自動(dòng)控制原理及應(yīng)用第1章緒論

1、自動(dòng)控制原理及應(yīng)用自動(dòng)控制原理及應(yīng)用 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 董紅生主編董紅生主編第第1章章 緒論緒論本章小結(jié)本章小結(jié)1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用舉例自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用舉例1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)：v理解自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式及自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成等基本概念；v了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法；v掌握對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求；v熟悉自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例分析方法。教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)：v理解自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式及自動(dòng)控

2、制系統(tǒng)的組成等基本概念；v了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法；v掌握對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求；v熟悉自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例分析方法。1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1.1.1 自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng) 控制是指由人或用控制裝置使被控對(duì)象按照一定目的動(dòng)作所進(jìn)行的 操作。如果控制任務(wù)是由人來(lái)完成，則稱為人工控制。如果人不直接參與，而是由控制裝置自動(dòng)完成控制任務(wù)，則稱為自動(dòng)控制。 1.人工控制 水位控制主要是通過(guò)控制閥門的開(kāi)度來(lái)滿足水位控制的要求。水箱水位的人工控制系統(tǒng)如圖1-2所示， 其控制過(guò)程包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)： （1）通過(guò)測(cè)量元件（刻度標(biāo)尺），觀測(cè)水箱中的實(shí)際水位，即被

3、控量； （2）將實(shí)際水位與要求的水位（給定值）相比較，得出兩者偏差； （3）根據(jù)水位偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開(kāi)度。當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門開(kāi)度，反之，則加大閥門開(kāi)度。通過(guò)偏差的調(diào)節(jié)，可使水箱水位與要求值基本保持一致。 圖1-2 水箱水位的人工控制 人工控制的過(guò)程就是測(cè)量、求偏差、實(shí)施控制以糾正偏差的過(guò)程。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是檢測(cè)偏差并糾正偏差的過(guò)程。2.自動(dòng)控制水箱中的浮子：反映了實(shí)際水位的變化，起到水位測(cè)量的作用；連桿機(jī)構(gòu)：作為比較器，完成實(shí)際水位與期望水位的比較； 放大器、伺服電動(dòng)機(jī)和減速器：水位的調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置； 閥門：水位調(diào)節(jié)的執(zhí)行元件，其開(kāi)度則由電位器上的電壓控制。 圖1-3

4、 水箱水位的自動(dòng)控制 v人工控制和自動(dòng)控制比較： 測(cè)量裝置人眼； 執(zhí)行機(jī)構(gòu)人手； 比較與控制環(huán)節(jié)人腦。 共同的特點(diǎn)：檢測(cè)偏差，并用檢測(cè)到的偏差去糾正偏差。 “以偏差糾正偏差”的控制原理又被稱為反饋控制原理。v自動(dòng)控制術(shù)語(yǔ)： 被控對(duì)象（或稱為受控對(duì)象）：被控的設(shè)備或過(guò)程 被控量（或稱為被控參數(shù)）：表征設(shè)備或過(guò)程運(yùn)行情況或狀態(tài)并加以控制的物理參量（或狀態(tài)參量） 給定值（或稱為參考輸入、設(shè)定值）：被控量所應(yīng)保持的期望值 干擾（或稱為擾動(dòng)）：引起被控量的變化因素v 自動(dòng)控制的任務(wù)描述為：使被控對(duì)象的被控量等于或按一定精度符合給定值。 系統(tǒng)的控制裝置和被控對(duì)象組合在一起就稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的

5、方框圖如圖1-4所示。 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)輸入信號(hào)輸入信號(hào)輸出信號(hào)輸出信號(hào) 圖圖1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖3.自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及控制過(guò)程通?？捎媒Y(jié)構(gòu)框圖的形式描述。水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖l-5所示。圖中，用“方框”表示系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，用“箭頭”代表信號(hào)的傳遞方向，用“ ”表示比較環(huán)節(jié)，而反饋回路的“”號(hào)表示負(fù)反饋。圖1-5 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖既反映了反饋控制的基本原理，又清楚地表明了系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的作用及其它們之間的受控關(guān)系。1.1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式基本控 制方式 開(kāi)環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制 開(kāi)環(huán)控制系

6、統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng) 1開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制是指的系統(tǒng)的輸出量（被控量）對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響。 從系統(tǒng)的信號(hào)流向看：其控制信號(hào)的傳遞方向只有順向沒(méi)有反饋。開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法都比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的抗干擾能力差，控制精度完全取決于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的精度。當(dāng)系統(tǒng)存在干擾或系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)直接影響被控量，而系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償，因而控制精度難于保證。 適用場(chǎng)合：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定，且不存在干擾或干擾很弱，對(duì)被控量要求不高的場(chǎng)合，如家用電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制、自動(dòng)洗衣機(jī)、包裝機(jī)以及一些自動(dòng)化流水線，多屬于該類控制系統(tǒng)。 開(kāi)環(huán)控制的原理框圖如圖1-5 所示。 圖1-5 開(kāi)環(huán)控制的原理框圖2閉環(huán)控

7、制是指系統(tǒng)的輸出量（被控量）對(duì)系統(tǒng)的控制作用有直接影響。閉環(huán)控制的原理框圖如圖1-7所示。 圖1-7 閉環(huán)控制的原理框圖從系統(tǒng)的信號(hào)流向看，系統(tǒng)輸出信號(hào)沿反饋通道（一般由檢測(cè)、變送器構(gòu)成）回送到系統(tǒng)的輸入端形成反饋信號(hào)。由于控制系統(tǒng)中存在反饋回路，故稱為閉環(huán)控制或反饋控制。 閉環(huán)控制的特點(diǎn)：系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試較為困難。由于閉環(huán)控制存在反饋信號(hào)，若系統(tǒng)元件參數(shù)配合不當(dāng)，容易產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)不能正常工作。 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的比較： 從控制系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)系統(tǒng)的輸入量預(yù)先知道，且不存在其它任何擾動(dòng)時(shí)，采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)較為合適，而當(dāng)存在無(wú)法預(yù)計(jì)的外部擾動(dòng)或系統(tǒng)參數(shù)變化

8、時(shí)，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)具有更多的優(yōu)越性。 從系統(tǒng)穩(wěn)定性的觀點(diǎn)來(lái)看，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)不存在穩(wěn)定性的問(wèn)題，而在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定性始終是一個(gè)重要問(wèn)題。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出對(duì)外部干擾和內(nèi)部參數(shù)變化不敏感，可以使用低精密的元件構(gòu)成高精密的控制系統(tǒng)，而這一點(diǎn)對(duì)于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是不可能做到的； 閉環(huán)控制系統(tǒng)采用的元件數(shù)量較多，因此系統(tǒng)成本和功率要比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)高。3.復(fù)合控制是在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)給定或擾動(dòng)信號(hào)的順饋通路，對(duì)該信號(hào)實(shí)行加強(qiáng)或補(bǔ)償，以達(dá)到精確的控制效果。 圖1-7給定補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制 圖1-8擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制1.1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 自動(dòng)控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象和控制裝

9、置兩部分組成。 圖圖1-9 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 在工業(yè)過(guò)程控制中，控制裝置主要包括檢測(cè)元件、變檢測(cè)元件、變送器、控制器（校正裝置）或計(jì)算機(jī)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)送器、控制器（校正裝置）或計(jì)算機(jī)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，分別完成檢測(cè)、運(yùn)算和執(zhí)行等功能。給定元件：其功能是確定被控對(duì)象的目標(biāo)值，即給定值，要求給定值與測(cè)量值的信號(hào)種類和量綱保持一致，給定量可以是各種形式，如電量、非電量、數(shù)字量、模擬量等。測(cè)量元件：其功能是檢測(cè)被控量，并將檢測(cè)值轉(zhuǎn)換為便于處理的電壓或電流信號(hào)后，傳送到輸入比較裝置。通常測(cè)量元件出現(xiàn)在反饋回路中。比較元件：其功能是將給定值與測(cè)量值進(jìn)行比較，求出兩者之間的偏差。放大元件：

10、其功能是將比較元件給出的偏差信號(hào)進(jìn)行放大，以便有足夠的功率來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件執(zhí)行控制。執(zhí)行元件：其功能是直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控量發(fā)生變化。校正元件：是在系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上附加的元件或裝置，其參數(shù)可靈活調(diào)整，主要用于改善系統(tǒng)的控制性能。工程上又稱為調(diào)節(jié)器。通常采用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。被控對(duì)象：是指控制系統(tǒng)中需要控制的對(duì)象，通常為生產(chǎn)設(shè)備或工作機(jī)構(gòu)等。 1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.2.1 按給定值的變化規(guī)律分類按給定值的變化規(guī)律分類1. 恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)的給定值為一恒定值，控制的目的是要求系統(tǒng)的被控量等于給定值，且保持恒定不變。2. 隨動(dòng)控制系統(tǒng)(又稱伺

11、服系統(tǒng) ）隨動(dòng)控制系統(tǒng)又稱為跟蹤控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)給定值按事先未知的時(shí)間函數(shù)變化（有時(shí)是完全隨機(jī)的），控制的目的是要求系統(tǒng)的被控量能快速、準(zhǔn)確地跟隨給定值的變化。3. 程序控制系統(tǒng)在程序控制系統(tǒng)中，給定值是按事先預(yù)定的規(guī)律變化，是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，控制的目的是要求被控量按照確定的給定時(shí)間函數(shù)變化。 1.2.2 按系統(tǒng)的信號(hào)形式分類連續(xù)控制系統(tǒng) 離散控制系統(tǒng)1.2.3 按系統(tǒng)的特性分類線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng) 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.3.1 穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定性是指當(dāng)系統(tǒng)受到外加信號(hào)（給定或擾動(dòng)）作用后，系統(tǒng)響應(yīng)的暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。 工程上

12、對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面： 穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性。 (a)穩(wěn)定系統(tǒng) (b)不穩(wěn)定系統(tǒng)圖1-11 穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)1.3.2 快速性系統(tǒng)的快速性可用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)描述。 一個(gè)實(shí)際控制系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)要具有穩(wěn)定性（指的是絕對(duì)穩(wěn)定性），而且其輸出響應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩不宜過(guò)大（指的是相對(duì)穩(wěn)定性），否則無(wú)法滿足生產(chǎn)要求。 圖1-12 控制系統(tǒng)的快速性 系統(tǒng)快速性表征了輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度。 1.3.3 準(zhǔn)確性系統(tǒng)的準(zhǔn)確性可用輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之差（ess）來(lái)描述。系統(tǒng)準(zhǔn)確性反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，若ess不為零，則為有差系統(tǒng)；反之，若ess等于零，則為無(wú)差系統(tǒng)。 圖1-13

13、 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度 對(duì)于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性的要求往對(duì)于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性的要求往往是相互制約的。過(guò)分提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，可能往是相互制約的。過(guò)分提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩加劇，甚至不穩(wěn)定；而過(guò)分強(qiáng)調(diào)改善相導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩加劇，甚至不穩(wěn)定；而過(guò)分強(qiáng)調(diào)改善相對(duì)穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)響應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致系統(tǒng)控對(duì)穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)響應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致系統(tǒng)控制精度降低。根據(jù)系統(tǒng)具體任務(wù)的不同，在分析和設(shè)制精度降低。根據(jù)系統(tǒng)具體任務(wù)的不同，在分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快三方面的性能計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快三方面的性能要求應(yīng)統(tǒng)籌考慮，并有所側(cè)重，從

14、而全面滿足系統(tǒng)性要求應(yīng)統(tǒng)籌考慮，并有所側(cè)重，從而全面滿足系統(tǒng)性能要求。能要求。 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用舉例自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用舉例【例例1-1】電爐箱溫度控制系統(tǒng)如圖1-14 所示。試分析系統(tǒng)的工作原理，并畫(huà)出系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖。圖圖1-14 電爐箱溫度控制系統(tǒng)電爐箱溫度控制系統(tǒng)解：（解：（1）系統(tǒng)的工作原理）系統(tǒng)的工作原理 電爐箱溫度控制系統(tǒng)為一閉環(huán)恒溫控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用熱電偶檢測(cè)電爐箱實(shí)時(shí)溫度，并將爐溫轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Uf（mV），反饋至輸入端與給定電壓Us進(jìn)行比較，求得兩者的偏差U=Us-Uf，此偏差電壓作為控制信號(hào)，經(jīng)電壓放大和功率放大后驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速器帶動(dòng)調(diào)壓變壓器的滑

15、動(dòng)觸頭移動(dòng)，完成爐溫調(diào)節(jié)。（2）系統(tǒng)的原理框圖 圖1-15 電爐箱恒溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 【例例1-2】鍋爐液位控制系統(tǒng)如圖1-16 所示。 圖圖1-16 鍋爐液位控制系統(tǒng)鍋爐液位控制系統(tǒng)解：（1）系統(tǒng)的工作原理鍋爐液位控制系統(tǒng)為一閉環(huán)液位恒值控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽的耗汽量與鍋爐進(jìn)水量相等時(shí)，液位保持為正常標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)鍋爐的給水量不變，而蒸汽負(fù)荷突然增加或減少時(shí)，液位就會(huì)降低或升高；或者當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變，而給水管道水壓發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)引起鍋爐液位發(fā)生波動(dòng)。不論出現(xiàn)哪種情況，測(cè)量變送器就會(huì)檢測(cè)出來(lái)，在調(diào)節(jié)器內(nèi)求出實(shí)際液位與給定液位之間的偏差，并給出適當(dāng)?shù)目刂屏?，?qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，增大或減小給水閥門的開(kāi)

16、度，使鍋爐液位迅速恢復(fù)到期望給定值。 （2）系統(tǒng)的原理框圖鍋爐液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-17所示。圖圖1-17 鍋爐液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖鍋爐液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖【例例1-3】機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖如圖1-18所示。 解：（1）系統(tǒng)的工作原理圖圖1-18 機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)解：（1）系統(tǒng)的工作原理 機(jī)床工作臺(tái)控制系統(tǒng)為一閉環(huán)的位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)。首先通過(guò)指令電位器W1的滑動(dòng)觸點(diǎn)給出工作臺(tái)的位置指令信號(hào)xr ，并轉(zhuǎn)換為給定電壓信號(hào)ur。被控制工作臺(tái)的位移信號(hào)xc由反饋電位器W2 檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換為反饋電壓信號(hào)xc。由于兩電位器連接為電橋電路，當(dāng)工作臺(tái)位置信號(hào)與給定

17、位置信號(hào)有偏差時(shí)，電橋輸出電壓為 rcuuu 當(dāng)指令電位器和反饋電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)都處于左端時(shí)，即 ，則 ，此時(shí)，放大器無(wú)輸出，直流伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，工作臺(tái)靜止，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。0rcxx 0u 當(dāng)給出位置指令時(shí)，在工作臺(tái)改變位置之前的瞬間，有 ，則電橋輸出電壓為此偏差電壓經(jīng)放大器放大后控制直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪減速器和絲杠副工作，使工作臺(tái)右移。當(dāng)工作臺(tái)實(shí)際位置與給定位置之間的偏差隨工作臺(tái)的移動(dòng)逐漸減小時(shí)，有 減小，則直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角減小，使得工作臺(tái)的位置逐漸接近給定位置。當(dāng)工作臺(tái)的實(shí)際位置與給定位置一致時(shí)，電橋重新平衡，有 ，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，工作臺(tái)則停止在給定位置，系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)。0cx 0rruuu u0u （2）系統(tǒng)的原理框圖機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-19所示。本章小結(jié)本章小結(jié)（1）自動(dòng)控制是指沒(méi)有人直接參與的情況下，利用自動(dòng)控制裝置使被控量保持恒定或按預(yù)定的規(guī)律變化。自動(dòng)控制系統(tǒng)包括被控對(duì)象和控制裝置兩個(gè)部分，一般控制裝置主要包括檢測(cè)元件、變送器、控制器（校正裝置）或計(jì)算機(jī)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，用于完成檢測(cè)、運(yùn)