自動(dòng)控制原理與應(yīng)用(韓全立)第1章

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1、第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)概論1.1概述1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語(yǔ)1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1.5對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求習(xí)題11.1概述圖1-1所示為小球離心調(diào)速器的原理圖，此調(diào)速器是利用飛錘、彈簧和杠桿系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，從而達(dá)到控制蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的目的的。其工作原理為：如果負(fù)載增加，則蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速下降，飛錘(1)下降，滑套(2)將通過(guò)杠桿(3)使蒸汽閥門(mén)開(kāi)大，蒸汽供給量增加，從而使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速上升。反之若負(fù)載減小，蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速上升，則通過(guò)調(diào)節(jié)可使轉(zhuǎn)速下降。這樣，離心調(diào)速器可自動(dòng)地抵制負(fù)載的變化，使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。圖1-1小球離心調(diào)速器原理圖可以說(shuō)，現(xiàn)代控制理論已經(jīng)綜合了控制

2、技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等各方面的成就，達(dá)到或正在進(jìn)行著以下幾個(gè)方面的工作：①最優(yōu)控制對(duì)某種性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最佳控制，即目標(biāo)函數(shù)法；②自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)本身可適應(yīng)環(huán)境的變化，而使系統(tǒng)保持最優(yōu)；③自學(xué)習(xí)控制這是一種較完善的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)辨識(shí)、判斷、積累經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的功能。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語(yǔ)1.2.1自動(dòng)控制的基本概念與組成所謂自動(dòng)控制，就是在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對(duì)象(被控量)，使其按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)或變化。被控對(duì)象是控制系統(tǒng)的主體，是在系統(tǒng)中要求對(duì)其參數(shù)進(jìn)行控制的設(shè)備或過(guò)程。如溫度控制系統(tǒng)中的加熱爐，轉(zhuǎn)速控制系

3、統(tǒng)中的拖動(dòng)電機(jī)，過(guò)程控制系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)爐等。控制裝置一般由三部分組成：①自動(dòng)檢測(cè)裝置包括測(cè)量元件和變送元件，起自動(dòng)檢測(cè)被控對(duì)象的作用，如轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的測(cè)速發(fā)電機(jī)，溫度控制系統(tǒng)中的熱電偶等。②自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置起綜合、分析、比較、判斷和運(yùn)算的作用，并能按一定的規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)或指令。③執(zhí)行裝置起具體執(zhí)行控制信號(hào)或指令的作用，給被控對(duì)象施加某種作用，使其改變輸出量。對(duì)控制系統(tǒng)的組成進(jìn)行詳細(xì)分類(lèi)，其還可以由下列各部分組成：測(cè)量變送元件屬于反饋元件，職能是把被控物理量測(cè)量出來(lái)；設(shè)定元件職能是給出被控量應(yīng)取的數(shù)值信號(hào)，即是設(shè)定給定值的元件；比較元件職能是將測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較，并得到

4、差值(偏差信號(hào))，起信號(hào)綜合作用；放大元件職能是對(duì)差值信號(hào)進(jìn)行放大，使其足以推動(dòng)下一級(jí)工作；執(zhí)行元件職能是直接推動(dòng)被控對(duì)象，改變其被控物理量，使輸出量與希望值趨于一致；校正元件職能是改變由于結(jié)構(gòu)或參數(shù)的原因而引起的性能指標(biāo)的不適應(yīng)；能源元件職能是為系統(tǒng)提供必要的能源。1.2.2系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)①被控量(被控參數(shù))要求被控對(duì)象保持恒定或?yàn)榘匆欢ㄒ?guī)律變化的物理量。通常它是決定被控對(duì)象工作狀態(tài)或產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量的主要變量。如加熱爐的溫度，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，流體的流量、壓力等。被控量一般是輸出量，是時(shí)間的函數(shù)。②給定信號(hào)(參考輸入信號(hào))控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，是時(shí)間的函數(shù)。③偏差信號(hào)是比較元件的輸出信號(hào)，

5、即給定信號(hào)與反饋（測(cè)量）信號(hào)之差。④誤差信號(hào)系統(tǒng)被控量的希望值與實(shí)際值之差。在單位反饋系統(tǒng)中偏差信號(hào)等于誤差信號(hào)，在非單位反饋系統(tǒng)中，兩者雖然都反映了系統(tǒng)被控量的希望值與實(shí)際值之差，但它們的信號(hào)類(lèi)型與量綱是不同的，這一點(diǎn)一定要引起重視。⑤干擾信號(hào)破壞系統(tǒng)平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)的被控量偏離其給定值的因素，稱(chēng)為干擾信號(hào)。干擾信號(hào)是系統(tǒng)不希望的信號(hào)，它可能來(lái)自系統(tǒng)的內(nèi)部或系統(tǒng)的外部，它們進(jìn)入系統(tǒng)的作用點(diǎn)也可能不同，但都是影響系統(tǒng)控制質(zhì)量的不利因素。⑥反饋信號(hào)從系統(tǒng)的輸出端引出，經(jīng)過(guò)變換(或直接)回送至輸入端與給定信號(hào)進(jìn)行比較的信號(hào)，稱(chēng)為反饋信號(hào)。此信號(hào)是為了達(dá)到控制目的而有意識(shí)地從輸出端回送到輸入端的

6、信號(hào)。1.2.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖表示在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理時(shí)，為了清楚地表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成，說(shuō)明各元件間信號(hào)傳遞的因果關(guān)系，我們?cè)诜治鱿到y(tǒng)時(shí)常采用方塊圖（框圖）的方式表示。方塊圖的繪制原則是：組成系統(tǒng)的每一環(huán)節(jié)(或元件)用一方框表示，符號(hào)為“”。環(huán)節(jié)間用帶箭頭的線段“→”聯(lián)接起來(lái)，此線段稱(chēng)為信號(hào)線（或作用線），箭頭的方向表示信號(hào)的傳遞方向，即作用方向，信號(hào)只能單方向傳遞。一個(gè)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)是環(huán)節(jié)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的原因，而其輸出信號(hào)是環(huán)節(jié)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。信號(hào)的比較點(diǎn)用“”表示，它有對(duì)幾個(gè)信號(hào)進(jìn)行求（代數(shù)）和的功能。一般在多個(gè)輸入信號(hào)的信號(hào)線旁邊標(biāo)以“+”或“-”，表示各輸入信號(hào)的極

7、性。圖1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖的舉例1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.3.1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)1.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間只有順向作用，而沒(méi)有反向聯(lián)系，則該系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，控制信息只能單方向傳遞，沒(méi)有反向作用，輸入信號(hào)通過(guò)控制裝置作用于被控對(duì)象，而被控對(duì)象的輸出對(duì)輸入沒(méi)有影響。圖1-3開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理圖圖1-3所示為一個(gè)由可控硅供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)由給定電位