第08章 自动控制系统基础

热加工测控技术电子教案—第8章材料科学与工程学院2023/2/6第8章自动控制系统基础

2本章知识构架2023/2/6本章框架2023/2/6烘烤炉温度控制系统图8.1烘烤炉温度控制系统原理图

图中被控对象是烘烤炉，被控量为炉温T，给定元件为电位器RPl，其上的输出电压ut对应炉温的预期值。测量元件为热电偶，它将炉温转换并经放大器放大为相应的电压信号ur。比较与放大元件由集成运放及功率放大装置组成。由于Δu

=ut-ur，因此实现的是负反馈。执行器为电机、传动装置及阀门。【导入案例】2023/2/6【导入案例】图8.2烘烤炉温度控制系统方框图系统的方块图如图8.2所示，系统是一个闭合回路。总输入量包括给定值和外部干扰量，信号经控制装置、烘烤炉后又反馈到控制装置。由于系统是按偏差进行调节的，因此必须测量炉温，反馈闭合回路是必需的。2023/2/6【导入案例】系统控制过程如下：设系统原处于静止状态，在t=0时刻加上恒值给定信号，驱动电机运转，使阀门开度Q增大，炉温慢慢上升；只要T还小于预期值，则偏差信号Δu始终为正，Q持续增大，炉温T也就持续增长；当T第一次到达预期值时，Δu＝0，Q不再增大，但由于阀门已经开过头了，因此，T仍然会继续增长，导致Δu

<0，驱动电机反向旋转，Q下降。只要T的值比稳态时的阀门开度（也可以认为就是阀门开度的预期值Q0）要大，T就会继续上升，直到Q<Q0，T才会开始下降，此时T的变化有一个极大值存在；只要T还大于预期值，Δu

<0，Q就会继续下降，然后以相反的方向重复上述的运动过程。因此，炉温要经过几次振荡后才会逐渐趋于平稳状态（假定系统稳定）。在扰动作用下系统的调节过程与此类似。2023/2/68.1自动控制系统的组成在研究自动控制系统时，为了更清楚地表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图表示。图8.3所示是一个典型的自动控制系统方框图，该图表示了组成该系统的各环节在系统中的位置及相互关系。图8.3典型自动控制系统方框图自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使某种设备、工作机械或生产过程的某些物理量或工作状态能自动地按照预定的规律运行或变化。2023/2/6自动控制系统的组成图8.3典型自动控制系统方框图图8.3中每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。从图8.3可以看出，一个典型的自动控制系统应该包括给定装置、比较机构、控制装置、执行器、检测元件或变送器及被控对象。2023/2/6自动控制系统的组成检测元件或变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测量值y(t)。如，用热电阻或热电偶测量温度，并用温度变送器转换为统一的气压信号（20~100kPa）或直流电流信号（0~10mA或4~20mA）。比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输出其差值e(t)。在自动控制系统分析中，把e(t)定义为[r(t)-y(t)]。控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器，又称为调节器。目前应用最广的控制器是气动和电动控制器，它们的输出u(t)也是统一的气压或电流信号。2023/2/6自动控制系统的组成执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改变操纵变量q(t)。执行器根据输入能量不同可分为电动、气动和液压三类。电动执行器安装灵活，使用方便，在自动控制系统中应用最广；气动执行器结构简单，重量轻，工作可靠，并且有防爆特性；液压执行器功率大，快速性好，运行平稳，广泛用于大功率的控制系统。被控对象是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。被控对象中要求实现自动控制的物理量称为被控量或系统的输出量。一般而言，控制系统受到两种作用，即给定作用（给定值）和干扰作用，它们都称为系统的输入信号。系统的给定值决定系统被控量的变化规律。干扰作用在实际系统中是难于避免的，而且它可以作用于系统中的任意部位。通常所说的系统的输入信号是指给定值信号，而系统的输出信号是指被控量。设定给定值这一端称为系统的输入端；输出被控量这一端称为输出端。2023/2/68.2自动控制系统的分类自动控制系统的种类很多，其结构类型、性能和完成的任务各不相同，因而也有多种分类方法。下面简单介绍几种常见的分类方法。①按系统的功能分类自动控制系统可分为温度控制系统、位置控制系统、压力控制系统、液位控制系统、流量控制系统等。②按系统装置的类型可分为机电控制系统、气动控制系统、液压控制系统等。③按调节器的控制规律分类，一般可分为比例控制系统、积分控制系统、微分控制系统、比例积分控制系统、比例微分控制系统、比例积分微分控制系统。

④按系统内部的信号特征可分为连续系统和离散系统。若系统中各元件的输入量和输出量均为时间的连续函数时称该系统为连续系统。连续系统的运动规律可用微分方程来描述。若系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递时称该系统为离散系统。离散系统的运动规律可用差分方程来描述⑤按使用的数学模型分类，自动控制系统可分为线性系统与非线性系统和时变系统与定常系统两种。⑥按控制系统输入信号特征分类，通常可分为定值控制系统、程序控制系统和随动控制系统。⑦按控制方式分类自动控制系统可分为开环控制系统、闭环控制系统以及复合控制系统。复合控制系统是前两种控制系统的组合。2023/2/68.3自动控制系统的工作过程8.3.1开环控制系统8.3.2闭环控制系统8.3.3复合控制系统2023/2/68.3.1开环控制系统若系统的控制器与被控对象之间只有顺向作用而没有反向作用，即系统的输出量对控制作用没有影响，则该系统称为开环控制系统。在开环控制系统中，输入端与输出端之间，只有信号的前向通道而不存在由输出端到输入端的反向通路，因此，开环控制系统也称为无反馈控制系统。2023/2/6开环控制系统图8.4电加热炉开环控制原理图

图8.5电加热炉开环控制方框图

图8.4为一个电加热炉炉温控制系统示意图。该系统控制对象是加热炉，被控量是炉温，控制装置是调压器和电阻丝。控制系统要求炉温维持在给定值附近的一定范围内。控制过程是根据给定炉温所要求的期望值，调节调压器活动触点在某一位置上，从而改变加于电阻丝两端的电压，电阻丝两端将释放热能，当调压器调节在某一位置且外界条件及元部件参数不变时，炉子对应地处于某一温度。但是，当外界条件或元部件参数发生变化，如由于电源的波动或炉门的开闭会使炉温产生漂移，炉内实际温度与期望的温度会出现偏差，此时，因炉温变化的信息不回送到输入端，系统将不会自动调整调压器触头的位置，通过改变电阻丝的电流来自动消除温度偏差，也就是说输出量对系统的控制作用没有任何影响。因此，该炉温控制系统是一个开环控制系统，可用图8.5的方框图表示。2023/2/6开环控制系统开环控制又可分为按给定值控制和按干扰补偿控制两种形式。按给定值的控制形式在干扰或特性参数变化时，被控量随之发生变化，但无法自动补偿，控制精度难以保证，因此，按给定值控制的开环控制对被控对象和其他元件的要求高。按干扰补偿的控制形式对破坏系统正常运行的干扰进行测量，利用干扰信号产生控制作用，以补偿干扰对被控量的影响。但是，由于只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰、被控对象及各功能部件内部参数变化无法测量，系统自身仍无法真正自动补偿，因此，控制精度仍不高。目前，开环控制系统被广泛应用在各种设备上，如自动洗衣机、自动售货机、交通指挥的红绿灯转换、产品自动生产流水线等。2023/2/68.3.2闭环控制系统系统的输出量或状态变量对控制作用有直接影响的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统。在闭环控制系统中，既存在由输入端到输出端的信号前向通路，也存在从输出端到输入端的信号反馈通道，两者组成一个闭合的回路。控制系统要达到预定的目的或具有规定的性能，必须把输出量的信息反馈到输入端进行控制。通过比较输入值与输出值，产生偏差信号，该偏差信号以一定的控制规律产生控制量，作用于执行机构，使偏差逐步减小以至消除，从而实现所要求的控制性能。2023/2/6闭环控制系统图8.6给出了电加热炉炉温控制的闭环控制系统原理图图8.6电加热炉闭环控制系统原理图与设定电压进行比较，所产生的电压差△e经前置放大器和功率放大器放大后，驱动执行电机带动减速器转动，使调压器滑动触点向减少电压误差△e的方向移动。通过改变流过加热电阻丝的电流，消除温度偏差，使炉内实际温度等于或接近设定的温度。要求将炉温控制在某一温度值附近，首先通过给定电路将炉子要求控制的温度变换成相应的电压量e，炉子内的温度通过热电偶检测，2023/2/6闭环控制系统加热炉炉温闭环控制系统方框图见图8.7

。在闭环控制系统中，不仅有从输入端到输出端的信号作用路径，还有从输出端到输入端的信号作用路径。前者称为前向通道，后者称为反馈通道。图8.7电加热炉闭环控制系统方框图2023/2/6闭环控制系统①由负反馈构成闭环，利用误差信号进行控制，不论是输入信号的变化或干扰的影响，或系统内部的变化，只要是被控量偏离了规定值，都会产生相应的作用去抑制或消除偏差；②对于外界扰动和系统内参数的变化等引起的误差能够自动纠正，提高了系统的精度。但是，闭环控制也有自身的缺点，如当系统元件参数配合不当时，容易产生振荡，使系统不能正常工作，因而存在稳定性的问题。与开环控制相比，闭环控制具有如下优点：2023/2/68.3.3复合控制系统反馈控制是在外部作用（输入信号或干扰）对控制对象产生影响后才能做出相应的控制，尤其是控制对象具有较大延迟时，反馈控制不能及时地影响输出的变化。前馈控制能预测输出外部作用的变化规律，在控制对象还没有产生影响之前就做出相应的控制，使系统在偏差即将产生之前就注意纠正偏差。前馈控制和反馈控制相结合构成了复合控制，也就是说复合控制是开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。复合控制是构成高精度控制系统的一种有效控制方式，使自动控制系统具有更好的控制性能。2023/2/6复合控制系统复合控制基本上具有两种形式：①按输入前馈补偿的复合控制②按干扰前馈补偿的复合控制见图8.8

图8.8复合控制系统方框图(a)输入前馈补偿的复合控制系统方框图；(b)干扰前馈补偿的复合控制系统方框图2023/2/68.4自动控制系统的过渡过程和品质指标一个自动控制系统在受到各种扰动作用下，被控变量发生变化，同时，控制系统的控制器产生控制作用，克服扰动对被控制变量影响，使被控变量重新回到给定值范围内稳定下来。这个被控变量从变化到稳定的整个调节过程就是自动控制系统的过渡过程。它实际上是从一个平衡态到另一个平衡态的动态变化过程。2023/2/68.4.1自动控制系统的静态与动态自动控制系统的输入有两种，其一是设定值的变化，另一个是扰动的变化。当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态，这种状态称为静态。这里所说的静态，并非指系统内没有物料与能量的流动，而是指各个参数的变化率为零，即参数保持不变。此时输出与输人之间的关系称为系统的静态特性。同样，对于任何一个环节也存在静态。系统和环节的静态特性是很重要的，它是控制品质的重要一环。系统的静态特性反映了它的精度；控制器和执行器的静态特性对控制品质有显著的影响。2023/2/6自动控制系统的静态与动态若一个系统原来处于静态，由于出现了扰动、即输入起了变化，系统的平衡受到破坏，被控量（即输出）将发生变化，自动控制装置就会动作，进行控制，以克服扰动的影响，力图使系统恢复平衡。从输入开始，经过控制，直到再建立静态，在这段时间中整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。另一方面，在设定值变化时，也引起动态过程，控制装置力图使被控变量在新的设定值或其附近建立平衡。总之，由于输入的变化，输出随时间而变化，它们之间的关系称为动态特性。同样，对任何环节来说也存在动态。2023/2/68.4.2自动控制系统的过渡过程在实际生产过程中，扰动大多数是属于随机发生的，扰动的形式干差万别。为了便于分行和研究系统的特性，常常选择一些典型的干扰输入信号。图8.9阶跃扰动信号对于一个稳定的系统要分析其稳定性、准确性和快速性，阶跃扰动信号是最常用的一种，见图8.9，干扰信号从时刻起由原来数值突然变到另一数值上，且保持此幅值一直不变。2023/2/6自动控制系统的过渡过程分析自动控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程变化曲线，可归纳为以下五种形式。①单调发散过程控制系统在受到阶跃扰动作用下，被控变量偏离给定值作单向变化，最后被控变量超出生产工艺规定的允许范围。这种被控变量单向变化不能稳定在规定范围内的过渡过程称为单调发散过程，它是一个不稳定的过程，严重时会引起事故。2023/2/6自动控制系统的过渡过程②发散振荡过程被控变量在扰动作用下偏离给定值来回波动振荡，且振荡幅度越来越大，超出工艺生产规定范围。它也是一个不稳定的过程。③等幅振荡过程被控变量在干扰作用下在给定值附近作上下波动，振荡幅值保持不变的。等幅振荡过程也是不稳定的，但在某些生产过程中，如果振荡的幅值不超过工艺生产所允许的范围，这种过渡过程还是允许的。2023/2/6自动控制系统的过渡过程④单调衰减过程系统在受干扰作用下，被控变量在给定值某一侧作缓慢变化，当达到最大偏差数值后逐渐衰减，最后又重新回到给定值或稳定在某一数值上。它是一个稳定的过程，但由于它变化速度慢，且又一直作单向变化，易造成操作人员判断不准，故较少被采用。2023/2/6自动控制系统的过渡过程⑤衰减振荡过程被控变量在偏离给定值后上下来回振荡，且振荡幅度逐渐减小，经过两三个周期后，又稳定在某一数值上。这种过渡过程是一个稳定的过程，其待点是变化趋势明显、过渡时间短、易观察等。所以，自控系统常采用这种过渡过程作为分析系统的品质指标。2023/2/68.4.3自动控制系统的品质指标控制系统过渡过程的曲线变化是衡量—个系统质量的重要依据。从前面分析可知，我们总希望大多数控制系统能得到一个衰减振荡过程。但是不同的衰减振荡过程曲线，品质质量也可能不同。图8.11是在阶跃给定和干扰作用下的过渡过程品质指标示意图，为衡量其品质特性，从稳、快、准三个方面提出了如下指标。图8.11过渡过程品质指标示意图(a)给定值阶跃变化下的过渡过程；(b)干扰阶跃变化下的过渡过程2023/2/6自动控制系统的品质指标①余差C。余差C是指新的稳态值y(∞)与给定值yr之差，也就是过渡过程终了时的残余偏差。余差是一个静态指标，它反映了控制系统的控制精确皮，我们希望余差尽量小，最好是完全消除，但这也不是绝对的，对于余羌的要求应根据实际系统确定。图8.11过渡过程品质指标示意图(a)给定值阶跃变化下的过渡过程；(b)干扰阶跃变化下的过渡过程2023/2/6自动控制系统的品质指标②最大偏差A与超调量σ。最大偏差是指在过渡过程中被控变量相对于给定值出现的最大偏差。对于定值系统的衰减振荡过程，最大偏差就是第一个波的峰值，在图8.11(b)中以A表示。对于图8.11(a)的随动控制系统，经常用超凋量σ这个指标，参见1.5.2节。图8.11过渡过程品质指标示意图(a)给定值阶跃变化下的过渡过程；(b)干扰阶跃变化下的过渡过程最大偏差（或超调量）是一个反映超调情况和衡量稳定程度的指标。若最大偏差（或超调量）愈大，说明被控变量离开规定的生产状态就愈远，这是不希望的，特别是对于一些有约束条件的系统，都会对最大偏差的允许值有所限制。同时考虑到干扰会不断出现，并且偏差是叠加的，这就更限制了最大偏差的允许值。所以，在决定最大偏差（或超调量）允许值时，要根据工艺情况慎重选择。2023/2/6自动控制系统的品质指标③衰减比n。衰减比是表示衰减振荡过渡过程的衰减程度，它是过渡过程同方向的前后相邻两峰值的比，习惯上表示为n:1。衰减比反映了系统的相对稳定性，如n<1，过渡过程是发散振荡；如n＝1，过渡过程是等幅振荡，一般工业上这两种情况都不允许发生，因此应取n>1，为了保证足够的稳定性，衰减比以4:1~10:1为宜。图8.11过渡过程品质指标示意图(a)给定值阶跃变化下的过渡过程；(b)干扰阶跃变化下的过渡过程2023/2/6自动控制系统的品质指标④调节时间Ts。调节时间又称为过渡过程时间，它是反映系统快速性的一个重要指标。规定调节时间是从干扰作用开始之时起，至被控变量进入最终稳态值的±5%（或±2%）的时间，具体请参见2.5.2节介绍。图8.11过渡过程品质指标示意图(a)给定值阶跃变化下的过渡过程；(b)干扰阶跃变化下的过渡过程2023/2/6自动控制系统的品质指标⑤振荡周期T。过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间称为振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的条件下，振荡周期与调节时间成正比，因此振荡周期在一定程度上也是衡量系统快速性的指标。图8.11过渡过程品质指标示意图(a)给定值阶跃变化下的过渡过程；(b)干扰阶跃变化下的过渡过程2023/2/68.4.4影响过渡过程品质指标的主要因素自动控制系统是由生产过程的工艺设备对象和自动化装置两大部分组成的。而控制系统过渡过程品质的优劣，取决于组成控制系统的各个环节待性，特别是取决于被控对象的特性好坏。此外，自动化装置的性能好坏、参数选择和调整等都影响控制系统质量。如果过程和自动化装置两者配合不当，或在