自動(dòng)控制原理一章

自動(dòng)控制原理

第1章——緒論

1.1自動(dòng)控制的基本原理及控制系統(tǒng)的分類

1.2自動(dòng)控制原理課程研究的內(nèi)容

1.1.1自動(dòng)控制的基本原理所謂控制系統(tǒng)（ControlSystem）就是通過執(zhí)行規(guī)定的功能來實(shí)現(xiàn)某一給定目標(biāo)的一些相互關(guān)聯(lián)單元的組合。由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式稱為手動(dòng)控制（ManualControl）；而無需人去直接或間接操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用控制裝置控制被控制量自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律變化的過程則稱為自動(dòng)控制（AutomaticControl）。示例——恒溫控制系統(tǒng)

由溫度計(jì)測出恒溫箱的實(shí)際溫度與恒溫箱內(nèi)要求達(dá)到的溫度進(jìn)行比較，得出偏差，根據(jù)偏差的大小和正負(fù)進(jìn)行控制。當(dāng)恒溫箱溫度高于所要求的溫度時(shí)，移動(dòng)調(diào)壓器可動(dòng)觸頭減小外施電壓，使箱溫減小到要求的溫度；若箱溫低于給定溫度，則移動(dòng)調(diào)壓器觸頭增大外施電壓，使箱溫增大到給定溫度。

人工控制精度不高，人的反應(yīng)不夠快，不少惡劣的場合人無法參與直接控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以解決以上問題。下圖為一恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖。恒溫箱的理想溫度由電壓u1給出，熱電偶檢測箱溫，輸出電壓u2并反饋回去與給定電壓相比較得出偏差電壓Δu=u1-u2，經(jīng)電壓和功率放大后控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向，從而改變調(diào)壓器滑動(dòng)觸頭的位置，改變恒溫箱的外施電壓達(dá)到恒定箱溫的目的。即當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度偏高時(shí)，使調(diào)壓器降壓，反之升壓，直到溫度達(dá)到給定值為止。此時(shí)偏差電壓Δu=0，電機(jī)停轉(zhuǎn)。不論是人工控制還是自動(dòng)控制它們都需要檢測偏差，這一偏差是由被控量的反饋值與給定值相比較產(chǎn)生的，它們都需要利用檢測到的偏差去糾正偏差，使偏差減小或消除。這種通過檢測、比較得到偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用，由控制作用使偏差減少或消除的原理就是我們所研究的自動(dòng)控制原理也稱反饋控制原理。（一般均為負(fù)反饋）。為了便于了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及作用原理，可將系統(tǒng)用功能框圖表示。自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成部分被控對象（或過程）、給定元件、測量反饋元件、比較元件、放大元件、校正元件、執(zhí)行元件。

1.1.2控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的類型很多，它們的結(jié)構(gòu)類型和所完成的任務(wù)也各不相同。控制系統(tǒng)從信息傳送的特點(diǎn)或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，以及同時(shí)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合控制系統(tǒng)。

一、開環(huán)控制系統(tǒng)示例——直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

電壓放大器功率放大器Mc負(fù)載n電動(dòng)機(jī)+_+_+電位器給定電壓ug經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變ug可得不同的轉(zhuǎn)速n，該系統(tǒng)只有輸入量ug對輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)——結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載等擾動(dòng)因素不大，或這些擾動(dòng)因素可以預(yù)測并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯拢瑧?yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制的缺點(diǎn)——當(dāng)控制過程中受到來自系統(tǒng)外部的各種擾動(dòng)因素，如負(fù)載變化、電源電壓波動(dòng)等，以及來自系統(tǒng)內(nèi)部的擾動(dòng)因素，如元件參數(shù)變化等，都將會直接影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，抗干擾性能差。因此，開環(huán)系統(tǒng)對元器件的精度要求較高。二、閉環(huán)控制系統(tǒng)電壓放大器功率放大器Mc負(fù)載n電動(dòng)機(jī)+_+_+_uf電位器測速發(fā)電機(jī)+_ue=

ug-uf

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖n電

壓放大器ue輸入量Mc擾動(dòng)輸出量功

率放大器直

流電動(dòng)機(jī)＋ugua測

速發(fā)電機(jī)uf－

設(shè)上述系統(tǒng)原已在某個(gè)給定電壓ug相對于的轉(zhuǎn)速n狀態(tài)下運(yùn)行，若一旦受到某些干擾（如負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降時(shí)，系統(tǒng)就會自動(dòng)地產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整過程。偏差始終存在正反饋不能進(jìn)行控制，會使系統(tǒng)的偏差越來越大。Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue=ug-uf）↑→ua↑→n↑閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)——抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，與開環(huán)控制相比，對參數(shù)變化不敏感，并能獲得滿意的動(dòng)態(tài)特性和控制精度。閉環(huán)控制的缺點(diǎn)——引入反