电气自动控制系统的分类与功能.pdf

第三十六章电气自动控制系统的 分类与功能 自动控制就是无人直接参与下， 应用检测仪表和控制装置对设备或过程进行控制， 使其达到预期的状态 或性能指标。 一个自动控制系统主要由控制器和控制对象两大部分组成。控制对象是指被控制的设备或过程， 表征 设备或过程运行状态且需要加以控制的行为参数称为系统的输出 （量） 或被控参数。对控制对象产生控制作 用的整套自动化仪表或装置称为控制器。希望系统输出应具有的变化规律称为系统的参考输入。 控制系统归纳起来应满足以下两个方面的性能要求： （!） 跟随输入控制系统的输出量应跟随参考输入的变化而变化。在一些控制系统中， 参考输入不随时 间变化， 因此输出量也保持恒定。而在另一些系统中， 如雷达天线跟踪飞行目标的控制系统中、 弧焊机器人 末端跟踪焊缝轨迹的控制系统中， 参考输入则是随时间变化的运动轨迹， 要求控制系统的输出能够跟踪输入 轨迹的变化而变化。 （“） 抗干扰控制系统还受到外界干扰 （扰动） 的影响， 使系统输出偏离参考输入。因此， 控制的目标除 了跟随输入外， 还要求控制系统具有抗干扰的能力， 即输出量 （被控参数） 尽量不受干扰的影响。 第一节自动控制系统的分类 一、 控制系统按系统结构分类 （一） 开环控制系统 如果控制器与控制对象之间只有正向作用而没有反向作用， 如图 #$ % !& 所示， 这样的控制系统称为开 环控制系统。开环系统没有输出反馈， 误差不能得到纠正， 因而控制精度不高。如果扰动因素较少， 并且能 够测量， 可以对扰动进行补偿， 如图中虚线所示。 （二） 闭环控制系统 如果控制器与控制对象之间既有正向作用又有反向作用。这样的控制系统称为闭环控制系统。在图 #$ % ! 中， 系统输出通过负反馈与参考输入比较， 得到误差， 而控制作用 ( （)） 是根据误差产生的。因此， 闭环 控制系统也称为反馈控制系统。由于输出反馈作用， 被控参数受干扰的影响将会减小甚至消除， 从而提高了 控制精度。同时， 被控参数对系统内部元件参数的变化 （内扰） 不敏感， 因而降低了对除反馈环节外其它环节 的要求。然而， 由于引入输出反馈， 可能产生振荡或稳定性的问题。 *!#!第五篇电气控制与测试篇 图 !“ # $开环控制系统和闭环控制系统 %） 开环控制系统&） 闭环控制系统 （三） 复合控制系统 复合控制是前馈和反馈相结合的一种控制方式。 二、 控制系统按任务分类 $调节系统参考输入恒定的控制系统称为调节系统， 又称定值控制系统， 调节系统的任务是在任何扰 动作用下使被控参数维持在恒定的期望数值； (随动控制系统若参考输入随时间任意变化， 控制系统的输出应能以一定的精度跟随参考输入变化 而变化， 这种系统称为随动控制系统或跟踪系统； !程序控制系统参考输入按预先安排好的规律变化的控制系统。 三、 控制系统按数学模型分类 （一） 线性控制系统 若系统中各个组成环节的动态特性都可以用线性微分 （或差分） 方程描述， 这种系统称为线性控制系统。 线性系统可利用叠加原理求解。进一步， 如果线性系统的特性 （结构和参数） 不随时间变化， 则可以用线性常 系数微分方程描述， 这种系统称为线性定常 （或线性时不变 )*+） 系统。如果线性微分方程的系数是时间的函 数， 则对应的系统称为线性时变系统。 （二） 非线性控制系统 若系统中存在非线性元件， 系统的动态过程就必须用非线性微分方程描述， 这种系统称为非线性控制系 统。对于非线性系统， 叠加原理是不适用的。对于非本质的非线性特性， 其输入 # 输出曲线可以在变量变化 范围不大时用直线代替曲线， 简化为线性关系处理。而对于本质非线性特性， 输入 # 输出关系或具有间断 点、 折断点， 或具有非单值关系， 就必须用非线性控制理论进行分析和设计。 四、 控制系统按信号分类 （一） 连续控制系统 连续控制系统中各组成环节的输入、 输出信号都是连续时间变量的函数。连续控制系统的动态过程一 般用微分方程描述。 “$!$新编电气工程师手册 （二） 离散控制系统 离散系统中某些环节的输入或输出信号在时间上是离散的， 即间断地仅在离散的采样时刻取值。离散 控制系统通常分为采样控制系统和数字控制系统两大类。常见的离散控制系统如图 !“ # $ 所示。在采样系 统中， 连续信号经过采样变成脉冲序列信号： 而在数字控制系统中， 采样信号还需要量化为数字编码信号。 离散系统的动态过程一般用差分方程来描述。 图 !“ # $常见的离散控制系统 %） 采样控制系统&） 数字控制系统 五、 单变量与多变量控制系统 只有一个参考输入量和一个输出量的控制系统， 称为单变量 （()） 控制系统。如果一个控制系统的参 考输入量多于一个， 或输出量多于一个， 则称为多变量 （*(*)） 控制系统。 除上述分类方法外， 控制系统还可按系统的规模划分为一般系统、 大系统和巨系统； 也可按系统的所具 有的智能化程度高低划分为普通系统和智能系统。 第二节自动控制系统的性能要求与指标 一、 自动控制系统的性能要求 可概括为三个方面： 稳定性、 准确性和快速性。对于调节系统， 要求能快速地克服扰动影响， 使被控参数 准确地恢复到给定值； 对于随动系统， 既要求输出能快速准确地跟随参考输入的变化而变化， 而又不受扰动 的影响。 二、 控制系统的阶跃响应和性能指标 阶跃信号 !“（#） 兼有瞬时突变和保持恒定的特点， 用它作为参考输入可以全面地考验系统在稳定性、 快速性和准确性等方面的表现。对于随动系统， 除阶跃信号外， 有时还用斜坡信号 $ （#） + #!“（#） 和抛物线 信号 （#$%$） !“（#） 作为典型试验信号。控制系统在单位阶跃输入作用下的暂态响应如图 !“ # ! 所示。 系统性能指标定义如下： ,-!-第五篇电气控制与测试篇 图 !“ # !系统单位阶跃响应 $%稳态误差暂态过程结束后， 系统进入稳态时输出 ! （&） 与期望值之差。 %超调量暂态过程中， 系统输出与稳态输出 ! （&） 之间的最大偏差， 即 !( ) !*+,# - （&） - （&） . $/( !%调节时间系统输出达到新的稳态值所需要的过渡过程时间。调节时间 “# 定义为 当 “ !“#时，“! （“） # ! （&）“#! 式中! 误差带， 一般取 - （&） 的 (或 0(。 除上述指标外， 还有一些其它指标， 如上升时间 “1 系统输出第二次达到稳态值所需的时间； 峰值时 间 “ 2 系统输出达到最大值 !*+,所需的时间； 衰减率 系统输出的相邻两个符号相同的峰值衰减的百 分数。 三、 误差积分指标 误差积分指标是一种综合性能指标， 它是在单位阶跃信号作用下系统误差的函数的积分值。常用的误 差积分指标有如下几种： 误差平方积分指标 （345） $)$& / %（“） &“ 误差绝对值积分指标 （365） $)$& /“% （“）“&“ 时间乘误差绝对值积分指标 （3765） $!)$& /“% （“）“&“ 时间乘误差平方积分指标 （3745） $8)$& /“% （“） &“ 无论采用哪一种误差积分指标， 指标值愈小， 整个响应过程中总体说来误差愈小。345 和 365 对于不同 时间的误差同等对待。而在 3765 和 3745 中， 由于误差的权重随时间增大， 因而有利于消除暂态过程后期 的，“爬行” 现象。 四、 鲁棒性 （稳健性） 指系统抵御各种摄动因素影响的能力