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八.自动控制原理第一节自动控制概述第二节构成环节的特性第三节环节的综合和特性分析§8-1自动控制概述一、自动控制与自动控制系统自动控制--指在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象(如机器、设备或生产过程)的某一个(或数个)物理量(或工作状态)自动地按照预定的规律运行(或变化)。简言之，自动控制系指一系统，依照其输入信号，自动调整其输出。自动控制系统—为了达到自动控制目的，由相互制约的各个部分，按一定规律组成的具有一定功能的整体称为自动控制系统。总的来说，自动控制系统一般由被控对象和控制装置两部分组成。控制装置最少由:传感器(或变送器)、调节器、执行器组成。自控制系统的两种最基本形式：开环控制和闭环控制。开环控制系统一种简单的控制形式在控制器与被控对象之间只有正向控制作用，而没有反馈控制作用系统输出对控制信号(输入信号)没有影响不需要对被控量进行测量，只根据输入信号进行控制。开环控制系统控制精度低，抗干扰能力差，但由于控制装置简单，成本低，控制系统一般不产生振荡。因此可应用在干扰不强烈、控制精度要求不高的场合。闭环控制系统反馈—将检测出来的输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程称反馈；若输入信号与反馈信号相减称负反馈；反之，若相加，称正反馈。利用反馈组成的控制系统称闭环控制系统，又称反馈控制系统。闭环控制系统在控制器与被控对象之间不仅存在着正向作用，而且存在着反馈作用，即系统的输出量对控制信号有直接影响自动控制中的输入信号(给定值)与反馈信号(测量值)之差称为偏差信号，简称偏差。偏差作用在控制器上，经过对系统的控制作用，使系统的输出量趋于给定值闭环控制系统的实质就是利用负反馈作用来减小系统的偏差。在反馈控制系统中，存在着一条从被控量(系统的输出量)经过传感器到输入端的联络通道，称反馈通道闭环控制是由被控对象、传感器、调节器(控制器)和执行器组成具有自动修正被控量偏离给定值的能力控制精度高，适应面广，是基本的控制系统由于存在着反馈，系统有产生振荡的可能，故调试比较繁杂自动控制系统中的术语（1）被控对象—又称被调对象，简称对象，指自动控制系统中要进行控制的机器、设备或生产过程的全部或一部分，例如空调房间、燃气燃烧器、锅炉等。被控量—又称被调量。被控对象中要求实现自动控制的物理量，例如温度、压力、液位等。给定值—又称设定值。即通过控制系统作用，使被控量达要求的数值。自动控制系统中的术语（2）传感器—又称敏感元件。是实现测量与自动控制的首要环节，它是将被测量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的元件。调节器—又称控制器。将被控制量的实测值信号与给定值信号相比较，检测偏差并对偏差进行运算，按照预定的控制规律发出调节指令的部分，它控制执行器的动作，对系统进行控制，一般具有给定、比较、指示、运算和操作功能。执行器—在控制系统中，将来自调节器的控制信号转变为操作量的部分，又称操作部分，它由执行机构和调节机构组成。操作量—又称调节量、控制量。被控量在受到干扰后，而需要通过调节机构向被控对象输入或从对象中输出的物料量或能量。二、反馈控制系统的分类定值控制系统给定值保持不变(为一恒定值)的反馈控制系统称为定值控制系统。定值控制系统又称自动调节系统。随动控制系统控制系统的给定值随另一变化函数而变化，事先不知道其变化规律，要求系统的输出（被控参数）随之而变化。这类系统的任务是保证输出以一定的精度跟随输入变化而变化。程序控制系统给定值按一定的时间程序变化。三、静态与动态系统的调节过程一般可以分成静态和动态两个阶段静态—当输入恒定不变时，控制系统在调节器的自动调节作用下，被调量不再随时间变化的平衡状态称静态或稳态;动态—被调量随时间变化，系统处于不平衡状态时称为动态或瞬态;系统和环节的输出与输入的关系称为系统或环节的特性。调节系统投入了运行，时刻都有扰动作用于被调对象，致使被调量偏离设定值，因此需要通过自动调节仪表，不断地施加调节作用去抵消或对抗扰动作用的影响，使被调量恢复到设定值。四、反馈控制系统的过渡响应过渡过程所谓过渡过程就是当调节系统在受到任何输入激励后被调量偏离设定值，调节作用使调节系统重新恢复到新的平衡状态的过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。过渡过程的形式过渡过程品质指标（1）衰减比n衰减比是表示衰减程度的指标，它是反映系统稳定程度即相对稳定性。它是前后两个波峰值之比，即n＝B/B’当n＜l时系统不稳定，当n＞1时系统稳定。当n只比1稍大一点时，过渡过程衰减很慢，与等幅振荡过程接近，振荡过于频繁不够稳定，一般不采用；如果n很大则又接近非周期的单调过程，通常也是不希望的；一般n以4～10之间为宜。过渡过程品质指标（2）静差静差又称余差，处指过渡过程终了时的残余偏差，也就是被调参数的稳定值与给定值之差，在图中以c表示，其值可为正也可为负，它是一个表明准确性的重要指标。在生产中被调参数的静差要求限制在给定值附近的一个范围内。过渡过程品质指标（3）最大偏差和它的持续时间被控量偏离给定值的最大值称为最大偏差，又称动态偏差。对于衰减振荡过渡过程，最大偏差是第一个波的峰值。动态偏差所在的半周时间为最大偏差持续时间。对于定值调节系统常用最大偏差A来反映被控量的偏离程度。过渡过程品质指标（4）调节时间从干扰(或给定值)发生变化起至被调参数又建立新的平衡为止，这一段时间叫调节时间。一般规定响应曲线进入终值的±2％(或±5％)范围而不再超出时,所需要的时间。对于t=0开始的阶跃输入来说，经过这段时间，调节过程已基本完成，它反映了系统的快速性。过渡过程品质指标（5）振荡周期过渡过程从第一个波峰到第二个波峰之间的时间叫振荡周期，它反映了系统的快速性。§8-2构成环节的特性环节特性：就是指环节的输出和输入的关系。传递函数描述环节的输出和输入关系的特性公式实际系统的构成环节有热工式、电气式、气动式等多种物理环节，其输入和输出量的性质也各不相同。在自动控制系统中统称输入、输出量为信号。一.环节信号的传递和特性描写环节特性分静特性和动特性两种。静特性静特性是表示环节在稳态时，输出信号增量与输入信号增量之比。它与输出信号变化过程无关，即与时间的变化无关，而只与过程的始态与终态的数值有关，故代表环节在信号传递过程中的静态特性，用及Ki表示，i=1，2，3………，又称放大系数。Ki=输出增量/输入增量动态特性(过波响应特性)与静特性相对应的特性是动特性。动特性是控制理论的重要特性，求动特性时与系统过渡响应相同也常用阶跃信号。与阶跃情号相对应的响应称为过渡响应。同一系统的稳定性、快速性、准确性是相互制约的。快速性好，可能会引起系统的振荡；改善稳定性，控制过程又可能过于迟缓，精度也可能发生变化。对一般的受控过程，往往特别强调系统要有很好的稳定性。二.拉普拉斯变换与传递函数拉普拉斯变换拉普拉斯变换简称拉氏变换，是一种积分变换。通过拉氏变换可将微分方程转换为一个代数方程，从而可以简化常系数微分方程的求解。能把描述环节和系统的动态特性的数学方程很方便地转换为传递函数。传递函数传递函数传递函数就是在零初始条件下，系统(或环节)的输出和输入的拉氏变换之比。传递函数是系统(或环节)数学模型的又一种形式，它表达系统把输入量转换成输出量的传递关系。传递函数只和系统(或环节)本身的特性有关，而与输入量变化无关。传递函数是研究线性系统动态特性的重要工具，可以大大简化系统动态性能的分析过程。运用拉氏变换可以将时域的数学模型(微分方程)转换成复数域(S域)的数学模型。典型环节的传递函数（1）比例环节(无惯性环节)积分环节典型环节的传递函数（2）惯性环节微分环节三、对象的过渡响应和数学描述（1）对象的容量阻力当被调参数等于给定值时，在对象中所储存的物质或能量叫对象容量。对象容量大小常以它的容量系数来表示。对象的容量系数是当被控量改变一个单位时，对象中需要相应改变的物质量或能量，用Cl表示对象容量系数愈大，在同样干扰作用下，当平衡状态破坏时，被控量离开给定值的差值愈小，因而调节对象容易保持平衡状态。对象中具有储存物质或能量的能力是因为对象具有某种阻力三、对象的过渡响应和数学描述（2）对象的过渡响应实测和理论推导结果，一般热工对象(或环节)在阶跃信号作用下的过渡响应可归纳为三种形式。一阶惯性环节具有滞后t1的一阶惯性环节t=0时，df（t）/dt=0的过渡响应四、传感器和变送器特性温度传感器特性温度传感器都具有热容量和热阻力,根据其热容量和热阻力,温度传感器可具有比例、一阶惯性或二阶惯性的特性。变送器特性当采用电子式组装仪表或电动单元组合仪表时，一般需要将被测信号转换成统一的标准信号如0～10VDC、0～10mADC、4～20mADC等。由于采用电子线路进行变换，时间常数和滞后都非常小，可看成是一比例环节。五、调节器特性在自动控制系统中，调节器是很重要的组成部分。调节器将系统的被控量与给定值进行比较，得到偏差，然后按某种特定的控制规律（即调节器的输出信号变化规律），控制生产过程，使被控量等于给定值。调节器输出信号的作用叫控制作用（或称调节作用）。调节器的输出信号随输入信号而变化的规律称为控制规律。六、执行器特性执行器将调节器来的控制信号变成调节量，作用在被控对象上。一般可视为比例环节。§8-3环节的综合和特性分析一、环节的综合和等效变换框图和传递函数框图的等效变换二、系统的传递函数和过渡响应利用系统的传递函数可以容易地求得过渡特性。然后根据过渡响应特性公式绘出系统输出量的波形，可以通过波形直接理解它的特性。目前，可以应用微机简单地求得过渡响应波形和进行响应的数值计算。三、影响过渡响应的因素（1）（一）对象特性对调节过程的影响(1)1.对象滞后对最大偏差的影响：对象滞后的存在，超调量将会增大，从而恶化调节品质。2.对象时间常数对最大偏差的影响：一般说来，时间常数大，反应速度慢，需要较长的过渡过程时间，但调节过程平稳。而当对象时间常数小时，则反应快，过渡过程时间相应减小，当时间常数过小时，由于对象反应过于灵敏，则容易引起振荡和超调。三、影响过渡响应的因素（2）（一）对象特性对调节过程的影响(2)3.时间常数和放大系数对衰减比的影响：当C下降时，n下降，系统的稳定性下降三、影响过渡响应的因素（3）4.放大系数K对静差的影响：所以当提高K值后会使静差减小。同理，为减小静差，也只能调整调节器放大系数Kc值。开环放大系数K既影响动态品质，又影响静态品质。随着K的增大，使系统的稳定性降低而调节精度提高。K的取值体现了自动调节系统的基本矛盾——稳定性和精度的矛盾。四、调节器参数对调节过程的影响（1）调节器参数指比例带、积分时间和微分时间。当调节对象、传感器和执行器确定后，调节品质主要取决于调节器参数的整定。四、调节器参数对调节过程的影响（2）1.比例范围、比例带对调节过程的影响比例范围，调节器输出由0％变化到100％时，对应的被调参数值的变化范围称调节器的比例范围。在比例范围内，调节器输出与其输入成比例关系。表示比例调节器的灵敏度。比例带：使调节器输出作100％变化时，输入信号的改变占仪表全量程(输入全范围)的百分数，称调节器的比例带。四、调节器参数对调节过程的影响（3）比例带过窄，即比例放大系数过大，比例调节器过于灵敏，可使静差减小，但延长了过渡时间，易形成等幅振荡。比例带过宽，调节器不够灵敏，因而被调参数变化缓慢，存在着较大的静差。比例带既影响过渡过程的时间，又影响静差。应选择合适的比例带。四、调节器参数对调节过程的影响（4）2．积分时间对调节过程的影响积分作用与积分时间TI成反比关系，即积分时间愈长，积分作用愈弱，当积分时间TI趋于无穷大时，积分作用就等于零；反之，当积分时间很短时，积分作用就非常显著。积分环节主要用于减小或消除比例调节的静差，从而获得更精确的调节效