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2自动控制系统原理自动控制是利用控制系统使被控对象或是生产过程自动按照预定的目标运转所进行的控制活动。理想的自动控制过程是,在线自动检测对象参数,与设定参数比较,得到偏差后,立即进行比例、积分和微分调节运算,然后调整过程对象,使其快速平稳达到期望状态。但实际检测存在滞后,执行机构和控制对象也存在惯性,控制对象的状态只能缓慢改变,由此造成调节过头而出现振荡。对自动控制系统性质分析就能减少振荡,快速稳定。2.1自动控制系统基本组成和控制原理2.1.1控制系统基本原理2.1.1.1开环控制系统昀简单的生产控制环节是由生产过程和人组成的,现以轧机压下位置的控制为例进行说明。在人工控制轧制时,首先依据预期的出口厚度,由人估计辊缝数值(考虑弹跳),去调节压下螺丝,将轧辊辊缝移动到预期位置,进行轧制,轧出来的轧件接近预期的出口厚度。这里给定的压下位置代表控制量,轧后轧件的厚度代表输出量或称为被控量。一定的压下位置就对应着一定的轧出厚度。但在辊缝不变的条件下,如果来料厚度不均、材质不均或表面摩擦状态发生变化,会使轧制力波动,造成轧机(轧辊挠曲、立柱等受力部件)弹性变形不同,引起辊缝发生变化,因而轧出的轧件厚度也就发生变化。在这一轧制过程中,输出量对轧制量没有任何控制影响。这种输出量不会返回影响过程的直接控制系统称为开环控制系统。图2-1a所示为直接控制系统框图,输入量即为控制量,发出控制作用给被控制部分,而被控制部分并不将控制结果返回到控制端。图2-1开环控制系统方框图图2-1b所示为前馈控制,控制部分依据对输入量的检测,计算出控制量,发送到被控制部分,对输入量进行控制。如轧制的前馈厚度控制,其方法是检测来料厚度,按固定算法计算辊缝,输出给压下装置进行辊缝设定,也是不涉及轧出厚度到底是多少,即没有将输出量反馈回来与给定量进行比较。这类开环控制系统的精度便取决于该系统初始模型精度以及系统各部件的执行精度。开环控制系统是指令流单向传递的过程,因而是稳定系统。前馈控制可以及时跟踪输入量的变化,进行适当修正,满足输出要求。但当调节器本身有飘移、执行机构有偏差或对象被外界干扰时,开环控制系统就不能很好完成既定的任务。连轧要求控制精确,所以很少单独采用开环控制系统。2.1.1.2闭环控制系统如果在轧机出口安装有测厚计,当外界干扰引起厚度发生变化时,人根据出口测厚仪检测到的实际厚度,与头脑里的目标值比较,当认为已偏离了所要求的目标厚度,就通过手去调节压下装置,使得轧出的厚度回到所要达到的目标厚度,几次调节把它控制在允许的厚度偏差范围之内,这就是一种闭环操作。在这一过程里,人在轧制过程中起到了比较、判断和操作的作用。由此可知,上述有检测的人工操作过程实质上是通过测厚仪发现差异,由人来纠正差异的过程。这里人的眼睛、大脑、手、轧机和测厚仪等便组成了一个人——机闭环控制系统。将输出量反馈回来影响输入量的控制系统称为闭环控制系统,或称为反馈控制系统。如果将自动检测信号与设定值进行比较,得到与目标信号的偏差,再利用运算控制器自动完成偏差信号调节和控制信号输出,昀后由电动执行器完成调节任务,使偏差得到消除,就成为自动控制系统。图2-2是一种简单的轧件厚度闭环自动控制系统。它是借助于测厚仪测出实际的轧出厚度,并转换成相应的电压信号,然后将它与所要求的目标厚度相当的电压信号进行比较,得到与厚度偏差相当的偏差信号。偏差信号经放大器放大,控制可控硅导通角度,调节电动机通电时间,使压下螺丝向上或向下移动,从而使辊缝相应的改变,得到所要求的轧件厚度值。只要测厚仪精度足够,调节器、执行器或任何外扰因素影响出口厚度时,都会调节辊缝,自动地使实际轧出厚度保持在允许的厚度偏差范围内。即无论来料干扰还是调节执行机构本身的缘故,一旦厚度有偏差,出口监测装置就会报告出来。故反馈系统是所有自动控制系统的核心。图2-2模拟式厚控系统H—来料厚度;h—轧件出口厚度由于图2-2是采用模拟量信号实现控制,所以称它为模拟自动控制系统。被控对象的输出量能作用到控制部分的输入端,输入量与反馈量之差即为偏差量。偏差量加到控制器上,其作用是使系统的输出量接近于给定值或等于给定值。在这一系统中,扰动来自于来料厚度或温度的波动,一旦出现扰动,出口厚度在一段时间内受到影响。然而,检测仪放在轧机后面一定距离(图2-2),检测信号已经滞后一段时间,只能对后续部分进行控制,所以反馈控制是有滞后作用的。对短时突变,简单反馈控制还可能造成多余调节。尽管如此,由于测厚仪可以经常校对,检测精度是有保障的,故只安装有一架测厚仪时,一般都在成品架之后,保证轧件后续部分不致偏差过大。把模拟信号数字化,由数字调节器进行PID运算,再由执行机构实现控制,称为数字式控制。图2-3是采用数字控制器进行压下位置调整的自动控制系统。计算机周期性采集压下位置与设定值进行比较,按照预定的控制算法进行计算,然后通过压下电机的转动,自动地去调整压下位置,使轧件出口厚度保持在设定值上。图2-3直接数字控制系统M—压下电机;TG—测速电机;SCR—可控硅整流;TX—光电编码器由图2-2和图2-3反馈原理可知,实现轧件厚度或压下位置的控制,基本上要完成三个步骤:一是对被控量(即实际轧出厚度或压下位置)的正确测量与及时报告;二是将实际测量的被控量与希望保持的给定值进行比较、PID计算和控制方向的判断;三是根据比较计算的结果,发出执行控制的命令,使被控量恢复到所希望保持的数值上。根据上述原理,可以概括出闭环自动控制系统的典型结构原理框图,如图2-4所示。图2-4单闭环自动控制系统典型结构原理在干扰量不很大的情况下,执行机构与被控对象可以按照设定值随意调节(包括非线性),但达到一定程度后,他们就可能出现耦合振荡或永久性破坏,控制系统输出就不再会及时跟踪给定值变化。调节器PID参数则影响调节过程的快慢和稳定性。图2-5复合控制系统的方框图1.输入检测及控制算法;2.比较及控制算法2.1.1.3复合控制系统自动控制系统还可以将开环和闭环系统合在一块进行控制,称为复合控制系统。在此种控制系统中,控制部分与被控制部分之间同时存在开环控制和闭环控制。采用复合控制系统的目的是使系统既具有开环控制系统的稳定性和前瞻性,又具有闭环控制系统的精度。图8-5是复合控制系统的方框图,在开环控制环节中,输出量依输入量作随动运动,与此同时,输出量还与给定量在闭环控制环节中进行比较,跟踪给定量进行调整,闭环控制环节的作用是提高输出量的随动精度。实现轧制复合控制,需要测量来料厚度和温度,这些是前馈控制的依据,再由出口厚度预设辊缝,完成开环控制。反馈调整是现场检测量与给定量比较,进行输出控制,确保产品有稳定精度。这样在来料波动的情况下,包括头部在内也能轧出高精度轧材。2.1.1.4闭环控制系统的基本组成和要求组成闭环自动控制系统的几个环节各处不同状态:(1)被控对象指的是生产设备或生产过程,如电动机转动、轧钢机轧制、各种容器或管线温度、流量控制。不同控制对象具有不同特性,基本不能人为改变。但可以改变不同的调节控制,从而改进响应。(2)被控量它是被控对象中要求维持等于或接近于给定值的物理量,通称为被控量(或被控制量)。例如当以轧机为被控对象时,要求控制其轧件厚度、或压下位置、或轧制速度、或张力等,那么轧件厚度、压下位置、轧制速度、张力等就是该控制系统的被控量,或称为输出量。(3)干扰量(或叫扰动量)被控对象被外部作用影响,检测装置、调节控制器、执行机构本身飘移或阻尼变化都被称为干扰,会引起被控量偏离给定值。例如当轧机稳定运行时,来料厚度突然不均、抗力突然变化或轧辊表面摩擦条件发生改变等皆为对象扰动,它使轧制力波动,导致轧机弹跳波动,轧件出口厚度波动。(4)自动检测装置(或叫自动检测环节)它是用来测量被控对象中被控量大小,并进一步将它转换为与给定量同一量纲的一种装置。例如热连轧板带材活套高度控制时,用电位计将机械转角转换为电压信号表示活套高度的大小。(5)给定量(或叫给定值)给定量是希望被控量所能达到或接近的值,例如给定轧机的速度,就是希望被控量能达到这个速度值。给定量与被控量(或叫反馈量)通常总是电压或电流量。它是系统的输入量,是由控制系统以外的装置(或叫给定环节)来给定,也可以由计算机来提供,它可以是数字量,也可以是模拟量。图2-6相加点表示法(6)比较环节它是将给定量与检测量进行比较的一种装置。在框图上它实际上是信号的相加点,用一个圆圈内划╳表示,两个以上的信号(同一量纲)可以在一个相加点上相加或相减,如图8-6所示。(7)调节器调节器是对偏差信号进行比例P、积分I、微分D以及它们的组合PI、PD或PID的运算处理,实际当中常把给定电位器、比较器、调节器组合在一块,统称为输入调节器。调节器可以是模拟电路构成,也可以是计算机计算后的数字输出,都有一些模拟电路。影响工作稳定持久的主要因素是器件飘移。另一个影响调节器使用的是PID调节参数的选择。如调节器的微分设计可以抵消部分大惯性系统的影响,使系统提高响应速度,减少过渡时间,但对有些敏感系统,稍微的微分作用就能激励系统进入振荡。(8)执行控制器它是用来实现对被控对象执行控制作用的装置,一般是电动执行器或液压执行器,其本身就是一个单输入单输出的闭环系统。系统中所有阻尼影响执行速度。2.1.2自动控制系统的传递函数控制系统包含的实际参数检测、检测参数与设定比较,偏差信号的调节处理,调节执行机构,调节对象本身都看作独立的环节,各环节都用框图及信号流线表示,独立分析建模并昀优化。将控制系统的各环节相互联系和流程用结构框图表示,便于控制方式的分析比较,也便于对系统进行实验模拟。2.1.2.1传递函数自动控制系统的动态综合分析不同于静态计算,它要用时域微分方程对过渡过程进行数学描述。由于微分方程多是隐函数形式,不便于进行多环节的整体分析。如果每个基本环节能用输入量—输出量之间的关系表示出来,当系统由许多基本环节组成时,就能轻易求出系统总的输入量—输出量之间的数学关系。单输出—单输入系统的处理方法是建立微分方程的传递函数。所谓传递函数,是当所有初始值为零的条件下,系统输出量与输入量拉普拉斯变换之比(复数域)。其处理方式如下:0)()()]([SFdtetftfLst(2-1)上式逆运算是:01)()()]([tfdseSFSFLst(2-2)拉式变换的像函数多是多项式倒数形式,因而很容易进行代数运算,经过整理,再逆运算,就可以回到时域空间来。转换过程如下:设某一环节的时域输入量为)(tu,输出量为)(ty,表征该环节动态的微分方程式为:)()()()(1110tutyatyatyandtddtdnnnn(2-3)它表示任意时刻,输出的各阶微分与输入的关系。假定各初始值)0(y、0)]([tdtdty、0)]([11tdtdtynn都为零,对上式两边进行拉氏变换则为:)()()(110sUsYasasannn(2-4)于是该环节的传递函数)(sG为:nnnasasasUsYsG1101)()()((2-5)每一子环节都完成拉氏变换,组成系统后,可以轻易求出总传递函数,这样根据总的传递函数)(sG和输入量的拉氏变换式)(sU,可以求出系统的拉氏变换式)(sY:)()()(sUsGsY(2-6)为求系统输出量的时间函数)(ty,只要对)(sY进行一次拉氏反变换就可以了。由此可见,传递函数表达了环节或系统本身的特性,而与输入量(驱动函数)无关。当分析一个自动调节系统时,可以先建立各子环节的传递函数,然后按规则组成反馈系统,需要优化则改进每一个可改变的环节特性。2.1.2.2控制系统结构的传递函数表示为便于理解和分析,自动控制系统各环节一般用方框图表示,这使多个环节组成的具体过程从实际问题中抽象出来,每个环节用传递函数表示,可以独立改进。现以轧机的速度自动控制为例,来说明自动控制的结构框图及传递函数作用。图2-7是用可控硅供电的速度负反馈自动调速控制系统的实物图。它的基本原理是:从电网供
本文标题:自动控制系统原理
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