自动控制原理

1、第一章自动控制的一般观点1.1前言自动控制理论是研究对于自动控制系统构成、剖析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论的任务是研究自动控制系统中变量的运动规律以及改变这类运动规律的可能性和门路，为成立高性能的自动控制系统供给必需的理论依据。1.2自动控制和自动控制系统的基本观点自动控制问题的提出在很多工业生产过程或生产设施运转中，常常需要对某些物理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制，使其尽量保持在某个数值邻近，或使其按必定规律变化。如图1-l所示是锅炉给水人工控制表示图。人工调理是一个“检测偏差、纠正偏差”的过程。能够用一整套自动控制仪表(自动

2、调理器)来取代操作人员的作用。图1-2所示是锅炉给水汽包水位自动控制表示图。任何一对象和控常有的闭环控制系统的制系统称图1-2汽包锅炉给水自动调理表示图1过热器；2汽包；3省煤器；4给水凋节阀；5水位计个控制系统，都包括着被控制器两个构成部分。开环控制系统控制方式有三种：开环控制、和复合控制。控制输入不受输出影响的控为开环控制系统。图1-3所示的烘箱温度控制系统制系统。烘箱是被控对象，烘箱的温称为系统输出量。开关设定地点为系输入量，电阻及加热元件可当作是调该系统中只有输入量对输出量的输出量对输入量没有任何影响和联烘箱温度开环控制系统可用图1-4表示。闭环控制系统在图1-3所示的烘箱温度开环控制

3、系装置，构成了如图1-5所示的烘箱温度闭图1-3烘箱温度开环控制系统表示图图1-4烘箱温度开环控制系统方框图是一个开环控度是被控量，也统的给定量或压器（控制器）。单向控制作用，系。所示的方框图统中，加入一些环控制系统。系统中，烘箱是被控对象，炉温是被控量，页眉内容图1-5烘箱温度闭环控制系统表示图给定量是由给定电位器设定的电压ur(表征烘箱温度的希望值)。系统方框图如图1-6所示。往常，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反应信号之间的通道称为反应通道。方框图顶用符号“”表示比较环节，其输出量等于各个输入量的代数和。这类经过反应通道使系统构成闭环，并按偏差产生控制作用，用以

4、减小或除去偏差的控制系统，称为闭环控制系统，或称反应控制系统。在系统主反应通道中，只有采纳负反应才能达到控制的目的。闭环系统中系统的输出信号引回到输入端，与输入信号对比较，利用所得的偏差信号对系统进行调理，达到减小偏差或除去偏差的目的。这图1-6烘箱温度闭环控制系统方框图就是负反应控制原理，是闭环控制系统的核心计理。复合控制系统反应控制只有在外面作用(输入信号或扰乱)对控制对象产生影响以后才能做出相应的控制。前馈控制能使系统实时感觉输入信号，使系统在偏差马上产生以前就注意纠正偏差。将前馈控制和反馈控制联合起来，构成复合控制，能够有效提升系统的控制精度。图1-7所示的水温控制系统是一个按扰乱赔偿

5、的复合控制系统。此中，热互换器是被控对象，实质热水温度是被控量，给定量（希望温度）在控制器中设定，冷水流量是扰乱量。系统方框图如图1-8所示。1.3控制系统示例冷水流量流量计1室温自动控制系统-图1-9所示为一室温自动控制系统，目的是将恒温蒸汽流量给定温度_温度控制器阀门热互换器热水温度T室温度保持在希望值。敏感元件测得的实质温度。控制器将温度差经过履行机构（如可逆转电机图1-7水温控制系统表示图等）开大或关小调温度传感器节阀，控制热水流量的小，再由风将热量送入到室温与希望值一致。这是一个典型的闭统，恒温室是被控对被控量。系统方框图如页眉内容图1-8水温控制系统方框图增大或减恒温室，直环控制系

6、象，室温是图1-10所图1-9室温自动控制系统表示图1热水加热器；2敏感元件；3控制器；4履行机构；5调理阀扰乱示。设定温度_调理器履行机构调理阀热水加热器房间室温电压调理系统电压调理系统如图1-11所示。感温元件图1-10室温自动控制系统方框图该系统电压是被控ur。系统方中，发电机是被控对象，发电机的输出量，给定量是给定电位器设定的电压框图如图1-12所示。3水位控图1-11电压调理系统表示图制系统图1-13图1-12电压调理系统方框图所示的水位控制系统目的是控制水位到希望高度。浮子是丈量元件，连杆起比较作用，比较希望水位与实质水位之差，同时推进电位器滑臂挪动。电位器输出电压反应偏差的大小和

7、方向，电压经放大器放大后驱动直流伺服电动机，其转轴经减速器后拖动进水阀门，对系统施加控制作用。水位象，水池的电位器设1-14所示。图1-13水位控制系统表示图图1-14水位控制系统方框图统表示图调理系统中，水池是被控对水位是被控量，给定量是给定定的电压ue。系统方框图如图制冷系统制冷系统往常由冷凝器、压缩机、蒸发器及电子膨胀阀等装置构成，其工作原理如图1-15所示。压缩机将制冷剂压缩后送入冷凝器，在冷凝器中制冷剂被冷却后变为液体，液体系冷剂进入蒸发器，在蒸发器中汲取热量蒸发。系统中蒸发回路的任务是经过电子膨胀阀的开度来控制蒸发器的热量。冷凝器制冷系统中蒸发控制回路方框图见图1-16，此中电子膨

8、胀阀是履行机构，蒸发器为被控对象，蒸发器的过热度为被控值。电子膨胀阀压缩机制冷剂页眉内容蒸发器图1-15制冷系统工作原理图设定值过热度1.4自动控制系统的基本构成蒸发器控制器电子膨胀阀图是典型自动控制系统的功能框图。图中的每一个方框，代表一个拥有特定功能的元件。1-17除被控对象外，控制装置往常是由丈量元件、比较元件、放大元件、履行机构、校订元件以及给定元件构成。检测装置图1-16蒸发器过热控制系统方框图被控对象指生产过程中需要进行控制的工作机械、装置或生产过程。描述被控对象工作状态的、需要进行控制的物理量是被控量。图1-17典型反应系统方框图给定元件主要用于产生给定信号或控制输入信号。丈量元

9、件用于检测被控量或输出量，产生反应信号。假如测出的物理量属于非电量，一般要变换成电量以便办理。比较元件用来比较输入信号和反应信号之间的偏差。能够是一个差动电路，也能够是一个物理元件（如电桥、自整角机等）。放大元件用来放大偏差信号的幅值和功率，使之能够推进履行机构调理被控对象。比如功率放大器、电液伺服阀等。履行机构用于直接对被控对象进行操作，调理被控量。如阀门，伺服电动机等。校订元件用来改良或提升系统的性能。常用串连或反应的方式连结在系统中。比如RC网络、测速发电机等。1.5自动控制系统的分类及基本要求自动控制系统的分类自动控制系统依据不一样的特点和标准，有不一样的分类方法。按控制系统的构造，可

10、分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。按给定信号的形式，可将控制系统区分为恒值控制系统和随动控制系统。按系统参数能否随时间变化，能够将控制系统分为定常系统和时变系统。按控制系统的动向特征分类，可分为线性控制系统和非线性控制系统。按控制系统闭环回路的数量分类，可分为单回路控制系统和多回路控制系统。依据输入信号和输出信号的数量分类，可将系统分为单输入单输出系统和多输人多输出系统。按控制动作和时间的关系分类，可分为连续控制系统和失散控制系统。对自动控制系统的基本要求页眉内容在输入量的作用下，系统的输出变量由初始状态达到最后稳态的中间变化过程称过渡过程，又称瞬态过程。过渡过程结束后的输出响应称

11、为稳态过程。系统的输出响应由过渡过程和稳态过程构成。对系统质量指标的基本要求能够概括为三个字：稳、准、快。稳：是指系统的稳固性。稳固性是系统从头恢复均衡状态的能力。任何一个能够正常工作的控制系统，第一一定是稳固的。稳固是对自动控制系统的最基本要求。因为闭环控制系统有反应作用，控制过程有可能出现振荡或发散。如图1-18中曲线3、曲线4和5所示。这些状况就称系统不稳固。准：是对系统稳态（静态）性能的要定的系统而言，当过渡过程结束后，系统际值与希望值之差称为稳态偏差，是权衡度的重要指标。稳态偏差越小，系统的准快：是对系统动向性能（过渡过程性描绘系统动向性能能够用安稳性和迅速性稳指系统由初始状态运动到新的均衡状态的过调解振荡性；迅速指系统运动到新的需要