機電控制工程基礎(chǔ)課程輔導(dǎo)2013秋1

1、機電控制工程基礎(chǔ)課程輔導(dǎo)-1一. 自動控制的基本概念自動控制 是相對于人工控制而言的，就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使生產(chǎn)過程或被控對象的某一物理量(輸出量)準(zhǔn)確地按照給定的規(guī)律(輸入量)運行或變化。 自動控制系統(tǒng) 指能夠?qū)Ρ豢刂茖ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。它一般由控制裝置和被控制對象組成。被控制對象(簡稱被控對象)是指要求實現(xiàn)自動控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。例如，飛機、鍋爐、機床以及化工生產(chǎn)過程等。 二. 自動控制的實例恒溫控制系統(tǒng)在這個控制系統(tǒng)中，恒溫箱的溫度是由給定信號電壓u1控制的。當(dāng)外界因素引起箱內(nèi)溫度變化后，作為測量元件的熱電偶，將與溫度相對應(yīng)的電壓信號u2測出，

2、并反饋回去與給定信號u1進行比較，所得的結(jié)果即為溫度的偏差信號u。經(jīng)過電壓、功率放大器放大后，以控制電動機的旋轉(zhuǎn)速度與方向，并通過傳動裝置拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度偏高時，使調(diào)壓器減小加熱電流，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止。此時偏差信號u0，電機停止。這樣，就完成了所要求的控制任務(wù)。而所有這些裝置便組成了一個自動控制系統(tǒng)。反饋控制有兩個最主要的特點：一是有反饋存在，二是按偏差進行控制。實現(xiàn)自動控制的裝置可以各不相同，但反饋控制原理卻是相同的。自動控制的優(yōu)點自動控制技術(shù)具有以下優(yōu)點： 極大地提高了勞動生產(chǎn)率； 提高了產(chǎn)品的質(zhì)量； 減輕了人們的勞動強度，使人們從繁重的勞動中解放出來，

3、去從事更有效的勞動； 由于近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多生產(chǎn)過程依靠人們的腦力和體力直接操作是難以實現(xiàn)的，還有許多生產(chǎn)過程因人的生理所限而不能由人工操作，如原子能生產(chǎn)，深水作業(yè)以及火箭或?qū)椀闹茖?dǎo)等等。在這種情況下，自動控制更加顯示出其巨大的作用。三. 自動控制的基本方式控制系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)型式可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三種。開環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用就沒有影響，這樣的系統(tǒng)就稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。如果系統(tǒng)不存在內(nèi)部擾動和外部擾動，并且元件參數(shù)比較穩(wěn)定的情況下，開環(huán)控制系統(tǒng)是比較簡單并且可以保證足夠的精度的。但在系統(tǒng)存在擾動的情況下，如果

4、被控制的輸出量偏離給定量時，開環(huán)系統(tǒng)就沒有糾正的能力了。閉環(huán)控制系統(tǒng) 凡是系統(tǒng)的輸出端與輸入端間存在反饋回路，即輸出量對控制作用具有直接影響的系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。所以，反饋系統(tǒng)也就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。換句話說“閉環(huán)”的含意，就是應(yīng)用反饋作用來減小系統(tǒng)的誤差。閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是精度高，只要被控制量的實際值偏離給定值時，閉環(huán)控制就會產(chǎn)生控制作用來減少這一偏差。但是，閉環(huán)系統(tǒng)也有它的缺點。由于閉環(huán)系統(tǒng)是以偏差消除偏差的，即系統(tǒng)要工作就必須有偏差存在，因此這類系統(tǒng)的精度也是有限制的。（三） 復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制是閉環(huán)控制和開環(huán)控制相結(jié)合的一種方式。實質(zhì)上是在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，附加一個輸入信號

5、（給定或擾動）的順饋通路，對該信號帶來的干擾進行補償。它與僅用負反饋的控制系統(tǒng)相比，具有反應(yīng)快、精度高，而且工作可靠等優(yōu)點。四自動控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)控制元件：主要用于產(chǎn)生控制信號。引起控制信號變化的原因則稱為控制作用。反饋元件：它產(chǎn)生與被控制量有一定函數(shù)關(guān)系的反饋信號。這種反饋信號可以是被控制量本身，也可以是它的函數(shù)或?qū)?shù)。比較元件：它用來比較控制信號和反饋信號并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號的元件.放大變換元件：把偏差信號放大并進行能量形式(電氣、機械、液壓)轉(zhuǎn)換使之達到足夠的幅值和功率的元件。執(zhí)行元件：它根據(jù)控制信號的運動規(guī)律直接對控制對象進行操作的元件.控制對象：簡稱對象。就是控制系統(tǒng)所要操

6、縱的對象，即負載。它的輸出量即為系統(tǒng)的被控制量。校正元件：或稱校正裝置。它是為了改善系統(tǒng)的控制性能而加入系統(tǒng)里的。串聯(lián)接在系統(tǒng)前向通路內(nèi)的校正裝置稱為串聯(lián)校正裝置。接成反饋形式的校正裝置稱為并聯(lián)校正裝置(或稱為局部反饋)。五. 名詞輸入信號(又稱輸入量、控制量或給定量)：它是控制輸出量變化規(guī)律的信號。而輸入量則又廣義地泛指輸入到控制系統(tǒng)中的信號，如擾動信號，也包括給定信號。輸出信號(又稱輸出量、被控制量或被調(diào)整量)：它的變化規(guī)律是要加以控制的，應(yīng)保持與輸入信號之間有一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號(或稱反饋)：從系統(tǒng)(或元件)輸出端取出信號，經(jīng)過變換后加到系統(tǒng)(或元件)輸入端，這就是反饋信號。當(dāng)它與輸

7、入信號符號相同，即反饋結(jié)果有利于加強輸入信號的作用時叫正反饋。反之，符號相反抵消輸入信號作用時叫負反饋。 偏差信號(或稱偏差)：它是控制信號與主反饋信號之差。有時也稱為作用誤差。誤差信號(或稱誤差)：它是指系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之差。在很多情況下，希望值就是系統(tǒng)的輸入量。擾動信號(又稱擾動或干擾)：除控制信號以外，對系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生影響的因素都叫擾動。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部，稱為內(nèi)擾動；產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱外擾動。外擾動也是系統(tǒng)的一種輸入量。六自動控制系統(tǒng)的分類（一）. 按照控制作用的特點(即按給定量的運動規(guī)律)來分1恒值控制系統(tǒng)(或稱自動穩(wěn)定系統(tǒng)) 當(dāng)給定量是一個恒值時，稱為恒值控制系統(tǒng)，

8、或稱自動穩(wěn)定系統(tǒng) 2程序控制系統(tǒng) 當(dāng)控制作用按預(yù)先給定的規(guī)律(又稱程序)變化時，也就是當(dāng)輸入量為已知給定值的時間函數(shù)時，稱為程序控制系統(tǒng)。 3. 隨動控制系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的控制作用是時間的未知函數(shù)，即給定量的變化規(guī)律是事先不能確定的，而輸出量能夠準(zhǔn)確、迅速的復(fù)現(xiàn)給定量(即輸入量)的變化，這樣的系統(tǒng)稱之為隨動系統(tǒng)。隨動系統(tǒng)應(yīng)用極廣，如雷達自動跟蹤系統(tǒng)，火炮自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，各種電信號筆記錄儀等等。它們的輸入量事先都是未知的，而輸出量有的是機械位移，有的是速度或加速度。象這樣具有機械量輸出的隨動系統(tǒng)通常又稱為伺服系統(tǒng)。 （二） 按被控制量的穩(wěn)態(tài)值來分1有靜差系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的特征是穩(wěn)定狀態(tài)下被控制量的值與

9、外來擾動的大小有關(guān)；在這種系統(tǒng)中，控制器固然可以減小外來擾動所引起的偏差，然而卻不能使被調(diào)整量準(zhǔn)確地達到給定值。有靜差系統(tǒng)具有如下兩個特點：(1) 在一定范圍內(nèi)，被控制量為任意值時，系統(tǒng)都可以處于穩(wěn)定狀態(tài)。(2) 被控制量的穩(wěn)定值與系統(tǒng)的控制機構(gòu)的位置成單值對應(yīng)關(guān)系。2無靜差系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的特征是在穩(wěn)定狀態(tài)下被控制量的值總保持恒定，它與外來作用無關(guān)。不難看出，只要有偏差存在，這一調(diào)整動作便不會終止，直到液面高度與給定值相等時為止?？梢?，無靜差系統(tǒng)的特點是：(1) 只有被控制量與給定值相等時，系統(tǒng)才能穩(wěn)定。(2) 當(dāng)被控制量為同一值時，系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)可能占據(jù)不同的位置。要使系統(tǒng)具有上述兩個特點，

10、系統(tǒng)必須含有一種元件。當(dāng)有輸入時，這種元件的輸出不斷加大；當(dāng)沒輸入時，它的輸出等于零。 （三.）按系統(tǒng)的反應(yīng)特性來分1連續(xù)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中的參數(shù)變化都是連續(xù)進行的(如模擬信號)，即系統(tǒng)的信號傳遞和被控制對象的反應(yīng)是不間斷的。 2離散控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的某一處或幾處的信號以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞的系統(tǒng)稱為離散控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的主要特點是，在系統(tǒng)中使用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號。通常對于離散信號取脈沖形式的系統(tǒng)，稱為脈沖控制系統(tǒng)；而對于采用數(shù)字計算機或數(shù)字控制器，其離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)，則稱為采樣數(shù)字控制系統(tǒng)。 （四） 按系統(tǒng)的線性和非線性性質(zhì)來分1線性控制系統(tǒng) 線性系統(tǒng)

11、是由線性元件組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運動方程式可以用如下的線性微分方程描述。式中 xr(t)系統(tǒng)的輸人量； xc(t)系統(tǒng)的輸出量。在該方程式中，輸出量xc(t)及其各階導(dǎo)數(shù)都是一次的，并且各系數(shù)與輸入量(自變量)無關(guān)。這是一種簡單而重要的系統(tǒng)，并已有較為成熟的研究成果和分析設(shè)計的方法。線性系統(tǒng)主要特點是具有疊加性和齊次性。即當(dāng)輸入量為xr1(t)和xr2(t)時，如果輸出量分別為xc1(t)和xc2(t)，則當(dāng)輸入量為xr(t)axrl(t)+bxr2(t)時，輸出量為xc(t)axc1(t)十bxc2(t)。疊加性和齊次性是鑒別系統(tǒng)是否為線性系統(tǒng)的根據(jù)。線性微分方程的各項系數(shù)為常數(shù)時，稱為定常系統(tǒng)。2非線性控制系統(tǒng) 如果系統(tǒng)微分方程式的系數(shù)與自變量xr(t)有關(guān)，則為非線性微分方程。由非線性微分方程描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。任何物理系統(tǒng)的特性，精確地說都是非線性的，但在誤差允許范圍內(nèi)，可以將非線性特性線性化，近似地用線性微分方程來描述，這樣就可以按照線性系統(tǒng)來處理。七自動控制系統(tǒng)的基本要求反饋控制系統(tǒng)的主要性能和其他類型系統(tǒng)一樣。一般可歸納為：穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性(穩(wěn)態(tài)精度)，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)。由于其重要性，總結(jié)如下。穩(wěn)定性：穩(wěn)定性的要求乃是控制系統(tǒng)正常工作的首要