自动控制原理

第一章第一章 自自 1.11.1 引言引言 动动控控制制的的一一般般概概念念 自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同 规律的技术科学。 自动控制理论的任务是研究自动控制系统中变量的运动规律以及改变这种运动规 律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。 1.21.2 自动控制和自动控制系统的基本概念自动控制和自动控制系统的基本概念 1.2.1自动控制问题的提出自动控制问题的提出 在许多工业生产过程或生产设备运行中，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。 如图 1-l 所示是锅炉给水人工控制示意图。 人工调节是一个“检测偏差、纠正偏差”的过程。可以用一整套自动控制仪表(自动调节器)来 代替操作人员的作用。图 1-2 所示是锅炉给水汽包水位自动控制示意图。 任何一 对象和控 1.2.2 常见的 闭环控制 系统的 制系统称 图 1-2 汽包锅炉给水自动调节示意图 1—过热器；2—汽包；3—省煤器；4—给水凋节阀；5—水位计 个控制系统，都包含着被控 制器两个组成部分。 开环控制系统开环控制系统 控制方式有三种：开环控制、 和复合控制。 控制输入不受输出影响的控 为开环控制系统。 是一个开环控 度是被控量， 也 统的给定量或 压器 （控制器） 。 单向控制作用， 系。 图 1-3 烘箱温度开环控制系统示意图 图 1-3 所示的烘箱温度控制系统 制系统。烘箱是被控对象，烘箱的温 称为系统输出量。开关设定位置为系 输入量，电阻及加热元件可看成是调 该系统中只有输入量对输出量的 输出量对输入量没有任何影响和联 烘箱温度开环控制系统可用图 1-4 表示。 1.2.3闭环控制系统闭环控制系统 在图 1-3 所示的烘箱温度开环控制系 装置，构成了如图1-5 所示的烘箱温度闭 系统中， 页眉内容 图 1-4 烘箱温度开环控制系统方框图 所示的方框图 统中，加入一些 环控制系统。 烘箱是被控对象， 炉温是被控量， 图 1-5 烘箱温度闭环控制系统示意图 给定量是由给定电位器设定的电压u r(表征烘箱温度的希望值)。系统方框图如图 1-6 所示。 通常，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称 为反馈通道。方框图中用符号“○”表示比较环节，其输出量等于各个输入量的代数和。 这种通过反馈通道使系统构成闭环， 并按偏差产生控制作用， 用以减小或消除偏差的控制系统， 称为闭环控制系统，或称反馈控制系统。在系统主反馈通道中，只有采用负反馈才能达到控制的目 的。 闭环系统中系统 的输 端， 利用 统进 差或 图 1-6 烘箱温度闭环控制系统方框图 出信号引回到输入 与输入信号相比较， 所得的偏差信号对系 行调节，达到减小偏 消除偏差的目的。这 负反馈控制原理，是负反馈控制原理，是就是 闭环控制系统的核心机理闭环控制系统的核心机理。 1.2.4复合控制系统 反馈控制只有在外部作用(输入信号或干扰)对控制对象产生影响之后才能做出相应的控制。前 馈控制能使系统及时感受输入信号， 使系统在偏差即将产生之前就注意纠正偏差。 将前馈控制和反 馈控制结合起来，构成复合控制，可以有效提高系统的控制精度。 图 1-7 所示的水温控制系统是一个按干扰补偿的复合控制系统。其中，热交换器是被控对象， 实际热水温度是被控量， 给定量 （希望 设定， 冷水流量是干扰量。 系统方框图 温度） 在控制器中 如图 1-8 所示。 冷水流量1.31.3 控制系统示例控制系统示例 流量计1 1室温自动控制系统室温自动控制系统 _图 1-9 所示为一室温自动控制系 给定温度 _ 温度控制器阀门 蒸汽流量 - 热交换器热水温度T 统， 目的是将恒温 实际温度。 控制器 等） 开大或关小调 增大或减 恒温室，直 环控制系 象，室温是 图 1-10 所 室温度保持在希望值。 敏感元件测得的 将温度差通过执行机构 （如可逆转电机 节阀，控制热水流量的 小，再由风将热量送入 到室温与希望值一致。 这是一个典型的闭 统，恒温室是被控对 被控量。系统方框图如 页眉内容 图 1-7 水温控制系统示意图 温度传感器 图 1-8 水温控制系统方框图 图 1-9 室温自动控制系统示意图 1—热水加热器；2—敏感元件；3—控制器； 4—执行机构；5—调节阀 示。 设定温度 _ 调节器执行机构调节阀热水加热器 干扰 房间室温 2 2电压调节系统电压调节系统 电压调节系统如图 1-11 所示。 该系统 电压是被控 u r。系统方 图 1-10 室温自动控制系统方框图 感温元件 中，发电机是被控对象，发电机的输出 量，给定量是给定电位器设定的电压 框图如图 1-12 所示。 3 3水位控水位控 图 1-13 控制水位 图 1-11 电压调节系统示意图 制系统制系统 所示的水位控制系统目的是 到希望高度。浮子是测量元 图 1-12 电压调节系统方框图 件，连杆起比较作用，比较期望水位与实际水位之差，同时推动电位器滑臂移动。电位器输出电压 反映误差的大小和方向， 电压经放大器放大后驱动直流伺服电动机， 其转轴经减速器后拖动进水阀 门，对系统施加控制作用。 水位 象，水池的 电位器设 1-14 所示。 图 1-13 水位控制系统示意图 调节系统中，水池是被控对 水位是被控量， 给定量是给定 定的电压u e 。 系统方框图如图 4 4制冷系统制冷系统 制冷系统通常由 冷凝器、压缩机、蒸发 器及电子膨胀阀等装 置组成，其工作原理如 图 1-15 所示。 压缩机将 图 1-14 水位控制系统方框图 制冷剂压缩后送入冷 统示意图 凝器，在冷凝器中制冷剂被冷却后变成液体，液体制冷剂进入蒸发器，在蒸发器中吸收热量蒸发。 系统中蒸发回路的任务是通过电子膨胀阀的开度来控制蒸发器的热量。 冷凝器 制冷系统中蒸发控制回路方框图见图 1-16，其中电子膨胀阀是执行机构，蒸发器为被控对象， 电子膨胀阀 制冷剂 页眉内容 蒸发器 图 1-15 制冷系统工作原理图 蒸发器的过热度为被控值。 压缩机 设定值 电子膨胀阀 控制器蒸发器 ＋ 图 1-17 是典型自动控制系统的功能框图。 图中的每一个方框， 代表一个具有特定功能的元件。 － 除被控对象外，控制装置通常是由测量元件、比较元件、放大元件、执行机构、校正元件以及给定 1.41.4 自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成 过热度 元件组成。 过程 机 述被 进行 生给 转换成电量以便处理。 检测装 置 图 1-16蒸发器过热控制系统方框图 被控对象指生产 中需要进行控制的工作 械、装置或生产过程。描 控对象工作状态的、 需要 控制的物理量是被控量。 给定元件主要用于产 定信号或控制输入信号。 图 1-17 典型反馈系统方框图 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 比较元件用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差。 可以是一个差动电路， 也可以是一个物 理元件（如电桥、自整角机等）。 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