自動(dòng)控制原理與應(yīng)用課件

1、自動(dòng)控制原理與應(yīng)用主講 劉光乾2011年9月自動(dòng)控制原理與應(yīng)用主講 劉光乾2011年9月第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概論 1.1 概述 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例 1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求習(xí)題1 第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概論 1.1 概述 圖1-1 小球離心調(diào)速器原理圖 圖1-1 小球離心調(diào)速器原理圖 自動(dòng)控制原理與應(yīng)用課件自動(dòng)控制原理與應(yīng)用課件可以說，現(xiàn)代控制理論已經(jīng)綜合了控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等各方面的成就，達(dá)到或正在進(jìn)行著以下幾個(gè)方面的工作： 最優(yōu)控制 對(duì)某種性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最佳控制，即目標(biāo)函數(shù)法； 自適應(yīng)控制 系統(tǒng)具有自適應(yīng)能

2、力，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)， 系統(tǒng)本身可適應(yīng)環(huán)境的變化，而使系統(tǒng)保持最優(yōu)； 自學(xué)習(xí)控制 這是一種較完善的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)辨識(shí)、判斷、積累經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的功能。 可以說，現(xiàn)代控制理論已經(jīng)綜合了控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語 1.2.1 自動(dòng)控制的基本概念與組成所謂自動(dòng)控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對(duì)象(被控量)，使其按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)或變化。 被控對(duì)象是控制系統(tǒng)的主體，是在系統(tǒng)中要求對(duì)其參數(shù)進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。如溫度控制系統(tǒng)中的加熱爐，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的拖動(dòng)電機(jī)，過程控制系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)爐等。 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語 1.2.1 自動(dòng)

3、控制的基本控制裝置一般由三部分組成： 自動(dòng)檢測裝置 包括測量元件和變送元件，起自動(dòng)檢測被控對(duì)象的作用，如轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的測速發(fā)電機(jī)，溫度控制系統(tǒng)中的熱電偶等。 自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置 起綜合、分析、比較、判斷和運(yùn)算的作用，并能按一定的規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)或指令。 執(zhí)行裝置 起具體執(zhí)行控制信號(hào)或指令的作用，給被控對(duì)象施加某種作用，使其改變輸出量。 控制裝置一般由三部分組成： 對(duì)控制系統(tǒng)的組成進(jìn)行詳細(xì)分類， 其還可以由下列各部分組成： 測量變送元件 屬于反饋元件， 職能是把被控物理量測量出來； 設(shè)定元件 職能是給出被控量應(yīng)取的數(shù)值信號(hào)，即是設(shè)定給定值的元件； 比較元件 職能是將測量信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較，并得到

4、差值(偏差信號(hào))，起信號(hào)綜合作用； 對(duì)控制系統(tǒng)的組成進(jìn)行詳細(xì)分類， 其還可以由下列各部分組成放大元件 職能是對(duì)差值信號(hào)進(jìn)行放大，使其足以推動(dòng)下一級(jí)工作； 執(zhí)行元件 職能是直接推動(dòng)被控對(duì)象，改變其被控物理量， 使輸出量與希望值趨于一致； 校正元件 職能是改變由于結(jié)構(gòu)或參數(shù)的原因而引起的性能指標(biāo)的不適應(yīng)； 能源元件 職能是為系統(tǒng)提供必要的能源。 放大元件 職能是對(duì)差值信號(hào)進(jìn)行放大，使其足以推動(dòng)下一級(jí)工1.2.2 系統(tǒng)術(shù)語 被控量(被控參數(shù)) 要求被控對(duì)象保持恒定或?yàn)榘匆欢ㄒ?guī)律變化的物理量。通常它是決定被控對(duì)象工作狀態(tài)或產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量的主要變量。如加熱爐的溫度，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，流體的流量、壓力等。被控

5、量一般是輸出量，是時(shí)間的函數(shù)。 給定信號(hào)(參考輸入信號(hào)) 控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)， 是時(shí)間的函數(shù)。 偏差信號(hào) 是比較元件的輸出信號(hào)， 即給定信號(hào)與反饋（測量）信號(hào)之差。 1.2.2 系統(tǒng)術(shù)語 誤差信號(hào) 系統(tǒng)被控量的希望值與實(shí)際值之差。在單位反饋系統(tǒng)中偏差信號(hào)等于誤差信號(hào)，在非單位反饋系統(tǒng)中， 兩者雖然都反映了系統(tǒng)被控量的希望值與實(shí)際值之差，但它們的信號(hào)類型與量綱是不同的，這一點(diǎn)一定要引起重視。 干擾信號(hào) 破壞系統(tǒng)平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)的被控量偏離其給定值的因素，稱為干擾信號(hào)。干擾信號(hào)是系統(tǒng)不希望的信號(hào)， 它可能來自系統(tǒng)的內(nèi)部或系統(tǒng)的外部，它們進(jìn)入系統(tǒng)的作用點(diǎn)也可能不同，但都是影響系統(tǒng)控制質(zhì)量的不利因素。

6、反饋信號(hào) 從系統(tǒng)的輸出端引出，經(jīng)過變換(或直接)回送至輸入端與給定信號(hào)進(jìn)行比較的信號(hào)，稱為反饋信號(hào)。此信號(hào)是為了達(dá)到控制目的而有意識(shí)地從輸出端回送到輸入端的信號(hào)。 誤差信號(hào) 系統(tǒng)被控量的希望值與實(shí)際值之差。在單位反饋1.2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖表示在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理時(shí)，為了清楚地表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成，說明各元件間信號(hào)傳遞的因果關(guān)系，我們?cè)诜治鱿到y(tǒng)時(shí)常采用方塊圖（框圖）的方式表示。方塊圖的繪制原則是： 組成系統(tǒng)的每一環(huán)節(jié)(或元件)用一方框表示，符號(hào)為“”。環(huán)節(jié)間用帶箭頭的線段“”聯(lián)接起來，此線段稱為信號(hào)線（或作用線），箭頭的方向表示信號(hào)的傳遞方向， 即作用方向， 信號(hào)只能單方向傳遞

7、。一個(gè)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)是環(huán)節(jié)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的原因，而其輸出信號(hào)是環(huán)節(jié)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。 信號(hào)的比較點(diǎn)用“”表示，它有對(duì)幾個(gè)信號(hào)進(jìn)行求（代數(shù)）和的功能。一般在多個(gè)輸入信號(hào)的信號(hào)線旁邊標(biāo)以“+”或“-”， 表示各輸入信號(hào)的極性。 1.2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖表示圖1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖的舉例 圖1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖的舉例 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)1. 開環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間只有順向作用，而沒有反向聯(lián)系，則該系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，控制信息只能單方向傳遞，沒有反向作用，輸入信號(hào)通過控制裝置作用于被控對(duì)象， 而被控對(duì)象的輸出對(duì)

8、輸入沒有影響。 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制圖1-3 開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 圖1-3 開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 圖1-3所示為一個(gè)由可控硅供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。 該系統(tǒng)由給定電位器、信號(hào)放大器、可控硅觸發(fā)及整流裝置、 直流電動(dòng)機(jī)等組成。系統(tǒng)用電位器取出電壓Ug作為系統(tǒng)的給定信號(hào)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n作為系統(tǒng)的被控量（輸出量）。Ug通過放大器、觸發(fā)裝置和可控硅裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的控制。觸發(fā)裝置和可控硅裝置等組成控制器。輸入信號(hào)通過控制器作用于受控對(duì)象以控制輸出，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出則對(duì)控制器不產(chǎn)生影響，這樣的控制系統(tǒng)就屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。按控制的要求， 一定的給定電壓Ug對(duì)

9、應(yīng)于一定的轉(zhuǎn)速n。但是由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n要受到軸上負(fù)載、電動(dòng)機(jī)磁場、可控硅裝置的交流電源電壓等的影響， 故不可能完全達(dá)到Ug的要求，而這些對(duì)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響的變化量就是系統(tǒng)的干擾量或擾動(dòng)量。 圖1-3所示為一個(gè)由可控硅供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。 該開環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)維護(hù)方便，但是控制精度差，抗干擾性能差。如全自動(dòng)洗衣機(jī)、計(jì)時(shí)器、 自動(dòng)機(jī)床、 自動(dòng)生產(chǎn)線等均是開環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)維護(hù)方便，但是控制精2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)如果改進(jìn)開環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)法把輸出信號(hào)受干擾影響而變化的信息傳遞到控制裝置中去，使控制器根據(jù)這個(gè)信息進(jìn)行控制以消除擾動(dòng)的影響，那么系統(tǒng)就能

10、夠更好地完成自動(dòng)控制的任務(wù)。這種輸入量與輸出量之間不僅有順向作用，而且有反向作用的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖1-4所示就是將上述開環(huán)控制系統(tǒng)的例子加以改進(jìn)而形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)圖1-4 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 圖1-4 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 閉環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)：與開環(huán)控制系統(tǒng)最明顯的不同之處在于系統(tǒng)有檢測變送元件(此例中為測速發(fā)電機(jī))，它可以將系統(tǒng)的輸出情況及時(shí)地反饋到系統(tǒng)的輸入端進(jìn)行比較，這樣就使系統(tǒng)具有控制精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)；但由于系統(tǒng)存在檢測變送元件，因此系統(tǒng)就比開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，設(shè)計(jì)維護(hù)困難。如自動(dòng)火炮系統(tǒng)(雷達(dá)、 計(jì)算機(jī)、火炮群)、高級(jí)自動(dòng)

11、機(jī)床、自動(dòng)恒溫箱、隨動(dòng)系統(tǒng)等均是閉環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)：與開環(huán)控制系統(tǒng)最明顯的不同之處在于系統(tǒng)有檢1.3.2 定值、 隨動(dòng)和程序控制系統(tǒng)1. 定值控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值(參考輸入)為恒定的常數(shù)，此種控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可通過反饋控制使系統(tǒng)的被控參數(shù)(輸出)保持恒定的、希望的數(shù)值。如在過程控制系統(tǒng)中，一般都要求將過程參數(shù)(如溫度、壓力、流量、液位和成份等)維持在工藝給定的狀態(tài)，所以，多數(shù)過程控制系統(tǒng)都是定值控制系統(tǒng)。 1.3.2 定值、 隨動(dòng)和程序控制系統(tǒng)2. 隨動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值(參考輸入)隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。也就是說，此類系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律是無法

12、預(yù)先確定的時(shí)間函數(shù)。這種系統(tǒng)的任務(wù)是在各種情況下保證系統(tǒng)的輸出以一定的精度跟隨參考輸入的變化而變化，所以這種系統(tǒng)又稱為跟蹤系統(tǒng)。如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤瞄準(zhǔn)和攔截系統(tǒng)， 工業(yè)控制中的位置控制系統(tǒng)，過程控制中的串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路等都屬于此類系統(tǒng)。另外，工業(yè)自動(dòng)化儀表中的位置控制系統(tǒng)、顯示記錄儀表等也是閉環(huán)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。 2. 隨動(dòng)控制系統(tǒng)3. 程序控制系統(tǒng)若系統(tǒng)給定值(參考輸入)是隨時(shí)間變化并有一定的規(guī)律， 且為事先給定了的時(shí)間函數(shù)，則稱這種系統(tǒng)為程序控制系統(tǒng)。 如熱處理爐的溫度調(diào)節(jié)，要求溫度按一定的時(shí)間程序的規(guī)律變化（自動(dòng)升溫、保溫及降溫等）；間隙生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)器溫度控制以及機(jī)械加工中的程序控制

13、機(jī)床等均屬于此類系統(tǒng)。也可以說，程序控制系統(tǒng)是隨動(dòng)控制系統(tǒng)的一種特殊情況，其分析研究方法也和隨動(dòng)控制系統(tǒng)相同。 3. 程序控制系統(tǒng)1.3.3 線性和非線性控制系統(tǒng)1. 線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)或特性可以用線性微分方程(或差分方程)來描述時(shí)，這種系統(tǒng)就稱為線性控制系統(tǒng)。 線性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以使用疊加原理，當(dāng)系統(tǒng)存在幾個(gè)輸入時(shí)，系統(tǒng)的總輸出等于各個(gè)輸入分別作用于系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)的輸出之和，當(dāng)系統(tǒng)輸入增大或減小時(shí)，系統(tǒng)的輸出也按比例增大或減小。 如果描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的微分(或差分)方程的系數(shù)是常數(shù)，不隨時(shí)間變化，則這種線性系統(tǒng)稱為線性定常(或時(shí)不變)系統(tǒng)。若微分(或差分)方程的系數(shù)是時(shí)

14、間的函數(shù)，則這種線性系統(tǒng)稱為線性時(shí)變系統(tǒng)。 1.3.3 線性和非線性控制系統(tǒng)2. 非線性控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中存在有非線性特性的組成環(huán)節(jié)或元件時(shí)，系統(tǒng)的特性就由非線性方程來描述，這樣的系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。 對(duì)于非線性控制系統(tǒng)，疊加原理是不適用的。嚴(yán)格地講，實(shí)際的控制系統(tǒng)都不是線性的，各種系統(tǒng)總是不同程度地具有非線性特性，例如系統(tǒng)中應(yīng)用的放大器的飽和特性，運(yùn)動(dòng)部件的間隙、摩擦和死區(qū)，彈性元件的非線性關(guān)系等等。非線性特性根據(jù)其處理方法不同可以分為本質(zhì)非線性和非本質(zhì)非線性兩種。對(duì)于非本質(zhì)的非線性特性，其輸入、輸出關(guān)系曲線沒有間斷點(diǎn)和折斷點(diǎn)，且呈單值關(guān)系，因此當(dāng)系統(tǒng)變量變化范圍不大時(shí)，為便于研究，可簡

15、化為線性關(guān)系處理， 這樣可以應(yīng)用相當(dāng)成熟的線性控制理論進(jìn)行分析和討論。對(duì)于本質(zhì)非線性特性，其輸入、輸出關(guān)系或具有間斷點(diǎn)和折斷點(diǎn)， 或具有非單值關(guān)系， 這類系統(tǒng)需要用非線性控制理論來分析研究。 2. 非線性控制系統(tǒng)1.3.4 連續(xù)和離散控制系統(tǒng)1. 連續(xù)控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)時(shí)，稱此類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)，亦稱模擬控制系統(tǒng)。 連續(xù)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或特性一般是用微分方程來描述的。 模擬式的工業(yè)自動(dòng)化儀表以及用模擬式儀表來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過程控制的系統(tǒng)都屬于連續(xù)控制系統(tǒng)。 1.3.4 連續(xù)和離散控制系統(tǒng)2. 離散控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中某些組成環(huán)節(jié)或元件的輸入、輸出信號(hào)在時(shí)間

16、上是離散的，即僅在離散的瞬時(shí)取值時(shí)，稱此類系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別僅在于信號(hào)只是特定的離散瞬時(shí)上的時(shí)間的函數(shù)。離散信號(hào)可由連續(xù)信號(hào)通過采樣開關(guān)獲得，具有采樣功能的控制系統(tǒng)又稱為采樣控制系統(tǒng)。 離散控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或特性一般用差分方程來描述， 其分析研究方法也不同于連續(xù)控制系統(tǒng)。 2. 離散控制系統(tǒng)1.3.5 單變量和多變量控制系統(tǒng)1. 單變量控制系統(tǒng)在一個(gè)控制系統(tǒng)中，如果只有一個(gè)被控制的參數(shù)和一個(gè)控制作用來控制對(duì)象，則此系統(tǒng)為單變量控制系統(tǒng)，又叫單輸入單輸出系統(tǒng)。 1.3.5 單變量和多變量控制系統(tǒng)2. 多變量控制系統(tǒng)如果一個(gè)控制系統(tǒng)中的被控參數(shù)多于一個(gè)，控制作用也多于一

17、個(gè)，且各控制回路相互之間有耦合關(guān)系，則稱這種系統(tǒng)為多變量控制系統(tǒng)， 也叫多輸入多輸出系統(tǒng)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法除上述幾種外還有很多，且各種分類方法只是人們站在不同的角度來看問題的一種方法， 對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以用不同的方法來分類，但是這并不影響控制系統(tǒng)本身。 2. 多變量控制系統(tǒng)1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例 要分析一個(gè)實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)， 首先要了解它的工作原理，明白系統(tǒng)的組成等，也就是要求我們明白如下一些問題： 系統(tǒng)的被控對(duì)象是什么? 哪些狀態(tài)參量要求控制(亦即被控量是什么)? 作用在被控對(duì)象上的主要干擾有哪些? 操縱哪個(gè)機(jī)構(gòu)可改變被控量? 系統(tǒng)有哪些檢測元件? 檢測的是被控量還是干擾

18、? 系統(tǒng)給定值(參考輸入)或指令由哪個(gè)裝置提供? 如何實(shí)現(xiàn)各信號(hào)的偏差計(jì)算和判斷偏差? 控制作用通過什么部件來實(shí)現(xiàn)? 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例 要分析一個(gè)實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)，1.4.1 溫度控制系統(tǒng)溫度在很多場合是重要的被控參數(shù)之一，它與流量、壓力等均屬于典型的被控參數(shù)。圖1-5所示為烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖。 1.4.1 溫度控制系統(tǒng)圖1-5 烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖 圖1-5 烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖 根據(jù)圖1-5可以知道，控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持爐膛溫度的恒定；系統(tǒng)的被控對(duì)象為烘烤爐；系統(tǒng)被控量為烘烤爐的爐膛溫度；干擾量有工件數(shù)量、環(huán)境溫度和煤氣壓力等；調(diào)節(jié)煤氣管道上閥門開度可改變爐溫；系統(tǒng)

19、的檢測元件是熱電偶， 它將爐膛溫度轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量Ut；系統(tǒng)的給定裝置為給定電位器，其輸出電壓Ug作為系統(tǒng)的參考輸入，對(duì)應(yīng)于給定的爐膛溫度；系統(tǒng)的偏差為U，為爐溫與給定溫度的偏差，由Ug和Ut計(jì)算得到（U=Ug-Ut），兩電壓極性反接，就可完成減法運(yùn)算；系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置和閥門。 根據(jù)圖1-5可以知道，控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持爐膛溫度的恒定爐溫既受工件數(shù)量及環(huán)境溫度的影響，又受由混合器輸出的煤氣流量的影響，因此，調(diào)整煤氣流量便可控制爐溫。 烘烤爐溫度控制系統(tǒng)的控制原理如下： 假定爐溫恰好等于給定值，這時(shí)Ug=Ut，(即U0)，故電動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)閥都靜止不動(dòng)，煤氣流量恒定，烘烤爐處于給定

20、溫度狀態(tài)。 爐溫既受工件數(shù)量及環(huán)境溫度的影響，又受由混合器輸出的煤氣如果增加工件，烘烤爐的負(fù)荷加大，則爐溫下降，溫度下降將導(dǎo)致Ut減小，由于給定值Ug保持不變，則使U0，產(chǎn)生Ua使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開大煤氣閥門，增加煤氣供給量，從而使?fàn)t溫回升，直至重新等于給定值(即Ug=Ut)為止。這樣在負(fù)荷加大的情況下仍然保持了規(guī)定的溫度。 如果負(fù)荷減小或煤氣壓力突然加大，則爐溫升高。Ut隨之加大，U0，故電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，關(guān)小閥門，減少煤氣量，從而使?fàn)t溫下降，直至等于給定值為止。 由此看出，系統(tǒng)通過爐溫與給定值之間的偏差來控制爐溫， 所以此控制系統(tǒng)是按偏差調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中除烘烤爐及供氣設(shè)備外，其余統(tǒng)稱溫度控

21、制裝置或溫度調(diào)節(jié)器。 如果增加工件，烘烤爐的負(fù)荷加大，則爐溫下降，溫度下降將導(dǎo)表示系統(tǒng)各功能部件之間相互聯(lián)系的框圖如圖1-6所示。 圖中每個(gè)功能部件用一個(gè)方框表示，箭頭表示信號(hào)的輸入、 輸出通道。最右邊的方框習(xí)慣于表示被控對(duì)象，其輸出信號(hào)即為被控量， 而系統(tǒng)的總輸入量包括給定值和外部干擾。 圖1-6 烘烤爐溫度控制系統(tǒng)方框圖 表示系統(tǒng)各功能部件之間相互聯(lián)系的框圖如圖1-6所示。 圖1.4.2 位置隨動(dòng)系統(tǒng) 圖1-7 機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖 1.4.2 位置隨動(dòng)系統(tǒng) 圖1-7 機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)原在圖1-7所示的系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制工作臺(tái)的位置， 使之按指令電位器給出的規(guī)律變化

22、；系統(tǒng)的被控對(duì)象為工作臺(tái)； 被控量為工作臺(tái)的位置；檢量元件是反饋電位器W2，它將工作臺(tái)的位置xc轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量uc；系統(tǒng)的給定裝置為指令電位器W1，其輸出電壓ur作為系統(tǒng)的參考輸入，以確定工作臺(tái)的希望位置；系統(tǒng)的偏差為u，為工作臺(tái)的希望位置與實(shí)際位置之差，由ur和uc計(jì)算得到（u=ur-uc）；系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流伺服電動(dòng)機(jī)、 齒輪減速器和絲杠副。 在圖1-7所示的系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制工作臺(tái)的位置機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理是：通過指令電位器W1的滑動(dòng)觸點(diǎn)給出工作臺(tái)的位置指令xr，并轉(zhuǎn)換為控制電壓ur。被控制工作臺(tái)的位移xc由反饋電位器W2檢測，并轉(zhuǎn)換為反饋電壓uc，兩電位器接

23、成橋式電路。當(dāng)工作臺(tái)位置xc與給定位置xr有偏差時(shí)，橋式電路的輸出電壓為u=ur-uc。設(shè)開始時(shí)指令電位器和反饋電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)都處于左端，即xr=xc=0，則u=ur-uc=0，此時(shí)，放大器無輸出，直流伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)， 工作臺(tái)靜止不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。 機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理是：通過指令電位器W1的當(dāng)給出位置指令xr時(shí)，在工作臺(tái)改變位置之前的瞬間，xc=0，uc=0，則電橋輸出為u=ur-uc=ur-0=ur，該偏差電壓經(jīng)放大器放大后控制直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直流伺服電動(dòng)機(jī)通過齒輪減速器和絲杠副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)右移。隨著工作臺(tái)的移動(dòng)，工作臺(tái)實(shí)際位置與給定位置之間的偏差逐漸減小，即偏差電壓u

24、逐漸減小。當(dāng)反饋電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置與指令電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的給定位置一致，即輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入時(shí)，電橋平衡，偏差電壓u=0，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，工作臺(tái)停止在由指令電位器給定的位置上，系統(tǒng)進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。當(dāng)給出反向指令時(shí)，偏差電壓極性相反，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，工作臺(tái)左移，當(dāng)工作臺(tái)移至給定位置時(shí)，系統(tǒng)再次進(jìn)入平衡狀態(tài)。如果指令電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置不斷改變， 則工作臺(tái)位置也跟著不斷變化。 當(dāng)給出位置指令xr時(shí)，在工作臺(tái)改變位置之前的瞬間，xc=圖1-8 機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)方框圖 圖1-8 機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)方框圖 1.4.3 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)圖1-9所示為自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。由圖可以明確：控制系統(tǒng)的任務(wù)是

25、保持工作機(jī)械恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行；系統(tǒng)的被控對(duì)象為工作機(jī)械；被控量為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n；系統(tǒng)的檢測元件是測速發(fā)電機(jī)，它能將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量Uf；系統(tǒng)的給定裝置為給定電位器，其輸出電壓Ug作為系統(tǒng)的參考輸入；系統(tǒng)的偏差為U，為系統(tǒng)給定量與反饋量之差，由Ug和Uf計(jì)算得到（U=Ug-Uf）；系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流電動(dòng)機(jī)。 1.4.3 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)圖1-9 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖1-9 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理是：測速發(fā)電機(jī)測量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓Uf，與給定電位器的輸出電壓Ug進(jìn)行比較，得到的偏差信號(hào)U經(jīng)放大裝置放大后控制電動(dòng)機(jī)的工作電壓Ud，而電壓Uf即代表了系

26、統(tǒng)所要求的轉(zhuǎn)速。 如果工作機(jī)械的負(fù)載增大，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，則測速發(fā)電機(jī)輸出電壓Uf減小，與給定電壓Ug比較后的偏差電壓（U=Ug-Uf）增大，經(jīng)放大后的觸發(fā)控制電壓Uk增大，從而使可控硅整流裝置輸出電壓Ud增大，增大的Ud加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n將提高，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到補(bǔ)償。 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理是：測速發(fā)電機(jī)測量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，圖1-10 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 圖1-10 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 1. 穩(wěn)定性對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的首要要求是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性指的是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受擾后偏離了原來的工作狀態(tài)， 而控制裝置再也不能使系統(tǒng)恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)，并且越偏越遠(yuǎn)；或當(dāng)輸入信號(hào)變化以后，控制裝置再也無法使受控對(duì)象跟隨輸入信號(hào)的運(yùn)行， 并且是越差越大， 這樣的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)，顯然這樣的系統(tǒng)是根本完不成控制任務(wù)的。圖1-11所示為穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)的示意圖。 1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 1. 穩(wěn)定性圖1-11 自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性示意圖 (a) 穩(wěn)定系統(tǒng)； (b) 不穩(wěn)定系統(tǒng) 圖