
机电控制工程基础课程辅导.docx
11页第1章 控制系统的基本概念[学习目标]熟练掌握:开环与闭环系统的基本知识、闭环控制系统的基本概念掌握:自动控制系统性能指标的基本概念了解:相关的工程实例自动控制的基本概念自动控制 是相对于人工控制而言的,就是在没有人直接参与的情况下,利用控制装置 使生产过程或被控对象的某一物理量(输出量)准确地按照给定的规律(输入量)运行或变化 因此,如何使输出量(或被控量)按照给定的变化规律而变化,这就是自动控制工程和理论所 要解决的基本问题自动控制系统指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统它一般由控制装 置和被控制对象组成被控制对象(简称被控对象)是指要求实现自动控制的机器、设备或生 产过程例如,飞机、锅炉、机床以及化工生产过程等控制装置则是指对被控对象起控制 作用的设备总体例如,有用来测量温度、压力或飞行姿态等物理量的测量设备;有对位移、 速度、压力或电压等物理量进行变换和放大的变换、放大设备;有操纵飞机舵面偏转的舵机、 操纵反应塔流量的阀门等操纵设备自动控制理论 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学自动控制的实例实现恒温控制有两种办法:人工控制和自动控制其中很多自动控制都是受到人工控制 的启发而实现的。
图1-1所示为人工控制的恒温控制箱人工控制的任务是克服外来干扰(如 电源电压波动、环境温度变化等),保持恒温箱的温度恒定,以满足物体对温度的要求这 可以通过移动调压器活动触头位置来改变加热电阻丝的电流,以达到所要求的温度的目的 箱内温度是由温度计进行测量的人工调节过程可以归纳如下:1. 观察由测量元件(温度计)测出的恒温箱的温度(被控制量)2. 与要求的温度值(给定值)进行比较,得出偏差 大小和方向3. 根据偏差的大小和方向再进行控制当恒温箱温度高于所要求的给定温度值减小,使炉温降到正 常范围内;若低于给 定的温度,则移动调 压器将电流增加,使 温度升到正常范围就移动调压器将电流,因此,人工控制 的过程就是测量,求偏差,再控制以纠正偏差的过程简单地讲,就是“检测偏差用以纠正偏差”的过程显然, 其中需要一个测量元件(温度计)和一个控制元件(如调压器),并将被控制量(恒温箱温度)与给 定温度进行比较,以及决定怎样去控制调压器,这些都是通过人来实现的对于这样简单的控制形式,如果能找到一个控制器代替人的职能,那么人工调节系统就 可以变成自动控制系统了图1-2就是一个自动控制系统在这个控制系统中,恒温箱的温度是由给定信号电压u1控制的。
当外界因素引起箱内 温度变化后,作为测量元件的热电偶,将与温度相对应的电压信号u2测出,并反馈回去与 给定信号u1进行比较,所得的结果即为温度的偏差信号△ u经过电压、功率放大器放大后, 以控制电动机的旋转速度与方向,并通过传动装置拖动调压器动触头当恒温箱内温度偏高 时,使调压器减小加热电流,反之加大电流,直到温度达到给定值为止此时偏差信号^u =0,电机停止这样,就完成了所要求的控制任务而所有这些装置便组成了一个自动控 制系统上述人工控制系统和自动控制系统是极其相似的误差测量装置类似于操纵者的眼睛 (测量作用);自动控制器类似于操纵者的头脑(比较作用);执行机构类似于操纵者的肢依执 行作用)通过上面的分析可以看出:不论是人工控制还是自动控制,它们都有两个共同点:一是要检测偏差,二是要用检测到的偏差去纠正偏差可见没有偏差便没有调节过程 通常在自动控制系统中,这一偏差是通过反馈建立起来的给定量称为控制系统的输入量, 被控制量称为系统的输出量反馈就是指输出量通过适当的测量装置将信号的全部或一部分 返回输入端,使之与输入量进行比较,比较的结果叫做偏差控制系统就是根据这一偏差的 大小和方向进行工作,以使偏差减小或消除,从而使输出量与输入量一致。
因此基于反馈基 础上的“检测偏差用以纠正偏差”这一原理又称为反馈控制原理利用反馈控制原理组成的 系统称为反馈控制系统从以上举的例子可以看出,反馈控制有两个最主要的特点:一是有反馈存在,二是按偏 差进行控制实现自动控制的装置可以各不相同,但反馈控制原理却是相同的反馈控制是 实现自动控制最基本的方法,并得到了广泛应用它不仅可以实现对物理量的恒值控制,而 且还可以实现被控制量复现控制量的变化规律的随动控制自动控制的优点在许多场合,自动控制比人工操作能够更好地完成生产任务,甚至能够完成人工操作所 不能完成的任务具体地说自动控制技术具有以下优点:⑴极大地提高了劳动生产率;⑵提高了产品的质量;⑶减轻了人们的劳动强度,使 人们从繁重的劳动中解放出来,去从事更有效的劳动;⑷由于近代科学技术的发展,许多 生产过程依靠人们的脑力和体力直接操作是难以实现的,还有许多生产过程因人的生理所限 而不能由人工操作,如原子能生产,深水作业以及火箭或导弹的制导等等在这种情况下, 自动控制更加显示出其巨大的作用自动控制的基本方式控制系统按其结构型式可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统三种一)开环控制系统如果系统的输出端和输入端 之间不存在反馈回路,输出量对系 统的控制作用就没有影响,这样的 系统就称为开环控制系统。
图1-4 为一开环速度控制系统它根据控 制信号的大小和方向来控制负载 转速的大小和方向原理很简单, 控制信号通过电放大器放大;输出 一电流给伺服阀,伺服阀就供给一 定流量给液压马达带动负载以一 定的转速运动这个系统对被控制放大器 电液伺服阀1掖压马达队^^开!度控制(a)系统原理图)(b)原理方框图量(负载转速)不进行任何检测,因为没有反馈也谈不上与控制信号进行比较,以产生偏差信 号来对系统进行再控制,它仅是根据控制信号来对负载进行控制的因此,开环控制系统的 精度主要取决于系统的校准精度,取决于在工作过程中保持校准值以及组成系统的元件特性 和参数值的稳定程度二) 闭环控制系统凡是系统的输出端与输入端间存在反馈回路,即输出量对控制作用具有直接影响的系 统,称为闭环控制系统所以,反馈系统也就是一个闭环控制系统换句话说“闭环”的含 意,就是应用反馈作用来减小系统的误差闭环控制系统的突出优点是精度高,只要被控制量的实际值偏离给定值时,闭环控制就 会产生控制作用来减少这一偏差但是,闭环系统也有它的缺点由于闭环系统是以偏差消除偏差的,即系统要工作就必 须有偏差存在,因此这类系统的精度也是有限制的,也就是说这类系统有其自身的矛盾。
当 然,通过适当措施可以使误差减到极小另外,由于组成系统的元件的惯性,传动链的间隙 等因素的存在,如果配合不当,将会引起反馈控制系统的振荡,从而使系统不能稳定工作 因此精度和稳定性之间的矛盾始终是闭环系统存在的主要矛盾三) 复合控制系统对于闭环与开环控制系统的特点归纳如下:闭环系统的优点是采用了反馈,因此对外扰动和系统内参数的变化引起的偏差能够自动 地纠正这样就可以采用精度不太高而成本比较低的元件组成一个精确的控制系统而开环 系统却相反,因为没有反馈,故没有纠正偏差的能力外扰动和系统内参数的变化将引起系 统的精度降低从稳定性的角度看,开环系统比较容易建造,结构也比较简单,因为开环系统不存在稳 定性问题而闭环系统不然,稳定性始终是一个重要问题因为参数如果选得不适当,将会 造成系统振荡,甚至使系统完全失去控制应当指出,如果系统的输入量能预先知道,并且不存在外部扰动时,最好采用开环控制 如果存在无法预计的扰动,或系统中元件参数不稳定时,采用闭环控制的优点就显得特别突 出当对整个系统的性能要求比较高时,为了解决闭环控制时精度和稳定性之间存在的矛盾, 往往将开环和闭环结合在一起应用,即采用复合控制系统是比较适宜的。
我们主要研究的是闭环控制系统,即着重研究实现反馈控制的理论和方法自动控制系统的基本环节及表达式一. 基本组成对于一个控制系统来说,不管其结构的复杂,用途的各种各样,但它都是由一些具有不 同职能的基本元件所组成控制元件:主要用于产生控制信号引起控制信号变化的原因则称为控制作用如图 1-2中的指令电位器就是控制元件,而控制作用乃是引起电位器滑臂移动的力反馈元件:它产生与被控制量有一定函数关系的反馈信号这种反馈信号可以是被控制 量本身,也可以是它的函数或导数如图1-2中的热电偶此外,自整角机,回转变压器等 测量元件都可以做反馈元件比较元件:它用来比较控制信号和反馈信号并产生反映两者差值的偏差信号的元件,如 图1-2中的比较电路此外,机械式差动装置,工作在变压器状态下的自整角机等都可作比 较元件放大变换元件:把偏差信号放大并进行能量形式(电气、机械、液压)转换使之达到足够 的幅值和功率的元件,如图1-2中的两级放大器等执行元件:它根据控制信号的运动规律直接对控制对象进行操作的元件,如图1-2中的 执行电机此外,常作为执行元件的有液压马达和伺服电机等控制对象:简称对象就是控制系统所要操纵的对象,即负载。
它的输出量即为系统的 被控制量如图1-2中的恒温箱等以上是构成反馈控制系统的最基本的不可缺少的部分此外,还有:校正元件:或称校正装置它是为了改善系统的控制性能而加入系统里的串联接在系 统前向通路内的校正装置称为串联校正装置接成反馈形式的校正装置称为并联校正装置 (或称为局部反馈)二. 名词术语输入信号(又称输入量、控制量或给定量):它是控制输出量变化规律的信号而输入量 则又广义地泛指输入到控制系统中的信号,如扰动信号,也包括给定信号输出信号(又称输出量、被控制量或被调整量):它的变化规律是要加以控制的,应保持 与输入信号之间有一定的函数关系反馈信号(或称反馈):从系统(或元件)输出端取出信号,经过变换后加到系统(或元件) 输入端,这就是反馈信号当它与输入信号符号相同,即反馈结果有利于加强输入信号的作 用时叫正反馈反之,符号相反抵消输入信号作用时叫负反馈直接取自系统最终输出端的 反馈叫主反馈主反馈一定是负反馈,否则偏差越来越大,直至使系统失去控制除主反馈 外,有的系统还有局部反馈,这主要是用来对系统进行校正、补偿或线性化而加入的偏差信号(或称偏差):它是控制信号与主反馈信号之差有时也称为作用误差。
误差信号(或称误差):它是指系统输出量的实际值与希望值之差在很多情况下,希望 值就是系统的输入量这里要注意,误差和偏差不是同一概念只有在全反馈系统中,误差才等于偏差扰动信号(又称扰动或干扰):除控制信号以外,对系统输出量产生影响的因素都叫扰动 如果扰动产生在系统内部,称为内扰动;产生在系统外部,则称外扰动外扰动也是系统的 一种输入量三. 自动控制系统的表达式比较元件的作用是从输入量R中减去反馈信号C设其偏差信号为E,则这个运算的数 学关系式为:E=R-C这种关系在方框图中用图l-8(a)表示用圆圈或叉圈符号表示信号的加减运算;指向圆 的箭头表示输入量;离开圆的箭头表示输出量每个箭头上的“十”或“一”号,表示相加 或相减十”号可以省略送入控制装置的信号E和被控变量(系统输出量)C之间的关系用下式表示:C = G(s) - E当描述反馈装置的函数为H(s)时,就构成更一般形式的反馈系统方框图,如图1-10所 示反馈信号B为:B=H(s) • C自动控制系统的分类一. 按照控制作用的特点(即按给定量的运动规律)来分1. 恒值控制系统(或称自动稳定系统)当给定量是一个恒值时,称为恒值控制系统, 或称自动稳定系统。
图1-2所示的恒温控制系统是属这一类系统的在恒值控制系统里,输 入信号所保持的恒定值通常叫做控制器的给。
