自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1、第二章自動(dòng)控制系統(tǒng)隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,自動(dòng)控制廣泛應(yīng)用于電子、電力、機(jī)械、冶金、石油、化工、航海航天、核反應(yīng)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域及生物、醫(yī)學(xué)、管理工程和其他許多社會(huì)生活領(lǐng)域,并為各學(xué)科之間的相互滲透起到促進(jìn)作用。自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用,不僅使生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化,改善了勞動(dòng)條件;同時(shí)全面提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低了生產(chǎn)成本、提高了經(jīng)濟(jì)效益;在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展新技術(shù)和創(chuàng)造人類社會(huì)文明等方面都具有十分重要的意義。可以說(shuō),自動(dòng)控制已成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步所必不可少的一門技術(shù),掌握有關(guān)自動(dòng)控制的知識(shí)顯得越來(lái)越重要。§2.1自動(dòng)控制系統(tǒng)概述所謂自動(dòng)控制,是指在沒有人直

2、接參與的情況下,利用控制裝置使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或工作機(jī)械自動(dòng)地按預(yù)選規(guī)定的規(guī)律運(yùn)行,達(dá)到要求的指標(biāo);或使它的某些物理量按預(yù)定的要求變化。所謂系統(tǒng),就是通過(guò)執(zhí)行規(guī)定功能、實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)的一些相互關(guān)聯(lián)單元的組合體。自動(dòng)控制系統(tǒng)就是為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的所有裝置的有機(jī)組合體。例如,家用電冰箱能保持恒溫;高樓水箱能保持恒壓供水;電網(wǎng)電壓和頻率自動(dòng)保持不變;火炮根據(jù)雷達(dá)指揮儀傳來(lái)的信息,能夠自動(dòng)地改變方位角和俯仰角,隨時(shí)跟蹤目標(biāo);人造衛(wèi)星能夠按預(yù)定的軌道運(yùn)行并返回地面;程序控制機(jī)床能夠按預(yù)先排定的工藝程序自動(dòng)地進(jìn)刀切削,加工出預(yù)期幾何形狀的零件;焊接機(jī)器人能自動(dòng)地跟蹤預(yù)期軌跡移動(dòng),焊出高質(zhì)量的產(chǎn)品。所有這

3、些自動(dòng)控制系統(tǒng)的例子,盡管它們的結(jié)構(gòu)和功能各不相同,但它們有共同的規(guī)律,即它們被控制的物理量保持恒定,或者按照一定的規(guī)律變化。自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語(yǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)是由被控對(duì)象和自動(dòng)控制裝置按一定方式聯(lián)結(jié)起來(lái)的,以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的有機(jī)整體。在工程領(lǐng)域中,系統(tǒng)可以是電氣、機(jī)械、氣動(dòng)和液壓或它們的組合。不同的系統(tǒng)所要完成的任務(wù)也不同。有的要求某物理量(如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等保持恒定,有的則要求按一定規(guī)律變化。輸入信號(hào)作用于系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)定義為系統(tǒng)的控制量或參考輸入量。通常是指給定值,它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號(hào)輸出信號(hào)被控對(duì)象中需要控制的物理量定義為系統(tǒng)的被控量或輸出量。它與輸入量之間保持

4、一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號(hào)由系統(tǒng)(或元件輸出端取出并反向送回系統(tǒng)(或元件輸入端的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。反饋有主反饋和局部反饋之分。偏差信號(hào)指參考輸入與主反饋信號(hào)之差。偏差信號(hào)簡(jiǎn)稱偏差,其實(shí)質(zhì)是從輸入端定義的誤差信號(hào)。誤差信號(hào)指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差,簡(jiǎn)稱誤差,其實(shí)質(zhì)是從輸出端定義的誤差信號(hào)。擾動(dòng)信號(hào)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,妨礙控制量對(duì)被控量進(jìn)行正?？刂频乃幸蛩胤Q為擾動(dòng)量。簡(jiǎn)稱擾動(dòng)或干擾,它與控制作用相反,是一種不希望的、能破壞系統(tǒng)輸出規(guī)律的不利因素。例如,在直流調(diào)速系統(tǒng)中,觸發(fā)器放大倍數(shù)的變化,外接交流電源的電壓波動(dòng),電動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化等,都可看成是擾動(dòng)量。擾動(dòng)量和控制量都是自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入量。

5、擾動(dòng)量按其來(lái)源可分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)。內(nèi)部擾動(dòng)是指來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部的擾動(dòng),如系統(tǒng)元件參數(shù)的變化。來(lái)自系統(tǒng)外部的擾動(dòng)稱為外擾動(dòng),如電動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、環(huán)境溫度的變化等。在控制系統(tǒng)中如何使被控制量按照預(yù)定的變化規(guī)律變化而不受擾動(dòng)的影響,這是控制系統(tǒng)所要解決的最基本的問(wèn)題。§2.2開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣。若通過(guò)某種裝置使系統(tǒng)的輸出量反過(guò)來(lái)影響系統(tǒng)的輸入量,這種作用稱為反饋?zhàn)饔?。反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的回路稱為環(huán)?？刂葡到y(tǒng)按照是否設(shè)有反饋環(huán)節(jié),可以分為兩類:一類是開環(huán)控制系統(tǒng),另一類是閉環(huán)控制系統(tǒng)。若要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且精度較高的控制任務(wù),可將開環(huán)控制和閉環(huán)控制結(jié)合在

6、一起,形成復(fù)合控制。2.2.1開環(huán)控制系統(tǒng)所謂開環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)只有輸入量的向前控制作用,輸出量并不反饋回來(lái)影響輸入量的控制作用。即系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒有影響,在開環(huán)系統(tǒng)中,由于不存在輸出量對(duì)輸入量的反饋,因此系統(tǒng)不存在閉合回路。其控制系統(tǒng)框圖如圖2-2-1所示。 圖2-1開環(huán)控制系統(tǒng)框圖下面以圖2-2-2所示的晶閘管供電直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖說(shuō)明開環(huán)控制系統(tǒng)。在該控制系統(tǒng)中,放大器、觸發(fā)器、晶閘管可控整流器組成調(diào)速系統(tǒng)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。直流電壓經(jīng)電位器RP分壓后得到與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的給定電壓Us,經(jīng)放大器A放大后得到控制信號(hào)Uc,再經(jīng)觸發(fā)整流裝置得到電機(jī)端電壓Ud。電機(jī)的轉(zhuǎn)速n

7、隨著Ud變化而變化。本系統(tǒng)的預(yù)定目標(biāo)是根據(jù)給定的電壓調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是被控量,給定電壓Us是控制量。電動(dòng)機(jī)是接受控制的裝置,常被稱為被控對(duì)象、被控裝置或被控系統(tǒng)。對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的所有元件稱為施控裝置。施控裝置的輸出量Ud,即被控對(duì)象的輸入量,稱為操縱量。直接改變操縱量的元件稱為執(zhí)行裝置或末級(jí)施控裝置。從圖中可看出,電機(jī)的轉(zhuǎn)速n對(duì)輸入端不產(chǎn)生影響。 圖22 晶閘管供電直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,系統(tǒng)穩(wěn)定性好,調(diào)試方便,成本低。開環(huán)系統(tǒng)的精度主要取決于控制信號(hào)的標(biāo)定精度、控制裝置參數(shù)的穩(wěn)定程度以及外部擾動(dòng)因素。因此,在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定,且內(nèi)部參數(shù)和外部負(fù)載

8、等擾動(dòng)因素不大,或這些擾動(dòng)因素可以預(yù)測(cè)并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯?應(yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制的缺點(diǎn)是當(dāng)控制過(guò)程中受到來(lái)自系統(tǒng)外部的各種擾動(dòng)因素(如負(fù)載變化、電源電壓波動(dòng)等以及來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部的擾動(dòng)因素(如元件參數(shù)變化等時(shí),都將會(huì)直接影響到輸出量,而控制系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。因此,開環(huán)系統(tǒng)對(duì)控制信號(hào)和元器件的精度要求較高。2.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱為反饋控制系統(tǒng),這類系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路,輸出量可以反饋到輸入端,輸出量反饋與輸入量共同完成控制作用。閉環(huán)控制系統(tǒng)利用了負(fù)反饋獲取偏差(M,一u。信號(hào),利用偏差產(chǎn)生控制作用去克服偏差。這種控制原理稱為反饋控制原理。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)

9、具有很強(qiáng)的糾偏能力,且控制精度較高,因而在工程中獲得廣泛應(yīng)用,其控制系統(tǒng)框圖如圖2-3所示。 圖2一3 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如果要對(duì)圖22所示開環(huán)控制系統(tǒng)引入反饋回路,可以用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)被控制量(轉(zhuǎn)速,然后反饋到輸入端,就構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng),如圖24所示。圖中電動(dòng)機(jī)軸上連接一臺(tái)永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)TG,它將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速信號(hào)n轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào),經(jīng)RP2分壓后變?yōu)榕c轉(zhuǎn)速成正比的反饋電壓U fn。輸入量Us與反饋電壓Ufn共同作用在放大器輸入端,得到偏差電壓U=U s一U fn。此偏差電壓經(jīng)放大器放大和觸發(fā)整流裝置產(chǎn)生電樞電壓Ud去驅(qū)動(dòng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。其自動(dòng)控制框圖如圖24所示。當(dāng)輸入電壓固定不變而轉(zhuǎn)速

10、因某些因素(如負(fù)載增加,或電源電壓下降降低時(shí),系統(tǒng)可以通過(guò)負(fù)反饋,自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié),抑制轉(zhuǎn)速變化。其調(diào)節(jié)過(guò)程如下:nU fnUUcUdn存在使放大器輸入電壓變大,則稱為正反饋。 圖2一4直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖由于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中采用了負(fù)反饋,因而被控制量對(duì)于外部或內(nèi)部擾動(dòng)所引起的誤差能夠自動(dòng)調(diào)節(jié),這是閉環(huán)控制的突出優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的輸出精度只與系統(tǒng)的輸入和反饋環(huán)節(jié)的精度有關(guān),而與系統(tǒng)反饋環(huán)內(nèi)其他環(huán)節(jié)的精度無(wú)關(guān),這樣就有可能采用精度不太高而成本比較低的元件構(gòu)成控制質(zhì)量較高的控制系統(tǒng)。當(dāng)然,閉環(huán)控制系統(tǒng)要增加檢測(cè)、反饋比較等環(huán)節(jié),會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜、成本增加;同時(shí),當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)選得不恰當(dāng)時(shí),將會(huì)造成系統(tǒng)振蕩,

11、甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定而無(wú)法正常工作。這些都是采用閉環(huán)控制時(shí)必須加以重視并認(rèn)真解決的問(wèn)題。三、開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作穩(wěn)定,因此,當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)及擾動(dòng)作用能預(yù)先知道并且系統(tǒng)要求精度不高時(shí),可以采用開環(huán)控制。由于開環(huán)控制不能自動(dòng)修正被控制量的偏離,因此系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外界未知擾動(dòng)對(duì)控制精度的影響較大。閉環(huán)控制具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力,因此可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差。其控制精度較高。但是,由于存在反饋,閉環(huán)控制中被控制量可能出現(xiàn)振蕩,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)無(wú)法工作。§2.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和分類2.3.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制系統(tǒng)按其

12、被控對(duì)象和具體用途的不同,可以有各式各樣的結(jié)構(gòu)形式,為了表明自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成,可將系統(tǒng)中各個(gè)部分都用一個(gè)方框來(lái)表示,并在框中填人它所代表的部件名稱,不必畫出它們的具體結(jié)構(gòu)。根據(jù)信號(hào)在系統(tǒng)中的傳遞方向,用有向線段依次把各個(gè)方框連接起來(lái),并標(biāo)明相應(yīng)的信息,就得到了系統(tǒng)的組成框圖。閉環(huán)控制系統(tǒng)組成框圖的一般形式如圖25所示,通常,還把圖中除被控對(duì)象外的所有元件合并在一起,稱為控制器。 圖2一5 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成框圖2.3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)圖中各部分的功能指令信號(hào)s X稱為輸入信號(hào),系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定。輸入元件又稱為給定環(huán)節(jié),它可以將指令信號(hào)變換為系統(tǒng)所需的輸入量。由它調(diào)節(jié)給定信號(hào),實(shí)現(xiàn)輸出量大小的調(diào)

13、節(jié)。給定環(huán)節(jié)的精度對(duì)被控制量的控制精度有較大影響,在控制精度要求較高時(shí),可采用數(shù)字給定裝置。輸入量又稱為給定量,實(shí)際輸人到系統(tǒng)的控制信號(hào)。比較元件cP又稱為比較環(huán)節(jié),具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸入信號(hào)和一個(gè)輸出信號(hào),其輸出信號(hào)是輸入信號(hào)的代數(shù)和。信號(hào)方向用箭頭表示,信號(hào)代數(shù)和用正負(fù)號(hào)表示。圖25中比較環(huán)節(jié)將輸出量的檢測(cè)值與輸入量進(jìn)行比較,確定兩者之間的偏差量。偏差信號(hào)e反饋控制系統(tǒng)比較元件的輸出信號(hào)。放大元件由于偏差信號(hào)一般很小,所以要經(jīng)過(guò)該元件進(jìn)行電壓及功率放大,以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。校正元件用以改善系統(tǒng)性能指標(biāo)的元件。通常也把放大元件、校正元件合并在一起,稱為控制器。它可以把不能直接作用于執(zhí)行環(huán)節(jié)的功

14、率較小或者物理性質(zhì)不同的偏差量變換成適于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量信號(hào)。除此之外,還希望中間環(huán)節(jié)能夠按某種規(guī)律對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算,用運(yùn)算的結(jié)果控制執(zhí)行環(huán)節(jié),以改善被控制量的性能。執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象的裝置。直接作用于控制對(duì)象,使輸出量達(dá)到所要求的數(shù)值。操縱量m執(zhí)行裝置作用于被控對(duì)象的信號(hào)。被控對(duì)象自動(dòng)控制系統(tǒng)中需要進(jìn)行控制的設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。如前面所舉例中的電動(dòng)機(jī)。控制系統(tǒng)所控制的某個(gè)物理量,就是系統(tǒng)的被控制量或輸出量,如電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、加熱爐的溫度等。閉環(huán)控制系統(tǒng)的任務(wù)就是控制這些系統(tǒng)輸出量的變化規(guī)律,以滿足生產(chǎn)工藝的要求。被控量C系統(tǒng)被控制對(duì)象的輸出,它是系統(tǒng)的控制目標(biāo)。擾動(dòng)量d所有妨礙參考輸入量對(duì)被控

15、量按要求進(jìn)行正?？刂频囊蛩?。反饋元件也稱為反饋環(huán)節(jié),它通過(guò)檢測(cè)裝置測(cè)量系統(tǒng)輸出的實(shí)際值,并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的量送給比較環(huán)節(jié)處理。常用的檢測(cè)裝置有測(cè)量溫度的熱電偶、測(cè)量轉(zhuǎn)速的測(cè)速發(fā)電機(jī)等。檢測(cè)裝置的精度和特性直接影響控制系統(tǒng)的控制品質(zhì),它是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性元件,所以一般應(yīng)要求檢測(cè)裝置的測(cè)量精度高、反應(yīng)靈敏、性能穩(wěn)定等。反饋信號(hào)6與被控量成某種函數(shù)關(guān)系并反饋回到比較元件上的信號(hào)。此外,還有間接被控制裝置及間接被控量口。圖25中首先通過(guò)比較元件得到系統(tǒng)輸出期望值與實(shí)際輸出值(反饋量的偏差,然后經(jīng)校正元件和放大元件得到系統(tǒng)的控制量,最后經(jīng)執(zhí)行環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象朝著偏差減小的方向運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)的組成框圖清楚

16、地表明了各環(huán)節(jié)之問(wèn)的關(guān)系和信號(hào)的傳遞方向。信號(hào)由輸入量流至輸出量的通道稱為正向通道,信號(hào)從輸出量流至輸入量比較環(huán)節(jié)的通道稱為反饋通道。一般說(shuō)來(lái),盡管自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制任務(wù)各不相同,以及所使用元件結(jié)構(gòu)和能源形式均有所不同,但就其信號(hào)的傳遞、變換的職能來(lái)說(shuō),都可抽象成如圖26所示的框圖。 圖2一6 自動(dòng)控制系統(tǒng)典型框圖2.3.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的種類繁多,其結(jié)構(gòu)、性能也各有不同,因而分類方法也很多,不同的分類原則導(dǎo)致不同的分類結(jié)果。一、按控制策略分類可分為順序自動(dòng)控制(即開環(huán)控制與反饋控制系統(tǒng)兩類,其中順序自動(dòng)控制系統(tǒng)又可分為:(1時(shí)間順序控制按時(shí)間安排順序執(zhí)行預(yù)先給定的順序命令。(

17、2條件順序控制順序根據(jù)前一階段的控制結(jié)果,選定下一階段所要完成的控制目標(biāo)。二、按照輸入量的變化規(guī)律分類(1恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸入量是恒值,并要求系統(tǒng)的輸出量也相應(yīng)地保持恒定。這類控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證在擾動(dòng)作用下被控量始終保持在給定值上。恒值控制系統(tǒng)是最常見的一類自動(dòng)控制系統(tǒng),如自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)(恒轉(zhuǎn)速控制、恒溫控制系統(tǒng)和恒張力控制系統(tǒng),以及工業(yè)生產(chǎn)中的恒壓(壓力、穩(wěn)壓(電壓、穩(wěn)流(電流和恒頻(頻率 恒流量控制、恒液位高度控制等大量的自動(dòng)控制系統(tǒng)都屬于恒值控制系統(tǒng)。對(duì)于恒值控制系統(tǒng),著重研究各種擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響,以及如何抑制擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響,使輸出量保持在預(yù)期值。(2隨動(dòng)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸入量按

18、一定規(guī)律變化(或隨機(jī)變化,要求輸出量能夠準(zhǔn)確、迅速跟隨輸入量的變化,此類系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)通常以功率很小的輸入信號(hào)操縱大功率的工作機(jī)械。隨動(dòng)系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于刀架跟隨系統(tǒng)、火炮控制系統(tǒng)、雷達(dá)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和機(jī)器人控制系統(tǒng)、輪舵控制系統(tǒng)等。對(duì)于隨動(dòng)控制系統(tǒng),由于系統(tǒng)的輸入量是隨時(shí)變化的,研究的重點(diǎn)是系統(tǒng)輸出量跟隨輸入量的準(zhǔn)確性和快速性。(3程序控制系統(tǒng)這種控制系統(tǒng)的輸入量不為常值,它是按預(yù)先編制的程序變化的,并要求輸出量與給定量的變化規(guī)律相同,此類系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。例如,熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的升溫、保溫、降溫過(guò)程都是按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)律(程序進(jìn)行控制的,所以該系統(tǒng)屬于程序控制系統(tǒng)。

19、此外,數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)移動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)生產(chǎn)線等都屬于程序控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng),也可以是閉環(huán)系統(tǒng)。三、按被控制量來(lái)分類(1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是以電動(dòng)機(jī)為被控制對(duì)象控制機(jī)械運(yùn)動(dòng),其中包括恒值控制系統(tǒng)。(2生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱過(guò)程控制這里的生產(chǎn)過(guò)程通常指在某設(shè)備中將原料放在一定的外界條件下,經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)變化而制成產(chǎn)品的過(guò)程。如化工、石油、造紙中的原料生產(chǎn),冶金、發(fā)電中的熱力過(guò)程等。在這些過(guò)程中,往往要求自動(dòng)提供一定的外界條件,例如溫度、壓力、流量、液位、粘度、濃度等參量保持為恒值或按一定的規(guī)律變化。四、按照系統(tǒng)傳遞信號(hào)的特點(diǎn)分類(1連續(xù)控制系統(tǒng)也稱為模擬控制系統(tǒng)。從

20、系統(tǒng)中傳遞的信號(hào)來(lái)看,若系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的信號(hào)都是時(shí)間f 的連續(xù)函數(shù),即模擬量,此類系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)的性能一般是用微分方程來(lái)描述的。信號(hào)的時(shí)間函數(shù)允許有間斷點(diǎn),或者在某一時(shí)間范圍內(nèi)為連續(xù)函數(shù)。(2斷續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中包含有斷續(xù)元件,其輸入量是連續(xù)量,而輸出量是斷續(xù)量。常見的斷續(xù)控制系統(tǒng)有:繼電器控制系統(tǒng)亦稱為開關(guān)控制系統(tǒng),如常規(guī)的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)又稱為采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的離散信號(hào),如脈沖信號(hào)或數(shù)碼信號(hào),其脈沖的幅值、寬度及符號(hào)取決于采樣時(shí)刻的輸入量。該系統(tǒng)特點(diǎn)是有的信號(hào)是斷續(xù)量,例如脈沖序列、采樣數(shù)據(jù)量和數(shù)字量等。這類信號(hào)在特定的時(shí)刻才取值

21、,而在相鄰時(shí)刻的間隔中信號(hào)是不確定的,即系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的離散信號(hào)。離散控制系統(tǒng)的特性通常用差分方程來(lái)描述。數(shù)字控制系統(tǒng),數(shù)字控制系統(tǒng)中,信號(hào)以數(shù)碼形式傳遞,如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。五、按照系統(tǒng)的元件特性分類若一個(gè)元件的輸入與輸出特性是線性的,則稱該元件為線性元件。嚴(yán)格地講,在實(shí)際的物理系統(tǒng)中是不存在線性系統(tǒng)的,但是當(dāng)非線性不顯著或工作范圍不大,為了研究方便,通常都視為是線性的。輸入與輸出特性中存在典型非線性(如飽和、死區(qū)、摩擦、間隙等的元件,稱為非線性元件。(1線性控制系統(tǒng)若組成系統(tǒng)的所有元件都是線性的,此類系統(tǒng)稱為線性控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的性能可以用線性微分方程來(lái)描述。線性系統(tǒng)的一個(gè)重要性

22、質(zhì)就是可以使用疊加原理,即幾個(gè)擾動(dòng)或控制量同時(shí)作用于系統(tǒng)時(shí),其總的輸出等于各個(gè)輸入量單獨(dú)作用時(shí)的輸出之和。(2非線性控制系統(tǒng)若系統(tǒng)中有一些非線性元件,此類系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。該類系統(tǒng)的性能往往要采用非線性方程來(lái)描述。疊加原理對(duì)非線性系統(tǒng)無(wú)效。分析非線性控制系統(tǒng)的工程方法常用相平面法和描述函數(shù)法。六、按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情況分類(1定常系統(tǒng)又稱為時(shí)不變系統(tǒng)。它的輸出量與輸入量間的關(guān)系用定常微分方程來(lái)描述,其特點(diǎn)是系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時(shí)間而變化,即微分方程的所有系數(shù)不隨時(shí)間變化。(2時(shí)變系統(tǒng)若微分方程中有的參數(shù)是時(shí)間f的函數(shù),它隨時(shí)間變化而改變,此類系統(tǒng)稱為時(shí)變系統(tǒng),例如宇宙飛船控制系統(tǒng)。七、

23、按自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能分類(1自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)即恒值控制系統(tǒng)。(2最優(yōu)控制系統(tǒng)最優(yōu)控制系統(tǒng)是指使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)某種性能指標(biāo)為最佳的控制。(3自適應(yīng)控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一種能夠連續(xù)測(cè)量輸入信號(hào)和系統(tǒng)特征的變化,自動(dòng)地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù),使系統(tǒng)具有適應(yīng)環(huán)境變化并始終保持優(yōu)良品質(zhì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。例如飛機(jī)特性隨飛行高度和氣流速度而變化;軋機(jī)張力隨卷板機(jī)卷繞鋼板多少而變化等。在這些情況下,普通固定結(jié)構(gòu)的反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)就不能滿足需要了,它們只能采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)。(4自學(xué)習(xí)系統(tǒng)它具有辨識(shí)、判斷、積累經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的功能。在控制特性不能確切地用數(shù)學(xué)模型描述時(shí),采用自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)可以在工作過(guò)程中,不斷地測(cè)量,估

24、價(jià)系統(tǒng)的特性,并決定最優(yōu)控制方案,實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)最優(yōu)控制。除了以上的分類方法外,還有其他一些方法。例如,按系統(tǒng)主要組成元件的類型來(lái)分類,可分為電氣控制系統(tǒng)、機(jī)械控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)等。§2.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能及基本規(guī)律2.4.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求一個(gè)理想的控制系統(tǒng),系統(tǒng)的輸入量和輸出量應(yīng)時(shí)時(shí)相對(duì)應(yīng),運(yùn)行中沒有偏差,完全不受干擾的影響。而實(shí)際上,由于機(jī)械質(zhì)量和慣量的存在,電路中儲(chǔ)能元件存在,以及能源的功率限制,使得運(yùn)動(dòng)部件的加速度不會(huì)太大,速度和位移不能突變,所以當(dāng)系統(tǒng)輸入量變化或有干擾信號(hào)作用時(shí),其輸出量可能要經(jīng)歷一個(gè)逐漸變化的過(guò)程才能到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定值。系統(tǒng)受到外加

25、信號(hào)作用后,輸出量隨時(shí)間變化的全過(guò)程稱為動(dòng)態(tài)過(guò)程。輸出量處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)性能可用相應(yīng)的指標(biāo)衡量。工程上常從穩(wěn)定性(簡(jiǎn)稱穩(wěn)、快速性 (簡(jiǎn)稱快和準(zhǔn)確性(簡(jiǎn)稱準(zhǔn)三個(gè)方面分析系統(tǒng)的性能。通常用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來(lái)描述。一、穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。當(dāng)系統(tǒng)受到外作用后產(chǎn)生振蕩,輸出量將會(huì)偏離原來(lái)的穩(wěn)定值,這時(shí),通過(guò)系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)可能回到(或接近原來(lái)的穩(wěn)定值(或跟隨給定量穩(wěn)定下來(lái),如圖2-7所示,則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。但也可能系統(tǒng)不能抑制振蕩,輸出是發(fā)散的,如圖2-8所示,即系統(tǒng)不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)無(wú)法完成正常的控制任務(wù),甚

26、至?xí)p害設(shè)備,造成事故。因此,對(duì)任何控制系統(tǒng),系統(tǒng)正常工作的首要條件是其必須是穩(wěn)定系統(tǒng)。 圖2-7穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程 圖2一8不穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程二、快速性快速性是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程經(jīng)歷時(shí)間的長(zhǎng)短。表征這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程的性能指標(biāo)稱為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)(又稱為動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間越短,系統(tǒng)的快速性越好,即具有較高的動(dòng)態(tài)精度。通常,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程多是衰減振蕩過(guò)程,如圖17所示,輸出量變化很快,以致輸出量產(chǎn)生超出期望值的波動(dòng);經(jīng)過(guò)幾次振蕩后,達(dá)到新的穩(wěn)定工作狀態(tài)。穩(wěn)定性和快速性是反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程好壞的尺度。三、準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性指過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后被控制量與希望值接近的程度,通常也叫作系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo),用穩(wěn)

27、態(tài)誤差來(lái)表示。所謂穩(wěn)態(tài)誤差,指的是動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束后系統(tǒng)又進(jìn)入穩(wěn)態(tài),此時(shí)系統(tǒng)輸出量的期望值和實(shí)際值之間的偏差值。它表明了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小,則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。若穩(wěn)態(tài)誤差為零,則系統(tǒng)稱為無(wú)差系統(tǒng);若穩(wěn)態(tài)誤差不為零,則系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。如圖2一ll所示。 圖2-9自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能a有靜差系統(tǒng) b無(wú)靜差系統(tǒng)考慮到控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程在不同階段的特點(diǎn),工程上常常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的總體精度。例如,恒值控制系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)確性要求較高,隨動(dòng)控制系統(tǒng)則對(duì)快速性要求較高。同一系統(tǒng)中,穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是相互制約的。提高了快速性,可能增大振蕩幅值,加劇了系統(tǒng)的振蕩,甚至引起不穩(wěn)定

28、;而改善了穩(wěn)定性又有可能使過(guò)渡過(guò)程變得緩慢,增長(zhǎng)了過(guò)渡時(shí)間,甚至導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差增大,降低了系統(tǒng)的精度。所以,需要根據(jù)具體控制對(duì)象所提出的要求,在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下,對(duì)其中的某些指標(biāo)有所側(cè)重,同時(shí)又要注意兼顧其他性能指標(biāo)。此外,在考慮提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)的同時(shí),還要考慮到系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。2.4.2、自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)一般包括靜態(tài)指標(biāo)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。(1靜態(tài)指標(biāo)反映系統(tǒng)靜態(tài)運(yùn)行中的性能,主要有調(diào)速范圍D、靜差率s、調(diào)速平滑性及穩(wěn)定誤差等。(2動(dòng)態(tài)指標(biāo)反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的性能,主要有最大超調(diào)量、上升時(shí)間t r、調(diào)整時(shí)間t s及振蕩次數(shù)N等。(3經(jīng)濟(jì)指標(biāo)反映系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)

29、性,主要有有調(diào)速設(shè)備投資費(fèi)用、電能消耗費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。2.4.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本特征自動(dòng)控制系統(tǒng)是指帶有反饋裝置的系統(tǒng)(即從檢出偏差到利用偏差進(jìn)行控制,從而達(dá)到減少或消除偏差的目的,也就是說(shuō),自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)而連續(xù)地測(cè)量被控制量,并求出偏差,進(jìn)而根據(jù)偏差的大小和正負(fù)極性進(jìn)行控制。因此,自動(dòng)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自動(dòng)糾偏能力,且控制精度較高。歸納起來(lái),自動(dòng)控制系統(tǒng)的具有如下特征:1、在結(jié)構(gòu)上,系統(tǒng)必須具有反饋裝置,并按負(fù)反饋的原則組成系統(tǒng),采用負(fù)反饋,就可對(duì)控制量不斷地檢測(cè),并將其變換成與輸入量相同的物理量,再反饋到輸入端,以便與輸入量進(jìn)行比較。采用負(fù)反饋的目的是要求取得偏差信號(hào)。2、由偏差產(chǎn)生控

30、制作用。系統(tǒng)必須按照偏差的性質(zhì)(大小、方向進(jìn)行正確的控制,故系統(tǒng)中必須具有執(zhí)行糾偏任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)正是靠放大了的偏差信號(hào)來(lái)推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),以便對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的。因此,無(wú)論什么原因引起被控量偏離期望值面出現(xiàn)誤差時(shí),相應(yīng)的偏差信號(hào)便隨之出現(xiàn),系統(tǒng)必然產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用,以便糾正偏差。3、控制的目的是力圖減小或消除偏差,使被控量盡量接近期望值。2.4.4自動(dòng)控制的基本規(guī)律自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的輸出與輸入之間的關(guān)系有著一定的控制規(guī)律。調(diào)節(jié)器的基本控制規(guī)律主要有雙位控制、比例控制、積分控制、微分控制、比例積分控制、比例積分微分控制等。自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中常采用集成運(yùn)放構(gòu)成系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。§

31、2.5 PID控制器自動(dòng)控制系統(tǒng)由被控對(duì)象及控制器兩部分組成?？刂破靼磳?shí)際需要以某種規(guī)律向被控對(duì)象發(fā)出控制信號(hào),以達(dá)到預(yù)期的控制目的?？刂破魇菍?duì)偏差信號(hào)U進(jìn)行加工、處理的重要環(huán)節(jié),其輸出信號(hào)隨偏差信號(hào)的變化而變化的規(guī)律稱為控制規(guī)律,也稱為控制算法。在工業(yè)控制過(guò)程中,PID是最成熟、使用經(jīng)驗(yàn)最豐富的一種控制器。PID控制器是由三種基本的控制作用組合而成,這三種基本作用分別為比例控制(P控制器、積分控制(I 控制器、微分控制(D控制器。實(shí)際應(yīng)用上,為提高控制質(zhì)量,通常采用比例、積分、微分等基本控制規(guī)律的組合。2.5.1比例控制器(P控制器一、單個(gè)輸入信號(hào)的比例控制器從前面知識(shí),我們可以知道,自動(dòng)控

32、制系統(tǒng)是利用負(fù)反饋原理構(gòu)成,即采用偏差信號(hào)U進(jìn)行控制,也就是說(shuō),偏差信號(hào)U是產(chǎn)生控制作用的主要信號(hào)源。如圖2-5-1所示,是一種運(yùn)算放大器組成的比例控制器原理圖。圖2-5-11、原理分析由比例控制器是指控制器的輸出量U0與輸入量(偏差U的大小成正比,可得: U0=K pU其中Kp稱為控制器的比例系數(shù)從上式中可知U0與輸入信號(hào)U存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)電子學(xué)知識(shí)可知:U0=-R1/R0U= K pU即Kp=-R1/R0從負(fù)反饋的原理公式可知,U0與U的極性相反,大小成正比,輸入輸出特性如圖2-5-2所示:圖2-5-22、比例控制器的特點(diǎn)由此可見,比例控制器的優(yōu)點(diǎn)為:一旦偏差U 出現(xiàn),控制器的輸出

33、U 0立即隨之變化,響應(yīng)及時(shí),沒有絲毫的時(shí)間滯后,說(shuō)明比例控制具有作用及時(shí)、快速、控制作用強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。而且Kp 越大,系統(tǒng)的靜差就越小,對(duì)提高控制精度有好處,但是要注意,Kp 值過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程出現(xiàn)劇烈的振蕩,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。從式U 0=-R 1/R 0U= K p U 可以看出,當(dāng)輸入偏差U 為零,則比例(P 控制器的輸出U 0亦為零,控制器推動(dòng)控制作用,系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行,因此,在工程設(shè)計(jì)中,對(duì)于高質(zhì)量的控制系統(tǒng),一般不單獨(dú)使用比例控制,而常常將比例控制規(guī)律會(huì)同其他控制規(guī)律一起使用,例:比例積分(PI ,比例微分(PD ,比例積分微分(PID 等等。注意:無(wú)論控制規(guī)律如何組合,根

34、據(jù)反饋控制系統(tǒng)按偏差進(jìn)行控制的特點(diǎn),比例控制必不可少,也就是說(shuō),在各控制規(guī)律組合中,比例控制是主控制,而其他如積分、微分則為附加控制。一、 多個(gè)輸入信號(hào)的比例控制器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,控制器往往采用多個(gè)信號(hào)綜合后作為其輸入信號(hào)。方法是:在運(yùn)算放大器的輸入端采用并聯(lián)連接,如圖2-5-3所示,該電路實(shí)際上是一個(gè)反相加法運(yùn)算電路,若U ad 為正,則U f 為負(fù),兩者極性始終相反。根據(jù)電子學(xué)知識(shí)可知: U 0=-011R R U gd -021R R (-U f 若R 01=R 02=R 0則 U 0=-01R R (U gd -U f =K p U可得,K p =-01R R ,與單個(gè)輸入信號(hào)的控制

35、器一致。從上式可知:多個(gè)輸入信號(hào)的比例控制器的輸出信號(hào)U 0是將給定信號(hào)U gd 與反饋信號(hào)U f 之差放大了K p 的絕對(duì)值倍數(shù)并反相輸出,若U gd >U f ,U 0<0,否則,當(dāng)U gd >U f ,U 0>0。 圖2-5-3在實(shí)際應(yīng)用中,要使輸出電壓U 0為正電值,通常是對(duì)給定電壓U gd 取負(fù)值、反饋電壓U f 取正值來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.5.2積分控制器(I 控制器積分(I 控制器是指控制器的輸出量U 0與輸入量(即偏差U 對(duì)時(shí)間的積分成正比,如圖2-5-4所示是一種由運(yùn)算放大器組成的積分控制器。1、原理分析 根據(jù)電子學(xué)知識(shí):U 0=-101C R t Udt 0

36、K I =-101C R 為積分控制器的積分常數(shù)T I =-R 0C 1=11K 為積分控制器的積分常數(shù)因此,用積分常數(shù)或積分時(shí)間,可將控制規(guī)律表達(dá)式表示為:U 0= K I t Udt 0=11T t Udt 0根據(jù)公式,其輸入輸出特性如圖2-5-5所示。圖2-5-42、積分控制器的特點(diǎn)從上圖看,當(dāng)t=t 1時(shí),輸入偏差U<0,由于電容C 1兩端電壓不能突變,C 1充電,輸出電壓U 0隨之正向線性增大(正值;當(dāng)t=t 2瞬間,U=0,但電容C 1兩端電壓都保持 t 2時(shí)的電壓不變,形成“無(wú)輸入,有輸出”的狀態(tài)。積分控制器的特點(diǎn):只要輸入U(xiǎn) 存在,控制器的輸出U 0隨時(shí)間積累越來(lái)越大,控

37、制作用越來(lái)越強(qiáng),迫使系統(tǒng)的輸出量逐漸趨向期望值,使偏差信號(hào)U 越來(lái)越小,直到U=0為止,最后保持在U=0的條件下正常運(yùn)行,也就是說(shuō)積分控制可以消除系統(tǒng)輸出量的誤差,能實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制,這是積分控制的最大優(yōu)點(diǎn)。但由于積分控制器的U 0是隨時(shí)間積累而逐漸增強(qiáng),其過(guò)程緩慢,在時(shí)間上總是落后于偏差信號(hào)的變化,故控制過(guò)程不及時(shí)。因而控制系統(tǒng)不能單獨(dú)使用積分(I 控制器,而只能作為一種輔助控制手段。2.5.3微分控制器(D 控制器微分控制器是指輸出量U 0與輸入量(即偏差信號(hào)U 對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)成正比,如圖2-5-6所示就是一種微分(D 控制器。 1、原理分析由電子學(xué)知識(shí)可知:U 0U 圖2-5-5 圖2-

38、5-6U 0=-R 1C 1dtU d T D =-R 1C 1 為微分控制的微分常數(shù) 即:U 0=T DdtU d 根據(jù)公式可知,微分控制的輸入輸出特性如圖2-5-7所示: 2、微分控制器的控制特點(diǎn)假設(shè)輸入到PD 控制器的偏差信號(hào)U 呈梯形變化,如圖2-5-8所示。在0t1期間,U 線性增長(zhǎng),而U 0對(duì)U 的變化非常敏感,在t=0瞬間,U 尚未出現(xiàn),但微分(D 控制器已發(fā)出T DdtU d 的控制信號(hào):U 稍有變動(dòng),U 0隨之變化,而U 變化越劇烈,U0的變化就越大,在t 1-t 2期間,U 保持不變,則輸出U 0=0。由電子學(xué)知識(shí)可知:該控制器的輸出特性如圖2-5-9所示?？梢?微分控制系

39、統(tǒng)中U 0的變化比U 的變化超前,說(shuō)明D 控制器能提前行動(dòng),能及時(shí)采取措施對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,起到“未雨綢繆”的效果,也就是說(shuō)微分(D 控制器具有“超前性” 。同時(shí),由于U 0與偏差信號(hào)的變化率成正比,當(dāng)dtU d 較大時(shí),意味著U 下一步將會(huì)有較大的變動(dòng),由此可知,微分(D 控制器形成“有輸入,無(wú)輸出”的特圖2-5-7圖2-5-8 圖2-5-9點(diǎn)。微分(D 控制雖有“預(yù)見”信號(hào)變化趨勢(shì)的優(yōu)點(diǎn),但也存在放大干擾信號(hào)的缺點(diǎn)。因此,在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)給予足夠的重視。3、P 、I 、D 控制器的比較 2.5.4比例積分(PI 控制器在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制

40、系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)(System with Steady-state Error 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。 積分控制雖能消除靜差,但控制過(guò)程慢。而比例控制速度快,但有靜差;兩種控制器的優(yōu)缺點(diǎn)相反。如果將兩者合理組合,取長(zhǎng)補(bǔ)短,則可獲得一種較理想的控制規(guī)律。比例積分控制器就是這樣形成的。1、原理分析所謂比例積分控制器,是指控制器的輸出U 0既與輸入偏差U 成正比,又與偏差U 對(duì)時(shí)間的積分成整套比。PI 控制器是以比例控制為主,積分控制為輔的控制器,其控制規(guī)律表達(dá)式為:U 0=K P (U+11T tUdt 0

41、式中,T1是比例積分控制器的積分時(shí)間,T 1=Kp/K 1。 圖2-5-10是一種由PI 控制器原理圖及其輸入輸出特性。由于U 從反相端輸入,故電路的輸出為: U 0=-1R R U+101C R tUdt 0如上述所示,PI 控制器的輸出U 0實(shí)際上是比例和積分兩個(gè)分量相加而成,只要改變R 1和C 1的值,就可方便地改變PI 控制器的積分時(shí)間T 1=R 1C 1,從而取得滿意的控制效果。2、PI 控制器的工作過(guò)程:當(dāng)t=t 1時(shí),一個(gè)負(fù)極性的U 突加于輸入端,由于電容兩端電壓在能突變,故電容C 1相當(dāng)于短路,此時(shí)控制器便是一個(gè)具有放大系數(shù)KP 的比例控制器,其輸出量立即產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)輸入量的正

42、向突跳,其大小為K P =U (如圖的虛線所示,隨之,電容C 1補(bǔ)充電,控制器的輸出電壓U 0逐漸升高,PI 控制器的積分控制也發(fā)揮作用,輸出U 0直線上升,控制作用越來(lái)越強(qiáng),迫使系統(tǒng)輸出量進(jìn)一步逼近期望值。當(dāng)t=t 2時(shí),系統(tǒng)輸出值完全等于期望值,靜差為零,即偏差信號(hào)U=0,控制器的比例控制分量立即消失,故U 0曲線突然下降K P U ;而積分控制分量則進(jìn)入了“無(wú)輸入,但有輸出”的狀態(tài),該狀態(tài)下的輸出U 0=U OS 是一條水平線,其大小恰好控制系統(tǒng)的輸出量使之等于期望值,從而達(dá)到了無(wú)靜差控制的目的。2.5.5比例微分(PD 控制器在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化

43、率成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié)或有滯后(delay組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō),在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的,比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”,它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),這樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負(fù)值,從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,比例微分(PD控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特

44、性。1、原理分析比例微分(PD 控制器的輸出量U0與輸入量(即偏差信號(hào)U 成正比,又與輸入圖2-5-10量對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)成正比。其控制規(guī)律表達(dá)式為: U 0=1R R U+R 1C 0dtU d = K P (U+ T DdtU d 式中,K P 為例控制放大系數(shù),T D 為微分時(shí)間常數(shù)。圖2-5-11是一種由運(yùn)算放大器組成的PD 控制器原理力及其輸入輸出特性。如上述所示,PD 控制器的輸出U 0實(shí)際上是比例和微分兩個(gè)分量相加而成,只要改變R 1和C 0的值,就可方便地改變PD 控制器的微分時(shí)間T D ,從而取得滿意的控制效果。2、PD 控制器的工作過(guò)程:假設(shè)輸入到PD 控制器的偏差信號(hào)U

45、呈梯形變化,如圖2-5-12所示。在t=0的瞬間,U 雖未出現(xiàn),但PD 控制器已發(fā)出T DdtU d 的控制信號(hào),如圖2-5-13所示,這是因?yàn)镻D 控制器已預(yù)測(cè)到U 將會(huì)直線增大而及時(shí)采取的措施。在t=t1瞬間,因U 恒定,其一階導(dǎo)數(shù)為零?？刂破鞯谋壤刂品至勘３种鳸 0=U 的關(guān)系。從t=t 2開始,PD 控制器又預(yù)見到U 將會(huì)直線下降,因而提前發(fā)出一個(gè)-T DdtU d 的制動(dòng)(減速圖2-5-11圖2-5-12 圖2-5-13信號(hào),以防止過(guò)大超調(diào)量的出現(xiàn)。 微分控制器“預(yù)見性”、“超前性”優(yōu)點(diǎn),能反映出偏差的大小及其變化趨勢(shì),并能在偏差信號(hào)的數(shù)值尚未變得太大前,能在系統(tǒng)中引進(jìn)一個(gè)有效的早

46、期修正信號(hào),有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并能抑制過(guò)大的超調(diào)量。但必須指出,由于純微分控制作用只是在U 變化著的瞬態(tài)過(guò)程中才起效,而在信號(hào)U 不變化或變化極其緩慢的穩(wěn)態(tài)情況下將完全失效(無(wú)輸出,這就形成了“有輸入,無(wú)輸出”的狀態(tài)。所以,單純的微分控制器在任何情況下都不能單獨(dú)用以控制某對(duì)象。通常純微分控制總是和比例控制組合在一起形成比例微分PD 控制器。2.5.6比例積分微分(PID 控制器從比例(P 、積分(I 、微分(D 控制器的特點(diǎn)看,若將比例、積分、微分控制結(jié)合起來(lái),形成比例積分微分控制(簡(jiǎn)稱PID 控制,將會(huì)得到更完善的控制效果。1、原理分析如前所述,我們可以得出PID 控制器的定義為:控制器的

47、輸出U 0既與偏差信號(hào)U 成正比,又與偏差信號(hào)U 對(duì)時(shí)間的積分成正比例,還與偏差信號(hào)U 的一階導(dǎo)數(shù)成正比。 PID 控制規(guī)律表達(dá)式為 U 0=K P (U+11T tUdt 0+ T DdtU d 式中的K P 、T 1、T D 的意義前面已述,這里不再祥述。圖2-5-14示出了一種由運(yùn)算放大器組成的PID 控制器原理圖及其輸入輸出特性。2、PID 控制器的特點(diǎn)該電路的輸出特性U 0為P 、I 、D 三個(gè)輸出信號(hào)之和,由于電路的微分不是理想的微分,而是實(shí)際的微分,故U 0的表達(dá)式與式 U 0=K P (U+11T tUdt 0+ T DdtU d 略有不同。從其輸出曲線可見,從t=t 1開始,

48、比例作用(P 就始終存在,它是PID 控制的基本分量;微分作用(D 在t 1的瞬間有很大的輸出,具有超前作用,迫使系統(tǒng)強(qiáng)烈調(diào)節(jié),然后逐漸消失,進(jìn)入了“有輸入。但無(wú)輸出”的狀態(tài);積分作用則在開始時(shí)作用不明顯,但圖2-5-14隨著時(shí)間的推移,其作用逐漸增大,呈現(xiàn)出主要控制作用,直至系統(tǒng)靜差消失為止。由于PID控制規(guī)律全面地綜合了比例、積分、微分控制的優(yōu)點(diǎn),故PID控制器是一種相當(dāng)完善的控制器。PID控制不但可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)無(wú)靜差,而且具有比PI控制更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。因而,PID控制在實(shí)際工程中得到了極其廣泛的應(yīng)用。采用PID控制時(shí),人們常提及控制器參數(shù)的整定,以便使系統(tǒng)達(dá)到最佳控制效果。參數(shù)整定

49、的方法較多,其中不少是理論研究的成果,并已在工程實(shí)踐中予以采用,另外,參數(shù)整定的又一方法是經(jīng)驗(yàn)整定法,其實(shí)是一種經(jīng)驗(yàn)試湊法,是工程技術(shù)人員在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)。§2.6自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例一、電爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)圖2-6-1為工業(yè)電爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖。圖中的加熱爐采用電加熱的方式運(yùn)行,加熱器所產(chǎn)生熱量與施加的電壓u c的平方成正比,u c增高,爐溫就上升。在本系統(tǒng)中, u c的高低由VT調(diào)壓器的導(dǎo)通角位置所控制。爐子的實(shí)際溫度采用熱偶測(cè)出,并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)的電壓信號(hào)u f。u f作為系統(tǒng)的反饋電壓送往輸入端與給定電壓u gd進(jìn)行比較,得出偏差電壓u e=u gd-u

50、f。u e經(jīng)電壓放大器放大成u1,再輸出去控制晶閘管調(diào)壓器VT的觸發(fā)裝置GT后,從而改變導(dǎo)通角位置,控制VT輸出電壓作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 圖2-6-1圖1-5恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)1一加熱電阻絲2一電爐箱3一熱電偶4一給定電位器5一電壓放大器6一功率放大器7一直流伺服電動(dòng)機(jī)8一減速器9一調(diào)壓變壓器在正常情況下,爐溫等于某個(gè)預(yù)定值T,熱電偶的輸出電壓u f正好等于給定電壓u gd。此時(shí),u e= u gd-u f=0,VT調(diào)壓器的導(dǎo)通角停留在某個(gè)合適的位置上,使u e保持著一定的電壓數(shù)值。這時(shí),電爐散失的熱量正好等于從加熱器吸取的熱量,形成一個(gè)穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。假如爐膛T由于某種原因(干擾而下降(例如爐門打開造成的熱量流失,則該系統(tǒng)將出現(xiàn)以下的控制過(guò)程: 控