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自动控制系统概述_图文

第1章 自动控制系统概述
? 引言——什么是控制系统 ? 控制系统的重要性 ? 控制系统的组成及应用例子 ? 为什么绝大多数控制系统均具有反馈 ? 自动控制系统的分类 ? 自动控制原理的发展历史

1.1 引言——什么是控制系统
要回答这个问题,我们可以联系日常生活中那 些需要实现某种“目标”的例子:
? 在家里,为了舒适地生活,我们需要控制 室内的温度和湿度。
? 在交通领域,我们需要控制汽车精确而又 安全地从一个地方到达另一个地方。
? 在工业上,制造过程中大量的生产产品需 要满足产品质量和成本效益的要求。

再比如一个人,可以完成许多种类的目标,包括 作决定。其中有些目标——比如捡起地上的物品 后再从一个地方走到另一个地方——它的完成方 式是以一种程序化的方式来完成的。但有些目标 在人们要完成它时,不仅要考虑如何完成,还要 考虑如何更好地完成——比如:
? 百米运动员在一百米短跑中,他考虑的是:
在尽可能短的时间内跑完这段距离
? 马位松选手在他的比赛中,他考虑的是:
在尽可能短的时间内跑完这段距离
在整个比赛过程中控制好能量的消耗并设计最佳 的比赛策略

? 综上所述:所谓的控制系统就是为完成某 种“目标”而采用的一整套的完成方法和 步骤。而这些方法和步骤通常又包含能够 更好实现这些“目标”的最佳策略。
? 在工业领域,自动控制系统常常是指那些 在没有人直接参与的情况下,利用控制装 置,对生产过程、工艺参数、目标要求等 进行自动的调节与控制,使之按照预定的 方案达到要求的指标的设备。

自动控制系统的重要性
? 近年来控制系统在现代文明和技术发展与 进步上扮演了越来越重要的角色。我们日 常活动的每一个方面几乎都受到了某种控 制系统的影响。控制系统已经大量地应用 到了工业的所有部门。如产品质量、自动 装配线、机床控制、空间技术与武器系统、 计算机控制、交通运输、动力系统、机器 人、微机系统、纳米技术等。

如大型 加工机 床的精 密控制

这是由数控机床群构成的生产线——由自动控制保证产 品的加工精度。其主轴为恒值控制(恒速),刀架为随动 系统(精确定位)。

加工中心——往往含有车、铣、钻等多种功能,有刀 具库,能自动换刀等。各厂生产含有各种不同功能的 加工中心。

带有机械手的点焊生产线(大批量铆焊加工生产线)要 能精密定位及时间控制。机器人控制(自动控制)

汽车车体焊接

喷漆

堆物

喷涂机器人

控制系统的应用实例
1.2开环控制与闭环控制

1、应用:太阳能高效抽水机系统
蓄水池

太阳能收集器

电流

机械转距 泵

电动机

灌溉

太阳移动速度

太阳传感器

++

目标:利用太阳能

地下水

电动机

减速器

中间环节:实现手段

泵 结果:抽水

上面例子中存在的问题
? 抽水过程只与太阳能转换来的电流大 小有关,它不能反应水池的蓄水情况。 因此,这个控制系统存在着水资源的 浪费问题。
? 如何解决这个问题?

太阳能收集器 电流

水位传感器

电动机

蓄水池 泵

灌溉

太阳移动速度

太阳传感器

++ -

将输出端的 信号返回输
入端

地下水

电动机

减速器



水位传感器

水池

2、 开环控制和闭环控制
一、开环控制和闭环控制的概念 比较这两个例子,我们给出概念: ? 开环控制系统(Open-loop Control System)
若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产 生影响,则这样的系统称为开环控制系统。 ? 闭环控制系统(Closed-loop Control System)
若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部 分,形成闭合环路,则这样的系统称为闭环控制 系统,又称为反馈控制系统(Feedback Control

二、开环控制和闭环控制的概念

开环控制举例
由步进电机驱动的数控加工机床
此系统的输入量为加工程序指令,输出量为机床工作台 的位移,系统的控制对象为工作台,执行机构为步进电 动机和传动机构。由图可见,系统无反馈环节,输出量 并不返回来影响控制部分,因此是开环控制。

数控加工机 床示意图

数控加工机床 开环控制框图

开环系统的特点
?由于开环系统无反馈环节,一般结构简单,系统稳定 性好,成本也低,这是开环系统的优点。因此,在输 出量和输入量之间的关系固定,且内部参数或外部负 载等扰动因素不大,或这些扰动因素产生的误差可以 预计确定并能进行补偿,则应尽量采用开环控制系统。 ?开环控制的缺点是当控制过程受到各种扰动因素影响 时,将会直接影响输出量,而系统不能自动进行补偿。 特别是当无法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超 过允许的限度时 ,开环控制系统便无法满足技术要求, 这时就应考虑采用闭环控制系统。

闭环控制举例
电炉箱恒温自动控制系统

电炉箱恒温自 动控制系统
电炉箱 自动控 制框图
框图可以把系统的组成简单明了地表达出来

电炉箱自动控制框图

炉温自动调节过程

闭环系统的特点
?反馈控制可以自动进行补偿,这是闭 环控制的一个突出的优点。 ?闭环控制要增加检测、反馈比较,调 节器等部件,会使系统复杂、成本提高。 而且闭环控制会带来副作用,使系统的 稳定性变差,甚至造成不稳定。这是采 用闭环控制时必须重视并要加以解决的 问题。

上例中我们还可以看到:为了表明自动控制系统的
组成以及信号的传递情况,通常把系统各个环节的
作用,用方框+环节特征说明的方式来表示, 并用
箭头标明各环节之间信号(能量或作用量)之间的
传递情况。系统的这种表示方法称为原理框图表,
而这样作的好处就在于:
? 避免去画复杂的系统图形(因为我们不可能各个 都是画家)。
? 用原理方框表示系统的另一好处是可以把系统主 要环节之间的相互作用关系简单而明了地表达出 来。
? 经过简单抽象,我们就可以把一个实际系统变换 成为一个满足某种控制规律便于理论分析的原理 系统。

3、为什么大多数控制系统均有反馈
? 提高系统的相对稳定性 ? 增加系统带宽和总增益 ? 提高系统的输入阻抗、降低系统的输
出阻抗 ? 提高系统的敏感度

? 设有一台放大器,在未加反馈时,由于各种原因它 的电压增益由原来的A=400下降到了A‘=300,比 原来下降了25%,现在加入负反馈,并使 F=0.0475,则当A=400时闭环电压增益为:
Af ?1?A A? F1?44 0?0 0 0 .004? 7250 而当开环电压增益降到A’=300时,其闭环增益为:
A'f ?1?A A ''F?1?33 0?0 0 0 .004? 715 .6 97
闭环增益只下降了1.65%,如需保证400倍的电压增益, 可采用两级放大。这样电路总的电压增益为202=400 及19.672=386.9,两者相差不到3.3%。由此可见负 反馈的引入使放大器的增益得到了稳定。

?提高系统的输入阻抗

i

?
Vi

Ri



?
Vf

馈 网



R if

没有反馈网络时:

?

Ri

?

Vi i

串入反馈网络时:

??

R fi

? Vi ?V i

f

?
?Vf ?0 ?Rfi?Ri

即:串联的反馈网络提高了系统的输入电阻

1.3 自动控制系统的组成

1.一般自动控制系统包括: ①给定元件(Command Element) ②检测元件(Detecting Element)——此处为
③比较环节(Comparing Element) ④放大元件(Amplifying Element) ⑤执行元件(Executive Element)——此处为
⑥控制对象(Controlled Plant)——在此恒温
⑦反馈环节(Feedback Element)——由它将

?各个元件的排列,通常将给定元件放 在最左端,控制对象排在最右端。即输 入量在最左端,输出量在最右端。 ?从左至右(即从输入至输出)的通道称 为顺馈通道(Feed forward Path)或 前向通路(Forward Path)。 ?将输出信号引回输入端的通道称为反 馈通道或反馈回路(Feedback Path)。

2. ①输入量(Input Variable)——又称控制量或参考
输入量(Reference Input Variable),所以输入量的角 标常用 i(或 )r
②输出量(Output Variable)——又称被控制量 (Controlled Variable),所以输出量角标常 (o或 )c表示。
③反馈量(Feedback Variable)——反馈量的角标 常以 f
④扰动量(Disturbance Variable)——又称干扰或 “噪声”(Noise),所以扰动量的角标常以d (或n)表示。
⑤中间变量——它是系统各环节之间的作用量。它是 前一环节的输出量,也是后一环节的输入量。如图1-6 中的 ?U、 U、a 等U 就R 是中间变量。

由图1-6可以看到,框图可以直观地将系统的组成、 各环节间的相互关系以及各种作用量的传递情况简单 明了地概括出来。
综上所述,要了解一个实际的自动控制系统的组 成,要画出组成系统的框图,就必须明确下面的一些
① 哪个是控制对象?被控量是什么?影响被控量的 主扰动量是什么?
② 哪个是执行元件? ③ 测量被控量的元件有哪些?有哪些反馈环节? ④ 输入量是由哪个元件给定的?反馈量与给定量 是如何进行比较的? ⑤ 此外还有哪些元件(或单元),它们在系统中处 于什么地位?起什么作用?

例1-1 水位控制系统

通过对工作 原理进行分 析,可以得 到该系统的 系统框图。

自动调节过程:
直至 Q 1 ? Q 2 ,H ? H 0 ,U B 时? ,U A ,? U ? 0 电动机停转为止。

1.4 自动控制系统的分类
按输入量变化的规律分类
? 恒值控制系统(Fixed Set-Point Control System)
? 恒值系统的特点是:控制系统的输入量是 恒量,并且要求系统的输出量相应地保持 恒定。
? 恒值控制系统是最常见的一类控制系统。

?随动系统(Follow-Up Control System) ?随动系统的特点是:输入量是变化着 的(有时是随机的),并且要求系统的输 出量能跟随输入量的变化而作出相应的 变化。
在数控机床控制系统中,目前国内用得较多得两 种系统:德国西门子数控系统(SINUMER1K 810D) 和日本FANUC数控系统 。

①德国西门子数控系统(SINUMER1K 810D): 主轴——交流高速变频调速电机(恒值控制) 转速可达15000r/min(铣刀、齿轮) 刀架——位置随动系统 交流伺服电动机(变频)

②日本FANUC数控系统——流变频 伺服系统(刀架精确定位)

?过程控制系统(Process Control System) ? 生产过程通常是指把原料放在一定的外界条
件下,经过物理或化学变化而制成产品的过 程。在这些过程中,往往要求自动提供一定 的外界条件,例如温度、压力、流量、液位、 粘度、浓度等参量在一定的时间内保持恒值 或按一定的程序变化。 ? 在化工、轻工、食品等生产过程中对温度、 流量、压力、湿度等的控制——过程控制系 统。

图为食品加 工的在线调 和流量控制 (如生产调 和油)

化工厂中的温 度、压力、流 量的控制

发电厂的生产控制:木屑发电原理

按系统传输信号对时间的关系的规律分类
? 连续控制系统(Continuous Control System) ? 连续控制系统的特点是各元件的输入量与输出量都
是连续量或模拟量。所以它又称为模拟控制系统 (Analogue Control System)。 ? 连续系统的运动规律通常可用微分方程来描述。
? 离散控制系统(Discrete Control System) ? 离散系统又称采样数据系统(Sampled Date
Control System)。它的特点是系统中有的信号 是脉冲序列或采样数据量或数字量。

按输出量和输入量间的关系分类
? 线性控制系统(Linear Control System)
? 线性系统的特点是系统全部由线性元件组成,它 的输出量与输入量间的关系用线性微分方程来描 述。线性系统的最重要的特性,是可以应用叠加 原理。叠加原理说明,两个不同的作用量,同时 作用于系统时的响应,等于两个作用量单独作用 的响应的叠加。
? 非线性控制系统(Nonlinear Control System) ? 非线性系统的特点是系统中存在有非线性元件(如
具有死区、出现饱和、含有库伦摩擦等非线性特 性的元件),要用非线性微分方程来描述。非线性 系统不能应用叠加原理。

按系统中的参数对时间的变化情况分类
? 定常系统(Time-Invariant System) ? 定常系统的特点是系统的全部参数不随时
间变化,它用定常微分方程来描述。
? 时变系统(Time-Varying System) ? 时变系统的特点是系统中有的参数是时间t
的函数,它随时间变化而改变。例如宇宙 飞船控制系统。

1.5 自动控制系统的性能指标
? 系统的稳定性 (Stability) ? 稳定系统:当扰动作用(或给定值发生变化)时,输
出量将会偏离原来的稳定值,这时,由于反馈环 节的作用,通过系统内部的自动调节,系统可能 回到(或接近)原来的稳定(或跟随给定值)稳定下来, 如图1-13a所示。 ? 不稳定系统:由于内部的相互作用,使系统出现发 散而处于不稳定状态,如图1-13b所示。
不稳定的系统是无法进行工作的;因此,对任何自动 控制系统,首要的条件便是系统能稳定正常运行。

图1-13 稳定系统和不稳定系统

a)稳定系统

b)不稳定系统

系统的稳态性能指标
(Steady-State Performance
Specification) ? 当系统从一个稳态过渡到新的稳态,或系
统受扰动作用又重新平衡后,系统会出现
偏差,这种偏差称为稳态误差,用e s表s 示
(Steady-State Error)。系统稳态误差的 大小反映了系统的稳态精度(或静态精 度)(Static Accuracy),它表明了系统的准
确程度。稳态误差 越e ss小,则系统的稳态精
度越高。
1.有静差系统: e≠ss0,如图1-14a所示。
2.无静差系统: e=ss 0,如图1-14b所示。

图1-14 a)有静差系统

b)无静差系统

系统的动态性能指标
(Dynamic Performance
Specification)
? 控制系统从一个稳态过渡到新的稳态都需 要经历一段时间,亦即需要经历一个过渡 过程。表征这个过渡过程性能的指标叫做 控制系统的动态性能指标。现在以系统对 突加给定信号(阶跃信号)的动态响应来介 绍动态指标。图1-15为系统对突加给定信 号的动态响应曲线。动态指标通常用最大
超调量( ?)、调整时间( )和t s振荡次数( )
来N衡量。

1.最大超调量( ?)(Maximum Overshoot)
最大超调量是输出量的大偏差与输出稳态值之比。
即 : ??? cmac(x? )?10 % 0
最大超调量反映了系统的动态精度,最大超调量越小,则说明系统过渡过程 进行得越平稳。
2.调整时间( t s )(Settling Time)
调整时间是系统输出量进入并一直保持在离稳态值的允许误差带内所需要的时间。
3.振荡次数是指在调整时间内,输出量在稳态值上下摆动的次数。

? 在上述指标中,最大超调量和振荡次数反映了系 统的稳定性能。调整时间反映了系统的快速性。 稳态误差反映了系统的准确度。一般说来,我们 总是希望最大超调量小一点,振荡次数少一点, 调整时间短一些,稳态误差小一点。总之,希望
以后的分析将表明,这些指标要求,在同一 个系统中往往是相互矛盾的。这就需要根据具体 对象所提出的要求,对其中的某些指标有所侧重, 同时又要注意统筹兼顾。
性能指标是衡量自动控制系统技术品质的客观标准, 它是订货、验收的基本依据,也是技术合同的基本内 容。

自动控制原理的发展历史
? 经典控制理论:40-50年代形成的SISO系统 基于:二战军工技术 目标:反馈控制系统的镇定 基本方法:传递函数,频率法,PID调节器(频域)
? 现代控制理论: 60-70年代形成 MIMO系统 基于: 冷战时期空间技术,计算机技术 目标:最优控制 基本方法:状态方程(时域)

? 智能控制技术: 90年代开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络
? 正在发展的各个领域 自适应控制 大系统理论 鲁棒控制 非线性控制(微分几何,混沌,变结构)


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