自動(dòng)控制系統(tǒng)基本知識(shí)

自動(dòng)控制系統(tǒng)基本知識(shí)引言什么是自動(dòng)控制?

無(wú)須人的直接參與，通過(guò)控制裝置，使機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，完成要求的任務(wù)，就叫自動(dòng)控制。

近幾十年來(lái)，自動(dòng)控制技術(shù)正在迅猛的發(fā)展，并在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防建設(shè)和航空航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用比如：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功與安全返回。導(dǎo)彈的準(zhǔn)確擊中目標(biāo)，雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)；交通系統(tǒng)：安全、快捷、舒適、準(zhǔn)點(diǎn)制造系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)線自動(dòng)碼垛機(jī)器人自動(dòng)包裝機(jī)器人家用電器：電扇：控制轉(zhuǎn)速電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度洗衣機(jī)：控制水位、強(qiáng)弱、時(shí)間等智能建筑：通信電梯供水通風(fēng)空調(diào)安防抄表…工業(yè)機(jī)器人：拉提琴靈巧手排爆步行吹笛足球比賽其他機(jī)器人：要把數(shù)噸重人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里高空的軌道，使其所攜帶的各種儀器能長(zhǎng)期使用、準(zhǔn)確地工作，就必須保持衛(wèi)星的正確姿態(tài)，使它的太陽(yáng)能電池一直朝向太陽(yáng)，無(wú)線電發(fā)射天線一直指向地球；

要使數(shù)控機(jī)床能加工出高精度的工件，就必須保證其工作臺(tái)或刀架的進(jìn)給量準(zhǔn)確地按照程序指令的設(shè)定值變化；所有這一切都是以高水平的自動(dòng)控制技術(shù)為前提的。要使煉鋼爐提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，就必須嚴(yán)格控制爐溫……等等。自動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域軍事工業(yè)航空航天制造業(yè)機(jī)器人流程工業(yè)

電子工業(yè)家用電器交通系統(tǒng)，樓宇系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，社會(huì)系統(tǒng)…

鋼鐵、石化、造紙、制藥等控制無(wú)處不在！主要內(nèi)容1.自動(dòng)控制的基本原理2.概念：自動(dòng)控制、受控對(duì)象、控制器、被控量等3.自動(dòng)控制的基本方式和自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第一章自動(dòng)控制概論1.1.1自動(dòng)控制的基本概念

1、人工控制：控制系統(tǒng)可以由人工控制，也可以采用自動(dòng)控制。圖1－1水位人工控制原理圖

如圖1－1

所示，水位保持系統(tǒng)?！?.1自動(dòng)控制的基本原理若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高度不變：操作人員需先測(cè)實(shí)際水位，并在腦子中與要求的水位進(jìn)行比較。若低于要求的水位，則需開(kāi)大進(jìn)水閥門(mén)。否則應(yīng)關(guān)小進(jìn)水閥門(mén)。若兩者正好相等，則進(jìn)水閥門(mén)不動(dòng)。人工控制（續(xù)）

根據(jù)系統(tǒng)原理圖可畫(huà)出其方框圖如圖1－2所示。

圖1－2水位人工控制系統(tǒng)方框圖人工控制（續(xù)）

2、自動(dòng)控制：該水池若改為由自動(dòng)控制裝置代替操作人員：由浮子測(cè)出實(shí)際水位，與要求的水位比較。然后得出偏差再由調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小和正負(fù)產(chǎn)生控制信號(hào)。最后由執(zhí)行元件根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生控制作用。如圖1-3所示。圖1－3水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖在此：浮子測(cè)水位，由連桿和電位器進(jìn)行比較：浮子低則電位器上得到正電壓，經(jīng)放大后使電機(jī)向進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)大的方向旋轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)浮子高時(shí)，電位器上得到負(fù)電壓，電機(jī)向閥門(mén)關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn)；若水位正好，則電位器上電壓為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)，閥門(mén)不動(dòng)。圖1－4水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖自動(dòng)控制（續(xù)）3、控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語(yǔ)

(1)自動(dòng)控制—在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或工作機(jī)械自動(dòng)的按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行、或使其某個(gè)參數(shù)按要求變化。(2)控制裝置—外加的設(shè)備或裝置，亦叫控制器。(3)受控對(duì)象—被控制的機(jī)器或物體。(4)被控量—表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理參量，也叫輸出量。(4)給定量—要求被控量所應(yīng)保持的數(shù)值。也叫輸入量或叫參考輸入。(5)干擾量—系統(tǒng)不希望的外作用，也叫擾動(dòng)輸入。如水位自動(dòng)控制系統(tǒng)：圖1－3水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖干擾信號(hào)

測(cè)量元件

輸出量

受控對(duì)象

比較元件

(8)

自動(dòng)控制系統(tǒng)：由受控對(duì)象和控制器按一定方式連接起來(lái)的、完成一定自動(dòng)控制任務(wù)的總體。如圖1－5所示。圖1－5自動(dòng)控制系統(tǒng)給定量控制器被控量干擾量自控系統(tǒng)受控對(duì)象(6)反饋量：由系統(tǒng)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)輸入端的信號(hào)。反饋有主反饋和局部反饋之分。(7)偏差量：給定量與主反饋信號(hào)之差。輸入量輸出量圖1－6自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制的任務(wù)—利用控制器操縱受控對(duì)象，使其被控量按技術(shù)要求變化。若r(t)—給定量，c(t)—被控量，則自控的任務(wù)之?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)式為：使被控量滿足c(t)≈r(t)。自控系統(tǒng)的組成如1-6圖所示。1.2.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成<1>給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。一般為電位器。<2>比較元件：其職能是把測(cè)量到的被控量實(shí)際值與給定元件給出的輸入量進(jìn)行比較，求出他們之間的偏差。常用的有差動(dòng)放大器、機(jī)械差動(dòng)裝置、電橋電路、計(jì)算機(jī)等。<3>測(cè)量元件：其職能是檢測(cè)被控制量的物理量。如測(cè)速機(jī)、熱電偶、自整角機(jī)、電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、浮子等?；窘M成（續(xù)）<4>放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差信號(hào)進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制受控對(duì)象。如：晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓、功率放大器。<5>執(zhí)行元件：其職能是直接推動(dòng)受控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。如：閥門(mén)、電機(jī)、液壓馬達(dá)等?；窘M成（續(xù)）1.2.3自動(dòng)控制的基本方式一、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：定義：開(kāi)環(huán)控制——控制器與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。特點(diǎn)：被控量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生影響，需要控制的是c(t)，而測(cè)量的只是r(t).圖1－7開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）3.例如：直流電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖1－7所示。給定電壓放大后得到電樞電壓ua，從而控制轉(zhuǎn)速n。改變ug→ua改變→n改變，ug與n一一對(duì)應(yīng)。但是，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)（干擾量），會(huì)使n改變，即使ug不變，n

也改變。∴ua（ug）與n的關(guān)系不精確，抗擾動(dòng)能力差，系統(tǒng)控制精度難以保證，應(yīng)用少。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）二、閉環(huán)控制系統(tǒng)：定義：閉環(huán)控制——被控量與給定值比較后用其偏差對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。亦稱反饋控制。特點(diǎn)：不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致。需要控制的是c(t)、而測(cè)量的是c(t)對(duì)r(t)的偏差。只要c(t)出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)就自行糾正。3.例如：直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖1－8所示。圖1－8閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）負(fù)載↑→TL↑→(Te<TL)→n↓→un↓→△u↑→u1↑→ua↑n↑△系統(tǒng)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、應(yīng)用廣泛。閉環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）三、復(fù)合控制系統(tǒng)：1.定義：復(fù)合控制—給定補(bǔ)償或干擾補(bǔ)償與反饋控制結(jié)合起來(lái)就組成復(fù)合控制。復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）2.例如：如圖1－9

所示調(diào)速系統(tǒng)。此系統(tǒng)在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了負(fù)載擾動(dòng)補(bǔ)償。圖1－9復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)原理圖負(fù)載突增TL↑→IdL↑→Us↑→ΔU2=U1+Us必↑→ua↑→n↑Te<TL→n↓圖1－10復(fù)合控制調(diào)速系統(tǒng)方框圖復(fù)合控制系統(tǒng)（續(xù)）§1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3.1從信號(hào)傳送的特點(diǎn)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類

可以將控制系統(tǒng)分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三大類。一、恒值系統(tǒng)：定義——r(t)為常值的系統(tǒng)。目的——保證c(t)恒定。例如：調(diào)速系統(tǒng)（當(dāng)ug不變時(shí)），水池水位控制系統(tǒng)，空調(diào)、冰箱、恒溫箱及爐溫控制系統(tǒng)等。1.3.2按給定值的特點(diǎn)分：圖1－12電阻爐微機(jī)溫度控制系統(tǒng)恒值系統(tǒng)（續(xù)）如圖1－12所示為電阻爐微機(jī)溫度控制系統(tǒng)，電阻絲通過(guò)晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)預(yù)先設(shè)置，實(shí)際爐溫由熱電偶檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成電壓（mv），經(jīng)放大濾波后，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將模擬信號(hào)→數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中與所設(shè)置的期望值比較后產(chǎn)生偏差信號(hào)。計(jì)算機(jī)便根據(jù)預(yù)定的控制算法（即控制規(guī)律）計(jì)算相應(yīng)的控制量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)楹阒迪到y(tǒng)（續(xù)）4.優(yōu)點(diǎn):計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，具有精度高、功能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、無(wú)噪聲、顯示醒目、讀數(shù)直觀、打印存檔方便、操作簡(jiǎn)單、靈活性和適應(yīng)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。0—10mA的電流，通過(guò)觸發(fā)器控制晶閘管的控制角α，從而改變晶閘管的整流電壓，也就改變了電阻絲中電流的大小，達(dá)到控制爐溫的目的。恒值系統(tǒng)（續(xù)）例如：跟蹤目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)、火炮群控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、參數(shù)的自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)、

X-Y記錄儀、船舶駕駛舵位跟蹤系統(tǒng)、飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀等等。

如圖1－13所示為船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)。

定義：給定值隨意變化而事先無(wú)法知道的系統(tǒng)。目的：使c(t)按一定精度跟蹤r(t)的變化。二、隨動(dòng)系統(tǒng)圖1－13船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)）其任務(wù)是使船舵角位置按給定指令變化，即要求θ0跟隨θi:θ0(t)=θi(t)。圖1－14

圖1－15船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)方框圖隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)）該系統(tǒng)由船舵（受控對(duì)象）、電位計(jì)（測(cè)量、比較元件）、電機(jī)、減速器、電壓和功率放大器等組成。

由兩個(gè)電位計(jì)組成橋式連接，Δu=ui-ua。若θ0=θi，則預(yù)先整定ui=u0,則Δu=0，電機(jī)不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。若θi

變了，而θ0

未變，則有θ0≠θi

，

ui≠u(mài)0，Δu≠0，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)船舵角位置θ0向θi

要求的位置變化，直至θ0=θi

，Δu=0，電機(jī)才停止。系統(tǒng)重又平衡。隨動(dòng)系統(tǒng)（續(xù)）4.優(yōu)點(diǎn)：控制對(duì)象簡(jiǎn)單，指令信號(hào)事先無(wú)法知道其變化規(guī)律?？捎霉β屎苄〉闹噶钚盘?hào)操縱功率很大的工作機(jī)械，還可進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。圖1－16數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)方框圖程控系統(tǒng)（續(xù)）三、程控系統(tǒng)：定義：給定值或指令輸入信號(hào)按預(yù)定程序變化的系統(tǒng)。目的：c(t)按預(yù)定的程序去運(yùn)行