自動控制原理(培訓(xùn))

1、工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)自動控制原理自動控制原理2011年3月工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)v引言v術(shù)語v閉環(huán)控制和開環(huán)控制v自動控制系統(tǒng)的分類v對自動控制系統(tǒng)的基本要求v線性控制系統(tǒng)的校正工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)18世紀(jì)，James Watt 為控制蒸汽機速度設(shè)計的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤

2、變化的輸入信號的機電伺服機構(gòu)。引言引言工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)19世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。19世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計問題的重點從設(shè)計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計在某種意義上的最佳系統(tǒng)。19世紀(jì)60年代，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。從1960年到1980，確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論進(jìn)展集中于魯棒控制、H控制及其相關(guān)課題。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)v古典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入-單輸出一類定?？刂?/p>

3、系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。 v現(xiàn)代控制 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)術(shù)語術(shù)語自動控制對象 過程 系統(tǒng) 擾動 反饋控制反饋控制系統(tǒng) 隨動系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng)1 自動控制 在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預(yù)定要求進(jìn)行。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)2 對象對象 是一個設(shè)備，它是由一些機器零件有機地組合在一起的，其作用是完成一個特定的動作。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)3 過程過程 稱任何被控制的運行狀態(tài)為過程，其具體例

4、子如化學(xué)過程、經(jīng)濟學(xué)過程、生物學(xué)過程。4 系統(tǒng)系統(tǒng) 完成一定任務(wù)的一些元、部件的組合。5 擾動擾動擾動是一種對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)6 反饋控制反饋控制反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，而且其工作正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的。7 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進(jìn)行控制。 工

5、控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)8 8 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量是機械位移、速度或者加速度。因此，隨動系統(tǒng)這個術(shù)語，與位置（或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語。在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛采用著隨動系統(tǒng)。9 過程控制過程控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如對壓力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，稱為過程控制。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)閉環(huán)控制與開環(huán)控制閉環(huán)控制與開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)例：烤面包機輸入定時器設(shè)定的時間輸出面包的顏色控制對象烤箱的加熱系統(tǒng)控制器與被控對象之間只有正向的控制作用。輸出量對控制量沒有影響。輸入輸出間沒有反饋回路。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工

6、控機培訓(xùn)開環(huán)控制系統(tǒng)的特點開環(huán)控制系統(tǒng)的特點：1. 結(jié)構(gòu)簡單、造價低。2. 系統(tǒng)的控制精度取決于給定信號的標(biāo)定精度及控制器及被控對象參數(shù)的穩(wěn)定性。3. 開環(huán)系統(tǒng)沒有抗干擾的能力。因此精度較低。 應(yīng)用場合：應(yīng)用場合：1. 控制量的變化規(guī)律可以預(yù)知。2. 可能出現(xiàn)的干擾可以抑制。3. 被控量很難測量。應(yīng)用較為廣泛，如家電、加熱爐、車床等等。液位控制示意圖 調(diào)節(jié)容器內(nèi)液面位置的人工閉環(huán)控制系統(tǒng)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)閉環(huán)控制系統(tǒng)將輸出量引入到輸入端，使輸出量對控制作用產(chǎn)生直接的影響。形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)前向通道：系統(tǒng)輸入量到輸出量之間的通道。反饋通道：從輸出量到反饋信號之間的通道。比較

7、環(huán)節(jié)：輸出量為各輸入量的代數(shù)和。輸入量：ur 輸出量：n 反饋量：uf 控制量：ua偏差量(ue)給定量 (ur )反饋量(uf ) 工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)閉環(huán)控制系統(tǒng)：通過反饋回路使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)并按偏差的性質(zhì)產(chǎn)生控制作用，以求減小或消除偏差(從而減小或消除誤差)的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點：閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點：1.系統(tǒng)對外部或內(nèi)部干擾(如內(nèi)部件參數(shù)變動)的影響不甚敏感。2.出于采用反饋裝置，導(dǎo)致設(shè)備增多，線路復(fù)雜。3.閉環(huán)系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題。由于反饋通道的存在，對于那些慣性較大的系統(tǒng)，若參數(shù)配合不當(dāng)，控制性能可能變得很差甚至出現(xiàn)發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況。注意：對于主反饋必須采用負(fù)反饋。若

8、采用正反饋將使偏差越來越大。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)自動控制系統(tǒng)的特征自動控制系統(tǒng)的特征 ：1. 結(jié)構(gòu)上必須有反饋裝置并按負(fù)反饋的原則構(gòu)成系統(tǒng)。2. 由偏差產(chǎn)生控制作用。3. 控制的目的是盡量的減小或消除偏差，使輸出量接近于期望值。自動控制系統(tǒng)定義：自動控制系統(tǒng)定義： 是一個帶有反饋裝置的動力學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)能自動而連續(xù)地測量被控制量，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，而控制的目的是力圖減小或消除所存在的偏差。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)控制系統(tǒng)的組成工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)測量反饋元件測量反饋元件用以測量被控量并將其轉(zhuǎn)換成與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。比較元件比較元件用來比較輸人

9、信號與反饋信號。放大元件放大元件將微弱的信號作線性放大。校正元件校正元件按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號，并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。以利于改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件執(zhí)行元件根據(jù)偏差信號的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，以便使被控量按期望值變化?？刂茖ο罂刂茖ο笥址Q被控對象或受控對象，通常是指生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行控制的工作機械或生產(chǎn)過程。出現(xiàn)于被控對象中需要控制的物理量稱為被控量被控量。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較 閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了反饋，因而使系統(tǒng)的響應(yīng)對外部閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了反饋，因而使系統(tǒng)的響應(yīng)對外部干擾和內(nèi)部系統(tǒng)的參數(shù)變化均

10、相當(dāng)不敏感。這樣，對于給定的干擾和內(nèi)部系統(tǒng)的參數(shù)變化均相當(dāng)不敏感。這樣，對于給定的控制對象，有可能采用不太精密且成本較低的元件構(gòu)成精密的控制對象，有可能采用不太精密且成本較低的元件構(gòu)成精密的控制系統(tǒng)。在開環(huán)情況下，就不可能做到這一點。控制系統(tǒng)。在開環(huán)情況下，就不可能做到這一點。 從穩(wěn)定性的觀點出發(fā)，開環(huán)控制系統(tǒng)比較容易建造，因為從穩(wěn)定性的觀點出發(fā)，開環(huán)控制系統(tǒng)比較容易建造，因為對開環(huán)系統(tǒng)來說，不存在穩(wěn)定性的問題。但是在閉環(huán)系統(tǒng)中，對開環(huán)系統(tǒng)來說，不存在穩(wěn)定性的問題。但是在閉環(huán)系統(tǒng)中，穩(wěn)定性則始終是一個重要問題。因為閉環(huán)系統(tǒng)可能引起過調(diào)誤穩(wěn)定性則始終是一個重要問題。因為閉環(huán)系統(tǒng)可能引起過調(diào)誤差，

11、從而導(dǎo)致系統(tǒng)做等幅振蕩或變幅振蕩。差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)做等幅振蕩或變幅振蕩。 工程上常采用的復(fù)合控制方法，就是把兩者結(jié)合起來使用。工程上常采用的復(fù)合控制方法，就是把兩者結(jié)合起來使用。復(fù)合控制實質(zhì)上是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)復(fù)合控制實質(zhì)上是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加一個輸入信上，附加一個輸入信號（給定或擾動）的順饋通路，對該信號實行加強或補償，以號（給定或擾動）的順饋通路，對該信號實行加強或補償，以達(dá)到精確的控制效果。達(dá)到精確的控制效果。 工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)常見的方式有以下兩種：常見的方式有以下兩種：1.附加給定輸入補償附加給定輸入補償控制器控制器被控對象被控對象補償裝置補償裝置輸入輸入輸出輸出+-

12、 通常，附加的補償裝置可提供一個順饋控制信號，與原輸通常，附加的補償裝置可提供一個順饋控制信號，與原輸入信號一起對被控對象進(jìn)行控制，以提高系統(tǒng)的跟蹤能力。入信號一起對被控對象進(jìn)行控制，以提高系統(tǒng)的跟蹤能力。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)2.附加擾動輸入補償附加擾動輸入補償 該種復(fù)合控制方框圖。附加的補償裝置所提供的控制作用，該種復(fù)合控制方框圖。附加的補償裝置所提供的控制作用，主要起到對擾動影響主要起到對擾動影響“防患未然防患未然”的效果。的效果?？刂破骺刂破鞅豢貙ο蟊豢貙ο笱a償裝置補償裝置輸入輸入輸出輸出+-+擾動擾動工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類按控制方式分開環(huán)控制閉環(huán)控制(

13、反饋控制)復(fù)合控制 工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)按系統(tǒng)性能分工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)按參據(jù)量變化規(guī)律分恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對穩(wěn)定性）。穩(wěn)定性： 1 對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。 2 對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)快速性： 對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。 穩(wěn)定高射炮射

14、角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。準(zhǔn)確性： 用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的！ 工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)1. 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，但不能自動補償擾動對輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾動量產(chǎn)生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補償或影響不大時，采用開環(huán)控制是有利的。當(dāng)擾動量無法預(yù)計或控制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時，則應(yīng)采用閉環(huán)控制。2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以克服

15、擾動對系統(tǒng)的影響。閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。結(jié)論 值得自豪的是，1954年，中國科學(xué)家錢學(xué)森全面地歸納總結(jié)了經(jīng)典控制理論，在美國出版了國際上第一本經(jīng)典控制理論的著作工程控制論。 工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)線性控制系統(tǒng)的校正方法線性控制系統(tǒng)的校正方法 在工程實踐中，由于控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)不在工程實踐中，由于控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)不能滿足要求，需要在系統(tǒng)中加入一些適當(dāng)?shù)脑軡M足要求，需要在系統(tǒng)中加入一些適當(dāng)?shù)脑蜓b置去補償和提高系統(tǒng)的性能，以滿足性能指或裝置去補償和提高系統(tǒng)的性能，以滿足性能指標(biāo)的要求。這一過程我們稱為校正。標(biāo)的要

16、求。這一過程我們稱為校正。 目前工程實踐中常用的校正方式有串聯(lián)校正、目前工程實踐中常用的校正方式有串聯(lián)校正、反饋校正、前饋校正和復(fù)合校正四種。反饋校正、前饋校正和復(fù)合校正四種。工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn) 串聯(lián)校正裝置一般接在系統(tǒng)誤差測量點之后和串聯(lián)校正裝置一般接在系統(tǒng)誤差測量點之后和放大器之前，串接于系統(tǒng)前向通道之中；反饋校正放大器之前，串接于系統(tǒng)前向通道之中；反饋校正裝置接在系統(tǒng)局部反饋通路之中。串聯(lián)校正與反饋裝置接在系統(tǒng)局部反饋通路之中。串聯(lián)校正與反饋校正連接方式如圖所示。校正連接方式如圖所示。 串聯(lián)校正控制器對象RENC反饋校正工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn) 前饋校正又稱順饋校正，是在系統(tǒng)主反饋回前饋校

17、正又稱順饋校正，是在系統(tǒng)主反饋回路之外采用的校正方式。如圖所示。路之外采用的校正方式。如圖所示。 工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn) 復(fù)合校正方復(fù)合校正方式是在反饋控制式是在反饋控制回路中，加入前回路中，加入前饋校正通路，組饋校正通路，組成一個有機整體，成一個有機整體，如圖所示。如圖所示。 )(1sG)(sGn)(sR)(sE)(sN)(2sG)(sC(a)(b)(1sG)(sGr)(sR)(sE)(2sG)(sC工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn)基本控制規(guī)律基本控制規(guī)律 1 比例控制規(guī)律比例控制規(guī)律 具有比例控制規(guī)律的控制器，稱為具有比例控制規(guī)律的控制器，稱為P控制器，如圖所示?？刂破鳎鐖D所示。其中其中 稱為稱為P控

18、制器增益?？刂破髟鲆?。P控制器實質(zhì)上是一個具有控制器實質(zhì)上是一個具有可調(diào)增益的放大器。在串可調(diào)增益的放大器。在串聯(lián)校正中，加大控制器增聯(lián)校正中，加大控制器增益，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)益，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度，但會降提高系統(tǒng)的控制精度，但會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在系統(tǒng)校正設(shè)計中，很少單獨使用比例控制規(guī)律。在系統(tǒng)校正設(shè)計中，很少單獨使用比例控制規(guī)律。 工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn) 2 比例比例-微分控制規(guī)律微分控制規(guī)律 具有比例微分控制規(guī)律的控制器，稱為具有比例微分控

19、制規(guī)律的控制器，稱為PD控制控制器，器，PD控制器中的微分控制規(guī)律，能反應(yīng)輸入信號的控制器中的微分控制規(guī)律，能反應(yīng)輸入信號的變化趨勢，產(chǎn)生有效的早期修正信號，以增加系統(tǒng)的阻變化趨勢，產(chǎn)生有效的早期修正信號，以增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正時，使系尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正時，使系統(tǒng)的相角裕度提高，因而有助于系統(tǒng)動態(tài)性能的改善。統(tǒng)的相角裕度提高，因而有助于系統(tǒng)動態(tài)性能的改善。 工控機培訓(xùn)工控機培訓(xùn) 3 積分（積分（）控制規(guī)律）控制規(guī)律 具有積分控制規(guī)律的控制器，稱為具有積分控制規(guī)律的控制器，稱為控制器。在串聯(lián)校正時，控制器。在串聯(lián)校正時，采用采用控制器可以提高系統(tǒng)的型別（無差度），有利于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制器可以提高系統(tǒng)的型別（無差度），有利于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的提高，但積分控制使系統(tǒng)使信號產(chǎn)生的相角滯后，對系統(tǒng)性能的提高，但積分控制使系統(tǒng)使信號產(chǎn)生的相角滯后，對系統(tǒng)不利。因此，在控制系統(tǒng)的校正設(shè)計中，通常不宜采用單一的不利。因此，在控制系統(tǒng)的校正設(shè)計中，通常不宜采用單一的控制器?？刂破鳌?工控機培訓(xùn)工控機