自動(dòng)控制原理 課件 1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式

1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式

自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式包括開(kāi)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(diǎn)和不同的適用場(chǎng)合。1.4.1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指被控量對(duì)控制作用不產(chǎn)生影響的系統(tǒng)。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，不對(duì)被控量進(jìn)行任何檢測(cè)，在輸出端和輸入端之間不存在反饋聯(lián)系，信號(hào)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(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和錄音機(jī)等都需要電動(dòng)機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。圖1-4-1所示的轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)屬于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)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(dòng)機(jī)的電樞兩端，從而控制電動(dòng)機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。圖1-4-1轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

在本系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)臺(tái)是被控對(duì)象，轉(zhuǎn)臺(tái)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(gè)控制過(guò)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(duì)輸出量的單向控制作用，而輸出量對(duì)輸入量卻沒(méi)有任何影響和聯(lián)系，這種系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-4-2轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

該系統(tǒng)在理想條件下，轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)機(jī)磨損或磁盤(pán)發(fā)熱、振動(dòng)、噪聲以及元器件老化等因素會(huì)使轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速偏離期望值，這些使被控量偏離期望值的因素稱(chēng)為干擾或擾動(dòng)，系統(tǒng)在受到干擾的影響后，輸出量無(wú)法反映到系統(tǒng)輸入端從而對(duì)

ua產(chǎn)生影響，也就無(wú)法消除干擾對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速的影響，因此該系統(tǒng)控制精度較差。

一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本較低，但對(duì)可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒(méi)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(dòng)影響較小的場(chǎng)合，如自動(dòng)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(duì)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(hào)的反饋通道。圖1-4-2轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

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

ω

由轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量并轉(zhuǎn)換成與之成比例的電壓信號(hào)

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(dòng)直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而使轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)速度與期望速度間的誤差可降低到開(kāi)環(huán)系統(tǒng)誤差的百分之一。

整個(gè)控制過(guò)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(hào)的傳輸路徑形成閉合回路，輸出量反過(guò)來(lái)直接影響控制作用，這種系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-4-4轉(zhuǎn)臺(tái)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(shí)質(zhì)是將系統(tǒng)的被控量經(jīng)測(cè)量后反饋到系統(tǒng)輸入端，與給定值相比較，利用偏差信號(hào)對(duì)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(dòng)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?yàn)闊o(wú)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(huì)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(huì)造成被控量有較大擺動(dòng)，甚至系統(tǒng)無(wú)法正常工作。1.4.3復(fù)合控制系統(tǒng)

復(fù)合控制就是開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。實(shí)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(hào)或擾動(dòng)作用的順饋通路，來(lái)提高系統(tǒng)的控制精度。順饋通路通常由對(duì)輸入信號(hào)的補(bǔ)償裝