第2章自动控制基础ppt课件.ppt

第二章自动控制基础 Anycomments pleasefeelfreetocontactme DW402 Tel 现代制造技术正在向着机械化 自动化方向发展 以替代人工操作 避免人工操作所带来的随机不确定性 满足现代高技术产品制造质量 数量的要求 电子技术 计算机技术以及机器人技术的发展 为材料加工自动化提供坚实基础 在此基础上的材料加工自动化技术在实际工程中得到研究和应用 2 1自动控制基本概念 自动控制技术的应用可追溯到古代的自动计时容器沙漏 中世纪的钟摆等这些人类的科技发明 而近代工业文明的自动控制技术则开始于18世纪自动控制系统在蒸汽机运行中的成功应用 20世纪后半页自动控制技术得到了快速发展 特别是计算机技术的广泛应用 使得自动控制的应用更为普遍 人们正在追求更广泛领域和更高层次的自动化 古代自动控制技术应用的典范 沙漏 近代自动控制领域中的第一项重大成果 18世纪JamesWatt 英国格拉斯哥大学仪器修理工 为控制蒸汽机速度而设计的离心调节器 现代自动控制的应用举例 1 航空 航天和国防工业中 宇宙飞船系统 导弹制导系统和飞机的自动驾驶仪系统 复杂控制系统 2 现代制造业和工业自动化生产过程 数控机床 工业过程中的流量 压力 温度 湿度的控制 3 新型应用 机器人控制 城市交通控制 信息技术中网络拥塞控制等 飞机导航系统 哈勃望远镜 特殊地卫星 中巴资源卫星 人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收 无人驾驶飞机按预定轨迹飞行 美国可从航母上起降的最新型无人驾驶飞机X 47B 制导导弹 现代的高新技术让导弹长上了 眼睛 和 大脑 利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标 我国研制的地空导弹 控制是什么 广义的讲 控制就是为了达到某种目的 对事物进行主动地干预 管理或操纵 在工业领域 控制是指利用控制装置使生产过程或被控对象的某些物理量按照特定的规律运行 控制分为人工控制和自动控制 操作者通过观察温度计获得恒温箱的温度 与所要求的温度 给定值进行比较 获得两者之间的偏差值 根据偏差值的大小和方向 手动调节调压器的的输出电压 进行温度控制 以保证恒温箱的温度恒定 由检测元件热电偶检测出恒温箱的温度 其温度值是以电压值形式表示 与所要求的温度 给定值的对应电压值进行比较 求出偏差 通过放大 控制晶闸管导通角的大小 进行温度控制 人工控制和自动控制的控制过程是相同的 均由测量 比较 调整三个环节组成 测量就是检测输出 被控 量比较就是根据给定值和实际输出值求出偏差调整就是执行控制或者叫纠正偏差控制与调节过程就是求偏与纠偏的过程 手动与自动控制比较分析任务 控制炉温在给定值测量 手动 温度计自动 热电偶 传感器 比较 手动 通过人眼观察温度计读数 在人脑中比较自动 电路自动进行电压值比较调整 手动 根据比较结果 温度偏高或偏低 手动调节加热电阻丝两端的电压自动 电压差值正负决定电机转向 晶闸管变流装置控制加热电阻丝两端的电压 自动控制的优点 不用人工干预 提高效率 精度提高 1 自动控制 在没有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 的一个或数个物理量 如电压 电流 速度 位置 温度 流量 化学成分等 自动地按照预定的规律运行 或变化 2 自动控制系统 是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统 它一般由控制装置 控制元件 和被控对象组成 控制装置 是指对被控对象起控制作用的设备总体 被控对象 是指那些要求实现自动控制的机器 设备或生产过程 1 2自动控制系统的构成 六大元件 整定元件 也称给定元件 给出被控量应取值 图1 2系统中的电位器 测量元件 检测被控量的大小 如热电偶 测速电机等 比较元件 用来得到给定值与被控量之间的误差 常用差动放大器 电桥等 放大元件 用来将误差信号放大 用以驱动执行机构 它可以是电子元件网络 也可以是电机放大器等 执行元件 用来执行控制命令 驱动被控对象 电机是典型的执行元件 校正元件 用来改善系统的动 静态性能 模拟 数字电路来实现 也可以用计算机程序来实现 能源元件 用来提供控制系统所需的能量 图2 3控制系统结构图 包含反馈控制 在分析自动控制系统工作原理时 一般采用一个框图来描述系统的工作原理 系统的输入量是作用于系统的激发信号 其中使系统具有预定性能或预定输出的称为目标值或给定值 另一种则是破坏系统的预定性能或预定输出的干扰输入 根据具体情况 干扰输入有不同特点 系统的输出量称为被控制量 有的系统会将其反馈到控制元件进行反馈控制 控制环节按照给定值的要求向控制对象输出操纵量 以达到系统预定的性能或预定的输出 一定的输出系统就会有相应的输出 系统的这个输出通常称之为系统对输入的响应 它一般是时间的函数 自动控制就是为了某个一定的目的 保证对输入有满意的响应 或者说 自动控制系统必须满足其被控制量具有给定值所指定的数值 尽量不受干扰的影响 人工控制和自动控制有两个共同点 一是检测偏差 二是要用检测到的偏差去纠正偏差 在自动控制系统中 这一偏差通常是通过反馈建立的 反馈是指输出量通过适当的测量装置将信号的全部或一部返回到输入端 使之与输入量进行比较 比较的结果称为偏差 控制系统根据该偏差进行控制 以使偏差减小或消除 这种基于反馈基础上的 检测偏差用于纠正偏差 的控制原理称之为反馈控制原理 反馈控制原理是自动控制中普遍应用的控制理论之一 反馈控制系统由输入部分 控制环节 反馈环节和被控对象组成 控制环节包括调节器和执行机构 输入量与反馈量相比较得到偏差信号 控制环节中的调节器根据偏差信号产生控制信号 并传送到执行机构 执行机构作用于被控对象 使其输出量得到调节 航行问题 无负反馈时航线 有负反馈时航线 控制系统中主要采用负反馈 负反馈 反馈的加入 使偏差越来越小 正反馈 反馈的加入 使偏差越来越大 振荡发生器 本书中说的反馈一般都指负反馈 2 2自动控制系统的类型 2 2 1自动控制系统的分类1 按控制系统类型分类 1 模拟控制在模拟控制系统中 采用模拟电子器件及电路 输入的指令信号和输出信号都是模拟量 系统中的过程参数及检测信号也都是模拟量 响应快 但控制精度低 灵活性小 缺乏复杂计算能力 2 计算机控制利用计算机实现生产过程自动控制的系统 输入输出信号都是数字信号 计算机作为系统的控制核心 其输入输出只能是二进制编码的数字信号 即在时间上和幅值上都离散的信号 而系统中被控对象和测量元件的输入输出是连续信号 所以在计算机控制系统中 需要A D和D A转换器 以实现两种信号的转换 典型的计算机控制系统如图2 4所示 计算机控制系统的典型形式主要有操作指导控制系统 直接数字控制系统 分散控制系统 现场总线控制系统 图2 4计算机控制系统 2 按输入量 给定量 的变化规律分 1 定值控制系统系统的输入量 给定量 为恒定值 对应的输出量也保持恒定 这类控制系统的任务是保证在扰动作用下使被控变量始终保持在给定值 例如 在生产过程中的温度 压力 流量 液面高度等的控制系统 2 程序控制输入量和输出量按预定程序变化的系统 输入量为一个已知并随时间变化的函数 如 全自动洗衣机 热处理温度控制等 3 随动控制输出量能迅速而准确的跟随着变化着的输入量的系统 输入量为预先未知并随时间变化的函数 如 雷达无线跟踪系统等 3 按组成系统的元件特性分类 1 线性系统构成系统的所有元件都是线性元件的系统 系统中各组成环节的特性可以用线性微分方程或差分方程来描述 2 非线性系统构成系统的元件中至少含有一个非线性元件的系统称为非线性系统 系统的特征由非线性微分方程来描述 对于非线性系统叠加原理是不适用的 严格讲 实际上不存在线性系统 各种系统总是不同程度地具有非线性因素 4 按系统中信号特征分类 1 连续系统系统内各处的信号都以连续的模拟量传递的系统称为连续系统 系统中各组成环节的输入和输出信号都是时间的连续函数 连续控制系统的特征一般是用微分方程来描述的 若系统是线性的而且又是连续的 则称为线性连续系统 2 离散系统控制系统中有一个或多个组成环节的输入信号或输出信号在时间上是离散的 信号是以脉冲序列或数码形式传递的 这样的系统称为离散系统 5 按系统输入和输出信号的数量分类 1 单变量控制系统在一个控制系统中 如果只有一个被控变量和一个控制作用来控制被控对象 则称该系统为单变量控制系统 又称为单输入 单输出系统 2 多变量控制系统如果一个控制系统中的被控变量多于一个 控制作用也多于一个 而且各控制回路相互之间有耦合关系 则称这类控制系统为多变量控制系统 也称为多输入 多输出控制系统 图2 7单变量控制系统 这种系统输入输出信号各为一个 系统比较简单 系统中主反馈 从系统输出至系统输入的反馈称为主反馈 只有一个 但是有时为了改善系统质量 还可以加剧局部反馈 图2 8多变量控制系统 图2 7单变量控制系统 图2 8多变量控制系统 2 2 2开环控制和闭环控制 1 开环控制控制系统的输入端和输出端无反馈通道 控制装置与被控制对象之间只有顺向作用而设有反向联系 即被控量 系统输出量不影响系统的控制作用 这样系统称为开环控制系统 相应的控制方式称为开环控制 优点 结构简单 调整方便 系统稳定好 成本低 缺点 控制精度低 系统没有抗干扰能力 控制精度取决于系统元器件的精度 因此必须采用高精度和稳定性的元件 应用场合有限 开环控制又分为用给定量操纵的控制方式和干扰补偿的控制方式 1 用给定量操纵的控制方式用给定值操纵的开环控制系统的方框图如图2 9所示 这种控制方式的特点是 在给定输入端到输出端之间的信号传递是单向进行的 这种控制方式的缺点是 当受控对象或控制装置受到干扰 或者在工作过程中元件特性发生变化而影响被控量时 系统不能进行自动补偿 所以控制精度难以保证 图2 9用给定量操纵的开环控制 2 用干扰补偿的控制方式用干扰补偿的开环控制方式的方框图如图2 10所示 这种控制方式的特点是 干扰信号经测量 计算 放大 执行等元件到输出端的传递也是单向进行的 用干扰补偿的控制方式只能用在干扰可以测量的场合 另外这种控制方式在工作过程中不能补偿由于元件及受控对象工作特性变化而对被控量所产生的影响 图2 10用干扰补偿的开环控制 2 闭环控制控制系统的输出与输入间存在着反馈通道 系统的输出对控制作用有直接影响 这样的控制系统称为闭环控制系统 相应的控制方式称为闭环控制 如图2 11 闭环控制的优点 在控制器和控制对象之间 不仅存在着正向作用 而且还存在着反馈作用 即系统的被控量对控制作用有直接影响 若有干扰使输出的实际值偏离给定值时 由于反馈控制作用将减少这一偏差 因而闭环系统控制精度较高 对控制元件的要求比开环控制低 在工程应用中更普遍 闭环控制的缺点是 一般的闭环控制系统总存在有惯性元件 当系统内部元件特性参数匹配不当时 将引起系统振荡 不能稳定工作 闭环控制有检测 反馈比较 调节器等部件 因而使系统复杂 成本提高 闭环控制会产生系统的增益损失 但是损失一定的开环增益换取对系统响应的控制能力也是值得的 图2 11闭环控制 3 复合控制就是将开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式 实质上 它是在闭环控制回路的基础上 附加一个对输入信号或对扰动作用的前馈通路 来提高系统的控制精度 前馈通路通常由对输入信号的补偿装置或对扰动作用的补偿装置组成 分别称为按输入信号补偿和按扰动作用补偿的复合控制系统 如图2 12所示 a b 图2 12复合控制系统方框图 a 按输入作用补偿 b 按扰动作用补偿 2 3材料成形过程自动控制系统的特性 2 3 1自动控制系统的基本特性1 稳定性是指系统处于平衡状态下 受到扰动作用后 系统恢复原有平衡状态的能力 稳定性是保证使系统正常工作的前提 为了使系统在环境或参数变化时还能保持稳定 设计时应预留一定的稳定裕量 2 精确性稳定的系统在调节过程 暂态 结束后所处的状态称为稳态 精确性是指调节过程结束处于稳态时被控量与期望值接近的程度 常以稳态误差来衡量 希望稳态误差越小越好 3 动态品质系统的动态品质直接反映了系统控制性能的优劣 控制系统的动态品质通常用动态响应指标来衡量 动态响应指标包括 调节时间 超调量 振荡次数等 系统的调节时间即系统动态响应时间也就是系统受到干扰时 对偏差进行控制调节的时间 超调量即系统动态响应最大值超出稳态值的部分相对于稳态值的百分数 振荡次数即系统动态调节过程中系统响应曲线波动的次数 调节时间反映了系统动态过程的快速性 超调量和振荡次数反映系统动态调节过程的平稳性 2 3 2材料成形自动控制系统的特点在一个自动控制系统中 首先必须选择能恰当表现控制对象本来面目的物理量作为被控制量 其数目可以是一个或多个 其次要研究检测出此被控制量的手段 确定合理的检测元件 被控制量的测量性的好坏作为选择被控制量的条件 被控制量可以是能够直接测量的直接变量 或是可以检测的与被控制量的动态 静态特性一一对应的二次间接变量 对于铸造工艺 可以考虑作为直接变量的包括铸件形状 收缩率 铸件缺陷 成分及其分布等 可以考虑为间接变量的是压力 温度 速度 时间等 对于锻造工艺 可以考虑作为直接变量的包括锻件形状 回弹 厚度 张力 板形 位置等 可以考虑为间接变量的是压力 温度 速度 时间等 对于焊接工艺 情况比较复杂 可以考虑作为直接变量的包括焊缝的熔深 熔宽 缺陷状态等 这些变量的直接测量几乎不可能 必须考虑间接变量测量 可以考虑为间接变量的是熔池附近的温度场 熔池金属的流动状态 电弧的形状等 而这些间接变量也是很难测量 目前 焊接过程可用于自动控制的 能够比较恰当反映被控制量的变量是 电弧的电压 电流 焊接速度 送丝速度 保护气流量 焊接角度等 2 4材料成形过程自动控制的常用控制策略简介 控制策略 控制算法 是自动化系统中控制技术的核心问题 不同的控制策略具有不同的控制器结构 硬件结构或软件结构 常用的控制策略有PID策略 自适应策略 模糊策略 神经网络策略以及复合策略 1 PID控制PID控制是指 P 比例控制 I 积分控制 D 微分控制 PID控制是传统控制策略 无论在模拟控制或数字控制中都得到了广泛地应用 即模拟PID控制和数字PID控制 在自动控制系统中要根据具体情况和要求 选择PID的控制策略 可以单独采用P控制 I控制 D控制 也可以采用PI PD PID控制 在自动控制系统中最常用的控制策略是传统的PID控制策略 其原理如图2 15所示 其控制的数学模型见下式 Kp 比例增益 Ti 积分时间常数 Td 微分时间常数 上式表明 系统控制量u t 是偏差e t 的比例 积分 微分控制的组合 图2 15PID控制框图 2 自适应控制自适应控制是针对对象特性的变化 漂移和环境干扰对系统的影响而提出来的 它的基本思想是通过在线识别使这种影响逐渐降低以致消除 自适应控制系统可以归纳为两类 模型参考自适应控制 自校正控制 自适应控制是一种逐渐修正 逐渐趋向期望性能的过程 适用于模型和干扰变化缓慢的情况 对于模型参数变化快 环境干扰强的工业场合以及比较复杂的生产过程难于应用 图2 16模型参考自适应控制系统框图 3 模糊控制在传统的控制领域里 控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键 系统动态的信息越详细 则越能达到精确控制的目的 因此 传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力 但对于过于复杂或难以精确描述的系统 则需模糊控制系统 模糊控制是运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制 属于智能控制策略 由于模糊控制不需要建立控制