第2講 自動控制系統(tǒng)的類型與組成

第2講自動控制系統(tǒng)的類型與組成自動控制系統(tǒng)的類型與組成2.1自動控制系統(tǒng)的類型1.開環(huán)、閉環(huán)及復合控制2.恒值自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、程序自動控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)2.2自動化系統(tǒng)的組成介紹自動化系統(tǒng)的主要組成部分

自動控制的類型（Typesofautomation）開關(guān)控制Discretecontrol(on/off)-離散控制連續(xù)控制Continuouscontrol開環(huán)、閉環(huán)控制Openandclosedloop順序控制、邏輯控制和狀態(tài)變量控制Sequentialcontrolandlogicalsequenceorsystemstatecontrol計算機控制Computercontrol2.1自動控制的類型按結(jié)構(gòu)框圖來分：1、開環(huán)控制（Openloop）2、閉環(huán)控制（Closedloop）3、(補償控制)(Compensation)4、(復合控制)(Compound)例：電加熱爐的爐溫控制外部擾動：電源電壓波動，環(huán)境溫度變化等內(nèi)部擾動：元器件老化、參數(shù)改變，工件體積和質(zhì)量變化等給定電位器

～給定電壓加熱爐+-交流電源電熱絲功率放大器工件1最簡單的控制——開環(huán)控制開關(guān)/連續(xù)控制？特點：沒有反饋，結(jié)構(gòu)簡單，但抗擾性差，控制精度低原理圖：方塊圖：功率放大器加熱爐控制輸入（給定電壓）（電功率）輸出量（爐溫）控制裝置受控對象擾動量擾動量給定電位器

～給定電壓加熱爐+-交流電源電熱絲功率放大器工件開環(huán)控制簡單的全自動洗衣機（進水過程略）清洗（定時）甩干（定時）漂洗（定時）甩干（定時）漂洗（定時）甩干（定時）結(jié)束信號反饋控制例：電加熱爐的爐溫反饋控制（人作為控制器）給定電位器

～給定電壓加熱爐+-交流電源電熱絲功率放大器工件溫度檢測根據(jù)爐溫的高低調(diào)節(jié)給定電壓，從而調(diào)節(jié)溫度給定電位器

～控制量加熱爐控制器誤差e

溫度變送器

變換電壓uf電熱絲溫度

傳感器功率放大器溫度信號+-交流電源

給定電壓uru輸出量y（爐溫）+-工件注：反饋控制又稱為“閉環(huán)控制”（feedback/closedloop)電加熱爐的爐溫反饋控制（自動控制）方塊圖：

原理圖：控制器加熱爐爐溫檢測ur擾動y－eufu相加點(綜合點)檢測噪聲給定電位器

～控制量加熱爐控制器誤差e

溫度變送器

變換電壓uf電熱絲溫度

傳感器功率放大器溫度信號+-交流電源

給定電壓uru輸出量y（爐溫）+-工件正反饋例：音響系統(tǒng)、振蕩電路等反饋控制的特點：有反饋信息（信號傳遞形成閉合回路），抗擾性好，控制精度高反饋形式有兩種：負反饋（自動化中廣泛應用），正反饋（信號發(fā)生器等）18世紀末發(fā)明蒸汽機及離心調(diào)速器

第一次工業(yè)革命大規(guī)模使用機器系統(tǒng)瓦特1788年發(fā)明蒸汽機及其反饋控制系統(tǒng)Watt的蒸汽機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖蒸汽蒸汽機負載轉(zhuǎn)速杠桿套筒彈簧飛錘圓錐齒輪轉(zhuǎn)速檢測轉(zhuǎn)速閥門最早的反饋控制——分析控制裝置受控對象反饋環(huán)節(jié)給定信號擾動－反饋信號控制量偏差被控量反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：顯示或記錄檢測信號注意每個模塊的輸入與輸出反饋系統(tǒng)的相關(guān)術(shù)語：受控對象反饋信號溫度：被控量給定信號比較環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)-給定電位器

～控制量加熱爐控制器誤差e

溫度變送器

變換電壓uf電熱絲溫度

傳感器功率放大器溫度信號+-交流電源u輸出量y（爐溫）+工件即時糾偏—補償控制

例：電加熱爐對電源電壓波動的補償控制電源電壓↑

輸出電壓↑，但補償調(diào)節(jié)器使控制電壓↓

輸出電壓基本不變

溫度基本不變功率放大器加熱爐輸出電壓爐溫控制電壓擾動電源電壓波動給定電位器給定電壓擾動檢測補償調(diào)節(jié)器補償控制的特點：提供一個控制作用來盡量抵消擾動對系統(tǒng)的影響，抑制擾動比反饋控制更及時。功率放大器加熱爐輸出電壓爐溫補償與反饋相結(jié)合的爐溫復合控制系統(tǒng)爐溫檢測控制電壓擾動給定電位器控制器給定電壓誤差反饋電壓電源電壓波動擾動檢測補償調(diào)節(jié)器

補償控制屬于開環(huán)控制，補償效果取決于設計是否準確，而且僅對特定可測擾動有效，一般擾動要靠反饋控制來抑制。復合控制系統(tǒng)例：水箱的水位反饋控制+

針對出水流量變化的補償控制+-水位y出水閥門誤差進水水箱放大器M電機給定電位計出水流量檢測補償調(diào)節(jié)器出水流量變化補償調(diào)節(jié)改變閥門開度水位基本不變比單純的反饋調(diào)節(jié)更快、更及時！補償控制可更快地及時抑制可測擾動對輸出的影響（對其他擾動沒有抑制作用）；反饋控制可抑制一般擾動對輸出的影響；兩者的結(jié)合可改善抗擾性，提高控制精度；缺點是結(jié)構(gòu)較復雜。復合控制的一般結(jié)構(gòu)及特點檢測-控制裝置受控對象給定信號擾動受控量補償裝置2.1自動控制的類型按輸入信號來分:1、恒值自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)2、程序自動控制系統(tǒng)3、隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）問題：控制對象？電動機的作用？反饋環(huán)節(jié)？恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：全自動燃氣熱水器手動調(diào)節(jié)全自動反饋調(diào)節(jié)：自動根據(jù)水溫調(diào)節(jié)火力進水出水進氣燃氣熱水器原理圖需要什么元件？恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：水箱的水位控制+-水位y出水閥門誤差進水水箱放大器M電機給定電位計方塊圖？是閉環(huán)嗎？問題：控制對象？電動機的作用？反饋環(huán)節(jié)？反饋控制舉例：電冰箱的溫度控制繼電控制器溫度檢測問題：控制對象？電動機的作用？反饋環(huán)節(jié)？程序自動控制系統(tǒng)按照時間，過程，加工要求的變化編程，執(zhí)行機構(gòu)按照控制器輸出的電脈沖信號進行控制。程序控制一般是屬于數(shù)字控制，例如數(shù)控機床，化工反應釜、加工流水線、定時灌概系統(tǒng)、音樂噴泉等。定時自動化噴灌系統(tǒng)溫室立體栽培化工反應釜

打印機，復印機按照確定的程序進行工作。接收信息并儲存，打印流程，出紙。程序自動控制系統(tǒng)程序自動控制系統(tǒng)當完全按設定的程序順序執(zhí)行時，可以認為是開環(huán)。當程序中含有根據(jù)輸入信號進行判斷，選擇執(zhí)行時可以認為是閉環(huán)。程序自動控制本質(zhì)上也是計算機控制的一部分，計算機控制有時指：可能處理的情況更加復雜，輸入輸出信號更多。工業(yè)自動加工流水線

隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）Servomachanism按照預先未知的規(guī)律來控制被控量例：火炮跟蹤系統(tǒng)雷達導引系統(tǒng)天文望遠鏡Servomechanism,orservo,adeviceusedtoprovidecontrolofadesiredoperationthroughtheuseoffeedback.隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）——早期伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：有機械的電氣的——伺服電機，各類控制電機微機控制的——伺服電機或控制器結(jié)合計算機，有了更多的伺服系統(tǒng)——機器人也可以認為是一種。其流程框圖：自動化系統(tǒng)的組成

與人作對比：檢測裝置

人的感覺器官；

控制器

人的大腦；

執(zhí)行機構(gòu)

人的四肢。——驅(qū)動（drivingdevice)決定系統(tǒng)性能的最關(guān)鍵部分：控制器

控制器受控對象反饋環(huán)節(jié)給定輸入－反饋信號偏差輸出放大環(huán)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)自動化系統(tǒng)的組成給定輸入——產(chǎn)生給定的輸入信號(傳感器sensor)放大環(huán)節(jié)——放大控制器的輸出信號，使之能控制執(zhí)行器執(zhí)行器——控制被控對象控制器——自動控制的核心部分，使系統(tǒng)按設定的控制規(guī)律自動工作。反饋環(huán)節(jié)——對系統(tǒng)的輸出量進行測量，并將它轉(zhuǎn)換成反饋信號比較環(huán)節(jié)——將給定的輸入信號與反饋信號進行比較，產(chǎn)生誤差（校正）信號擾動——各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差，干擾信號自動化系統(tǒng)的組成各個環(huán)節(jié)采用的設備與技術(shù)在不斷變化：自動控制技術(shù)的發(fā)展取決于每個階段應用技術(shù)所能達到的水平；早期的自動控制只能依靠簡單的機械裝置、氣動機構(gòu)、液壓傳動裝置等；隨著電的發(fā)明，很多電氣、電子元器件及設備相繼問世，繼電器、接觸器、電阻、電容、電感、電位器、放大器等陸續(xù)應用于自動控制系統(tǒng)，使控制性能得到提升；計算機技術(shù)使自動化控制技術(shù)更上一層樓。網(wǎng)絡技術(shù)則使得大規(guī)模的工業(yè)控制網(wǎng)絡、無線遙控等成為可能。隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）——早期自動化系統(tǒng)的組成上圖所構(gòu)成的控制裝置只能實現(xiàn)模擬控制，改變控制方法或控制參數(shù)就得更換相應的硬件，而且很多復雜一點的控制方法還無法實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)起來很困難；計算機的出現(xiàn)從根本上改變了自動控制的實現(xiàn)方式，控制方法和控制參數(shù)在計算機里只是一組程序（稱為“控制算法”），修改很方便，而且無論控制算法簡單還是復雜，都一樣可以實現(xiàn)，因此計算機在控制領(lǐng)域迅速推廣和普及；計算機控制的自動化系統(tǒng)的組成器件介紹傳感器伺服電機

伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。

伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。控制器常用的電氣控制設備PLC交流接觸器單片機單片機是在一塊芯片上集成了微處理器、存儲器及接口電路等，在計算機家族里體積最小、價格最便宜、應用非常普遍，一輛普通轎車里常常有幾十個到上百個單片機在工作。數(shù)字信號處理器

（DigitalSignalProcessor，簡稱“DSP”）

DSP的計算和處理功能相當強大，早期主要用于信號處理領(lǐng)域，價格也較昂貴，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，價格不斷降低，因而近年來在控制領(lǐng)域的應用也越來越多計算機控制方式的演變第一階段：集中控制用一臺計算機同時控制多臺機器或設備，輪流采集反饋信息，計算出所需要的控制量后輪流輸出給每臺機器或設備，屬于“分時控制”，主要缺點是可靠性差。計算機受控設備1受控設備2受控設備N…反饋信號反饋信號控制信號控制信號計算機受控設備1受控設備2受控設備N…反饋信號反饋信號控制信號控制信號

第二階段：單機控制一臺計算機只控制一臺機器或設備，主要優(yōu)點是控制風險小。這種方式在今天也很常見，如冰箱、空調(diào)、電飯煲的控制等?，F(xiàn)在用單片機控制。

計算機受控設備反饋信號控制信號

第三階段：分散控制對于多臺相互關(guān)聯(lián)的機器或設備，每臺機器或設備都單獨用一個數(shù)控裝置來控制（單機控制方式），但與上層的協(xié)調(diào)和管理計算機有信息交互，屬于網(wǎng)絡化的控制系統(tǒng)。典型例子有：計算機集成制造系統(tǒng)CIMS

（ComputerIntegratedManufacturingSyst