54自动控制系统概述

第1章自动控制系统概述引言——什么是控制系统控制系统的重要性控制系统的组成及应用例子为什么绝大多数控制系统均具有反馈自动控制系统的分类自动控制原理的发展历史1.1引言——什么是控制系统在家里，为了舒适地生活，我们需要控制室内的温度和湿度。在交通领域，我们需要控制汽车精确而又安全地从一个地方到达另一个地方。在工业上，制造过程中大量的生产产品需要满足产品质量和成本效益的要求。要回答这个问题，我们可以联系日常生活中那些需要实现某种“目标”的例子：再比如一个人，可以完成许多种类的目标，包括作决定。其中有些目标——比如捡起地上的物品后再从一个地方走到另一个地方——它的完成方式是以一种程序化的方式来完成的。但有些目标在人们要完成它时，不仅要考虑如何完成，还要考虑如何更好地完成——比如：百米运动员在一百米短跑中，他考虑的是：在尽可能短的时间内跑完这段距离马位松选手在他的比赛中，他考虑的是：在尽可能短的时间内跑完这段距离在整个比赛过程中控制好能量的消耗并设计最佳的比赛策略综上所述：所谓的控制系统就是为完成某种“目标”而采用的一整套的完成方法和步骤。而这些方法和步骤通常又包含能够更好实现这些“目标”的最佳策略。在工业领域，自动控制系统常常是指那些在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标的设备。自动控制系统的重要性近年来控制系统在现代文明和技术发展与进步上扮演了越来越重要的角色。我们日常活动的每一个方面几乎都受到了某种控制系统的影响。控制系统已经大量地应用到了工业的所有部门。如产品质量、自动装配线、机床控制、空间技术与武器系统、计算机控制、交通运输、动力系统、机器人、微机系统、纳米技术等。如大型加工机床的精密控制这是由数控机床群构成的生产线——由自动控制保证产品的加工精度。其主轴为恒值控制(恒速)，刀架为随动系统(精确定位)。加工中心——往往含有车、铣、钻等多种功能，有刀具库，能自动换刀等。各厂生产含有各种不同功能的加工中心。带有机械手的点焊生产线(大批量铆焊加工生产线)要能精密定位及时间控制。机器人控制(自动控制)汽车车体焊接喷漆堆物喷涂机器人控制系统的应用实例1.2开环控制与闭环控制1、应用：太阳能高效抽水机系统太阳传感器太阳移动速度电动机减速器泵++电动机电流泵地下水蓄水池灌溉太阳能收集器机械转距目标：利用太阳能结果：抽水中间环节：实现手段上面例子中存在的问题抽水过程只与太阳能转换来的电流大小有关，它不能反应水池的蓄水情况。因此，这个控制系统存在着水资源的浪费问题。如何解决这个问题？太阳传感器太阳移动速度电动机减速器泵++-水位传感器水池电动机电流泵地下水蓄水池太阳能收集器水位传感器灌溉将输出端的信号返回输入端2、开环控制和闭环控制比较这两个例子，我们给出概念：开环控制系统(Open－loopControlSystem)若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。闭环控制系统(Closed－loopControlSystem)若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统(FeedbackControlSystem)。一、开环控制和闭环控制的概念二、开环控制和闭环控制的概念开环控制举例由步进电机驱动的数控加工机床此系统的输入量为加工程序指令，输出量为机床工作台的位移，系统的控制对象为工作台，执行机构为步进电动机和传动机构。由图可见，系统无反馈环节，输出量并不返回来影响控制部分，因此是开环控制。数控加工机床开环控制框图数控加工机床示意图由于开环系统无反馈环节,一般结构简单,系统稳定性好，成本也低，这是开环系统的优点。因此，在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差可以预计确定并能进行补偿,则应尽量采用开环控制系统。开环控制的缺点是当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度时，开环控制系统便无法满足技术要求，这时就应考虑采用闭环控制系统。开环系统的特点闭环控制举例电炉箱恒温自动控制系统电炉箱自动控制框图电炉箱恒温自动控制系统框图可以把系统的组成简单明了地表达出来炉温自动调节过程电炉箱自动控制框图反馈控制可以自动进行补偿，这是闭环控制的一个突出的优点。闭环控制要增加检测、反馈比较，调节器等部件,会使系统复杂、成本提高。而且闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差，甚至造成不稳定。这是采用闭环控制时必须重视并要加以解决的问题。闭环系统的特点上例中我们还可以看到：为了表明自动控制系统的组成以及信号的传递情况，通常把系统各个环节的作用，用方框+环节特征说明的方式来表示，并用箭头标明各环节之间信号（能量或作用量）之间的传递情况。系统的这种表示方法称为原理框图表，而这样作的好处就在于：避免去画复杂的系统图形（因为我们不可能各个都是画家）。用原理方框表示系统的另一好处是可以把系统主要环节之间的相互作用关系简单而明了地表达出来。经过简单抽象，我们就可以把一个实际系统变换成为一个满足某种控制规律便于理论分析的原理系统。3、为什么大多数控制系统均有反馈提高系统的相对稳定性增加系统带宽和总增益提高系统的输入阻抗、降低系统的输出阻抗提高系统的敏感度设有一台放大器，在未加反馈时，由于各种原因它的电压增益由原来的A=400下降到了A‘=300，比原来下降了25%，现在加入负反馈，并使F=0.0475，则当A=400时闭环电压增益为：而当开环电压增益降到A’=300时，其闭环增益为：200475.040014001AFAAf67.190475.030013001'''FAAAf闭环增益只下降了1.65%，如需保证400倍的电压增益，可采用两级放大。这样电路总的电压增益为202=４00及19.672=386.9，两者相差不到3.3%。由此可见负反馈的引入使放大器的增益得到了稳定。iVRiiififRRV0没有反馈网络时：串入反馈网络时：iVVRfifi即：串联的反馈网络提高了系统的输入电阻iViRifV反馈网络ifR提高系统的输入阻抗1.3自动控制系统的组成1.一般自动控制系统包括：①给定元件(CommandElement)②检测元件(DetectingElement)——此处为③比较环节(ComparingElement)④放大元件(AmplifyingElement)⑤执行元件(ExecutiveElement)——此处为⑥控制对象(ControlledPlant)——在此恒温⑦反馈环节(FeedbackElement)——由它将输各个元件的排列，通常将给定元件放在最左端，控制对象排在最右端。即输入量在最左端，输出量在最右端。从左至右(即从输入至输出)的通道称为顺馈通道（FeedforwardPath)或前向通路(ForwardPath)。将输出信号引回输入端的通道称为反馈通道或反馈回路(FeedbackPath)。2.①输入量(InputVariable)——又称控制量或参考输入量(ReferenceInputVariable)，所以输入量的角标常用(或)②输出量(OutputVariable)——又称被控制量(ControlledVariable)，所以输出量角标常(或)表③反馈量(FeedbackVariable)——反馈量的角标常以④扰动量(DisturbanceVariable)——又称干扰或“噪声”(Noise)，所以扰动量的角标常以(或)表示。⑤中间变量——它是系统各环节之间的作用量。它是前一环节的输出量，也是后一环节的输入量。如图1-6中的、、等就是中间变量。irocfdnUaURU由图1－6可以看到，框图可以直观地将系统的组成、各环节间的相互关系以及各种作用量的传递情况简单明了地概括出来。综上所述，要了解一个实际的自动控制系统的组成，要画出组成系统的框图，就必须明确下面的一些①哪个是控制对象?被控量是什么?影响被控量的主扰动量是什么?②哪个是执行元件?③测量被控量的元件有哪些?有哪些反馈环节?④输入量是由哪个元件给定的?反馈量与给定量是如何进行比较的?⑤此外还有哪些元件(或单元)，它们在系统中处于什么地位?起什么作用?例1-1水位控制系统通过对工作原理进行分析，可以得到该系统的系统框图。自动调节过程：直至时，电动机停转为止。0,,,021UUUHHQQAB1.4自动控制系统的分类恒值控制系统（FixedSet-PointControlSystem）恒值系统的特点是：控制系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。恒值控制系统是最常见的一类控制系统。按输入量变化的规律分类随动系统（Follow-UpControlSystem）随动系统的特点是：输入量是变化着的(有时是随机的)，并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。在数控机床控制系统中,目前国内用得较多得两种系统:德国西门子数控系统(SINUMER1K810D)和日本FANUC数控系统。①德国西门子数控系统(SINUMER1K810D)：主轴——交流高速变频调速电机(恒值控制)转速可达15000r/min(铣刀、齿轮)刀架——位置随动系统交流伺服电动机(变频)②日本FANUC数控系统——流变频伺服系统(刀架精确定位)过程控制系统（ProcessControlSystem）生产过程通常是指把原料放在一定的外界条件下，经过物理或化学变化而制成产品的过程。在这些过程中，往往要求自动提供一定的外界条件，例如温度、压力、流量、液位、粘度、浓度等参量在一定的时间内保持恒值或按一定的程序变化。在化工、轻工、食品等生产过程中对温度、流量、压力、湿度等的控制——过程控制系统。图为食品加工的在线调和流量控制（如生产调和油）化工厂中的温度、压力、流量的控制发电厂的生产控制：木屑发电原理按系统传输信号对时间的关系的规律分类连续控制系统（ContinuousControlSystem）连续控制系统的特点是各元件的输入量与输出量都是连续量或模拟量。所以它又称为模拟控制系统(AnalogueControlSystem)。连续系统的运动规律通常可用微分方程来描述。离散控制系统（DiscreteControlSystem）离散系统又称采样数据系统(SampledDateControlSystem)。它的特点是系统中有的信号是脉冲序列或采样数据量或数字量。按输出量和输入量间的关系分类线性控制系统（LinearControlSystem）线性系统的特点是系统全部由线性元件组成，它的输出量与输入量间的关系用线性微分方程来描述。线性系统的最重要的特性，是可以应用叠加原理。叠加原理说明，两个不同的作用量，同时作用于系统时的响应，等于两个作用量单独作用的响应的叠加。非线性控制系统（NonlinearControlSystem）非线性系统的特点是系统中存在有非线性元件(如具有死区、出现饱和、含有库伦摩擦等非线性特性的元件)，要用非线性微分方程来描述。非线性系统不能应用叠加原理。定常系统（Time-InvariantSystem）定常系统的特点是系统的全部参数不随时间变化，它用定常微分方程来描述。按系统中的参数对时间的变化情况分类时变系统（Time-VaryingSystem）时变系统的特点是系统中有的参数是时间t的函数，它随时间变化而改变。例如宇宙飞船控制系统。1.5自动控制系统的性能指标系统的稳定性(Stability)稳定系统:当扰动作用(或给定值发生变化)时，输出量将会偏离原来的稳定值，这时，由于反馈环节的作用，通过系统内部的自动调节，系统可能回到(或接近)原来的稳定(或跟随给定值)稳定下来，如图1-13a