機電控制工程基礎課程輔導-1

1、機電控制工程基礎課程輔導 -1一 . 自動控制的基本概念自動控制 是相對于人工控制而言的,就是在沒有人直接參與的情況下,利用控制裝置 使生產(chǎn)過程或被控對象的某一物理量 (輸出量 準確地按照給定的規(guī)律 (輸入量 運行或變化。自動控制系統(tǒng) 指能夠對被控制對象的工作狀態(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。它一般由控制裝 置和被控制對象組成。被控制對象 (簡稱被控對象 是指要求實現(xiàn)自動控制的機器、設備或生 產(chǎn)過程。例如,飛機、鍋爐、機床以及化工生產(chǎn)過程等。二 . 自動控制的實例恒溫控制系統(tǒng) 在這個控制系統(tǒng)中,恒溫箱的溫度是由給定信號電壓 u 1控制的。當外界因素引起箱內(nèi) 溫度變化后,作為測量元件的熱電偶,將與溫度相對

2、應的電壓信號 u 2測出,并反饋回去與 給定信號 u 1進行比較, 所得的結果即為溫度的偏差信號 u。 經(jīng)過電壓、 功率放大器放大后, 以控制電動機的旋轉速度與方向, 并通過傳動裝置拖動調(diào)壓器動觸頭。 當恒溫箱內(nèi)溫度偏高 時,使調(diào)壓器減小加熱電流,反之加大電流,直到溫度達到給定值為止。此時偏差信號 u =0,電機停止。這樣,就完成了所要求的控制任務。而所有這些裝置便組成了一個自動控 制系統(tǒng)。 反饋控制有兩個最主要的特點:一是有反饋存在, 二是按偏差進行控制。 實現(xiàn)自動控制 的裝置可以各不相同,但反饋控制原理卻是相同的。自動控制的優(yōu)點自動控制技術具有以下優(yōu)點: 極大地提高了勞動生產(chǎn)率; 提高了產(chǎn)

3、品的質(zhì)量; 減輕了人們的勞動強度, 使人們從繁重的勞動中解放出來, 去從事更有效的勞動; 由于近代科學技術的發(fā)展, 許 多生產(chǎn)過程依靠人們的腦力和體力直接操作是難以實現(xiàn)的, 還有許多生產(chǎn)過程因人的生理所 限而不能由人工操作, 如原子能生產(chǎn), 深水作業(yè)以及火箭或導彈的制導等等。 在這種情況下, 自動控制更加顯示出其巨大的作用。三 . 自動控制的基本方式控制系統(tǒng)按其結構型式可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復合控制系統(tǒng)三種。 開環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路,輸出量對系統(tǒng)的控制作用就沒有影 響,這樣的系統(tǒng)就稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。如果系統(tǒng)不存在內(nèi)部擾動和外部擾動, 并且元件參數(shù)比較

4、穩(wěn)定的情況下, 開環(huán)控制系統(tǒng) 是比較簡單并且可以保證足夠的精度的。 但在系統(tǒng)存在擾動的情況下, 如果被控制的輸出量 偏離給定量時,開環(huán)系統(tǒng)就沒有糾正的能力了。閉環(huán)控制系統(tǒng)凡是系統(tǒng)的輸出端與輸入端間存在反饋回路,即輸出量對控制作用具有直接影響的系 統(tǒng), 稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 所以, 反饋系統(tǒng)也就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。 換句話說 “ 閉環(huán) ” 的含意, 就是應用反饋作用來減小系統(tǒng)的誤差。閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是精度高, 只要被控制量的實際值偏離給定值時, 閉環(huán)控制就 會產(chǎn)生控制作用來減少這一偏差。但是, 閉環(huán)系統(tǒng)也有它的缺點。 由于閉環(huán)系統(tǒng)是以偏差消除偏差的, 即系統(tǒng)要工作就必 須有偏差存在,因此這類

5、系統(tǒng)的精度也是有限制的。(三 復合控制系統(tǒng)復合控制是閉環(huán)控制和開環(huán)控制相結合的一種方式。 實質(zhì)上是在閉環(huán)控制的基礎上, 附 加一個輸入信號 (給定或擾動 的順饋通路, 對該信號帶來的干擾進行補償。它與僅用負反 饋的控制系統(tǒng)相比,具有反應快、精度高,而且工作可靠等優(yōu)點。 控制元件 :主要用于產(chǎn)生控制信號。引起控制信號變化的原因則稱為控制作用。反饋元件 :它產(chǎn)生與被控制量有一定函數(shù)關系的反饋信號。 這種反饋信號可以是被控制 量本身,也可以是它的函數(shù)或導數(shù)。比較元件 :它用來比較控制信號和反饋信號并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號的元件 .放大變換元件 :把偏差信號放大并進行能量形式 (電氣、機械、液壓

6、轉換使之達到足夠 的幅值和功率的元件。執(zhí)行元件 :它根據(jù)控制信號的運動規(guī)律直接對控制對象進行操作的元件 .控制對象 :簡稱對象。就是控制系統(tǒng)所要操縱的對象, 即負載。 它的輸出量即為系統(tǒng)的 被控制量。校正元件 :或稱校正裝置。 它是為了改善系統(tǒng)的控制性能而加入系統(tǒng)里的。 串聯(lián)接在系 統(tǒng)前向通路內(nèi)的校正裝置稱為串聯(lián)校正裝置。接成反饋形式的校正裝置稱為并聯(lián)校正裝置 (或稱為局部反饋 。五 . 名詞輸入信號 (又稱輸入量、控制量或給定量 :它是控制輸出量變化規(guī)律的信號。而輸入量 則又廣義地泛指輸入到控制系統(tǒng)中的信號,如擾動信號,也包括給定信號。輸出信號 (又稱輸出量、被控制量或被調(diào)整量 :它的變化規(guī)

7、律是要加以控制的,應保持 與輸入信號之間有一定的函數(shù)關系。反饋信號 (或稱反饋 :從系統(tǒng) (或元件 輸出端取出信號,經(jīng)過變換后加到系統(tǒng) (或元件 輸入端, 這就是反饋信號。 當它與輸入信號符號相同, 即反饋結果有利于加強輸入信號的作 用時叫正反饋。反之,符號相反抵消輸入信號作用時叫負反饋。偏差信號 (或稱偏差 :它是控制信號與主反饋信號之差。有時也稱為作用誤差。誤差信號 (或稱誤差 :它是指系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之差。在很多情況下,希望 值就是系統(tǒng)的輸入量。擾動信號 (又稱擾動或干擾 :除控制信號以外, 對系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生影響的因素都叫擾動。 如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部,稱為內(nèi)擾動; 產(chǎn)生在系統(tǒng)

8、外部,則稱外擾動。外擾動也是系統(tǒng)的 一種輸入量。(一 . 按照控制作用的特點 (即按給定量的運動規(guī)律 來分1.恒值控制系統(tǒng) (或稱自動穩(wěn)定系統(tǒng) 當給定量是一個恒值時,稱為恒值控制系統(tǒng),或 稱自動穩(wěn)定系統(tǒng)2.程序控制系統(tǒng) 當控制作用按預先給定的規(guī)律 (又稱程序 變化時,也就是當輸入量為 已知給定值的時間函數(shù)時,稱為程序控制系統(tǒng)。3. 隨動控制系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的控制作用是時間的未知函數(shù), 即給定量的變化規(guī)律是事先 不能確定的,而輸出量能夠準確、迅速的復現(xiàn)給定量 (即輸入量 的變化,這樣的系統(tǒng)稱之為 隨動系統(tǒng)。 隨動系統(tǒng)應用極廣, 如雷達自動跟蹤系統(tǒng),火炮自動瞄準系統(tǒng), 各種電信號筆記 錄儀等等。 它

9、們的輸入量事先都是未知的, 而輸出量有的是機械位移, 有的是速度或加速度。 象這樣具有機械量輸出的隨動系統(tǒng)通常又稱為伺服系統(tǒng)。(二 按被控制量的穩(wěn)態(tài)值來分1. 有靜差系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的特征是穩(wěn)定狀態(tài)下被控制量的值與外來擾動的大小有關; 在 這種系統(tǒng)中, 控制器固然可以減小外來擾動所引起的偏差, 然而卻不能使被調(diào)整量準確地達 到給定值。有靜差系統(tǒng)具有如下兩個特點:(1 在一定范圍內(nèi),被控制量為任意值時,系統(tǒng)都可以處于穩(wěn)定狀態(tài)。(2 被控制量的穩(wěn)定值與系統(tǒng)的控制機構的位置成單值對應關系。2. 無靜差系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的特征是在穩(wěn)定狀態(tài)下被控制量的值總保持恒定, 它與外來作 用無關。不難看出, 只要有偏差

10、存在,這一調(diào)整動作便不會終止, 直到液面高度與給定值相 等時為止?？梢?無靜差系統(tǒng)的特點是:(1 只有被控制量與給定值相等時,系統(tǒng)才能穩(wěn)定。(2 當被控制量為同一值時,系統(tǒng)的執(zhí)行機構可能占據(jù)不同的位置。要使系統(tǒng)具有上述兩個特點, 系統(tǒng)必須含有一種元件。 當有輸入時, 這種元件的輸出不 斷加大;當沒輸入時,它的輸出等于零。（三.）按系統(tǒng)的反應特性來分 1連續(xù)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中的參數(shù)變化都是連續(xù)進行的(如模擬信號，即系統(tǒng)的信號傳遞 和被控制對象的反應是不間斷的。 2 離散控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的某一處或幾處的信號以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞的系統(tǒng)稱為 離散控制系統(tǒng)。 離散系統(tǒng)的主要特點是， 在系統(tǒng)中使用脈沖開

11、關或采樣開關， 將連續(xù)信號轉變?yōu)殡x散信 號。通常對于離散信號取脈沖形式的系統(tǒng)，稱為脈沖控制系統(tǒng)；而對于采用數(shù)字計算機或數(shù) 字控制器，其離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)，則稱為采樣數(shù)字控制系統(tǒng)。 （四） 按系統(tǒng)的線性和非線性性質(zhì)來分 1 線性控制系統(tǒng) 線性系統(tǒng)是由線性元件組成的系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的運動方程式可以用如下 的線性微分方程描述。 式中 xr(t系統(tǒng)的輸人量； xc(t系統(tǒng)的輸出量。 在該方程式中，輸出量 xc(t及其各階導數(shù)都是一次的，并且各系數(shù)與輸入量(自變量無 關。這是一種簡單而重要的系統(tǒng)，并已有較為成熟的研究成果和分析設計的方法。線性系統(tǒng) 主要特點是具有疊加性和齊次性。即當輸入量為 xr

12、1(t和 xr2(t時，如果輸出量分別為 xc1(t 和 xc2(t，則當輸入量為 xr(taxrl(t+bxr2(t時，輸出量為 xc(taxc1(t十 bxc2(t。 疊加性和齊次性是鑒別系統(tǒng)是否為線性系統(tǒng)的根據(jù)。 線性微分方程的各項系數(shù)為常數(shù)時，稱為定常系統(tǒng)。 2非線性控制系統(tǒng) 如果系統(tǒng)微分方程式的系數(shù)與自變量 xr(t有關， 則為非線性微分方 程。由非線性微分方程描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。 任何物理系統(tǒng)的特性，精確地說都是非線性的，但在誤差允許范圍內(nèi)，可以將非線性特 性線性化，近似地用線性微分方程來描述，這樣就可以按照線性系統(tǒng)來處理。 七自動控制系統(tǒng)的基本要求 反饋控制系統(tǒng)的主要性能和其他類型系統(tǒng)一樣。一般可歸納為：穩(wěn)定性、快速性和準確 性(穩(wěn)態(tài)精度，即穩(wěn)、快、準。由于其重要性，總結如下。 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性的要求乃是控制系統(tǒng)正常工作的首要條件，而且