行过程中就不再改变（但可定期校准或更改输入量）。恒值控制系统的任务是保证在任何扰动下系统的输出量为恒值。工业生产中的温度、压力、流量、液面等参数的控制，有些原动机的速度控制，机床的位置控制，电力系统的电网电压、频率控制等，均属此类。2．程序控制系统这种系统的输入量不为常值，但其变化规律是预先知道和确定的。可以预先将输入量的变化规律编成程序，由该程序发出控制指令，在输入装置中再将控制指令转换为控制信号，经过全系统的作用，使控制对象按指令的要求而运动。计算机绘图仪就是典型的程序控制系统。工业生产中的过程控制系统按生产工艺的要求编制成特定的程序，由计算机来实现其控制。这就是近年来迅速发展起来的数字程序控制系统和计算机控制系统。微处理机控制将程序控制系统推向更普遍的应用领域。图1.6表示一个用于机床切削加工的程序控制系统。图1.6程序控制系统a)上图为开环控制b)下图为闭环控制3．随动系统随动系统在工业部门又称伺服系统。这种系统的输入量的变化规律是不能预先确定的。当输入量发生变化时，则要求输出量迅速而平稳地跟随着变化，且能排除各种干扰因素的影响，准确地复现控制信号的变化规律（此即伺服的含义）。控制指令可以由操作者根据需要随时发出，也可以由目标物或相应的测量装置发出。图1.7液压仿形车床工作原理图图1.7所示为液压仿形车床工作原理图。当阀心8处于图示中间位置时，没有压力油进入液压缸前后两腔，液压缸不动。当阀心偏离中位，例如向前伸出时，节流口2、4保持关闭，节流口1、3打开，压力油经节流口3进入液压缸前腔，而其后腔的油液经节流口1流回油箱，缸体带动刀具向前运动；同样，当阀心偏离中位向后收缩时，节流口1、3关闭，2、4打开，压力油经节流口2进入液压缸后腔，而缸前腔的油液则经节流口4流回油箱，缸体带动刀具向后运动。图中，液压缸缸体和控制阀阀体连成一体，形成液压缸运动的负反馈，使液压缸缸体与阀心的运动距离和方向始终保持一致，所以液压缸缸体（刀具）完全跟随阀心（触销8）运动。因此，这是一个随动（伺服）系统。1.2.2按系统中传递信号的性质分类1．连续控制系统系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统称为连续控制系统。连续控制系统又有线性系统和非线性系统之分。用线性微分方程描述的系统称为线性系统，不能用线性微分方程描述、存在着非线性部件的系统称为非线性系统。2．离散控制系统系统中某一处或数处的信号是脉冲序列或数字量传递的系统称为离散控制系统（也称数字控制系统）。在离散控制系统中，数字测量、放大、比较、给定等部件一般均由微处理机实现，计算机的输出经D/A转换加给伺服放大器，然后再去驱动执行元件；或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元件。由于连续控制系统和离散控制系统的信号形式有较大区别，因此在分析方法上也有明显的不同。连续控制系统以微分方程来描述系统的运动状态，并用拉氏变换法求解微分方程；而离散系统则用差分方程来描述系统的运动状态，用Z变换法引出脉冲传递函数来研究系统的动态特性。多自由度控制器、机器人等都是随动系统。1.3对控制系统的基本要求1.稳定性由于控制系统都包含储能元件，若系统参数匹配不当，便可能引起振荡。稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。对于稳定的系统，当输出量偏离平衡状态时，应能随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性乃是保证控制系统正常工作的先决条件。2.精确性控制系统的精确性即控制精度，一般以稳态误差来衡量。所谓稳态误差是指以一定变化规律的输入信号作用于系统后，当调整过程结束而趋于稳定时，输出量的实际值与期望值之间的误差值，它反映了动态过程后期的性能。这种误差一般是很小的。如数控机床的加工误差小于0.02mm，一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的1%以内。3.快速性快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。快速性好的系统，它消除偏差的过渡过程时间就短，就能复现快速变化的输入信号，因而具有较好的动态性能。由于控制对象的具体情况不同，各种系统对稳定、精确、快速这三方面的要求是各有侧重的。例如，调速系统对稳定性要求较严格，而随动系统则对快速性提出较高的要求。1.4控制工程发展概况控制工程是一门新型的技术科学，也是一门边缘科学。它的理论基础是工程控制论。早在一千多年以前，我国就先后发明了铜壶滴漏计时器、指南针以及天文仪器等多种自动控制装置，这些发明促进了当时社会经济的发展。即使从1788年瓦特（J.Watt）发明蒸汽机飞球调速器算起，控制工程也已有了二百多年的历史。然而，控制工程作为一门学科，它的形成并迅速发展却是最近五六十年的事。铜壶滴漏计时器用于测定天体的赤道坐标、黄道经度和地平坐标的浑仪二次世界大战前，控制系统的设计因缺乏系统的理论指导而多采用试凑法。二次大战期间，由于建造飞机自动驾驶仪、雷达跟踪系统、火炮瞄准系统等军事装备的需要，推动了控制理论的飞跃发展。1948年威纳（N.Wiener）发表了著名的《控制论》，从而基本上形成了经典控制理论，使控制工程有了扎实的理论支撑。经