自動控制原理 課件 1.4自動控制系統(tǒng)的控制方式

1.4自動控制系統(tǒng)的控制方式

自動控制系統(tǒng)的控制方式包括開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制，它們都有其各自的特點和不同的適用場合。1.4.1開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控量對控制作用不產(chǎn)生影響的系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不對被控量進(jìn)行任何檢測，在輸出端和輸入端之間不存在反饋聯(lián)系，信號從輸入端到輸出端之間的傳遞是單向進(jìn)行的。

許多現(xiàn)代化設(shè)備如CD播放機(jī)、計算機(jī)磁盤驅(qū)動器和錄音機(jī)等都需要電動機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速帶動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。圖1-4-1所示的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)電位器的滑臂，使其輸出參考電壓

ur，經(jīng)放大器放大后成為

ua，加到直流電動機(jī)的電樞兩端，從而控制電動機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速帶動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。圖1-4-1轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

在本系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)臺是被控對象，轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速是被控量即輸出量，參考電壓為系統(tǒng)的輸入量，整個控制過程可用圖1-4-2所示的方框圖表示，從圖中可以看出，只有輸入量對輸出量的單向控制作用，而輸出量對輸入量卻沒有任何影響和聯(lián)系，這種系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-4-2轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

該系統(tǒng)在理想條件下，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速

ω

與電樞電壓

ua成正比，只要改變給定電壓

ur，便可得到期望的轉(zhuǎn)速

ω

。然而由于電動機(jī)磨損或磁盤發(fā)熱、振動、噪聲以及元器件老化等因素會使轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速偏離期望值，這些使被控量偏離期望值的因素稱為干擾或擾動，系統(tǒng)在受到干擾的影響后，輸出量無法反映到系統(tǒng)輸入端從而對

ua產(chǎn)生影響，也就無法消除干擾對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的影響，因此該系統(tǒng)控制精度較差。

一般來說，開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，成本較低，但對可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。一般適用于在控制精度要求不高或擾動影響較小的場合，如自動洗衣機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制及水位調(diào)節(jié)等系統(tǒng)。1.4.2閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)是指被控量對控制作用產(chǎn)生影響的系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入端和輸出端之間，除了有一條從給定值到被控量方向傳遞信息的前向通道外，還有一條從被控量到比較環(huán)節(jié)傳遞信號的反饋通道。圖1-4-2轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

圖1-4-3所示的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為閉環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速

ω

由轉(zhuǎn)速計測量并轉(zhuǎn)換成與之成比例的電壓信號

uc，再反饋到系統(tǒng)的輸入端，與給定電壓

ur進(jìn)行比較，得到偏差電壓

。

經(jīng)直流放大器放大后驅(qū)動直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而使轉(zhuǎn)臺速度ω

始終保持在給定的精度范圍內(nèi)。若采用精密元件，則轉(zhuǎn)臺速度與期望速度間的誤差可降低到開環(huán)系統(tǒng)誤差的百分之一。

整個控制過程可用圖1-4-4所示的方框圖表示，從圖中清晰地表明，由于采用了反饋回路，信號的傳輸路徑形成閉合回路，輸出量反過來直接影響控制作用，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-4-4轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

綜上所述，閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制實質(zhì)是將系統(tǒng)的被控量經(jīng)測量后反饋到系統(tǒng)輸入端，與給定值相比較，利用偏差信號對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到減小偏差或消除偏差的目的。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)是根據(jù)負(fù)反饋原理按偏差進(jìn)行控制的，因此也叫作反饋控制系統(tǒng)或偏差控制系統(tǒng)。

閉環(huán)控制是自動控制系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應(yīng)用最廣泛的一種控制方式。這種控制方式控制精度較高，因為無論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會自行糾正偏差。因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)在控制工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造困難，參數(shù)如果匹配得不好，會造成被控量有較大擺動，甚至系統(tǒng)無法正常工作。1.4.3復(fù)合控制系統(tǒng)

復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。實質(zhì)上，它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了輸入信號或擾動作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。順饋通路通常由對輸入信號的補(bǔ)償裝