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自动控制技术第一章
自动控制技术
目录
第一章自动控制技术的概述……………………….
(1)
§1.1自动控制的基本概念…………………………..
(1)
§1.2控制系统的方式………………………………..(3)
§1.3自动控制系统的组成……………………………(4)
§1.4自动控制系统的分类……………………………(6)
§1.5自动控制系统的基本要求……………………….(8)
习题………………………………………………….(9)
第二章自动控制系统的应用实例………………….(11)
§2.1恒值系统的应用实例………………………….(11)
§2.2随动系统的应用实例…………………………..(14)
§2.3程序控制系统的应用实例…………………….(16)
习题……………………………………………….(18)
第三章控制系统的数学模型……………………….(19)
§3.1微分方程………………………………….......(19)
§3.2传递函数……………………………………..(22)
§3.3系统的传递函数方框图及其简化………………(24)
习题………………………………………………..(35)
第四章直流调速系统………………………………(36)
§4.1直流电动机得调速原理………………………...(36)
§4.2直流调速系统的可控直流电源…………………(39)
§4.3晶闸管—直流电动机调速系统的特征…………(45)
§4.4反馈控制闭环调速系统的稳态分析…………….(50)
§4.5电压反馈电流补偿控制的调速系统分析………..(62)
习题………………………………………………..(69)
第五章异步电动机的变频调速系统……………….(70)
§5.1变频调速的基础知识…………………………(70)
§5.2变频器的分类及工作原理…………………….(74)
§5.3转速开环变频器调速系统……………………...(84)
§5.4异步电动机转差频率控制系统…………..……(100)
§5.5异步电动机矢量控制变频调速系统…………...(108)
习题………………………………………………(113)
第一章自动控制技术的概述
§1.1自动控制的基本概念
所谓自动控制,是指在没有人直接参与的情况下,利用自动控制装置(简称控制器)使整个生产或工作机械(称为被控对象)自动地按预先规定的规律运行,或使它的某些物理量(称为被控量)按预定的要求变化。
在工业生产过程或生产设备运行中,为了维持正常的工作条件,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,就得对生产机械或设备进行及时的操作和控制,以抵消外界的扰动和影响。
这种操作和控制,既可用人工操作来完成,又可用自动装置的操作来实现,前者称为人工控制或手动控制,后者称为自动控制。
下面以水位控制为例来介绍人工控制和自动控制。
§1.1.1人工控制
人通过控制阀门的开度达到控制水位的目的。
这种人工调节过程可
归纳为:
(1)通过测量元件(刻度标尺),观测出水箱中的实际水位(被控量);
(2)将实际水位与要求的水位值(给定值)相比较,得出两者偏差;
(3)根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度。
当实际水位高于要求值
时,关小进水阀门开度,否则加大阀门开度以改变进水量,从而改变水箱水位,使之与要求值保持一致。
由此可见,人工控制的过程就是测量、求偏差、实施控制以纠正偏差的过程。
也就是检测偏差并用以纠正偏差的过程。
§1.1.2自动控制
对于这样简单的控制形式,如果能找到一个控制器代替人的大脑,
那么这样一个人工控制系统就可变成一个自动控制系统了。
如图1.2所示就是一个自动控制系统。
浮子—测量作用;连杆—比较作用;放大器、伺服电机和减速器—调节作用;阀门—执行元件的作用
阀门的开度由电位器电压控制,浮子为实际水位的测量装置,当实际水位低于要求水位时,电位器输出电压值为正,且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值,放大器输出信号将有正的变化,电动机带动减速器使阀门开度增加,直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。
因此,水位自动控制的目的是消除或减小偏差,使实际、水位达到要求的水位值。
比较上述人工控制和自动控制可知,执行机构类似于人手,测量装置相当于人眼,控制器类似于人脑。
另外,它们之间还有一个共同的特点,就是都要检测偏差,并用检测到得偏差去纠正偏差,可见没有偏差便没有调节过程。
在自动控制系统中,这一偏差是通过反馈建立起来的。
反馈就是指输出量通过适当的测量装置将信号全部或部分返回输入端,使之与输入端信号进行比较,比较的结果称为偏差。
基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理又称为反馈控制原理,利用反馈控制原理组成的系统称为反馈控制系统。
如图1.3所示为水位自动控制系统的方框图。
从图中可以看到反馈控制的基本原理,也可以看到各职能款姐的作用是单向的,每个环节的输出受输入控制。
总之,实现自动控制的装置可各不相同,但反馈控制的原理是相同的,可以说,反馈控制是实现自动控制最基本的方法。
§1.2控制系统的方式
自动控制有两种基本的控制方式:
开环控制与闭环控制。
§1.2.1开环控制
开环控制系统是指被控量对控制过程无影响的系统,控制信号的传递方向只有顺向没有反响。
也就是说,控制作用的传递路径不是完全闭合的,故称为开环控制系统。
这种控制方式需要控制的是被控量,而系统可以调节的只是给定值,系统的信号由给定值至被控量单向传递。
其原理框图如图1.4所示。
这种控制的特点是系统的结构和控制都很简单,但抗干扰的能力差,控制精度不高。
当被控对象受到干扰影响而使被控量偏离希望值,或工作过程中特性参数发生变化时,系统无法实现自动补偿。
因此,该系统适用于结构参数稳定,干扰很弱或对被控量要求不高的场合,如家用电风扇的转速控制、自动洗衣机、包装机以及某系自动化流水线等。
§1.2.2闭环控制
闭环控制是有被控量反馈的控制,其原理框图如图1.5所示。
从系统的信号流向看,系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端,构成闭合通道,故称为闭环控制或反馈控制。
在这种控制方式中,无论是由于外界干扰造成的、还是由系统自身结构参数的变化引起的被控量与给定量之间的偏差,系统都能够自行减小或消除这个偏差,因此这种控制方式也称为按偏差调节。
闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏差,使系统达到较高的控制精度。
但与开环控制系统比较,闭环系统的结构比较复杂,调试比较困难。
需要指出的是,由于闭环控制存在反馈信号,利用偏差进行控制,如果设计调试不当,将会产生振荡,使系统无法正常和稳定工作。
§1.3自动控制系统的组成
自动控制系统主要由两大部分组成,即控制装置和被控对象,如图1.6所示,其中控制装置根据其在系统中的功能可分为3个部分,即检测装置、执行装置和校正装置。
1.给定装置
其功能是设定与被控量相对应的给定量,并要求给定量与测量变送
装置输出的信号在种类和量纲上保持一致。
常见的给定装置有电位器、给定积分器等。
2.比较、放大装置
其功能是首先将给定量与测量值进行运算,得到偏差量,然后再将
其放大到足以推动下一级工作的程度,如各种放大器等。
3.执行装置
其功能是根据前面环节的输出信号,直接对被控对象作用,以改变
被控量的值,从而减小或消除偏差,如执行电动机、过程调节阀等。
4.测量与变送装置
其功能是检测被控量,并将检测转换为便于处理的信号(常见的如
电压、电流等),然后将该信号输入比较装置,如调速系统的测速发电机等。
5.校正装置
当自控系统由于自身结构或参数问题而导致控制结果不符合工艺要
求时,必须在系统中添加一些装置以改善系统的控制性能,这些装置就称为校正装置,如RC网络、调节器等。
6.被控对象
被控对象是指控制系统中所要控制的对象,一般指工作机构或生产
设备等。
§1.4自动控制系统的分类
自动控制系统的种类繁多,应用范围广泛,它们的结构、性能乃至控制任务也各不相同。
因此,可以从不同的角度进行分类。
§1.4.1按输入信号变化的规律分类
1.恒值控制系统
恒值控制系统的特点是系统的输入信号是恒定值,并且要求系统的输出量相应
地保持恒定。
由于扰动的出现,将使被控量偏离期望值而出现偏差,恒值系统能根据偏差的性质产生控制作用,使被控量以一定的精度回复到期望值附近。
前面介绍的水位控制系统就是恒值控制系统,此外生产过程中广泛应用的温度、压力、流量等参数的控制,多半是采用恒定值控制系统来实现的。
2.随动控制系统(又称为伺服系统)
随动控制系统的特点是输入信号是变化着的(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做出相应的变化。
这种控制系统的另一个特点是可以用功率很小的输入信号操纵功率
很大的工作机械(这只要选用大功率的功放装置和电动机即可),此外还可以进行远距离控制。
随动控制系统在工业和国防上有着极为广泛的应用。
例如刀架跟随系统,自动火炮控制系统,雷达跟踪系统,机器人控制系统,自动驾驶系统,自动导航系统和工业生产中的自动测量仪器等。
3.程序控制系统
程度控制系统与随动控制系统不同之处是它的给定输入不是随机不可知的,而
是按事先预定的规律变化。
这类系统往往适用于特定的生产工艺或生产过程,按所需要的控制规律给定输入,并要求输出按预定的规律变化。
设计此类系统比随动控制系统有针对性。
由于变化规律可知,可根据要求事先选择方案,保证控制性能和精度。
在工业生产中广泛应用的程序控制系统有仿形控制系统、机床数控加工系统等。
§1.4.2按系统传输信号对时间的关系分类
1.连续控制系统
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。
连续控制系统的运动规律通常可用微分方程来描述。
2.离散控制系统
离散控制系统又称采样数据控制系统,它的特点是系统中有的信号是脉冲序列、采样数据量或数字量。
通常,采用数字计算机控制的系统都是离散控制系统。
离散控制系统的运动规律通常可用差分方程来描述。
§1.4.3按系统的输出量和输入量间的关系分类
1.线性系统
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。
线性系统最重要的特性是可以应用叠加原理。
叠加原理为:
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时的响应的叠加。
2.非线性系统
非线性系统的特点是系统中存在非线性元件(如具有死区、出现饱
和、含有库仑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(分析非线性系统的工程方法常用“描述函数”和“相平面法”)。
§1.4.3按系统中的参数对时间的变化情况分类
1.定常系统(又称时不变系统)
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。
在实践中遇到的系统,大多属于(或基本属于)这一类系统。
2.时变系统
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,就是时变控制系统的一个例子(宇宙飞船飞行过程中,飞船内燃料质量、飞船受的重力等都随时间发生变化)。
§1.5自动控制系统的基本要求
一个理想的自动控制系统,在其整个控制过程中,被控量应始终等于给定值。
但是,由于系统中存在着电磁惯性,在动态过程中被控量不可能立即等于给定值,而需要经过一个过渡过程。
因此,评价系统性能优劣的性能指标也是从系统的动态过程中定义出来的。
工程上常常是从稳定性、快速性、准确性3个方面对系统性能进行评价。
1.稳定性
稳定性是指控制系统动态过程的振荡倾向和重新恢复平衡工作状态
的能力,是评价系统能否正常工作的重要性能指标。
当扰动作用(或给定值发生变化)时,输出量将会偏离原理的稳定值。
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)原来的稳定值(或跟随给定值)稳定下来,如图1.7a所示。
但也可能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1.7b所示。
显然,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,首要条件便是系统能稳定正常运行。
2.快速性
快速性是指控制系统过渡过程的时间长短,是评价稳定系统暂态性
能的指标。
过渡过程的时间太长,则系统常时间地处在大偏差状态中,这说明系统响应迟钝,也就很难复现、跟踪快速变化的输入信号。
因此,在实际控制系统中,我们总是希望在满足稳定性的要求下,系统的过渡时间越短越好。
3.准确性
指过渡过程结束后稳态误差越小越好。
稳态误差:
指过渡过程结束
后,也就是进入稳态过程后,希望的输出量与实际输出量之间的误差,是恒量系统稳态精度的重要指标。
我们希望此时被控量与给定量之间的偏差越小越好。
上面所提到的三个性能指标是自控系统基本要求,具有普遍性。
但在实际应用中,由于被空对象的具体情况不同,因而对最终控制结果的稳、快、准各性能的要求也各不相同。
例如随动系统对快速性要求最高,而调速系统最为关心的则是系统的稳定性。
同一个系统的稳定性、快速性、准确性是相互制约的。
若要提高系统的快速性,有可能引起系统的强烈振动,从而降低稳定性;若要改善系统的稳定性,又会减慢系统的控制过程,影响了系统的快速性。
分析和解决这些矛盾、优化系统的控制性能,将是本学科讨论的重要内容。
习题
1.什么是人工控制?
什么是自动控制?
2.人工控制和自动控制各有什么优缺点?
3.简述开环系统和闭环系统的主要特点,并比较两者的优缺点。
4.简述反馈控制系统的基本组成。
各组成部分的作用是什么?
5.试列举几个日常生活中所遇到的开环控制和闭环控制的例子。
6.指出下列系统中哪些属开环控制,哪些属闭环控制:
(1)家用电冰箱
(2)家用空调(3)家用洗衣机
(4)抽水马桶(5)普通车床(6)电饭煲
(7)多速电风扇(8)高楼水箱(9)调光台灯
(10)自动报时电子钟
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- 自动控制 技术 第一章