材料成型自动控制基础雷毅版1

1、第第1章章 自动控制的基本概念自动控制的基本概念主要内容：自动控制的基本方式主要内容：自动控制的基本方式 自动控制系统的组成和类型自动控制系统的组成和类型 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求 材料成型自动控制的特点和主要发展方向材料成型自动控制的特点和主要发展方向中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院n自动控制的基本方式：开环控制、闭环控制或复合控自动控制的基本方式：开环控制、闭环控制或复合控制制n最基本的控制方式：闭环控制（反馈控制）最基本的控制方式：闭环控制（反馈控制）n自动控制系统讨论的自动控制系统讨论的主要问题主要问题： 系统动态过程的性能，

2、即稳准快系统动态过程的性能，即稳准快n主要内容主要内容:n 系统分析和系统设计系统分析和系统设计1.1 自动控制的基本方式n1.1.1 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统n自动控制：自动控制：是指在是指在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，利用的情况下，利用控制装置控制装置使使被控制的对象被控制的对象（如焊接电弧、设备或生（如焊接电弧、设备或生产过程）自动的按照预定的规律工作。产过程）自动的按照预定的规律工作。n控制对象：控制对象：被控制的机器设备或生产过程被控制的机器设备或生产过程n控制元件：控制元件：所用的控制装置所用的控制装置系统的输系统的输入是作用入是作用于系统的于系统的激

3、发信号激发信号n自动控制系统：自动控制系统：控制装置和控制对象的总和控制装置和控制对象的总和控制装置按给定量的要求控制装置按给定量的要求向控制对象输出操作量，向控制对象输出操作量，使系统达到预定的性能或使系统达到预定的性能或预定的输出预定的输出被控制量：被控制量：系统的输出（系统对输入的响应，是时间的函数）系统的输出（系统对输入的响应，是时间的函数）给定值或目标值：给定值或目标值：使系统具有预定性能或预定输出的信号使系统具有预定性能或预定输出的信号干扰：干扰：破坏系统的预定性能或预定输出的信号破坏系统的预定性能或预定输出的信号n例：例：在材料成型的焊缝自动跟踪系统中，要求整个焊在材料成型的焊缝

4、自动跟踪系统中，要求整个焊接过程中焊炬自始至终准确对准焊缝的中心线进行焊接过程中焊炬自始至终准确对准焊缝的中心线进行焊接，使焊缝按预定的轨迹形成。但，由于焊前准备工接，使焊缝按预定的轨迹形成。但，由于焊前准备工作的差异、工件装配公差的不准以及焊接过程中工件作的差异、工件装配公差的不准以及焊接过程中工件受热引起的变形等因素，使工件坡口中心位置与预定受热引起的变形等因素，使工件坡口中心位置与预定的焊缝轨迹发生了偏差，这就要求自动控制系统能随的焊缝轨迹发生了偏差，这就要求自动控制系统能随时测出工件坡口中心的位置，实现焊缝的自动跟踪，时测出工件坡口中心的位置，实现焊缝的自动跟踪，以达到预期的目的以达到

5、预期的目的n1.1.2 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统u开环控制系统：开环控制系统：系统的输出量对系统系统的输出量对系统无控制作用无控制作用，或者说，或者说系统中没有一个环节的输入受到系统输出的系统中没有一个环节的输入受到系统输出的反馈作用反馈作用n开环控制系统特点：开环控制系统特点：n作用信号是作用信号是单方向单方向传递的传递的n结构简单，给定一个输入量便有一个相应的输结构简单，给定一个输入量便有一个相应的输出量出量n开环控制系统缺点：开环控制系统缺点：n输出量的准确性较差，且系统抗外界干扰能力输出量的准确性较差，且系统抗外界干扰能力差，没有根据系统的实际输出量修正输入

6、量的差，没有根据系统的实际输出量修正输入量的功能（无反馈），精度不高功能（无反馈），精度不高采用精密元件u闭环控制系统闭环控制系统n直流电动机直流电动机M通过减速器驱动送丝导轮输送焊丝。电动机通过减速器驱动送丝导轮输送焊丝。电动机M的转的转速取决于直流发电机速取决于直流发电机G的输出电压。发电机的输出电压。发电机G有两个激磁绕组有两个激磁绕组W1、W2，通过电位器，通过电位器Rw1供给一个给定电压供给一个给定电压Ug，在，在W1产生一个磁产生一个磁通通 ；W2由电弧电压由电弧电压Ua在在W2中产生磁通中产生磁通 ，n两个磁通方向相反：两个磁通方向相反： 单独存在时，发电机单独存在时，发电机G输

7、出电压的极性使输出电压的极性使电动机电动机M向退丝方向转动；当向退丝方向转动；当 单独存在时，电动机单独存在时，电动机M向送丝方向送丝方向转动。向转动。n正常焊接时，正常焊接时， 电动机电动机M驱动送丝机构有一个稳定的送丝速度驱动送丝机构有一个稳定的送丝速度121212n由于某种原因使弧长自动变短，电弧电压由于某种原因使弧长自动变短，电弧电压Ua随之降低，致使随之降低，致使 减减小。此时小。此时 的差值减小的差值减小,发电机发电机G的输出电压减小，使焊丝送丝的输出电压减小，使焊丝送丝速度减慢，电弧长度迅速恢复速度减慢，电弧长度迅速恢复n若电弧长度突然增大，系统会由于相同原理使电弧长度迅速缩短，

8、若电弧长度突然增大，系统会由于相同原理使电弧长度迅速缩短，恢复原有弧长，使系统稳定工作恢复原有弧长，使系统稳定工作212-n闭环控制系统：闭环控制系统：作用信号是按作用信号是按闭环闭环传递的，系统的输出对控传递的，系统的输出对控制作用有制作用有直接直接的影响。这种输入量与输出量进行比较后，根据其的影响。这种输入量与输出量进行比较后，根据其偏差值实时控制，从而使输出量有较准确的值。偏差值实时控制，从而使输出量有较准确的值。n反馈：反馈：在闭环控制系统中，依靠系统本身输出量（弧长，亦即在闭环控制系统中，依靠系统本身输出量（弧长，亦即电弧电压）对系统的反作用，在工作中不断修正输出量的作用电弧电压）对

9、系统的反作用，在工作中不断修正输出量的作用反馈系统反馈系统n传感器或变换器元件用来测量被控变量的实际值，并对被传感器或变换器元件用来测量被控变量的实际值，并对被控量进行物理量的变换，形成反馈量控量进行物理量的变换，形成反馈量b(t)n反馈量和参考输入量反馈量和参考输入量r(t)进行比较，形成代数差称为误差，进行比较，形成代数差称为误差，即偏差即偏差e(t)=r(t)-b(t)n控制器根据偏差值计算出控制变量值控制器根据偏差值计算出控制变量值m(t)，并将其传送到，并将其传送到被控对象。任务：修正偏差，甚至包括出现的扰动被控对象。任务：修正偏差，甚至包括出现的扰动n控制系统要求达到的目标：控制器

10、连续进行修正作用，直控制系统要求达到的目标：控制器连续进行修正作用，直至偏差为零，即参考输入量至偏差为零，即参考输入量r(t)等于实际的反馈控制值等于实际的反馈控制值b(t)n闭环控制系统：闭环控制系统：动态系统、振荡动态系统、振荡n复合控制系统：前馈控制、反馈控制1.2 自动控制系统的组成和类型n自动控制系统的组成n指令值指令值v v。一个输入信号，由控制者确定，与系统本身无关。一个输入信号，由控制者确定，与系统本身无关。n给定元件。给定元件。将指令值转换成实际输入控制系统的给定值。将指令值转换成实际输入控制系统的给定值。n给定值给定值r r。实际输入到系统的信号，一般正比于指令值。实际输入

11、到系统的信号，一般正比于指令值n反馈量反馈量b b。与被控制量与被控制量c c具有某种函数关系（一般为比例关系），是测量元具有某种函数关系（一般为比例关系），是测量元件的输出信号。反馈量件的输出信号。反馈量b b与给定值比较后产生偏差与给定值比较后产生偏差e e。( (量纲量纲) )n偏差偏差e e。e=r-b,e=r-b,由比较器产生。这是一个最原始的控制信号，通常为小信号。由比较器产生。这是一个最原始的控制信号，通常为小信号。n校正元件校正元件. .为了提高系统的动态性能和稳态性能，需要对偏差信号为了提高系统的动态性能和稳态性能，需要对偏差信号e进行放大进行放大、运算，使之按一定的规律变化

12、。、运算，使之按一定的规律变化。n执行元件。执行元件。执行元件产生一个具有一定功率并能够被控制对象接受的信号，执行元件产生一个具有一定功率并能够被控制对象接受的信号，从而使被控制量变化。执行元件一般由功率放大器和驱动机构组成。从而使被控制量变化。执行元件一般由功率放大器和驱动机构组成。n控制量控制量. .执行机构作用于被控制对象的信号，通常具有一定的功率，并且是能执行机构作用于被控制对象的信号，通常具有一定的功率，并且是能够被对象接受的一种物理量。够被对象接受的一种物理量。n控制对象。控制对象。自控系统中需要进行控制的机器、设备或生产过程。自控系统中需要进行控制的机器、设备或生产过程。n被控制

13、量。被控制量。系统的被控制对象中需要进行控制的物理量，能直接被测量系统的被控制对象中需要进行控制的物理量，能直接被测量n扰动量。扰动量。往往是一个不需要而又难以避免的外部输入信号，它影响被控制量往往是一个不需要而又难以避免的外部输入信号，它影响被控制量的控制精度。的控制精度。n检测元件。检测元件。它对被控制量进行测量，输出反馈量。通常为一比例元件。它对被控制量进行测量，输出反馈量。通常为一比例元件。n自动控制系统的类型自动控制系统的类型n自控系统有各种不同的分类方法：自控系统有各种不同的分类方法：n按按系统的结构系统的结构：开环控制、闭环控制和复合控制系统：开环控制、闭环控制和复合控制系统n按

14、按控制系统功能控制系统功能：恒值控制、随动控制、过程控制、最优控制和：恒值控制、随动控制、过程控制、最优控制和自适应控制系统等自适应控制系统等n按按系统的物理特性系统的物理特性：机械系统、电气系统、液压系统和气动系统：机械系统、电气系统、液压系统和气动系统等等n此外，还可以按照描述系统的数学模型、系统中传送信号的性质此外，还可以按照描述系统的数学模型、系统中传送信号的性质和系统的特性等进行分类和系统的特性等进行分类 u恒值系统和随动系统恒值系统和随动系统n恒值系统恒值系统：（：（定值控制系统）输入量为恒值或者随时间缓慢变化定值控制系统）输入量为恒值或者随时间缓慢变化n主要任务：保证在任何干扰的

15、作用下使输出保持恒定的设定值主要任务：保证在任何干扰的作用下使输出保持恒定的设定值n如：恒压、恒温等如：恒压、恒温等n分析和设计主要集中在研究扰动对系统的影响和抗扰动的措施方面分析和设计主要集中在研究扰动对系统的影响和抗扰动的措施方面n随动系统随动系统：（跟踪系统）输入量不是时间的解析函数，如何变化事：（跟踪系统）输入量不是时间的解析函数，如何变化事前无法估计（前无法估计（随时间任意变化随时间任意变化）n任务：在各种情况下保证其输出以一定的精度并随输入量而改变任务：在各种情况下保证其输出以一定的精度并随输入量而改变n如：运动目标的自动跟踪系统、自动测量仪器系统如：运动目标的自动跟踪系统、自动测

16、量仪器系统u线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统n线性系统线性系统n当系统各元件的输入输出特性为线性特性，系统的状态和性能可以用当系统各元件的输入输出特性为线性特性，系统的状态和性能可以用线线性微分方程（或线性差分方程）性微分方程（或线性差分方程）来描述来描述n线性控制系统中各元件的静特性必须是线性控制系统中各元件的静特性必须是直线关系直线关系n线性系统的运算应符合以下线性系统的运算应符合以下规律规律：n1.齐次性：齐次性： 2.叠加性叠加性严格意义上的线性系统是不存在的n非线性系统非线性系统n系统中若有一个非线性特性的元件，则系统就要用非系统中若有一个非线性特性的元件，则系统就要用非线性

17、方程线性方程来描述。来描述。用非线性方程描述的系统成为非线性系统。用非线性方程描述的系统成为非线性系统。n特点：系统与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积特点：系统与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项项n例如例如：wttrtytrtytytytycos)()()()()()()(2u单输入单输出系统和多输入多输出系统单输入单输出系统和多输入多输出系统nSISO：也称单变量系统。也称单变量系统。n输入输出信号各有一个，系统中主反馈只有一个（图输入输出信号各有一个，系统中主反馈只有一个（图1.2-1）nMIMO：也称多变量系统。也称多变量系统。n不仅输入输出信号多，

18、反馈回路也多，而且相互之间有耦合作用，不仅输入输出信号多，反馈回路也多，而且相互之间有耦合作用，所以很复杂，往往通过计算机解决所以很复杂，往往通过计算机解决n单变量系统可以作为多变量系统的一个特例单变量系统可以作为多变量系统的一个特例u有静差系统和无静差系统有静差系统和无静差系统u集中参数系统和分布参数系统集中参数系统和分布参数系统u现代高精度控制系统现代高精度控制系统1.3 对自动控制系统的基本要求n在控制过程中，一个理想的控制系统始终应使其被控制量（输出）在控制过程中，一个理想的控制系统始终应使其被控制量（输出）等于给定值（输入）。但是由于机械部分质量、惯性的存在，电等于给定值（输入）。但

19、是由于机械部分质量、惯性的存在，电路中储能元件的存在以及能源功率的限制，使得运动部件的加速路中储能元件的存在以及能源功率的限制，使得运动部件的加速度受到限制，其速度和位置难以实现瞬时变化，而需要经过一个度受到限制，其速度和位置难以实现瞬时变化，而需要经过一个过渡过程。过渡过程。n控制系统的暂态性能可以通过在输入信号作用下系统的过渡过程控制系统的暂态性能可以通过在输入信号作用下系统的过渡过程（即暂态过程）来评价。（即暂态过程）来评价。n系统的暂态过程不仅与系统的结构和参数有关，还与外加输入信系统的暂态过程不仅与系统的结构和参数有关，还与外加输入信号的形式有关号的形式有关1.3.1 典型输入信号n

20、单位阶跃函数单位阶跃函数 ：数学表达式：数学表达式：n若阶跃函数幅值为若阶跃函数幅值为Rp，则可表示成，则可表示成n在自动控制系统中，阶跃函数是在自动控制系统中，阶跃函数是应用最广泛应用最广泛的一种典型输入信号，的一种典型输入信号，一般用系统对阶跃函数的响应来评价系统的暂态性能。一般用系统对阶跃函数的响应来评价系统的暂态性能。 00101ttt tRp1n单位脉冲函数：单位脉冲函数：数学表达式数学表达式n图图1.3-6所示的矩形脉冲的脉冲面积为所示的矩形脉冲的脉冲面积为1.当脉冲宽度当脉冲宽度 时，其时，其脉冲高度脉冲高度 。故单位脉冲可以看成面积总是为。故单位脉冲可以看成面积总是为1的，但脉

21、冲的，但脉冲宽度宽度 时的极限情况的矩形脉冲时的极限情况的矩形脉冲 000ttt001n定义脉冲函数如下：定义脉冲函数如下：n按此定义，脉冲的面积为按此定义，脉冲的面积为1n脉冲函数不用其幅值的大小来描述脉冲的强弱，而用脉冲面积的脉冲函数不用其幅值的大小来描述脉冲的强弱，而用脉冲面积的大小来描述脉冲的强度。大小来描述脉冲的强度。n强度为强度为A的脉冲函数为的脉冲函数为 因为：因为： 所以，单位脉冲可以看成是单位阶跃函数的导数所以，单位脉冲可以看成是单位阶跃函数的导数)( 11)( 11lim)(0ttt tA tdtdt1n单位斜坡函数：单位斜坡函数：数学表达式数学表达式 （1(t)常省略）常

22、省略）n若斜坡函数的速度为若斜坡函数的速度为Rv，则斜坡函数可表示为，则斜坡函数可表示为 0001ttttttRvn单位加速度函数（抛物线函数）：单位加速度函数（抛物线函数）：数学表达式数学表达式n（1(t)常省略）常省略）n若加速度函数的加速度为若加速度函数的加速度为Ra，则加速度函数可表示为，则加速度函数可表示为 002101t2122tttt221tRan单位正弦函数：单位正弦函数：数学表达式：数学表达式：n（1(t)常省略）常省略）n若正弦函数的幅值为若正弦函数的幅值为A，则正弦函数可表示为，则正弦函数可表示为 00sin01sinttwttwtwtAsin1.3.2 系统的暂态过程n

23、零状态零状态：在没有外作用时系统处于的某种平衡状态：在没有外作用时系统处于的某种平衡状态n动态过程（暂态过程）：动态过程（暂态过程）：当系统受到外作用时，其输出量（被控当系统受到外作用时，其输出量（被控制量）将发生变化。由于系统中总含有制量）将发生变化。由于系统中总含有储能元件储能元件，因此输出量的，因此输出量的变化不可能是瞬时的，而是一个过程变化不可能是瞬时的，而是一个过程n系统暂态过程的性能是自动控制系统质量的重要标志。对系统暂系统暂态过程的性能是自动控制系统质量的重要标志。对系统暂态性能的态性能的要求要求：n稳定性能：稳定性能：当系统受到外作用时，若系统被控制量的暂态过程随当系统受到外作

24、用时，若系统被控制量的暂态过程随着时间推移而衰减，直到最后与希望值一致（允许有一定误差），着时间推移而衰减，直到最后与希望值一致（允许有一定误差），我们称此系统为我们称此系统为稳定系统稳定系统 n(一定的稳定裕量一定的稳定裕量（相对稳定性）（相对稳定性）)n快速性快速性：暂态过程中被控制量上升速度的快慢以及被控制量趋向：暂态过程中被控制量上升速度的快慢以及被控制量趋向希望值的快慢希望值的快慢n暂态过程结束后系统进入稳态。暂态过程结束后系统进入稳态。n对于稳态，要求被控制量以一定的精度达到希望值。系统的稳态对于稳态，要求被控制量以一定的精度达到希望值。系统的稳态误差应满足系统控制精度的要求误差应

25、满足系统控制精度的要求1.3.3 对控制系统的性能要求n稳定性：稳定性：指系统受到外界扰动作用时系统的输出将偏离平衡位置，指系统受到外界扰动作用时系统的输出将偏离平衡位置，当这个扰动作用去除后，系统恢复到原来的平衡状态或趋于一个当这个扰动作用去除后，系统恢复到原来的平衡状态或趋于一个新的平衡状态的能力新的平衡状态的能力n绝对稳定性：系统稳定绝对稳定性：系统稳定n相对稳定性：系统的输出响应振荡的强烈程度相对稳定性：系统的输出响应振荡的强烈程度n快速性：快速性：系统实际输出量与期望的输出量之间产生偏差时消除这系统实际输出量与期望的输出量之间产生偏差时消除这种偏差的快速程度（系统稳定的前提下）种偏差

26、的快速程度（系统稳定的前提下）n准确性：准确性：在调整过程结束后输出量与期望的输出量之间的偏差，在调整过程结束后输出量与期望的输出量之间的偏差，即静态精度即静态精度n总结：总结：对控制系统性能的基本要求一般可归纳为：对控制系统性能的基本要求一般可归纳为：n1. 稳定并有一定的裕量：必要条件稳定并有一定的裕量：必要条件n2. 符合要求的瞬态响应：包括系统的快速性、超调量等动态性能符合要求的瞬态响应：包括系统的快速性、超调量等动态性能指标指标n3. 符合要求的稳态响应：系统经过过渡过程达到稳态后要求系统符合要求的稳态响应：系统经过过渡过程达到稳态后要求系统的稳态误差要小的稳态误差要小n同一系统对稳

27、、准、快三个方面的要求同一系统对稳、准、快三个方面的要求往往是相互制约的往往是相互制约的1.4 材料成型自动控制概况n今年来，焊接自动控制技术在国内外发展很快，同时也受到了高今年来，焊接自动控制技术在国内外发展很快，同时也受到了高度的重视，已成为焊接技术的一个独立分支。从自控对象的观点度的重视，已成为焊接技术的一个独立分支。从自控对象的观点来看，焊接（特别是电弧焊）与其他加工过程的控制有着不同的来看，焊接（特别是电弧焊）与其他加工过程的控制有着不同的特征，所以焊接自动控制也有和其他加工工艺过程自动化控制不特征，所以焊接自动控制也有和其他加工工艺过程自动化控制不同的特点同的特点1.4.1 焊接控

28、制特点n被控制量检测困难：被控制量检测困难：当焊接过程正在进行时，若可以在电弧当焊接过程正在进行时，若可以在电弧的附近检测，就必须考虑近弧区各物理量的检测；若将距离电弧的附近检测，就必须考虑近弧区各物理量的检测；若将距离电弧较远地方的检测量作为被控制量，需考虑时间延迟。故，如何将较远地方的检测量作为被控制量，需考虑时间延迟。故，如何将焊接过程中电弧的直接变量或间接变量中可以测量且测量性能良焊接过程中电弧的直接变量或间接变量中可以测量且测量性能良好的量作为被控量，这是焊接自动控制系统中的关键技术。好的量作为被控量，这是焊接自动控制系统中的关键技术。n在电弧焊过程中，可以考虑作为直接变量的被控制量

29、：焊缝的熔在电弧焊过程中，可以考虑作为直接变量的被控制量：焊缝的熔深，焊缝的熔宽，焊缝的截面面积和形状，有加强高的焊缝外观深，焊缝的熔宽，焊缝的截面面积和形状，有加强高的焊缝外观等。等。n但上述变量中，事前能直接测量的几乎没有，只能测其间接变量，但上述变量中，事前能直接测量的几乎没有，只能测其间接变量，如熔池附近的温度和温度梯度，熔池及其周围的凝固部分和工件如熔池附近的温度和温度梯度，熔池及其周围的凝固部分和工件的形状，熔池金属的流动状态，电弧的形状、大小、辉的形状，熔池金属的流动状态，电弧的形状、大小、辉度等n间接变量与直接变量必须在动态特性、静态特性上一一对应。然间接变量与直接变量必须在动态特性、静态特性上一一对应。然而，在实际焊接过程中对间接变量的检测也存在不少困难，主要而，在实际焊接过程中对间接变量的检测也存在不少困难，主要原因如下：原因如下：n1. 由于电弧发出的光、热、声、飞溅等干扰，在其他领域可使用由于电弧发出的光、热、声、飞溅等干扰，在其他领域可使用的测量技术在近弧区却无法使用。另，埋弧焊时熔渣的存在也妨的测量技术在近弧区却无法使用。另，埋弧焊时熔渣的存在也妨碍了有效的测量碍了有效的测量n2. 电弧焊多半是工件固定而电弧移动，要在有电弧的一面检查，电弧焊多半是工件固定而电弧移动