《自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用》課件第1章

第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

1.1自動(dòng)控制理論的發(fā)展史及內(nèi)容

1.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制

1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

1.5對自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例

小結(jié)

1.1自動(dòng)控制理論的發(fā)展史及內(nèi)容

在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸和國防各個(gè)方面都離不開自動(dòng)控制。所謂自動(dòng)控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置對生產(chǎn)過程、工藝參數(shù)、目標(biāo)要求等進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)與控制，使之按照預(yù)定的方案達(dá)到要求的指標(biāo)。自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，將直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量、成本、勞動(dòng)條件和預(yù)期目標(biāo)的完成。因此，自動(dòng)控制越來越受到人們的重視，在控制理論和技術(shù)應(yīng)用方面也獲得了飛速的發(fā)展。

1)經(jīng)典控制理論

2)現(xiàn)代控制理論

3)智能控制理論圖1-1對自動(dòng)控制理論的具體描述1.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制

1.開環(huán)控制系統(tǒng)(Open-loopControlSystem)

例如，一臺洗衣機(jī)就是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。其浸濕、洗滌、漂清和脫水過程都是根據(jù)設(shè)定的時(shí)間程序依次進(jìn)行的，而無需對輸出量(如衣服清潔程度、脫水程度等)進(jìn)行測量。

又如，普通機(jī)床的自動(dòng)加工過程也是開環(huán)控制。它是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的加工指令(切削深度、行程距離)進(jìn)行加工的，而不用去檢測其實(shí)際加工的程度。

再如，如圖1-2所示的由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控加工機(jī)床，也是一個(gè)沒有反饋環(huán)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-2數(shù)控加工機(jī)床示意圖圖1-3為數(shù)控加工機(jī)床開環(huán)控制方框圖。此系統(tǒng)的輸入量為加工程序指令，輸出量為機(jī)床工作臺的位移，系統(tǒng)的控制對象為工作臺，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由圖可見，系統(tǒng)無反饋環(huán)節(jié)，輸出量并不返回來影響控制部分，因此是開環(huán)控制。圖1-3數(shù)控加工機(jī)床開環(huán)控制方框圖

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)(Closed-loopControlSystem)

若系統(tǒng)輸出量通過反饋環(huán)節(jié)返回來作用于控制部分，形成閉合環(huán)路，則這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)(FeedbackControlSystem)。

圖1-4為電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)。圖1-4電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)由圖1-4可見，采用熱電偶來檢測電爐箱溫度，并將爐溫轉(zhuǎn)換成電壓信號UfT，然后反饋至輸入端與給定電壓UsT進(jìn)行比較，由于是采用負(fù)反饋控制，因此兩者極性相反，兩者的差值ΔU稱為偏差電壓(ΔU=UsT－UfT)。此偏差電壓作為控制電壓，經(jīng)電壓放大和功率放大后，去驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)調(diào)壓變壓器的滑動(dòng)觸頭來調(diào)節(jié)爐溫。電爐箱的自動(dòng)控制方框圖如圖1-5所示。圖1-5電爐箱自動(dòng)控制方框圖當(dāng)爐溫偏低時(shí)，UfT<ＵsT，ΔU=(UsT－ＵfT)>0，此時(shí)偏差電壓極性為正。此偏差電壓經(jīng)電壓放大和功率放大后，產(chǎn)生的電壓Ua(設(shè)Ua＞0)供給電動(dòng)機(jī)電樞，使電動(dòng)機(jī)“正”轉(zhuǎn)，帶動(dòng)調(diào)壓器滑點(diǎn)右移，從而使電爐供電電壓(UR)增加，電流加大，爐溫上升，直至爐溫升至給定值，即T=TsT(TsT為給定值)，UfT=UsT，ΔU=0時(shí)為止。這樣爐溫可自動(dòng)恢復(fù)，并保持恒定。

爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)過程如圖1-6所示。圖1-6爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)過程

1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

現(xiàn)以圖1-4和圖1-5所示的恒溫控制系統(tǒng)來說明自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和有關(guān)術(shù)語。為了表明自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成以及信號的傳遞情況，通常把系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)用框圖表示，并

用箭頭標(biāo)明各作用量的傳遞情況，圖1-7便是圖1-4所示系統(tǒng)的方框圖。方框圖可以把系統(tǒng)的組成簡單明了地表達(dá)出來，而不必畫出具體線路。圖1-7自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖由圖1-7可以看出，一般自動(dòng)控制系統(tǒng)包括：

(1)給定元件(CommandElement)

(2)檢測元件(DetectingElement)

(3)比較環(huán)節(jié)(ComparingElement)

(4)放大元件(AmplifyingElement)

(5)執(zhí)行元件(ExecutiveElement)

(6)控制對象(ControlledPlant)

(7)反饋環(huán)節(jié)(FeedbackElement)由圖1-7可見，系統(tǒng)中的各種作用量和被控制量包括：

(1)輸入量(InputVariable)

(2)輸出量(OutputVariable)

(3)反饋量(FeedbackVariable)

(4)擾動(dòng)量(DisturbanceVariable

(5)中間變量(SemifinisbedVariable)

1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

1.按輸入量變化的規(guī)律分類

自動(dòng)控制系統(tǒng)按輸入量變化的規(guī)律可分為以下三類。

1)恒值控制系統(tǒng)(FixedSet-PointControlSystem)

2)隨動(dòng)控制系統(tǒng)(Follow-UpControlSystem)

3)程序控制系統(tǒng)(ProgrammeControlSystem)

2.按系統(tǒng)傳輸信號對時(shí)間的關(guān)系分類

自動(dòng)控制系統(tǒng)按系統(tǒng)傳輸信號對時(shí)間的關(guān)系可分為

兩類。

1)連續(xù)控制系統(tǒng)(ContinuousControlSystem)

2)離散控制系統(tǒng)(DiscreteControlSystem)

3.按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類

自動(dòng)控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系可分為兩類。

1)線性系統(tǒng)(LinerSystem)

2)非線性系統(tǒng)(NonLinerSystem)

4.按系統(tǒng)中的參數(shù)對時(shí)間的變化情況分類

自動(dòng)控制系統(tǒng)按系統(tǒng)中的參數(shù)對時(shí)間的變化情況可分為兩類。

1)定常系統(tǒng)(Time-InvariantSystem)

2)時(shí)變系統(tǒng)(Time-VaryingSystem)

1.5對自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

1.穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長逐漸減小或趨于零。

2.快速性

為了很好地完成控制任務(wù)，控制系統(tǒng)僅僅滿足穩(wěn)定性要求是不夠的，還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。

3.準(zhǔn)確性

理想情況下，當(dāng)過渡過程結(jié)束后，被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值(即平衡狀態(tài))應(yīng)與期望值一致。但實(shí)際上，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會(huì)有誤差存在，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標(biāo)志，在技術(shù)指標(biāo)中一般都有具體要求。

1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例

1.軋鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

軋鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理如圖1-8所示。圖1-8軋鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理圖軋鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖1-9所示。圖1-9軋鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理方框圖

2.機(jī)床臺控制系統(tǒng)

機(jī)床臺控制系統(tǒng)的工作原理如圖1-10所示。圖1-10機(jī)床臺控制系統(tǒng)的原理圖機(jī)床臺控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖1-11所示。圖1-11機(jī)床臺控制系統(tǒng)的原理方框圖

3.液位控制系統(tǒng)

液位控制系統(tǒng)的工作原理如圖1-12所示。圖1-12液位控制系統(tǒng)的原理圖液位控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖1-13所示。圖1-13液位控制系統(tǒng)的原理方框圖

4.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖1-14所示。系統(tǒng)的方框圖如圖1-15所示。圖1-14轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖1-15轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖小結(jié)

1.開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，但不能自動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)對輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)量產(chǎn)生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)償或影響不大時(shí)，采用開環(huán)控制是有利的。當(dāng)擾動(dòng)量無法預(yù)計(jì)或控制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時(shí)，則應(yīng)采用閉環(huán)控制。

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠負(fù)反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償擾動(dòng)對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但閉環(huán)系統(tǒng)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。

3.自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由給定元件、檢測元件、比較環(huán)節(jié)、放大元件、執(zhí)行元件、控制對象和反饋環(huán)節(jié)等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控制量有：輸入量、反饋量、擾動(dòng)量、輸出量和中間變量。

方框圖可直觀地表達(dá)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)(或各部件)間的因果關(guān)系，可以表達(dá)各種作用量和中間變量的作用點(diǎn)和傳遞情況以及它們對輸出量的影響。

4.恒值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：輸入量