自动控制技术基础理论1

自动控制技术基础理论维修电工技师考证复习之三

一、自动控制基本概念：

在人不直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象自动地按照预定的规律运行和变化。这种控制称为自动控制。

能够对被控对象的工作状态自动控制的系统称为自动控制系统。

自动控制系统其功能和组成是多种多样的，结构上也是有简有繁的。自动控制系统可以是一个具体的工程系统，也可以是一个抽象的社会系统、生态系统和经济系统。我们本章研究的是一个具体的工程系统，是工业机电自动控制系统。

自动控制理论是研究自动控制的共同规律的技术科学。

自动控制理论的发展过程其初期是以反馈控制理论为基础的自动调节原理。

随着工业生产和科学技术的发展，形成了以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究的是单输入—单输出、线性定常系统的分析和设计。

由于现代应用数学和计算机技术的发展和应用，自动控制理论又进入了一个新的阶段，即现代控制理论阶段。它主要研究的是具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控剃问题。

二、开环控制系统和闭环控制系统

1.开环控制系统

控制装置与被控对象之间只有顺向作用，而没有反向联系。系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与给定输入量进行比较，故系统的输入量就是系统的给定值。

下图为晶闸管—电动机速度开环控制系统：

图中电动机是被控对象，转速n是要求实现自动控制的物理量，被称为被控量。转速的给定Ug为系统的输入量。

当系统输入端给定一个电压Ug（输入量）时，电动机就有对应一个转速n（输出量）。

当给定电压Ug增大时，通过触发器CF使晶闸管整流装置的控制角α减小，晶闸管整流装置的输出电压Ud增高，电动机的转速n增加。

图中作用于系统输入端的量Ug为输入量。

作用于被控对象（电动机）的量Ud为控制量。

转速n是要求控制的输出量，称为被控量。

作用于被控对象（电动机）的负载转矩TL称为扰动量。

从理论上来讲所有使被控量即转速偏离期望值（给定值）的因素都是扰动。如电源电压的波动、电动机励磁电流的变化等因素在转速给定值Ug不变时，都将引起被控量（转速n）的变化。

为了分清主次，将各种扰动分为主扰动和次扰动。系统分析时主要考虑主扰动。

上图的系统是按给定量控制的开环控制系统。如果是按扰动量控制的开环控制系统，要用仪表来测量其扰动，使系统按照扰动来进行控制，以减小或抵消扰动对输出量的影响，这种开环控制系统称之为前馈控制系统。

前馈控制系统是利用可测量的扰动量而产生一种补偿作用，能针对扰动迅速调整控制量，使被控量及时得到调整，以提高抗扰动的性能和控制精度。

按给定量控制的开环控制系统虽然结构简单、调整方便、成本低，但系统的抗扰动性能差，控制精度低，往往不能满足生产的要求。

如果将开环控制系统用于刨床，在加工生产中，由于机械转矩的变化而产生不同的转速降，从而引起转速波动，造成刨床加工精度不高，不能满足生产要求。

在开环控制系统中每一个给定的输入量就有一个相应的固定输出量（期望值）。但是，当系统出现扰动时，这种输入与输出之间的一一对应关系将被破坏，系统的输出量将不再是期望值，两者之间就有一定误差，开环系统不能减小这个误差，一但此误差超出了允许范围，系统将不能满足实际控制要求。因此，开环速度控制系统不能实现自动调速。

开环控制系统的特点：

（1）系统中无反馈环节，不需要反馈测量元件。

（2）系统开环工作，稳定性能好。

（3）系统不能实现自动调节，对干扰引起的误差不能自行修正，故控制精度不高。

因此，开环控制系统适用于输入量与输出量之间固定而且内扰和外扰较小的场合。为了保证一定的控制精度，开环控制系统必须来高精度控制元件。

2.闭环控制系统

闭环控制系统是反馈控制系统，其控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系，它将被控对象的输出量送回到输入端，然后与给定输入量进行比较，而形成偏差信号，再将偏差信号作用到控制器上，使系统的输出量趋向于期望值。

下图为晶闸管整流供电的直流电动机闭环控制系统

测速发电机TG与电动机M同轴，从测速发电机TG引出转速负反馈电压Ufn ，此电压比于为电动机的转速。该转速负反馈电压Ufn与给定电压Ug进行比较，其偏差值△Ui=U g－Ufn ，经调节放大后，输出控制电压Uc ，再经触发器CF控制晶闸管变流器的输出电压Ud ，从而控制电动机转速n ，使转速n与转速给定值趋于一致。

当负载增加时，电动机因负载增加而转速下降，则转速负反馈电压Ufn减小，由于转速给定电压U g不变，偏差电压△Ui=U g－Ufn则增加。通过放大后使晶闸管整流器输出电压Ud增高，从而电动机的，转速n回升。

该调节过程可以表示为：

TL↑→Id↑→n↓→Ufn↓→△Ui（=Ug－Ufn）↑→Uc↑→α（控制角）↓→Ud↑→n↑

由此可见，当U g不变而电动机转速n由于扰动原因产生变化时，可通过转速负反馈自动调节电动机转速n而维持稳定，从而提高了控制精度。

将闭环控制系统与开环控制系统相比较，可看出：两者之间最大的差别在于闭环控制存在一条从被控量（转速n）经过检测反馈元件（测速发电机）到系统输入端的通道，这条通道称为反馈通道。

闭环控制系统有以下三个重要功能：

1)检测被控量。

2)将被控量的实际值检测后所得到的反馈量与给定值进行比较而得到偏差值。

3)根据偏差值来对被控量进行调节。

闭环控制系统的特点：

1) 能补偿控制过程中受到的各种扰动因素的影响，并可自动调节。

2)由于反馈环节的存在而出现稳定问题，可能会使系统的稳定性变差，甚至可能

造成系统不稳定。

3) 系统必须要具备由反馈元件组成的反馈环节。

三、自动控制系统的性能及其指标：

1、对自动控制系统的性能要求：

1)稳定性

稳定性是决定一个自动控制系统能否实际应用的首要条件。所谓稳定性是就动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力而言的。

系统的工作过程包括稳态和动态两种过程：

系统在输入量和被控量均为固定值时的平衡状态称为稳态，或称静态。

系统在受到外加信号（给定或干扰）作用后，被控量随时间t变化的全过程称为系统的动态过程，或过渡过程，常用C（t）表示。

在外加信号的作用下，任何系统都会偏离原来的平衡状态，产生初始偏差。所谓稳定性能就是指系统由初始偏差状态至达到或恢复平衡状态的性能。

在阶跃输入信号作用下，系统动态过程的几种基本形式：

对于一个稳定系统，在外加信号作用后，由于系统中存在的电磁惯性及机械惯性，必须经过一定的过渡时间，被控量才能达到新的平衡值，即系统才能进入新的稳态。

稳定系统的动态过裎如下图曲线1和2，其受控量的暂态成分随时间衰减，最终能以一定精度趋于平衡值（称为收敛）。

对于不稳定系统，其受控量的暂态成分随时间而单调发散或振荡发散，如下图的曲线3和4。