第2講自動控制系統(tǒng)的類型與組成

1、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 2.1 自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的類型 1. 1.開環(huán)、閉環(huán)及復(fù)合控制開環(huán)、閉環(huán)及復(fù)合控制 2. 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)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 2.2 自動化系統(tǒng)的組成自動化系統(tǒng)的組成 介紹自動化系統(tǒng)的主要組成部分介紹自動化系統(tǒng)的主要組成部分 自動控制的類型（Types of automation）開關(guān)控制開關(guān)控制 Discrete control (on/off)-離散控制離散控制連續(xù)控制連續(xù)控制 Continuous control開環(huán)、閉環(huán)控制開環(huán)、閉環(huán)控制 Ope

2、n and closed loop順序控制、邏輯控制和狀態(tài)變量控制順序控制、邏輯控制和狀態(tài)變量控制 Sequential control and logical sequence or system state control計算機控制計算機控制 Computer control2.1 自動控制的類型按結(jié)構(gòu)框圖來分：按結(jié)構(gòu)框圖來分：1 1、開環(huán)控制（、開環(huán)控制（Open loop）2 2、閉環(huán)控制（、閉環(huán)控制（Closed loop）3 3、( (補償控制補償控制)()(Compensation)4 4、( (復(fù)合控制復(fù)合控制)()(Compound ) )例：電加熱爐的爐溫控制例：電加熱爐的

3、爐溫控制外部擾動：電源電壓波動，環(huán)境溫度變化等外部擾動：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)量變化等給定給定電位器電位器 給定給定電壓電壓 加熱爐加熱爐+-交流電源交流電源 電熱絲電熱絲功功率率放放大大器器工件工件1 1 最簡單的控制開環(huán)控制開關(guān)開關(guān)/連續(xù)控制？連續(xù)控制？特點：沒有反饋，結(jié)構(gòu)簡單，但抗擾性差，控制精度低特點：沒有反饋，結(jié)構(gòu)簡單，但抗擾性差，控制精度低功率功率放大器放大器加熱爐加熱爐控制輸入控制輸入（給定電壓）（給定電壓）（電功率）（電功率）輸出量輸出量（爐溫）（爐溫）控制裝置控制裝置受控對象

4、受控對象擾動量擾動量擾動量擾動量給定給定電位器電位器 給定給定電壓電壓 加熱爐加熱爐+-交流電源交流電源 電熱絲電熱絲功功率率放放大大器器工件工件開環(huán)控制簡單的全自動洗衣機（進水過程略）簡單的全自動洗衣機（進水過程略） 清洗（定時）清洗（定時） 甩干（定時）甩干（定時） 漂洗（定時）漂洗（定時） 甩干（定時）甩干（定時） 漂洗（定時）漂洗（定時） 甩干（定時）甩干（定時） 結(jié)束信號結(jié)束信號反饋控制反饋控制例：電加熱爐的爐溫反饋控制（人作為控制器）例：電加熱爐的爐溫反饋控制（人作為控制器）給定給定電位器電位器 給定給定電壓電壓 加熱爐加熱爐+-交流交流電源電源 電熱絲電熱絲功功率率放放大大器器工

5、件工件溫度溫度檢測檢測給定給定電位器電位器 控制量控制量 加熱爐加熱爐控制器控制器誤差誤差 e e 溫度變送器溫度變送器 變換電壓變換電壓 u uf f電熱絲電熱絲溫度溫度傳感器傳感器功功率率放放大大器器溫度信號溫度信號+-交流電源交流電源 給定電壓給定電壓u ur ru u輸出量輸出量 y y （爐溫）（爐溫） +-工件工件 （feedback/closed loop)電加熱爐的爐溫反饋控制（自動控制） 控制器控制器加熱爐加熱爐爐溫檢測爐溫檢測u ur r擾動擾動y ye eu uf fu u相加點相加點( (綜合點綜合點) )檢測噪聲檢測噪聲給定給定電位器電位器 控制量控制量 加熱爐加熱爐

6、控制器控制器誤差誤差 e e 溫度變送器溫度變送器 變換電壓變換電壓 u uf f電熱絲電熱絲溫度溫度傳感器傳感器功功率率放放大大器器溫度信號溫度信號+-交流電源交流電源 給定電壓給定電壓 u ur ru u輸出量輸出量 y y （爐溫）（爐溫） +-工件工件正反饋例：音響系統(tǒng)、振蕩電路等正反饋例：音響系統(tǒng)、振蕩電路等有反饋信息（信號傳遞形成閉合回路），抗擾性有反饋信息（信號傳遞形成閉合回路），抗擾性好，控制精度高好，控制精度高負反饋（負反饋（自動化中自動化中廣泛應(yīng)用），正反饋（廣泛應(yīng)用），正反饋（信號發(fā)信號發(fā)生器等生器等）1818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

7、統(tǒng)瓦特瓦特1788年發(fā)明蒸汽年發(fā)明蒸汽機及其反饋控制系統(tǒng)機及其反饋控制系統(tǒng)WattWatt的蒸汽機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖的蒸汽機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖蒸汽蒸汽機蒸汽機負負載載轉(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最早的反饋控制分析分析控制裝置控制裝置受控對象受控對象反饋反饋環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)給定信號給定信號擾動擾動反饋信號反饋信號控制量控制量偏偏差差被控量被控量反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：顯示或記錄顯示或記錄檢測信號檢測信號注意每個模塊的輸入與輸出注意每個模塊的輸入與輸出反饋系統(tǒng)的相關(guān)術(shù)語：受控受控對象對象反饋反饋信號信號溫度：被控量溫度：被控量給定給定信號信號比較比較環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié)

8、-給定給定電位器電位器 控制量控制量 加熱爐加熱爐控制器控制器誤差誤差 e e 溫度變送器溫度變送器 變換電壓變換電壓 u uf f電熱絲電熱絲溫度溫度傳感器傳感器功功率率放放大大器器溫度信號溫度信號+-交流電源交流電源 u u輸出量輸出量 y y （爐溫）（爐溫） +工件工件即時糾偏即時糾偏補償控制補償控制 例：電加熱爐對電源電壓波動的補償控制例：電加熱爐對電源電壓波動的補償控制功率功率放大器放大器加熱爐加熱爐輸出輸出電壓電壓爐溫爐溫控制控制電壓電壓擾動擾動電源電壓電源電壓波動波動給定給定電位器電位器給定給定電壓電壓擾動擾動檢測檢測補償補償調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器功率功率放大器放大器加熱爐加熱爐輸出輸出

9、電壓電壓爐溫爐溫補償與反饋相結(jié)合的爐溫復(fù)合控制系統(tǒng)補償與反饋相結(jié)合的爐溫復(fù)合控制系統(tǒng)爐溫爐溫檢測檢測控制控制電壓電壓擾動擾動給定給定電位器電位器控制器控制器給定給定電壓電壓誤差誤差反饋電壓反饋電壓電源電壓電源電壓波動波動擾動擾動檢測檢測補償補償調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 補償控制屬于開環(huán)控制，補償效果取決于設(shè)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(fù)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+ +- -水位水位 y y出水出水閥門閥門誤差誤差進水進水水箱水箱放大器放大器M電機電機給定電位計給定電位計出水流量出水流量檢測檢測補償補償調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器比單純的反饋比單純

10、的反饋調(diào)節(jié)更快、更調(diào)節(jié)更快、更及時！及時！補償控制可更快地及時抑制可測擾動對輸出的影響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）；（對其他擾動沒有抑制作用）；u反饋控制可抑制一般擾動對輸出的影響；反饋控制可抑制一般擾動對輸出的影響；u兩者的結(jié)合可改善抗擾性，提高控制精度；兩者的結(jié)合可改善抗擾性，提高控制精度；u缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。復(fù)合控制的一般結(jié)構(gòu)及特點檢測檢測- -控制裝置控制裝置受控對象受控對象給定信號給定信號擾動擾動受控量受控量補償裝置補償裝置2.1 自動控制的類型按輸入信號來分按輸入信號來分: :1 1、恒值自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、恒值自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)2

11、2、程序自動控制系統(tǒng)、程序自動控制系統(tǒng)3 3、隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）問題：問題：控制對象？控制對象？電動機的作電動機的作用？用？反饋環(huán)節(jié)？反饋環(huán)節(jié)？恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：全自動燃氣熱水器：全自動燃氣熱水器手動調(diào)節(jié)手動調(diào)節(jié)全自動反饋調(diào)節(jié)：全自動反饋調(diào)節(jié)：自動根據(jù)水溫調(diào)節(jié)自動根據(jù)水溫調(diào)節(jié)火力火力進水進水出水出水進氣進氣燃氣熱水器原理圖燃氣熱水器原理圖需要什么元件？需要什么元件？恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：水箱的水位控制+ +- -水位水位 y y出水出水閥門閥門誤差誤差進水進水水箱水箱放大器放大器M電機電機給定電位計給定電位計問題：問題：控制對象？控制對象？電動機的作電動機的作用？用？反

12、饋環(huán)節(jié)？反饋環(huán)節(jié)？反饋控制舉例：電冰箱的溫度控制繼電繼電控制器控制器溫度檢測溫度檢測問題：問題：控制對象？控制對象？電動機的作電動機的作用？用？反饋環(huán)節(jié)？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。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(yīng)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(yīng)釜、加工流水線、定時灌概系統(tǒng)、音樂噴泉等。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)定時自動化噴灌系統(tǒng)溫室立體栽培溫室立體栽培 化工反應(yīng)釜化工

13、反應(yīng)釜 打印機，復(fù)印機按照確定的程序進行工作。打印機，復(fù)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。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(shè)定的程序順序執(zhí)行時，可以認為是開環(huán)。當完全按設(shè)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)。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(fù)雜，輸入輸出信號更多。制有時指：可能處理的情況更加復(fù)雜，輸入輸出信號更多。工

14、業(yè)自動加工流水線隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）Servo machanism按照預(yù)先未知的規(guī)律來控制被控量按照預(yù)先未知的規(guī)律來控制被控量例：火炮跟蹤系統(tǒng)例：火炮跟蹤系統(tǒng) 雷達導(dǎo)引系統(tǒng)雷達導(dǎo)引系統(tǒng) 天文望遠鏡天文望遠鏡Servomechanism, or servo, a device used to Servomechanism, or servo, a device used to provide control of a desired operation through provide control of a desired operation through the use of feedba

15、ck.the use of feedback.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)：伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：有機械的有機械的電氣的電氣的伺服電機，各類控制電機伺服電機，各類控制電機微機控制的微機控制的伺服電機或控制器伺服電機或控制器結(jié)合計算機，有了更多的伺服系統(tǒng)結(jié)合計算機，有了更多的伺服系統(tǒng)機機器人也可以認為是一種。器人也可以認為是一種。其流程框圖：其流程框圖：自動化系統(tǒng)的組成 與人作對比：與人作對比： 檢測裝置檢測裝置人的感覺器官；人的感覺器官； 控制器控制器人的大腦；人的大腦； 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)人的四肢。人的四肢。驅(qū)動（驅(qū)動（driving device)driving device)

16、決定系統(tǒng)性能的最關(guān)鍵部分：控制器決定系統(tǒng)性能的最關(guān)鍵部分：控制器 控制器控制器受控對象受控對象反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)給定給定輸入輸入反饋信號反饋信號偏偏差差輸出輸出放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)自動化系統(tǒng)的組成給定輸入給定輸入產(chǎn)生給定的輸入信號產(chǎn)生給定的輸入信號( (傳感器傳感器sensor) sensor) 放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)放大控制器的輸出信號，使之能控制執(zhí)行器放大控制器的輸出信號，使之能控制執(zhí)行器執(zhí)行器執(zhí)行器控制被控對象控制被控對象 控制器控制器自動控制的核心部分，使系統(tǒng)按設(shè)定的控制規(guī)自動控制的核心部分，使系統(tǒng)按設(shè)定的控制規(guī)律自動工作。律自動工作。反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的輸出量進行測量，并將它

17、轉(zhuǎn)換成反對系統(tǒng)的輸出量進行測量，并將它轉(zhuǎn)換成反 饋信號饋信號 比較環(huán)節(jié)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)將給定的輸入信號與反饋信號進行比較，產(chǎn)生誤差（校正）信號生誤差（校正）信號擾動擾動各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差，干擾信號各個環(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(shè)備與技術(shù)在不斷變化：各個環(huán)節(jié)采用的設(shè)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(yīng)用技術(shù)所能達到的自動控制技術(shù)的發(fā)展取決于每個階段應(yīng)用技術(shù)所能達到的水平；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；壓傳動裝置等；隨著電的發(fā)明，很

18、多電氣、電子元器件及設(shè)備相繼問世，隨著電的發(fā)明，很多電氣、電子元器件及設(shè)備相繼問世，繼電器、接觸器、電阻、電容、電感、電位器、放大器等繼電器、接觸器、電阻、電容、電感、電位器、放大器等陸續(xù)應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)，使控制性能得到提升；陸續(xù)應(yīng)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。計算機技術(shù)使自動化控制技術(shù)更上一層樓。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則使得大規(guī)模的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、無線遙控等成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則使得大規(guī)模的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、無線遙控等成為可能?？赡堋ｋS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

19、或控制參數(shù)就得更換相應(yīng)的硬件，而且很多復(fù)雜一點的控或控制參數(shù)就得更換相應(yīng)的硬件，而且很多復(fù)雜一點的控制方法還無法實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)起來很困難；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（稱為方法和控制參數(shù)在計算機里只是一組程序（稱為“控制算控制算法法”），修改很方便，而且無論控制算法簡單還是復(fù)雜，），修改很方便，而且無論控制算法簡單還是復(fù)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；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

20、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)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?；癁檗D(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(yīng)，在自動控制伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，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。輸出?？刂破鞒Ｓ玫碾姎饪刂圃O(shè)備常用的電氣控制設(shè)備

21、PLC交流接觸器交流接觸器單片機 單片機是單片機是在一塊芯片上集成了微處理器、存儲器在一塊芯片上集成了微處理器、存儲器及接口電路等，及接口電路等，在計算機家族里體積最小、價格最在計算機家族里體積最小、價格最便宜、應(yīng)用非常普遍，一輛普通轎車里常常有幾十便宜、應(yīng)用非常普遍，一輛普通轎車里常常有幾十個個到上百個到上百個單片機在工作。單片機在工作。數(shù)字信號處理器（ Digital Signal Processor，簡稱“DSP” ） DSP的計算和處理功能相當強大，早期主要用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)

22、展，價格不斷降低，因而近年來在控制技術(shù)的發(fā)展，價格不斷降低，因而近年來在控制領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用也也越來越多越來越多計算機控制方式的演變 第一階段：集中控制第一階段：集中控制 用一臺計算機同時控制多臺機器或設(shè)備，輪流采集用一臺計算機同時控制多臺機器或設(shè)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(shè)備，屬于或設(shè)備，屬于“分時控制分時控制”，主要缺點是可靠性差。，主要缺點是可靠性差。反饋信號反饋信號反饋信號反饋信號控制信號控制信號控制信號控制信號反饋信號反饋信號反饋信號反饋信號控制信號控制信號控制信號控制信號 第二階段：單機控制第二階段：單機控制 一臺計算機只控制一臺一臺計算機只控制一臺機器或設(shè)備，主要優(yōu)點是控制機器或設(shè)備，主要優(yōu)點是控制風(fēng)險小。這種方式在今天也很風(fēng)險小。這種方式在今天也很常見，如冰箱、空調(diào)常見，如冰箱、空調(diào) 、電飯煲、電飯煲的控制等。的控