自动控制原理-第1章-自动控制的一般概念

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总之,自动控制技术的应用几乎无所不在 。
1.1 自动控制系统简介
控制 (人工控制和自动控制)
在许多工业生产过程或生产设备运行中,为了保证 正常的工作条件,往往需要对某些物理量(如温度、 压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制, 使其尽量维持在某个数值附近,或使其按一定规律 变化。要满足这种需要,就应该对生产机械或设备 进行及时的操作,以抵消外界干扰的影响。 控制:为了满足预期要求所进行的操作
对偏差信号进行放大,使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。
5执行元件:
直接对受控对象进行操纵的元件,使被控量变化,如电动机、液压马达等。
6校正元件: 用以改善系统控制 质量的装置。
校正元件分为串联和并联两种。 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共 同起控制作用,统称为控制器。 实际的控制系统中,扰动总是不可避免的,扰动分为内部扰 动和外部扰动。但在控制系统中,扰动集中表现在控制量与 被控量的偏差上,因此,可以将控制系统的扰动等效为对控 制对象的干扰。
综上所述
控制系统的工作原理:
检测输出量(被控制量)的实际值;
将输出量的实际值与给定值(输入量)进行比较 得出偏差;
用偏差值产生控制调节作用去消除偏差,使得输 出量维持期望的输出。
由于存在输出量反馈,上述系统能在存在无法预 计扰动的情况下,自动减少系统的输出量与参考 输入量(或者任意变化的希望的状态)之间的偏 差,根据偏差值的大小产生控制作用,实现控制 任务,这是反馈控制的基本原理,故称之为反馈 控制。
输入信号的响应:由某一个输入信号产生的 输出信号又称为该输入信号的响应。
控制变量:控制器的输出信号称为控制变量,它作用 在控制对象(执行元件、功率放大器)上,影响和改 变被控变量(放大器(控制器)的输出信号)。
被控变量:在控制系统中被控制的物理量是被控变量。 (空气温度)
反馈信号:是被控变量经传感器等元件变换并返回到 输入端的信号,一般与被控变量成正比(热敏电阻即 温度传感器的输出信号)。
测量元件:能够将一种物理量检测出来并转化成 另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感 器或测量元件。用于检测被控量或输出量,产生 反馈信号。如果测出的物理量属于非电量,一般 要转换成电量以便处理 ,(热敏电阻) 。
给定元件(参考输入元件):将指令输入信号变 成参考输入信号的元件,主要用于产生给定信号 或控制输入信号, (电位器)。
比较元件 用来比较输入信号和反馈信号之间的 偏差。它可以是一个差动电路,也可以是一个物 理元件(如电桥电路、差动放大器等)
控制系统的组成
放大元件 用来放大偏差信号的幅值和功率,使 之能够推动执行机构调节被控对象。例如功率放 大器、电液伺服阀等。
校正元件 用来改善或提高系统的性能。常用串 联或反馈的方式连接在系统中。例如测速发电机 等。
自动控制系统= 控制装置+被控对象 测量元件
控制器 执行元件
自动控制系统的方框图
方框图可直观的表达控制系统的组成及信
号之间的传递关系
出水量
水位给定值 +
偏差
控制器
进水量
进水调节阀
水池
水位实际值
水位测量值
浮子
方框图中各符号的意义
方框(块)图 中的符号
元部件 信号(物理量)及传递方向 比较点 引出点(分支点) 表示负反馈
-
计算 执行
测量 干扰 +
受控对象
被控量
测量
特点:主要扰动进行干扰补偿,并结合偏差控制实现 良好的控制效果。
最优控制:要求控制系统实现对某种性能标准最 好的控制。
自适应控制:当系统特性或元件参数变化时,能 自动测量这些变化并自动改变系统的结构和参数, 使系统适应环境的变化并始终保持最优的性能。
根据偏差大小和方向调节调 压器,控制加热电阻丝的电 流以调节温度回复到要求值。
2.恒温箱自动控制系统
[动态过程]
恒温箱实际温度由热电 偶转换为对应的电压u2
恒温箱期望温度由电 压u1给定,并与实际 温度u2比较得到温度 偏差信号u=u1-u2
温度偏差信号经电压、功率放大后,用以驱动执行电动 机,并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时, 动触头向减小电流的方向运动,反之加大电流,直到温度 达到给定值为止,此时,偏差u=0,电机停止转动。
本 术
控制器(调节器、控制装置):接受指令,输出控制作用 信号给受控对象,起到控制作用的设备总体。
被控量:表征被控对象工作状态的物理量(ex: n、p、T)。
语 给定值或指令信号:即系统的输入信号,使控制系统按一
定规律变化。
干扰信号:是对系统被控量起破坏作用的信号。有内扰和 外扰之分。
使设备或生产过程的物理量保持恒定或按一定规律的变化
被控对象 被控量 输入量、给定值、希望值
自动控制的概念
在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或 装置(称控制装置或控制器),使机器、设备或 生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参 数(即被控量)自动地按照预定的规律(给定值) 运行。
下面以水池水位系统的人工控制与自动控制为 例说明自动控制的原理
1.2 自动控制系统分类
一. 开环控制和闭环控制 按照控制方式和策略,系统可分为开环控制系统和
闭环控制系统两大类。
输入量
控制器
控制量
输出量 控制对象
输入量
偏差量
图1-3 开环控制系统
控制器
控制量
控制对象
输出量
反馈装置
图1-4 闭环控制系统
1、开环控制系统
控制器和控制对象间只有正向控制作用,系统的 输出量不会对控制器产生任何影响;
控制系统的组成
被控对象
控制系统
控制装置
测量元件 比较元件
放大元件 执行元件 校正装置 给定元件
控制系统的组成 被控对象:在自动化领域,被控制的装置、 物理系统或过程(室内空气) 。
控制器:对控制对象产生控制作用的装置称 为控制器,有时也称为控制元件、调节器等 (放大器) 。
执行元件:直接改变被控变量的元件称为执 行元件(空调器) 。
闭环控制系统的组成
1给定元件: 产生给定信号或输入信号。 2测量元件: 测量被控制量(输出量),产生 反馈信号。为便于传输,反馈信 号通常为电信号。
注意:在机械、液压、气动、机 电等系统中存在着内在反馈,需要将这些量转化为电信号。
3比较元件:
对给定信号和反馈信号进行比较,产生偏差信号。
4放大元件:
自动控制系统的基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
开环控制
输入信号
控制装置
输出信号
被控对象
输入端与输出端只有信号的前向通道, 不存在由输出端 到输入端的反馈通路,即,系统的输入不受输出的影响
优点:结构简单、成本低、稳定性好 缺点:抗干扰能力差,不能自动修正被控量产生的偏差
适用场合:干扰不强或可预测、元件比较稳定、控制精度 要求不高的场合,如洗衣机、红绿灯
思考:被控对象、被控量?如何实现控制 控制目的:避免水过满或抽空,应使水池水位与预 定水位相等 控制手段:改变进水阀门的开度
人工控制过程:测量(眼)、决策(脑)、执行(手)
自动控制和人工控制极为相似,自动控制系统只不过 是把某些装置有机地组合在一起,以代替人的职能而 已。浮子(眼睛),连杆和电位器(大脑) ,电动机 (手)。
闭环控制
输入信号 偏差信号
控制装置
被控对象
输出信号
反馈装置
输出端和输入端之间存在反馈回路,输出量对控制过 程有直接影响,应用反馈,减少偏差。
优点:自动修正被控量产生的偏差,控制精度高 缺点:稳定性差(由于反馈的存在使被控量产生振荡)
适用场合:系统元件参数发生变化和扰动无法预计的情况
复合控制
给定值 比较、计算
系统职能方框图的建立
[定义] 根据控制系统各部件的职能 画出的方框图。
输入量
环节
输出量
设定 水位
控制器 杠杆
人脑/手
误差
阀门
水箱
浮子/眼
干扰
实际 水位
正/负反馈液位控制系统
负反馈
正反馈
l1 H
Q1
l2 Q2
l1 Q1
H l2
Q2
室温控制系统元件框图
E
r + -
e 空调器
源自文库
热传导 室内空气等 c
y
这些装置相互配合,承担着控制的职能,通常称之为控制器 (或控制装置)。任何一个控制系统,都是由被控对象和控制 器两部分所组成的。
自动控制系统
自动控制系统 :被控对象和自动控制装置按照一 定方式连接起来,完成一定控制任务的总体(能 够对被控对象的工作状态实现自动控制的系统)
控制装置:对被控对象起控制作用的设备的总体 被控对象:需要控制的设备或生产过程
热敏电阻
图 1-1 室温控制系统元件框图
室温控制系统的功能框图
指令输入 参考输入 r + 元件 -
控制器
e 执行元 件
扰动信号
控制对 c 象
被控变量 输出信号
y
测量元件
室温控制系统功能框图
控制系统中常用的信号和变量
输入信号:由外部加到系统中的变量,它不 受系统中其他变量的影响和控制。
输出信号:由系统或元件产生的变量,其中 最受关注的输出信号又称为被控变量(室内 的实际温度)。
[实质] 检测偏差 纠正偏差
系统原理方框图
控制系统的工作原理
从恒温箱控制系统功能框图(职能方框图)可见: 给定量位于系统的输入端,称为系统输入量,也称 为参考输入量(信号)。
被控量位于系统的输出端,称为系统输出量。
输出量(全部或一部分)通过测量装置返回系统的 输入端,使之与输入量进行比较,产生偏差(给定信 号与返回的输出信号之差)信号。输出量的返回过程 称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
给定值:又称为指令输入信号,它与被控变量是同一 物理单位,用来表示被控变量的设定值(室内温度的 设定值) 。
参考输入信号:代表指令输入信号与反馈信号进 行比较的基准信号称为参考输入信号(电位器的 输出电压)。
偏差信号:参考输入信号与反馈信号之差称为偏 差信号(e= r - y)。
扰动信号:是加于系统上的不希望的外来信号, 它对被控变量产生不利的影响(周围环境温度的 变化及房间散热条件的变化等)。
自动控制原理
第一章 绪论(自动控制的一般概念)
1.1 自动控制系统简介 1.2 自动控制系统分类 1.3 自动控制理论的发展简史 1.4 工程控制问题的基本要求
自动控制的应用领域
机械转速、位置的控制 工业过程中温度、压力、流量的控制 远洋巨轮航行控制 深水潜艇的控制 飞机自动驾驶 神舟飞船的返回控制 “勇气”号、“机遇”号的火星登陆控制 等等
反馈信号:指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入 端的信号。
偏差信号:指给定值与被控量的差值,或指令信号与反馈 信号的差值。
控制系统的工作原理
1.人工控制恒温箱
[动态过程]
1
2
观测恒温箱内的温度(被控 制量)
3
[实质]检测偏差再纠正偏差。
与要求的温度(给定值)进 行比较得到温度偏差的大小 和方向
智能控制:具有智能信息处理、智能反馈和智能 控制决策的控制方式。
自动控制:在无人直接参与的情况下,使被控对象的一个 物理量(被控量)按预定规律(给定量)运行。
自动控制系统:按照一定方式把被控对象和控制器连接起 来完成各种控制任务的有机整体。

被控对象:指完成一定技术要求的工作机器、装置或生产 过程等。
E.g.液位控制


Q1

古 代
H2
Q2
H1








铜壶滴漏
又称漏壶、刻漏、水钟等.它以壶盛水,常常几 个连在一起,上边的几个壶底都有小孔,以便上 面的壶装满水后,利用水向下均衡滴流的方法逐 级向下滴,最下边的壶中有一直立的浮标(也叫 刻箭),上有刻度.漏壶就是根据水位高低使浮 标升降,观测壶中刻箭刻度来计算时间的昼夜计 时器.漏壶可以不分白天夜晚、不分晴天雨天计 时.但滴水的速度受温度影响有变化,因而计时 难免有误差.但它可以晴天时用日晷校正.漏壶 的构造历代不尽相同,有泄水型漏壶和受水型漏 壶,有单壶式和多壶式.漏是古代中国人的习惯 用语,含义就是现在“钟”.
显然:反馈控制建立在偏差基础上,其控制方式 是“检测偏差再纠正偏差”。
自动控制系统的工作原理— 负反馈
将系统的输出信号引回输入端,与输 入信号相比较,利用所得的偏差信号进行 控制,达到减小偏差、消除偏差的目的。
____ 构成闭环控制系统的核心
闭环(反馈)控制系统的特点:
(1) 系统内部存在反馈,信号流动构成闭合回路 (2) 偏差起调节作用
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