第1章自动控制系统概述

1第1章自动控制系统概述随着工业生产和科学技术的不断发展，自动控制技术越来越显示出它的重要性，为人们所瞩目。掌握有关自动控制的知识就显得尤为重要。本章主要介绍自动控制的含义、基本工作原理、系统的组成以及对系统的基本要求。1.1自动控制的含义1.2自动控制系统的基本原理1.3自动控制系统的基本组成1.4自动控制系统的基本类型1.5自动控制系统的性能指标21.1自动控制的含义•所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制装置(或称控制器)使被控制对象或过程自动地按照预定的规律运行。•例如程序控制机床能够按预先排定的工艺程序自动地进刀切削，加工出预期几何形状的零件。焊接机器人能自动地跟踪预期轨线移动，焊出高质量的产品。火炮根据雷达指挥仪传来的信息，能够自动地改变方位角和俯仰角，随时跟踪目标。又诸如对压力、温度、湿度、流量、转速以及原料、燃料成分比例方面的控制等等。所有这些自动控制系统的例子，都是一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量，即控制量的变化而变化，或保持恒值。一般地说，如何使被控制量按照给定的控制量的变化规律而变化，这就是一个控制系统所要解决的最基本的问题。•自动控制技术在各个领域中的广泛应用，不仅提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，而且在人类征服自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民物质生活等方面都起着越来越重要的作用。可以说，自动控制已成为推动经济发展，促进社会进步所必不可少的一门技术。31.2自动控制系统的基本原理1.2.1自动控制系统的基本原理1.2.2开环控制系统和闭环控制系统41.2.1自动控制系统的基本原理•首先我们定义，用以完成一定任务的一些部件(或称元件)的组合为系统。系统是一个有机集合的整体，具有其目的性。不同的系统所要完成的任务也不同。有的要求某物理量(如温度、压力、转速等)保持恒定；有的则要求按一定规律变化。我们将这些需要控制的物理量定义为系统的被控量或输出量。用来使系统具有预期性能或预期输出的激励信号定义为系统的控制量或输入量。而将使被控量偏离预期值的各种因素称为扰动量。设法消除扰动因素影响从而保持被控制量按预期要求变化的过程称为控制过程。•下面让我们研究一下图1.1所示电炉箱恒温自动控制系统是如何实现恒温控制的。51.2.1自动控制系统的基本原理+-调压器减速器R图1.1电炉箱恒温自动控制系统～220V△热电偶（C）工件fT-ST+加热电阻丝电炉SMa给定电位器放大器功率放大器电压直流伺服电动机图1.1电炉箱恒温自动控制系统测量值给定值61.2.1自动控制系统的基本原理71.2.1自动控制系统的基本原理图1.2电炉箱恒温控制系统方块图•图中方块代表各个组成部分，方块两边直线及其标注代表该组成部分在控制过程中相互作用的物理量，箭头代表作用信号传递的方向。采用方块图可清晰地表明系统各组成部分及其相互作用的情况。还可知，被控制量(炉温)就是系统的输出量，给定电压信号就是系统的输入量。信号是沿着箭头所指方向传递，从方块图中不难发现有两条信号传递的路径。一条是从输入端向输出端方向传递，这种传递称为顺馈；另一条是从输出端向输入端方向传递，称为反馈。也就是说，反馈就是从系统输出端取出信号，经过某种装置(通常称为反馈环节)变换后返回到输入端，与输入信号进行比较。这种返回到输入端的信号称为反馈信号。输入信号与反馈信号比较的结果则为偏差。•通过上面的分析可知，为了对炉温进行自动控制，控制系统必须具有以下两项基本的职能：一是必须对被控制量进行检测并将它反馈到系统的输入端与控制量相减(即负反馈)，得到偏差信号；二是必须对偏差信号进行适当的变换和放大，从而产生对被控制量的再控制作用，这种再控制作用应使偏差减小或消除，以使被控制量重新保持在预期值上。•这种基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的控制原理称为反馈控制原理。8图1.3开环速度控制系统放大器电液伺服阀马达液压负载放大器控制信号控制信号电液伺服阀液压马达负载srr(a)系统原理图(b)系统方块图1.2.2开环控制系统和闭环控制系统•控制系统按照是否设有反馈环节，可以分为两类：一类是开环控制系统，另一类是闭环控制系统。•1.开环控制系统•如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响时，这样的系统称为开环控制系统。图1.3为一开环速度控制系统。它根据控制信号的大小和方向来控制负载转速的大小和方向。原理：控制信号通过放大器放大，输出一电流给伺服阀，伺服阀则供给一定流量的压力油给液压马达，带动负载以一定的转速运动。这个系统对被控量(转速)不进行任何检测，因为没有反馈也就谈不上跟控制量进行比较，以产生偏差来对系统进行再控制了。它仅是根据控制信号对转速加以控制的。因此，开环控制系统的精度主要取决于系统的校正精度，取决于在工作过程中保持校正值以及组成系统的元件特性和参数值的稳定程度。图1.3开环速度控制系统放大器电液伺服阀马达液压负载放大器控制信号控制信号电液伺服阀液压马达负载srr(a)系统原理图(b)系统方块图图1.3开环速度控制系统91.2.2开环控制系统和闭环控制系统•一旦系统受到扰动作用，如当负载力矩增加时，由于阀的流量随负载压力的增加而减小，以及液压系统内漏损增加等原因，就会造成液压马达转速的降低。因为没有反馈比较，系统不具备纠偏的能力，因此，使开环系统的精度降低。对扰动造成的误差无法自动补偿。但是开环系统一般结构简单，系统稳定性好。一般说来，当系统控制量的变化规律能预先确知，并且对系统中可能出现的扰动可以做到有效抑制时，采用开环控制系统有其优越性。当无法预计的扰动因素使被控制量产生的偏离超过允许限度时，开环控制系统便无法胜任了，这时就应考虑采用闭环控制系统。开环控制的特点•优点：结构简单，系统稳定性好，成本低•缺点：当控制过程受到各种扰动因素影响时会影响输出量，系统不能自动补偿101.2.2开环控制系统和闭环控制系统液压马达控制信号电液伺服阀放大器rs负载反馈信号b测速发电机控制信号r放大器伺服阀电液液压马达负载测速发电机图1.4闭环速度控制系统(a)系统原理图(b)系统方块图lb•2．闭环控制系统•凡是系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，即输出量对控制作用能有影响的系统，叫做闭环控制系统。如果对图1.3所示开环控制系统引入反馈回路，即用测速发电机检测被控制量(转速)，然后反馈到输入端则构成闭环控制系统，如图1.4所示。液压马达控制信号电液伺服阀放大器rs负载反馈信号b测速发电机控制信号r放大器伺服阀电液液压马达负载测速发电机图1.4闭环速度控制系统(a)系统原理图(b)系统方块图lb图1.4闭环速度控制系统11闭环控制的特点1.2.2开环控制系统和闭环控制系统•反馈控制可以自动进行补偿，所以能削弱或抑制干扰；•低精度元件可组成高精度系统；•因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。•增加检测、反馈比较环节和调节器等部件，系统复杂、成本提高12开环控制系统•定义如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。13控制器对象或过程测量元件输入量输出量3闭环控制凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。输入信号和反馈信号之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。141.3自动控制系统的基本组成-+图1.5自动控制系统的职能方块图-+校正串联元件给定换元件放大变元件执行对象控制扰动（输出信号）被控制量局部反馈校正反馈环节反馈主反馈反馈信号（输入信号）控制量元件比较偏差信号•(1)控制对象。即系统所要操纵的对象。控制对象的输出就是系统的被控量。•(2)给定元件。系统工作时需激励信号，用来产生并可调节系统控制量的元件为给定元件。•(3)检测元件。为了检测被控制量，系统需要有检测元件。•(4)比较元件。为了对反馈信号和控制量进行比较，以便产生偏差信号，系统必须有比较元件。•(5)放大元件。由于偏差信号一般都比较微弱，需要进行变换放大，使它具有足够的幅值和功率，因此系统还必须具有放大元件。•(6)执行元件。系统需要根据偏差信号产生的再控制作用，去驱动控制对象使被控量按控制要求的变化规律动作，这就要求系统还应具有执行元件。•(7)反馈环节。将输出量引出，再回送到控制部分。反馈信号与输入信号极性相同为正反馈，反之为负反馈。151.4.1按照输入量的变化规律来分•1．恒值控制系统•恒值控制系统的特点是：系统的输入量为恒量，而要求系统的输出量也相应保持恒定。•恒值控制系统是最常见的一类自动控制系统，如自动调速系统、恒温控制系统、恒张力控制系统、恒压力控制系统等。•2．随动系统•随动系统的特点是：系统的输入量是变化着的(常常还是随机的)，要求输出量能够准确、迅速地随输入量的变化而变化。•随动系统在工业和国防上有着极为广泛的应用。如火炮控制系统、雷达自动跟踪系统、刀架跟踪系统、各种电信号笔记录仪等。•3．过程控制系统•输入量按预定程序变化的系统。例如，数控机床工作台移动系统就是程序控制系统。程序控制系统可以是开环的，也可以是闲环的。1.4自动控制系统的基本类型161.4.2按照系统传递信号对时间的关系来分•1．连续控制系统•当系统各元件的输入信号是时间的连续函数，各元件相应的输出信号也是时间的连续函数时，这种系统称为连续控制系统。连续系统的性能一般是用微分方程来描述的。信号的时间函数允许有间断点，或者在某一时间范围内为连续函数。•2．离散控制系统•离散控制系统又称采样数据系统。它的特点是系统中有的信号是断续量，即信号在特定的采样时刻才取值，而在相邻采样时刻的间隔中信号是不确定的。通常，采用数字计算机控制的系统都是离散控制系统。171.4.3按照系统输出量和输入量的关系来分•1．线性控制系统•线性控制系统是由线性元件(即元件的静特性呈线性关系)构成的系统。系统的性能可以用线性微分方程来描述。线性系统的一个重要性质就是可以应用叠加原理，即几个扰动或控制量同时作用于系统时，其总的输出等于每个单独作用时的输出之和。•2．非线性控制系统•非线性控制系统就是由具有非线性性质(例如饱和、死区、摩擦、间隙等)元件所构成的系统。事实上，只要系统中有一个非线性性质的元件，系统就是非线性系统。系统的性能往往要采用非线性方程来描述。叠加原理对非线性系统无效。•当然，除了以上的分类方法外，还有其他一些方法，例如按系统主要组成元件的物理性质来分，又可分为电气控制系统、机械控制系统、液压控制系统、电气—液压控制系统等。又如按输入、输出信号的数量来分，又可分为单输入—单输出系统、多输入—多输出系统。这里只讨论连续控制的线性系统。181.5自动控制系统的性能指标一、系统的稳定性•系统稳定是系统正常工作的基本条件19)(tc)(c⑴⑵⑶⑷2△tO图1.8控制系统的过渡过程曲线1.5自动控制系统的性能指标•如果系统的过渡过程随时间的推移而发散，如图1.8中的曲线②或曲线④，此时系统便不可能达到平衡状态，我们把这类系统称为不稳定系统。显然不稳定的系统在实际中是不能应用的，因为它不满足对控制系统提出的最基本的要求。20二、系统的稳态性能指标•系统要求（或希望）的输出量与实际输出量之差称为误差；•误差的稳态分量称为稳态误差ess；若ess=0，则系统称为无静差系统•稳态误差表示到达平衡状态（过渡过程结束）的精度。211.5自动控制系统的性能指标三、系统的动态性能指标——表征过渡过程性能的指标（最大超调量σ、调整时间ts、振荡次数N）最大超调量σ反映系统的动态精度，σ越小，系统过渡越平稳调整时间ts反映系统的快速性振荡次数N反映系统的稳定性22总的来说，希望实际的调节过程尽可能接近于理想的调节过程。工程上把它归结为稳、准、快三个方面•1.稳定性：就是指系统重新恢复平稳状态的能力，即过渡过程的收敛情况。•1、2、5最终趋于平衡状态，这类系统是稳定的。3振荡发散，4单调发散。这类系统的过渡过程随