自动控制系统的基本知识

自动控制系统的基本知识维修电工技师培训基本概念•自动控制：使被控对象（机器、设备或生产过程）自动地按预定的规律运行或变化；•自动控制系统：由被控对象和控制装置组成，控制装置能对被控对象进行自动控制的系统；•自动控制系统的性能指标；•自动控制系统的控制规律；•自动控制理论：研究自动控制共同规律的技术科学，分为经典控制理论和现代控制理论。•经典控制理论：以传递函数为基础，主要研究单输入、单输出的反馈（调节）控制系统，主要采用时域分析法、根轨迹和频率法。•现代控制理论：以状态空间法为基础，主要研究多变量、变参数、非线性、高精度和高效能等各种复杂控制系统（航天、航空、航海、大系统工程、人工智能控制、…）•术语：被控对象；系统；环节；扰动；反馈控制；•类型：开环控制系统、闭环控制系统、复合控制系统；恒值控制系统、随动系统、程序控制系统；线性控制系统、非线形控制系统。开环控制系统•开环控制系统，其控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系，系统既不需要对输出量进行测量，更不将它反馈到输入端，系统的输入量就是系统的给定值；•开环控制系统中，每一个给定的输入量，就有一个相应的固定输出量（期望值）。但是，当系统出现扰动时，这种输入与输出之间的一一对应关系将被破坏，系统的输出量不再是其期望值，就有一定的误差；•开环系统自身不能减小此误差，既不能实现自动调节。•特点：无反馈；系统稳定；控制有误差。M○○+-放大器○○+-UUgUd负载RP闭环控制系统•闭环控制系统：是反馈控制系统，它将被控对象输出量送回到输入端，与给定输入量比较，而形成偏差信号，将偏差信号作用到控制器上，使系统的输出量趋向其期望值。•特点：有反馈环节；负反馈降低了系统误差，提高了控制精度，加速了系统的过渡过程，控制质量与反馈元件的精度有关；系统闭环工作，有可能产生不稳定现象，存在稳定性问题。•闭环控制系统又称为自动调节系统，其控制器也称为调节器。M○○+-放大器○○+-U△UiUd负载。。RPUgUfnTGRf自动控制系统的基本组成•指令：系统外的输入量，和系统无关；•参考输入环节：产生与指令成正比的参考输入信号；•参考输入：正比于指令的信号，简称输入量；•放大环节：使微弱的偏差信号获得足够大的幅值和功率；•执行环节：对被控对象执行控制，使其趋于期望值；•反馈环节：将被控量变换、送回输入端；间接被控对象被控对象执行环节放大环节参考输入环节×反馈环节干扰比较环节被控量指令参考输入偏差信号间接被控量•比较环节：输入和反馈信号相加；•被控量：被调节量；•间接被控对象：处在反馈回路之外的设备，其工作受被控量影响；•间接被控量：没有被反馈环节检测到的环路外的被控量。•前向通路；•主反馈回路；•单回路（单环）系统；•多回路（多环）系统；自动控制系统性能及其指标•对自动控制系统的性能要求：1、稳定性：系统在受到给定或干扰信号作用后，被控量随时间变化的全过程成为动态过程或过渡过程，用C（t）来表示。稳定系统的动态过程是收敛地；不稳定系统动态过程的暂态成分随时间而单调发散或振荡发散，无法完成控制任务。2、快速性：既要求自动控制系统过渡时间尽可能短一些。3、准确性：既系统过渡到新的平衡状态后，其被控量与其期望值的偏差小，精度高。•根据具体控制要求，综合考虑：对系统而言，稳定性、快速性、准确性是相互矛盾，相互制约的。自动调速系统的性能指标•静态指标：⑴、调速范围D：D=nmax/nmin。⑵、静差率s：S=△nN/no不仅与机械特性的硬度△nN有关,还与理想空载转速no有关，一般低速静差率大。⑶、调速平滑性φ：φ=ni/ni+1。⑷、稳态误差（静差）：表示系统控制精度或抗干扰能力，由其将系统分为静差系统和无静差系统。•动态指标：是系统在阶跃信号作用下的响应特性⑴、最大超调量σ：σ小说明系统过渡过程平稳但缓慢。⑵、上升时间tτ：⑶、调节时间ts：反映了系统的快速性。⑷、振荡次数N：N越小，系统稳定性越好。自动调速系统的性能指标图解动态过程不同转速的静差率系统的动态指标tC（t）o1234no1no2△nN△nNnTNttτnpn1tNnt自动控制的方式与调节器自动控制的方式：•双位控制•比例控制•积分控制•微分控制•比例积分控制•比例微分控制•比例积分微分控制调节器构成集成运算放大器优点•开环放大倍数高，加入电压深度负反馈后，可以获得高稳定度的电压放大倍数；•运算放大器输入端的各种信号是并联输入进行电流叠加的，调整方便，易于组成各种类型的调节器；•运放输入阻抗高，外部输入电阻影响小；•运放输入端各输入信号共地，干扰小；•运放输出端可采用钳位限幅或接地保护，系统工作安全可靠。比例控制与比例调节器•比例（P）调节器：UO=KPΔuiKp=R1/R0∞○○○○△UiUo-+++++t△Ui-Uo=Kp△UioR1R0多个输入信号的比例调节器•通常可以在比例调节器的输入端采用并联输入的方法，实现信号的比较叠加。•若令KP=R1/R01，则：UO=-KP（Ug–R01/R02Uf）=-KP△Ui当反馈电阻R1一定时，比例系数Kp由给定信号入回路的电阻R01确定，反馈信号及其它信号则按其各自输入回路的电阻倍比值（R01/R02）与给定信号叠加，共同形成输入信号△Ui•特点：比例控制作用没有延迟，及时、快速、控制作用强，Kp越大，系统的静特性越好、静差越小。但是，Kp过大会造成系统不稳定。所以，比例控制存在静差。•比例控制依据输入偏差（既给定量与反馈量之差）来进行控制，系统被控量虽然能达到新的稳定，但是永远回不到原值。∞●●○○○+++-RiR01R02RUo-Uf+Ug•所谓积分控制，是指系统的输出量与输入量对时间的积分成正比例的控制，简称I控制•积分（I）调节器：调节规律数学表达式积分控制与积分调节器dtUTdtUKUiiIO/1△dtUTi/1∞○○○○△UiUo-+++++t△Ui-UooR0C1-UomTτR积分控制与积分调节器•I调节器的积分时间为Tτ=R0C1•只要输入量存在，系统的输出量就不断地随时间积累，调节器的积分控制就起作用，使系统输出量逐暂趋与期望值，而输入偏差逐站减小，直到输入量为零（既给定信号与反馈信号相等）时，系统进入稳态为止。稳态时，I调节器保持积分终值电压不变，系统输出量就等于其期望值。因此，积分控制可以消除输出量的稳态误差，实现无静差控制。•由于积分作用是随时间而积累，故积分控制的调节过程是缓慢的•由于积分作用在时间上总是落后于输入偏差信号的变化，故积分调节作用又是不及时的，因此，积分调节作用通常作为一种辅助的调节作用，而系统也不单独使用I调节器比例积分控制与比例积分调节器•比例控制速度快，但有静差；积分控制虽能消除误差，但调节时间较长。•比例积分控制简称为PI控制，它具有稳态精度高的优点，又具有动态响应快的优点，可以满足大多数自动控制系统对控制性能的要求。•PI调节器是以比例控制为主，积分控制为辅，控制规律数学表达式为：)1(1dtUTUKdtUKUKUUUiiPiIiPOIOPO•特点：①PI调节器的比例作用使得系统动态响应快，而其积分作用（时间积累、保持特性）又使得系统无静差。②PI调节器的可供调整的参数KP、T1，减小KP或增大T1，都会减小超调量，有利于系统的稳定，但同时也将降低系统的动态响应速度。比例积分控制与比例积分调节器•当输入阶跃信号△Ui时，由于电容C1两端电压不能突变，此瞬间相当于短路，PI调节器处于比例P调节状态：KP=R1/R0，UOP=-KP△Ui。•紧接着，电容C1被充电，输出电压UO随之线形升高，PI调节器进入积分控制状态，直到△Ui=0时进入稳态为止。•稳态时，电容C1两端电压保持积分终值电压不变。PI调节器在I调节状态下，利用稳态时运放‘开环’极大的电压放大能力，使系统实现稳态无静差。∞○○○○△UiUo-+++++t△Ui-UooR0C1R`R1UOP-KP△UiT2-2KP△Ui比例积分微分控制与比例积分微分调节器•所谓微分控制，是指系统的输出量与输入量的变化速度成正比例的控制，简称D控制。•采用微分控制，系统就可以根据输入偏差的变化速度来提前进行控制，而不是在输入偏差积累较大以后才进行控制，因此，它的作用比比例控制还要快。•当输出量已稳定而输入偏差没有变化时，既使存在较大的偏差，微分控制也不能起作用。•由于微分控制对输入信号的变化速度极其敏感，故其抗干扰性能较差。•通常把比例、积分、微分三种控制规律结合起来，形成比例积分微分控制，简称PID控制，其表达式为：))(1(1dtUdTdtUTUKUDiiPO•在PID调节器输入端出现突变扰动信号的瞬间，调节器的比例控制和微分控制同时发挥作用，在比例基础上的微分作用，产生了很强的调节作用，调节器的输出产生大幅度的突变。此后，PID调节器的微分作用很快减弱，而比例控制仍就发挥作用，与此同时，积分作用随时间的累积而逐暂增强，直到消除系统静差为止。比例积分微分控制与比例积分微分调节器∞○○○○△UiUo-+++++t△Ui-UooR0C1R`R1UOPCO-UOD-UOi•PID调节器的积分时间TI=R1C1，调节器的微分时间TD=ROCO。TI小，积分作用强（快）；TD越大，微分控制作用越强。PID调节器在用于大惯性被控对象时，可以明显改善控制质量。•特点：①PID控制不但可以实现控制系统无静差，而且具有比PI更快的动态响应速度；②PID调节器是一种较完善的调节器，其参数主要有比例系数KP、积分时间TI、微分时间TD，必须根据被控对象的特性正确配合，才能充分发挥各自优点，满足对控制系统的要求。比例积分微分控制与比例积分微分调节器实用调节器电路•集成运放用于实际调节器时，为保证运放的线性特性并保护自动控制系统的各个部件，运放的输出电压应进行限幅。•本图采用二极管钳位的外限幅电路，R2为限流电阻，RP1、RP2为限幅调整电位器。当UO＞+V+△UD时，VD1导通限幅；当UO＜-（V+△UD）时，VD2导通限幅。∞○○△Ui-+++R0C1R`R1CO○○○U0●+V-VRP1RP2R2VD1VD2UO`●实用调节器电路•由于外限幅电路只能对运放的外输出电压UO限幅，而对运放输出UO`不能限幅，因此运放仍存在饱和问题。•本图为稳压二极管钳位的内限幅电路，运放输出电压UO被限幅在+UW—-UW之间。∞○○○○△UiUo-+++++R0C1R`R1COVZ1VZ2实用调节器电路●●●○○○○∞BG305-++43121176105912+15V-15VUO2200PF1KRO40KR1R23.9K1k1k30k30k100k100kV1V2VD5VD3VD4VD1RP1RP2RP3R4R3R5R6P调节器KP=R1/RO输入限幅静态调零输出外限幅OTL功放电子调节器的基本调试步骤•检查电源电压：•调零与消振：输入端接地；转换开关置于调试位置（P除外）（可在运放输入、输出端并联电阻，KP≈I）；也可以调整运放输入平衡电阻。若需要先消振后调零。•调整对称性及输出限幅：在调节器输入端由小到大分别正、反加可调直流电压测输出端电压UO。•观察调节器的输出波形（对调节器的参数作适当调整，以满足系统的动、静态性能指标要求）。•调节器的校正作用：PD调节器：超前校正，提高稳定裕度、快速性，稳态精度差；PI调节器：滞后校正，稳态精度高，快速性差；PID调节器：滞后—超前校正，可以全面提高性能，但线路及其调试比较复杂。