zime第1章 自动控制系统概述 - 副本

自动控制系统概述第一章1典型机电控制系统浙江机电职业技术学院自动控制系统概述第一章2•为什么要学习《典型机电控制系统》这门课程？•通过本课程都会学到什么？•应该如何去学习本课程？自动控制系统概述第一章3•引言——什么是自动控制•控制系统的重要性•控制系统的组成及应用例子•为什么绝大多数控制系统均具有反馈•自动控制系统的分类•自动控制原理的发展历史自动控制系统概述第一章41.1引言——什么是自动控制•在家里，为了舒适地生活，我们需要控制室内的温度和湿度。•在交通领域，我们需要控制汽车精确而又安全地从一个地方到达另一个地方。•在工业上，制造过程中大量的生产产品需要满足产品质量和成本效益的要求。要回答这个问题，我们可以联系日常生活中那些需要实现某种“目标”的例子：自动控制系统概述第一章5•综上所述：所谓的控制系统就是为完成某种“目标”而采用的一整套的完成方法和步骤。而这些方法和步骤通常又包含能够更好实现这些“目标”的最佳策略。•在工业领域，自动控制系统常常是指那些在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标的设备。自动控制系统概述第一章6自动控制系统的重要性•近年来控制系统在现代文明和技术发展与进步上扮演了越来越重要的角色。我们日常活动的每一个方面几乎都受到了某种控制系统的影响。控制系统已经大量地应用到了工业的所有部门。如产品质量、自动装配线、机床控制、空间技术与武器系统、计算机控制、交通运输、动力系统、机器人、微机系统、纳米技术等。自动控制系统概述第一章7航空航天事业领域中广泛应用。比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。自动控制系统概述第一章8导弹的准确击中目标，雷达系统的准确跟踪目标；自动控制系统概述第一章9交通系统：•安全、快捷、舒适、准点自动控制系统概述第一章10钢铁生产自动控制系统概述第一章11制造系统：数控机床加工生产线自动码垛机器人自动包装机器人自动控制系统概述第一章12家用电器：电扇：控制转速电冰箱、空调、电饭煲：控制温度洗衣机：控制水位、强弱、时间等自动控制系统概述第一章13智能建筑：通信电梯供水通风空调安防抄表…自动控制系统概述第一章14工业机器人：自动控制系统概述第一章15拉提琴灵巧手排爆步行吹笛足球比赛其他机器人：自动控制系统概述第一章16自动控制的应用领域•军事工业•航空航天•制造业•机器人•流程工业•电子工业•家用电器•交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统…钢铁、石化、造纸、制药等自动控制系统概述第一章17随着生产和科学技术的发展，自动控制技术可以说已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。事实上，任何技术设备、工作机械或生产过程都必须按要求运行。例如：要使火炮能自动跟踪并命中飞行目标，炮身就必须按照指挥仪的命令而作方位角和俯仰角的变动。自动控制系统概述第一章18要把数吨重人造卫星送入数百公里高空的轨道，使其所携带的各种仪器能长期使用、准确地工作，就必须保持卫星的正确姿态，使它的太阳能电池一直朝向太阳，无线电发射天线一直指向地球。自动控制系统概述第一章19要使数控机床能加工出高精度的工件，就必须保证其工作台或刀架的进给量准确地按照程序指令的设定值变化。要想使轮船安全顺利的航行，就必须按照领航员的命令改变尾舵的方向。自动控制系统概述第一章20所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。要使炼钢炉提供优质的产品，就必须严格控制炉温……等等。自动控制系统概述第一章21•机电控制系统自动控制原理自动控制系统性能分析数学模型直流调速系统位置随动系统系统校正分析调试和故障排除自动控制系统概述第一章22控制系统的应用实例1.2开环控制与闭环控制自动控制系统概述第一章231、应用：太阳能高效抽水机系统太阳传感器太阳移动速度电动机减速器泵++电动机电流泵地下水蓄水池灌溉太阳能收集器机械转距目标：利用太阳能结果：抽水中间环节：实现手段自动控制系统概述第一章24上面例子中存在的问题•抽水过程只与太阳能转换来的电流大小有关，它不能反应水池的蓄水情况。因此，这个控制系统存在着水资源的浪费问题。•如何解决这个问题？自动控制系统概述第一章25太阳传感器太阳移动速度电动机减速器泵++-水位传感器水池电动机电流泵地下水蓄水池太阳能收集器水位传感器灌溉将输出端的信号返回输入端自动控制系统概述第一章262、开环控制和闭环控制比较这两个例子，我们给出概念：•开环控制系统(Open－loopControlSystem)若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。•闭环控制系统(Closed－loopControlSystem)若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统(FeedbackControlSystem)。一、开环控制和闭环控制的概念自动控制系统概述第一章27二、开环控制和闭环控制的概念自动控制系统概述第一章28开环控制举例由步进电机驱动的数控加工机床此系统的输入量为加工程序指令，输出量为机床工作台的位移，系统的控制对象为工作台，执行机构为步进电动机和传动机构。由图可见，系统无反馈环节，输出量并不返回来影响控制部分，因此是开环控制。自动控制系统概述第一章29数控加工机床开环控制框图数控加工机床示意图自动控制系统概述第一章30由于开环系统无反馈环节,一般结构简单,系统稳定性好，成本也低，这是开环系统的优点。因此，在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差可以预计确定并能进行补偿,则应尽量采用开环控制系统。开环控制的缺点是当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度时，开环控制系统便无法满足技术要求，这时就应考虑采用闭环控制系统。开环系统的特点自动控制系统概述第一章31闭环控制举例电炉箱恒温自动控制系统自动控制系统概述第一章32电炉箱自动控制框图电炉箱恒温自动控制系统框图可以把系统的组成简单明了地表达出来自动控制系统概述第一章33炉温自动调节过程电炉箱自动控制框图自动控制系统概述第一章34反馈控制可以自动进行补偿，这是闭环控制的一个突出的优点。闭环控制要增加检测、反馈比较，调节器等部件,会使系统复杂、成本提高。而且闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差，甚至造成不稳定。这是采用闭环控制时必须重视并要加以解决的问题。闭环系统的特点自动控制系统概述第一章35上例中我们还可以看到：为了表明自动控制系统的组成以及信号的传递情况，通常把系统各个环节的作用，用方框+环节特征说明的方式来表示，并用箭头标明各环节之间信号（能量或作用量）之间的传递情况。系统的这种表示方法称为原理框图表，而这样作的好处就在于：•避免去画复杂的系统图形。•可以把系统主要环节之间的相互作用关系简单而明了地表达出来。•经过简单抽象，我们就可以把一个实际系统变换成为一个满足某种控制规律便于理论分析的原理系统。自动控制系统概述第一章363、为什么大多数控制系统均有反馈•提高系统的相对稳定性•增加系统带宽和总增益•提高系统的输入阻抗、降低系统的输出阻抗•提高系统的敏感度自动控制系统概述第一章37•设放大器在未加反馈时，它的电压增益由原来的A=400下降到了A‘=300，现在加入负反馈，并使F=0.0475，则当A=400时闭环电压增益为：而当开环电压增益降到A’=300时，其闭环增益为：200475.040014001AFAAf67.190475.030013001'''FAAAf闭环增益只下降了1.65%，如需保证400倍的电压增益，可采用两级放大。这样电路总的电压增益为202=４00及19.672=386.9，两者相差不到3.3%。由此可见负反馈的引入使放大器的增益得到了稳定。自动控制系统概述第一章38iVRiiififRRV0没有反馈网络时：串入反馈网络时：iVVRfifi即：串联的反馈网络提高了系统的输入电阻iViRifV反馈网络ifR提高系统的输入阻抗自动控制系统概述第一章391.3自动控制系统的组成自动控制系统概述第一章401.一般自动控制系统包括：①给定元件(CommandElement)②检测元件(DetectingElement)——此处为③比较环节(ComparingElement)④放大元件(AmplifyingElement)⑤执行元件(ExecutiveElement)——此处为⑥控制对象(ControlledPlant)——在此恒温⑦反馈环节(FeedbackElement)——由它将输自动控制系统概述第一章41各个元件的排列，通常将给定元件放在最左端，控制对象排在最右端。即输入量在最左端，输出量在最右端。从左至右(即从输入至输出)的通道称为顺馈通道（FeedforwardPath)或前向通路(ForwardPath)。将输出信号引回输入端的通道称为反馈通道或反馈回路(FeedbackPath)。自动控制系统概述第一章422.①输入量——又称控制量或参考输入量，所以输入量的角标常用(或)②输出量——又称被控制量，所以输出量角标常(或)③反馈量——反馈量的角标常以④扰动——又称干扰或“噪声”，所以扰动量的角标常以(或)⑤中间变量——它是系统各环节之间的作用量。它是前一环节的输出量，也是后一环节的输入量。irocfdn自动控制系统概述第一章43框图可以直观地将系统的组成、各环节间的相互关系以及各种作用量的传递情况简单明了地概括出来。要了解一个实际的自动控制系统的组成，要画出①控制对象?被控量?影响被控量的主扰动量是什么?②执行元件?③测量被控量的元件有哪些?有哪些反馈环节?④输入量是由哪个元件给定的?反馈量与给定量是如何进行比较的?⑤此外还有哪些元件(或单元)，它们在系统中处于什么地位?起什么作用?自动控制系统概述第一章44例1-1水位控制系统通过对工作原理进行分析，可以得到该系统的系统框图。自动控制系统概述第一章45自动调节过程：直至时，电动机停转为止。0,,,021UUUHHQQAB自动控制系统概述第一章461.4自动控制系统的分类•恒值控制系统（FixedSet-PointControlSystem）•恒值系统的特点是：控制系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。•恒值控制系统是最常见的一类控制系统。按输入量变化的规律分类自动控制系统概述第一章47随动系统（Follow-UpControlSystem）随动系统的特点是：输入量是变化着的(有时是随机的)，并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。在数控机床控制系统中,目前国内用得较多得两种系统:德国西门子数控系统(SINUMER1K810D)和日本FANUC数控系统。自动控制系统概述第一章48①德国西门子数控系统(SINUMER1K810D)：自动控制系统概述第一章49②日本FANUC数控系统——变频伺服系统(刀架精确定位)自动控制系统概述第一章50•过程控制系统（ProcessControlSystem）•生产过程通常是指把原料放在一定的外界条件下，经过物理或化学变化而制成产品的过程。在这些过程中，往往要求自动提供一定的外界条件，例如温度、压力、流量、液位、粘度、浓度等参量在一定的时间内保持恒值或按一定的程序变化。•在化工、轻工、食品等生产过程中对温度、流量、压力、湿度等的控制——过程控制系统。自动控制系统概述第一章51食品加工的在线调整和流量控制（如生产调和油）自动控制系统概述第一章52化工厂中的温度、压力、流量的控制自动控制系统概述第一章53发电厂的生产控制：木屑发电原理自动控制系统概述第一章54按系统传输信号对时间的关系的规律分类•连续控制系统（ContinuousControlSystem）•连续控制系统的特点是各元件的输