自动控制原理

第一章自动控制的一般概念1.1引言自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论的任务是研究自动控制系统中变量的运动规律以及改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。1.2自动控制和自动控制系统的基本概念1.2.1自动控制问题的提出在许多工业生产过程或生产设备运行中，往往需要对某些物理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。如图1-l所示是锅炉给水人工控制示意图。人工调节是一个“检测偏差、纠正偏差”的过程。可以用一整套自动控制仪表(自动调节器)来代替操作人员的作用。图1-2所示是锅炉给水汽包水位自动控制示意图。任何一个控制系统，都包含着被控对象和控制器两个组成部分。图1-2汽包锅炉给水自动调节示意图1—过热器；2—汽包；3—省煤器；4—给水凋节阀；5—水位计1.2.2开环控制系统常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控制和复合控制。系统的控制输入不受输出影响的控制系统称为开环控制系统。图1-3所示的烘箱温度控制系统是一个开环控制系统。烘箱是被控对象，烘箱的温度是被控量，也称为系统输出量。开关设定位置为系统的给定量或输入量，电阻及加热元件可看成是调压器（控制器）。该系统中只有输入量对输出量的单向控制作用，输出量对输入量没有任何影响和联系。烘箱温度开环控制系统可用图1-4所示的方框图表示。1.2.3闭环控制系统在图1-3所示的烘箱温度开环控制系统中，加入一些装置，构成了如图1-5所示的烘箱温度闭环控制系统。系统中，烘箱是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压ru(表征烘箱温度的希望值)。系统方框图如图1-6所示。通常，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。方框图中用符号“○”表示比较环节，其输出量等于各个输入量的代数图1-5烘箱温度闭环控制系统示意图图1-3烘箱温度开环控制系统示意图图1-4烘箱温度开环控制系统方框图和。这种通过反馈通道使系统构成闭环，并按偏差产生控制作用，用以减小或消除偏差的控制系统，称为闭环控制系统，或称反馈控制系统。在系统主反馈通道中，只有采用负反馈才能达到控制的目的。闭环系统中系统的输出信号引回到输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号对系统进行调节，达到减小偏差或消除偏差的目的。这就是负反馈控制原理，是闭环控制系统的核心机理。1.2.4复合控制系统反馈控制只有在外部作用(输入信号或干扰)对控制对象产生影响之后才能做出相应的控制。前馈控制能使系统及时感受输入信号，使系统在偏差即将产生之前就注意纠正偏差。将前馈控制和反馈控制结合起来，构成复合控制，可以有效提高系统的控制精度。图1-7所示的水温控制系统是一个按干扰补偿的复合控制系统。其中，热交换器是被控对象，实际热水温度是被控量，给定量（希望温度）在控制器中设定，冷水流量是干扰量。系统方框图如图1-8所示。图1-6烘箱温度闭环控制系统方框图图1-7水温控制系统示意图1.3控制系统示例1室温自动控制系统图1-9所示为一室温自动控制系统，目的是将恒温室温度保持在希望值。敏感元件测得的实际温度。控制器将温度差通过执行机构（如可逆转电机等）开大或关小调节阀，控制热水流量的增大或减小，再由风将热量送入恒温室，直到室温与希望值一致。这是一个典型的闭环控制系统，恒温室是被控对象，室温是被控量。系统方框图如图1-10所示。图1-9室温自动控制系统示意图1—热水加热器；2—敏感元件；3—控制器；4—执行机构；5—调节阀图1-8水温控制系统方框图_给定温度温度控制器阀门热水温度T温度传感器热交换器冷水流量蒸汽流量流量计_-图1-10室温自动控制系统方框图干扰_设定温度调节器执行机构室温感温元件热水加热器调节阀房间2电压调节系统电压调节系统如图1-11所示。该系统中，发电机是被控对象，发电机的输出电压是被控量，给定量是给定电位器设定的电压ru。系统方框图如图1-12所示。3水位控制系统图1-13所示的水位控制系统目的是控制水位到希望高度。浮子是测量元件，连杆起比较作用，比较期望水位与实际水位之差，同时推动电位器滑臂移动。电位器输出电压反映误差的大小和方向，电压经放大器放大后驱动直流伺服电动机，其转轴经减速器后拖动进水阀门，对系统施加控制作用。图1-13水位控制系统示意图图1-12电压调节系统方框图图1-11电压调节系统示意图水位调节系统中，水池是被控对象，水池的水位是被控量，给定量是给定电位器设定的电压eu。系统方框图如图1-14所示。4制冷系统制冷系统通常由冷凝器、压缩机、蒸发器及电子膨胀阀等装置组成，其工作原理如图1-15所示。压缩机将制冷剂压缩后送入冷凝器，在冷凝器中制冷剂被冷却后变成液体，液体制冷剂进入蒸发器，在蒸发器中吸收热量蒸发。系统中蒸发回路的任务是通过电子膨胀阀的开度来控制蒸发器的热量。制冷系统中蒸发控制回路方框图见图1-16，其中电子膨胀阀是执行机构，蒸发器为被控对象，蒸发器的过热度为被控值。图1-14水位控制系统方框图统示意图图1-15制冷系统工作原理图压缩机冷凝器蒸发器电子膨胀阀制冷剂图1-16蒸发器过热控制系统方框图控制器电子膨胀阀蒸发器检测装置设定值＋－过热度1.4自动控制系统的基本组成图1-17是典型自动控制系统的功能框图。图中的每一个方框，代表一个具有特定功能的元件。除被控对象外，控制装置通常是由测量元件、比较元件、放大元件、执行机构、校正元件以及给定元件组成。被控对象指生产过程中需要进行控制的工作机械、装置或生产过程。描述被控对象工作状态的、需要进行控制的物理量是被控量。给定元件主要用于产生给定信号或控制输入信号。测量元件用于检测被控量或输出量，产生反馈信号。如果测出的物理量属于非电量，一般要转换成电量以便处理。比较元件用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差。可以是一个差动电路，也可以是一个物理元件（如电桥、自整角机等）。放大元件用来放大偏差信号的幅值和功率，使之能够推动执行机构调节被控对象。例如功率放大器、电液伺服阀等。执行机构用于直接对被控对象进行操作，调节被控量。如阀门，伺服电动机等。校正元件用来改善或提高系统的性能。常用串联或反馈的方式连接在系统中。例如RC网络、测速发电机等。1.5自动控制系统的分类及基本要求1.5.1自动控制系统的分类自动控制系统按照不同的特征和标准，有不同的分类方法。图1-17典型反馈系统方框图1.按控制系统的结构，可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。2.按给定信号的形式，可将控制系统划分为恒值控制系统和随动控制系统。3.按系统参数是否随时间变化，可以将控制系统分为定常系统和时变系统。4.按控制系统的动态特性分类，可分为线性控制系统和非线性控制系统。5.按控制系统闭环回路的数目分类，可分为单回路控制系统和多回路控制系统。6.按照输入信号和输出信号的数目分类，可将系统分为单输入单输出系统和多输人多输出系统。7.按控制动作和时间的关系分类，可分为连续控制系统和离散控制系统。1.5.2对自动控制系统的基本要求在输入量的作用下，系统的输出变量由初始状态达到最终稳态的中间变化过程称过渡过程，又称瞬态过程。过渡过程结束后的输出响应称为稳态过程。系统的输出响应由过渡过程和稳态过程组成。对系统品质指标的基本要求可以归纳为三个字：稳、准、快。稳：是指系统的稳定性。稳定性是系统重新恢复平衡状态的能力。任何一个能够正常工作的控制系统，首先必须是稳定的。稳定是对自动控制系统的最基本要求。由于闭环控制系统有反馈作用，控制过程有可能出现振荡或发散。如图1-18中曲线3、曲线4和5所示。这些情况就称系统不稳定。准：是对系统稳态（静态）性能的要求。对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，是衡量系统控制精度的重要指标。稳态误差越小，系统的准确性越好。快：是对系统动态性能（过渡过程性能）的要求。描述系统动态性能可以用平稳性和快速性加以衡量。平稳指系统由初始状态运动到新的平衡状态时，具有较小的过调和振荡性；快速指系图1-18系统的单位阶跃响应过程统运动到新的平衡状态所需要的调节时间较短。动态性能是衡量系统质量高低的重要指标。各种不同系统对三项性能指标的要求会有所侧重。例如恒值系统一般对稳态性能限制比较严格，随动系统一般对动态性能要求较高。同一个系统，上述三项性能指标之间往往是相互制约的。