第二章--自动控制系统的应用实例

§2—2随动系统的应用实例§2—1恒值系统的应用实例§2—3程序控制系统的应用实例§2—1恒值系统的应用实例第二章自动控制系统的应用实例一、蒸汽机转速自动控制系统蒸汽机转速自动控制系统第二章自动控制系统的应用实例系统的工作原理是：当蒸汽机带动负载转动的同时，通过伞形齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可以带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠杆，杠杆另一端通过连杆调节供气阀门的开度。在蒸汽机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置（开度）。第二章自动控制系统的应用实例如果由于负载增大导致蒸汽机转速n下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过杠杆增大供气阀门的开度，使更多的蒸汽进入蒸汽机，促使其转速n回升。同理，若蒸汽机因负载减小而引起转速n增大时，则飞锤因离心力增大而使套筒上滑，并通过杠杆减小供气阀门的开度，蒸汽流量减少，迫使蒸汽机转速自动回落。这样离心调速器就能自动地消除负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速n基本保持在某个期望值附近。第二章自动控制系统的应用实例二、炉温自动控制系统图中的加热炉采用电加热的方式运行，加热器所产生的热量与施加的电压uc的平方成正比，uc增高，炉温就上升。炉温自动控制系统原理图第二章自动控制系统的应用实例在正常情况下，炉温等于某个期望值t，热电偶的输出电压uf正好等于给定电压ugd。此时，ue=ugd-uf=0，故ul=ua=0，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使uc保持着一定的数值。这时炉子散失的热量正好若炉膛温度t由于某种原因（干扰）而下降（例如，炉门打开造成的热量流失），则全系统将出现以下的控制过程：§2—2随动系统的应用实例第二章自动控制系统的应用实例一、导弹发射架的方位控制系统导弹发射架方位控制系统原理图第二章自动控制系统的应用实例图中电位器RP1和RP2并联后跨接到同一电源E0的两端，其滑臂分别与输入轴和输出轴相连接，以组成方位角的给定装置和反馈装置。输入轴由手轮操纵，输出轴则由直流电动机经减速后带动，电动机采用电枢控制的方式工作。第二章自动控制系统的应用实例当摇动手轮使电位器RP1的滑臂转过一个输入角θi的瞬间，由于输出轴的转角θo≠θi，于是出现一个角差θe=θi-θo该角差通过电位器RP1和RP2转换成电压，并以偏差电压的形式表示出现，即ue=ui–uo显然,若θi＞θo,则ui＞uo，ue=ui–uo＞0。该电压经放大后驱动电动机做正向转动，带动导弹发射架转动的同时，并通过输出轴带动电位器RP2的滑臂转过一定的角度θo，直至θo=θi时，θe=0，偏差电压ue=0，电动机才停止转动。这时，导弹发射架就停留在相应的方位角上。第二章自动控制系统的应用实例导弹发射架方位控制系统方块图第二章自动控制系统的应用实例系统的方块图如图所示。其中，作为系统输出量的方位角θo是全部（不是一部分）直接反馈到输入端与输入量θi进行比较的，故称为全反馈系统或单位反馈系统。在本系统中，只要θo≠θi，系统就会出现偏差，从而产生控制作用，控制的结果是消除偏差角θe，使输出量θo严格地跟随输入量θi的变化而变化。因而随动系统又称同步跟踪系统。此外，转动手轮所需能量甚小，而导弹连同发射架的质量却很大，转动所需能量很大，这意味着随动系统是一个功率放大装置，故常称为伺服系统。第二章自动控制系统的应用实例二、船舶随动舵的控制系统随动舵操纵的特点是：操舵人员只要通过舵轮给定一个舵角信号，舵机就能把笨重的舵叶转到给定的舵角位置，随即自动停下来。可见，随动舵在本质上属于角度跟踪随动系统，亦具有功率放大的作用。如图所示为一种船舶随动舵的控制系统原理图。其中，驾驶盘（又称舵轮）与电位器RP1作机械连接，作为系统的给定（输入）装置。直流电动机的转轴经减速箱减速后带动舵叶旋转。与此同时，通过机械连接带动电位器RP2的滑臂作相应的转动。RP2产生的电压uo反馈到输入端，与RP1的电压ui进行比较后得出偏差信号ue（ue=ui–uo）。系统按照ue的性质（大小和正负极性）进行控制，其控制结果是舵叶的偏转角θo严格等于驾驶盘所转过的角度θi。第二章自动控制系统的应用实例船舶随动舵的控制系统原理图第二章自动控制系统的应用实例三、火炮、雷达天线的方位控制系统前面介绍的随动系统虽然能做角度跟踪，但由于它们采用了电位器作为输入装置和反馈装置，因而θi和θo的变化范围一般被限制在360°以内。若RP1和RP2电位器选用多圈式电位器，θi和θo也只能在360°的范围内变化。这对于要求在超过360°做大范围跟踪的火炮、雷达天线等系统而言，显然不能满足要求。为克服上述缺点，通常采用一对自整角机作为角度检测装置，以取代电位器，从而组成自整角机式的随动系统。第二章自动控制系统的应用实例火炮方位角控制系统示意图如图所示是采用自整角机作为角度检测的火炮方位角控制的随动系统示意图。图中的自整角机运行于变压器状态，自整角发送机BD的转子与输入轴连接，转子绕组通入单相交流电；自整角接收机BS的转子则与输出轴（炮架的方位角轴）相连接。第二章自动控制系统的应用实例当摇动手轮输入一个角度θi的瞬间，由于θoθi，于是出现角差θe（θe=θi-θo）。这时，自整角接收机BS的转子输出一个相应的交流调制信号电压ue，其幅值与角差θe的大小成正比，相位则取决于角差θe的极性。即角差θe＞0，则交流调制信号呈正相位；角差θe＜0，则交流调制信号呈反相位。该调制信号经相敏整流器解调后，变成一个与角差θe的大小和极性有关的直流电压，并送往校正和功率放大装置处理成为控制电动机的电枢电压ua，该电压使电动机转动以带动炮第二章自动控制系统的应用实例显然，电动机的旋转方向必须是朝着减小或消除角差θe的方向转动，直到θo=θi为止。此时，ue=ua＝0，电动机停止转动，作为控制对象的炮身就指向并停留在相应的方位角上，或说炮身重演了手轮的运动。自整角变压器可用如图所示的方块图表示。自整角变压器方块图§2—3程序控制系统的应用实例第二章自动控制系统的应用实例当自动控制系统的给定信号是已知的时间函数时，称这类系统为程序控制系统（ProgrammedControlSystem）。如图所示是一个仿型铣床的原理示意图。仿型铣床的原理示意图第二章自动控制系统的应用实例工作原理是：刀架电动机拖动刀架前行的同时带动靠模触指，触指的上下运动使电位器滑臂移动，得到不同的电压与误差进行比较，再经过电压和功率放大，驱动刀架电动机带动刀架做上下运动，最终使得加工的工件与模型一样。但是，制做精确的立体木模是一个精细、费时的工作，所以后来又将木模以纸带（或磁带）上的脉冲系列来代替，这时的闭环控制系统如图所示。加工时由光电阅读机把记录在穿孔纸带（或磁带）上的程序指令，变成电脉冲（即指令脉冲），送入运算控制器。运算控制器完成对控制脉冲的寄存、交换和计算，并输出控制脉冲给执行机构。执行机构根据运算控制器送来的电脉冲信号，控制机床的运动，完成切削成形的要求。第二章自动控制系统的应用实例程序控制的闭环控制系统第二章自动控制系统的应用实例程序自动控制系统的功能，就是按照预定的程序来控制被控制量,即自动控制系统控制器给出的控制指令为一个预定的程序。原则上程序控制可以是开环的，但可以用反馈来消除系统误差，提高精度。由于控制对象不同，工作方式不同，系统要完成的任务也不同，因此对各个具体系统的要求自然也有较大的差异。不过，就其共性而言，所有的自动控制系统都希望：c（t）=kr（t）式中c（t）——系统的输出量；r（t）——系统的输入量；k——比例系数。第二章自动控制系统的应用实例在理想情况下，总希望系统的输出量（被控量）与输入量（给定值）在任何时刻都保持一个固定的比例关系，完全没有偏差，而且不受任何干扰的影响，如图所示。控制系统的理想阶跃响应a)阶跃输入b)系统输出第二章自动控制系统的应用实例然而，在实际的自动控制系统中，运动速度和位移不可能瞬间发生变化，而需要经历一段时间。通常把系统受到扰动或给定值变化作用后，被控量由原来的平衡状态（稳态）过渡到新的平衡状态（稳态）的过程称为过渡过程或动态过程。对于给定值做阶跃变化的线性系统，在动态过程中，被控量的变化可能有如图所示的几种情况。第二章自动控制系统的应用实例经历一段过度过程后，被控量达到新的动态平衡。系统的阶跃响应被控量的变化不收敛。第二章自动控制系统的应用实例工程上对自动控制系统的基本要求归纳为稳定性、快速性和准确性三个方面，即稳、快、准。1.稳定性（稳）稳定性是评价自动控制系统能否正常工作的首要指标，它是评价系统在过渡过程中的振荡倾向和重新建立平衡状态的能力。当系统受到外加信号作用，例如，在输入端输入一个阶跃函数的给定值时，如果系统被控量的过渡过程随时间推移而衰减，直到最后与期望值一致（通常允许有一定的误差），从而建立一个新的平衡状态，称为稳定系统。反之，当系统受外加作用。被控量越来越远离期望值，则称为不稳定系统。第二章自动控制系统的应用实例2.快速性（快）控制系统不但要求稳定，而且要求被控量能迅速地按照输入信号所规定的规律变化，即要求系统具有一定的响应速度。如前所述，控制系统总包含一些惯性元件，所以在输入信号作用下，其响应总要经历一个过渡过程才能达到稳态。过渡过程时间长，说明系统的控制动作反应迟钝，难以复现快速变化的指令信号。因此，对实用系统来说，总是希望过渡过程时间愈短愈好。第二章自动控制系统的应用实例3.准确性（准）准确性是指系统建立平衡状态后，被控量偏离期望值的误差大小。准确性描述了系统的稳态精度。一般来说，人们总是希望误差越小越好。如果最终的误差为零，则这种系统称为无差系统，反之，称为有差系统。对同一系统来说稳、准、快三方面的性能要求常常是相互制约的。提高了快速性，可能增大振荡幅值，加剧系统的振荡。改善了稳定性又可能使过渡过程变得缓慢，增长过渡时间，甚至导致稳态误差增大，降低系统精度。对某个具体系统而言，三方面的要求也不一样，一般应根据其工作任务的要求，按照具体情况综合考虑系统指标。