3 自动控制系统的类型和组成

•（3）控制器（调节器） 控制器（调节器）
•（4）放大器
•（5）执行机构
3.6 控制器控制和计算机控制
以上系统的各个信号：输入信号、误差、 以上系统的各个信号：输入信号、误差、控制器输 模拟信号 出和输出量等都是模拟信号，即随时间连续变动的信号。 出和输出量等都是模拟信号，即随时间连续变动的信号。 在一些现代的控制系统中常用微型计算机来代替控制器， 微型计算机来代替控制器 在一些现代的控制系统中常用微型计算机来代替控制器， 这对于实现复杂的控制性能很有必要，如最优控制、 这对于实现复杂的控制性能很有必要，如最优控制、自 适应控制等等。这时计算机控制系统 计算机控制系统（ 适应控制等等。这时计算机控制系统（Computer Control System）的框图如图 所示。其特点是系统中 所示。 ）的框图如图3.5所示 一处或几处的信号具有数字代码 此外还有离散信号 数字代码， 一处或几处的信号具有数字代码，此外还有离散信号 采样信号）的出现如图3.6。 （采样信号）的出现如图 。系统的另一个特点是以 计算机程序来实现PID控制规律或更复杂的控制规律。 控制规律或更复杂的控制规律。 计算机程序来实现 控制规律或更复杂的控制规律
（4）控制器（调节器） ）控制器（调节器）
根据误差信号，按一定规律，产生相应 根据误差信号，按一定规律， 的控制信号。 部分； 的控制信号。控制器是自动控制系统实现控制的核心 部分；
（5） 执行环节（执行机构） ） 执行环节（执行机构）
被控对象的被控量变化； 被控对象的被控量变化；
将控制信号进行功率放大， 将控制信号进行功率放大，并能使
3.3
随动系统（伺服系统） 随动系统（伺服系统）
在反馈控制系统中， 在反馈控制系统中，若给定环节给出的输入信号是预先未 知的随时间变化的函数，这种自动控制系统称为随动系统 知的随时间变化的函数，这种自动控制系统称为随动系统 ）。国防上的炮跟踪系统 （Servo-mechanism）。国防上的炮跟踪系统（图2.18和图 ）。国防上的炮跟踪系统（ 和图 2..19）、雷达导引系统（图2..18上的左图）和天文望远镜的跟 ）、雷达导引系统 上的左图） ）、雷达导引系统（ 上的左图 踪系统等都属于随动系统。 踪系统等都属于随动系统。
（6） 被控对象 ）
出就是被控量； 出就是被控量；
控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输 控制系统所要控制的设备或生产过程，
（7） 扰动 ）
除输入信号外能使被控量偏离输入信号所要求的值或 规律的控制系统内、外的物理量。 规律的控制系统内、外的物理量。
自动控制系统的各环节功能框图
扰 动
给定环节
给定输 入 +
3 自动控制系统的类型和组成
3.1
恒值自动调节系统
图3.1 炉温自动控制系统
由给定环节给出的电压U 代表所要求保持的炉温， 由给定环节给出的电压 r代表所要求保持的炉温，它与表 示实际炉温的测温热电偶的电压U 相比较， 示实际炉温的测温热电偶的电压 f 相比较，形成误差电压 经过放大器放大后带动电动机M向一定方 △U=Ur-Uf 。△U经过放大器放大后带动电动机 向一定方 经过放大器放大后带动电动机 向转动，并使调压器提高或降低加热电压，以使U 达到U 向转动，并使调压器提高或降低加热电压，以使 f达到 r并 这时，电动机不再转动， 使 △U=0 。这时，电动机不再转动，自动调节系统达到新 的平衡点。这里，电动机有一个正确的旋转方向问题。 的平衡点。这里，电动机有一个正确的旋转方向问题。当 炉温自动调节系统U 炉温自动调节系统 r>Uf ，即△U>0，此时表示炉温低于所 ， 要求保持的恒值， 要求保持的恒值，则电动机的旋转方向应该使调压器的滑动 触点向上以增加加热电压。这里可以看到， 触点向上以增加加热电压。这里可以看到，系统的作用是闭 合的，即形成闭环系统 也即说明有反馈回路 闭环系统， 反馈回路。 合的，即形成闭环系统，也即说明有反馈回路。而反馈的性 质使炉温回复到给定的恒值；而不是炉温U 大于U 质使炉温回复到给定的恒值；而不是炉温 f大于 r时，反馈 使得炉温更大，或者U 小于U 时反馈使炉温更小。 使得炉温更大，或者 f小于 r时反馈使炉温更小。后述系统 不能正常保持被调量为恒值 这说明自动调节 控制）系统， 恒值。 自动调节（ 不能正常保持被调量为恒值。这说明自动调节（控制）系统， 一定要有“负反馈” 在恒值自动调节系统中， 一定要有“负反馈”。在恒值自动调节系统中，由给定环节 给出的给定作用为恒值。它应赋予“ 号 给出的给定作用为恒值。它应赋予“+”号。反馈量应赋予 “-”号。这样才能保证实现“负反馈”。即误差电压△U的 号 这样才能保证实现“负反馈” 即误差电压△ 的 形成是： 形成是：△U=Ur-Uf 。
3.2 程序自动控制系统
指令
运 算 控制 控制器 脉冲 脉冲
变 换 放大器
电动机
工作 机床
切削 刀具
位移
反馈测 量元件
相当于上节中的U 当自动控制系统的给定信号 (相当于上节中的 r ) 相当于上节中的 是已知的时间函数时，称这类系统为程序控制系统 是已知的时间函数时，称这类系统为程序控制系统 ）。图 表示一个仿模铣床 （Program Control System）。图3.2表示一个仿模铣床 ）。 的原理示意图。这是一个闭环控制系统。 的原理示意图。这是一个闭环控制系统。但是制做一个 精确的立体木模是一个精细、费工的工作。 精确的立体木模是一个精细、费工的工作。所以后来又 将木模以纸带（或磁带）上的脉冲系列来代替，这时的 将木模以纸带（或磁带）上的脉冲系列来代替， 闭环控制系统如图3.3所示 加工时， 所示。 闭环控制系统如图 所示。加工时，由光电阅读机把 记录在穿孔纸带（或磁带）上的程序指令， 记录在穿孔纸带（或磁带）上的程序指令，变成电脉冲 即指令脉冲），送入运算控制器。 ），送入运算控制器 （即指令脉冲），送入运算控制器。运算控制器完成对 控制脉冲的寄存、交换和计算， 控制脉冲的寄存、交换和计算，并输出控制脉冲给执行 机构。执行机构根据运算控制器送来的电脉冲信号，操 机构。执行机构根据运算控制器送来的电脉冲信号， 作机床的运动，完成切削成型的要求。 作机床的运动，完成切削成型的要求。
图3..5
输入 给定值 + 连续 离散 偏差 偏差 _ 模-数 转换器 数字 偏差
计算机控制系统框图
数字 控制量 计算机中 央处理器
数-模
离散 控制量 保持器
连续 控制量 被控对象
连续 输出
转换器
图3..6
模拟信号采样示意图
3.7 自动控制和远距离控制
在一个自动化系统中各设备和自动化仪表之间的距离往往 是较短的。 是较短的。
采用模拟信号的调节器使用较 它接受来自被控对象的测量值和给定值或它们的误差， 多，它接受来自被控对象的测量值和给定值或它们的误差，并根据 一定的控制（调节）规律产生输出信号以推动执行机构（执行器）。 一定的控制（调节）规律产生输出信号以推动执行机构（执行器）。 控制器起了图3.4中给定环节、比较环节和控制器三者的作用； 3.4中给定环节 控制器起了图3.4中给定环节、比较环节和控制器三者的作用； 用以增加信号的幅度或( 用以增加信号的幅度或(和)功率，如如晶体 功率， 管放大器，也可以由电信号放大到气动信号（如电-气转换器）； 管放大器，也可以由电信号放大到气动信号（如电-气转换器）； 接受控制器来的信息并对被控对象施加控 制作用，如电动机M 工业控制常用的执行机构是气动薄膜调节阀、 制作用，如电动机M。工业控制常用的执行机构是气动薄膜调节阀、 液压伺服马达、电动调节阀等。 液压伺服马达、电动调节阀等。
距离
远距离控制(遥控) 图3.9 远距离控制(遥控)系统框图
遥 控 指 令 器 器 器 生 编 制 码 机 道 机 器 器 构 发 令 射 收 调 码 机 对 象 行 指 调 发 信 接 解 译 执 控 被
控制 制 图3..8 图3.9 图
3.4 自动控制系统的组成
（1） 给定环节 ） （2）反馈环节 ）
反馈信号； 反馈信号； 将给定的输入信号和反馈信号加以比 产生“误差”信号； 较，产生“误差”信号； 产生给定的输入信号； 产生给定的输入信号； 对系统输出（被控制量）进行测量， 对系统输出（被控制量）进行测量，将它转换成
（3） 比较环节 ）
误差 控制器 _ 放大环 节 执行环 节 被 控 对 象
输 出
反馈信 号
反馈环节
3.5 自动化仪表
实现对信号的检测并将被测的物理量变换 通常是电量) 例如热电偶； 为另一个物理量 (通常是电量) ，例如热电偶；
•（1）传感器 ห้องสมุดไป่ตู้感器
•（2）变送器
与传感器配套，使输出成为标准信号。 与传感器配套，使输出成为标准信号。例如 电动单元组合仪表，标准信号为4 20ma 对DDZ Ⅲ 电动单元组合仪表，标准信号为4 –20ma ；
远距离测量（遥测） 远距离测量（遥测）系统
来 自 被 测 对 象 传 感 单 元 变 换 单 元 数 据 采 编 单 元 存 储 纪 录 重 放 单 元 发 送 单 元 接 收 单 元 解 编 单 元 纪 录 单 元 显 示 单 元 数 据 处 理 单 元
3.8
遥测系统
系统 系 离 测量 （ ） （ ）