自动控制系统的应用实例 第二章 《自动控制技术（第二版）》

全国高级技工学校电气自动化设备安装与维修专业教材自动控制技术主编：李国伟孙华（第二版）42自动控制系统的应用实例第二章432－１

恒值控制系统的应用实例2－２

随动控制系统的应用实例2－３

程序控制系统的应用实例2－４

自动控制系统的性能要求第二章442－１

恒值控制系统的应用实例第二章45学习目标１.了解恒值控制系统的应用实例。２.了解随动控制系统的应用实例。３.了解程序控制系统的应用实例。４.掌握自动控制系统的性能要求。46２－１

恒值控制系统的应用实例47一、蒸汽机转速自动控制系统采用瓦特发明的离心调速器设计的蒸汽机转速自动控制系统，如图２－１所示。离心调速器主要由伞形齿轮、套筒、弹簧、飞锤等构成。图２－１蒸汽机转速自动控制系统系统工作原理：蒸汽机在带动负载转动的同时，通过伞形齿轮带动一对飞锤做水平旋转。飞锤通过铰链可以带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠杆，杠杆另一端通过连杆调节供气阀门的开度。48２－１

恒值控制系统的应用实例一、蒸汽机转速自动控制系统蒸汽机正常运行时，飞锤旋转产生的离心力与平衡弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置（开度）。如果负载增大而导致蒸汽机转速ｎ下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过杠杆增大供气阀门的开度，使更多蒸汽进入蒸汽机，促使其转速ｎ回升。同理，若蒸汽机因负载减小而引起转速ｎ增大，则飞锤因离心力增大而使套筒上滑，并通过杠杆减小供气阀门的开度，蒸汽流量减少，迫使蒸汽机转速自动回落。这样离心调速器就能自动消除负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速ｎ基本保持在某个期望值附近。49２－１

恒值控制系统的应用实例一、蒸汽机转速自动控制系统本系统中，蒸汽机是控制对象，蒸汽机的转速ｎ是被控量。转速ｎ经离心调速器测出并转换成套筒的位移量后，经杠杆传送至供气阀门，以控制蒸汽机的转速，从而构成一个闭环控制系统。离心调速器除了应用在蒸汽机上发挥调速作用外，也常用于水力发电站中控制水力透平机的转速。50２－１

恒值控制系统的应用实例图２－２炉温自动控制系统原理图二、炉温自动控制系统图２－２所示为炉温自动控制系统原理图。图中电炉采用电加热的方式运行，加热器产生的热量与施加的电压ｕｃ的平方成正比，ｕｃ增高，炉温上升。本系统中，ｕｃ的高低由调压器滑动触点的位置控制，该触点由可逆直流电动机驱动。51２－１

恒值控制系统的应用实例二、炉温自动控制系统电炉的实际温度采用热电偶测出，并转换成毫伏级的电压信号，记为ｕｆ。ｕｆ作为系统的反馈电压送往输入端与给定电压ｕｇｄ进行比较，得出偏差电压ｕｅ＝ｕｇｄ－ｕｆ。ｕｅ经电压放大器放大成ｕ１，再经功率放大器放大成ｕａ后，作为控制可逆直流电动机的电枢电压。当ｕａ＞０时，可逆直流电动机正转，带动调压器滑动触点位置移动，ｕｃ增高，炉温上升；反之，当ｕａ＜０时，可逆直流电动机反转，带动调压器滑动触点位置移动，ｕｃ降低，炉温下降。52２－１

恒值控制系统的应用实例二、炉温自动控制系统正常情况下，炉温等于某个期望值ｔ，热电偶的输出电压ｕｆ正好等于给定电压ｕｇｄ。此时，ｕｅ＝ｕｇｄ－ｕｆ＝０，故ｕ１＝ｕａ＝０，可逆直流电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使ｕｃ保持一定的数值。这时电炉散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成一个稳定的热平衡状态。53２－１

恒值控制系统的应用实例若炉膛温度ｔ由于某种原因（干扰）而下降（如电炉门打开造成热量流失），则系统将出现以下控制过程：控制结果是炉膛温度自动回升，直至炉膛温度重新等于期望值为止。显然，炉温自动控制系统也是一个带反馈装置的闭环控制系统。上述两个实例是典型的恒值控制系统，控制结果是，当实际值偏离期望值时，系统将自动调整使得实际值尽量等于期望值。2－2随动控制系统的应用实例第二章5455２－2随动控制系统的应用实例一、导弹发射架的方位控制系统图２－３所示是一个控制导弹发射架方位的随动控制系统。图中电位器ＲＰ１和ＲＰ２并联后跨接到同一电源Ｅ０的两端，其滑臂分别与输入轴和输出轴相连接，以组成方位角的给定装置和反馈装置。输入轴由手轮操纵，输出轴则由直流电动机经减速器减速后带动，直流电动机采用电枢电压控制的方式工作。图２－３导弹发射架方位控制系统56２－2随动控制系统的应用实例当摇动手轮使电位器ＲＰ１的滑臂转过一个输入角θｉ的瞬间，由于输出轴的转角θｏ≠θｉ，于是出现一个角差θｅ，即θｅ＝θｉ－θｏ

（２－１）该角差通过电位器ＲＰ１和ＲＰ２转换成电压，并以偏差电压ｕｅ的形式体现出来，即ｕｅ＝ｕｉ－ｕｏ

（２－２）显然，若θｉ＞θｏ，则ｕｉ＞ｕｏ，ｕｅ＝ｕｉ－ｕｏ＞０。该偏差电压经放大器放大后驱动直流电动机做正向转动，带动导弹发射架转动，并通过输出轴带动电位器ＲＰ２的滑臂转过一定的角度，直至θｏ＝θｉ，θｅ＝０，偏差电压ｕｅ＝０，ｕａ＝０，直流电动机才停止转动。这时，导弹发射架就停留在相应的方位角上。也就是说，随动控制系统输出轴的运动已经完全复现（重演）了输入轴的运动。可见，随动控制系统是角度的控制系统，其中的输出角总是跟随输入角的变化而变化。57２－2随动控制系统的应用实例该系统的框图如图２－４所示。其中，作为系统输出量的方位角θｏ是全部（不是一部分）直接反馈到输入端与输入量θｉ进行比较的，故称为全反馈系统或单位反馈系统。在本系统中，只要θｏ≠θｉ，系统就会出现偏差，从而产生控制作用，控制的结果是消除偏差角θｅ，使输出量θｏ严格地跟随输入量θｉ变化而变化，因而随动控制系统又称同步跟踪系统。此外，由于转动手轮所需能量甚小，而导弹连同发射架的质量却很大，因此转动所需能量很大，这就意味着随动控制系统也是一个功率放大装置，故也称为伺服系统。图２－４导弹发射架方位控制系统框图58２－2随动控制系统的应用实例二、船舶随动舵的控制系统船舶的航行方向是操舵控制的。对于大型船舶，由于舵叶较大，操舵的阻力很大。为了减轻操舵人员的劳动强度，常采用自动化程度较高的随动舵对舵叶进行操纵。随动舵的操纵特点是：操舵人员只要通过驾驶盘（又称舵轮）给定一个舵角信号，舵机就能把笨重的舵叶转到给定的舵角位置，随即自动停下来。可见，随动舵本质上属于角度跟踪随动控制系统，亦具有功率放大功能。59２－2随动控制系统的应用实例图２－５所示为船舶随动舵控制系统原理图。其中，驾驶盘与电位器ＲＰ１做机械连接，作为系统的给定（输入）装置。直流电动机的转轴经减速器减速后带动舵叶旋转。与此同时，通过机械连接带动电位器ＲＰ２的滑臂做相应的转动。图２－５船舶随动舵控制系统原理图ＲＰ２产生的电压ｕｏ反馈到输入端，与ＲＰ１的电压ｕｉ进行比较后得出偏差信号ｕｅ（ｕｅ＝ｕｉ－ｕｏ）。60２－2随动控制系统的应用实例系统按照ｕｅ的性质（大小和正负极性）进行控制，其控制结果是舵叶的偏转角θｏ严格等于驾驶盘所转过的角度θｉ。图２－５中的放大器包含电压放大和功率放大两部分。比较环节的作用是将ｕｉ和ｕｏ两个微弱信号做相减运算，可用差动放大器或运算放大器实现。整个系统的工作原理与图２－４所示的原理相同。61２－2随动控制系统的应用实例三、火炮、雷达天线的方位控制系统图２－３和图２－５所示的随动控制系统虽然能做角度跟踪，但由于它们采用了电位器作为输入装置和反馈装置，因而θｉ和θｏ的变化范围一般被限制在３６０°以内。若ＲＰ１和ＲＰ２电位器选用多圈式电位器，θｉ和θｏ也只能在３６０°的范围内变化。这对于要求在超过３６０°做大范围跟踪的火炮、雷达天线等系统而言，显然不能满足要求。为克服上述缺点，通常采用一对自整角机作为角度检测装置，以取代图２－３和图２－５中的电位器，从而组成自整角机式的随动控制系统。图２－６火炮方位角随动控制系统62２－2随动控制系统的应用实例图２－６所示是采用自整角机作为角度检测的火炮方位角随动控制系统。图中的自整角机运行于变压器状态，自整角发送机ＢＤ的转子与输入轴连接，转子绕组通入单相交流电；自整角接收机ＢＳ的转子则与输出轴（炮架的方位角轴）相连接。当摇动手轮输入一个角度θｉ的瞬间，由于θｏ≠θｉ，于是出现角差θｅ（θｅ＝θｉ－θｏ）。63２－2随动控制系统的应用实例这时，自整角接收机ＢＳ的转子输出一个相应的交流调制信号电压ｕｅ，其幅值与角差θｅ的大小成正比，相位则取决于角差θｅ的极性。即角差θｅ＞０，则交流调制信号呈正相位；角差θｅ＜０，则交流调制信号呈反相位。该调制信号经相敏整流器解调后，变成一个与角差θｅ的大小和极性有关的直流电压，并送往校正和功率放大装置，处理成为控制直流电动机的电枢电压ｕａ，该电压使电动机转动以带动炮架回转，并同时带动自整角接收机的转子回转，将输出信号反馈到输入端。64２－2随动控制系统的应用实例显然，电动机必须朝着减小或消除角差θｅ的方向转动，直到θｏ＝θｉ为止。此时，ｕｅ＝０，ｕａ＝０，电动机停止转动，作为控制对象的炮身指向并停留在相应的方位角上，或者说炮身重演了手轮的运动。自整角变压器可用图２－７所示的框图来表示。图２－６中的校正装置是为了进一步提高系统的跟踪性能而设置的。图２－７自整角变压器框图2－3程序控制系统的应用实例第二章6566２－3程序控制系统的应用实例当自动控制系统的给定信号是已知的时间函数时，这类系统称为程序控制系统（ｐｒｏ-ｇｒａｍｍｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ）。图２－８所示为仿形铣床的原理示意图。该系统为闭环控制系统，其工作原理是：刀架电动机拖动刀架前行的同时带动靠模触指运动，触指的上下运动使电位器滑臂移动，得到不同的电压与基准电压进行比较，产生误差，再经过电压和功率放大，驱动刀架电动机带动刀架做上下运动，最终使得加工工件与模型一样。图２－８仿形铣床的原理示意图67２－3程序控制系统的应用实例但是，制作精确的立体木模是一个精细、费时的工作，所以后来又将木模以纸带（或磁带）上的脉冲系列来代替，这时的闭环控制系统如图２－９所示。加工时由光电阅读机把记录在穿孔纸带（或磁带）上的程序指令，变成电脉冲（指令脉冲），送入运算控制器。图２－９程序控制的闭环控制系统运算控制器完成对指令脉冲的寄存、交换和计算，并输出控制脉冲给执行机构。执行机构根据运算控制器送来的控制脉冲信号，控制机床的运动，完成切削成形的要求。68２－3程序控制系统的应用实例程序控制系统的功能，就是按照预定的程序来控制被控制量，即控制系统控制器给出的控制指令为一个预定的程序。原则上程序控制可以是开环的，但也可以用反馈来消除系统误差，提高精度。图２－８和图２－９都是闭环的程序控制系统。2－4自动控制系统的性能要求第二章6970２－4自动控制系统的性能要求前面讲述的三种典型控制系统，即恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统，是工程中常用的控制系统。工程上对任何一套自动控制系统的性能都有一定的要求。但由于控制对象不同，工作方式不同，系统要完成的任务也不同，因此对各个具体系统的要求自然也有较大的差异。不过，就其共性而言，所有的自动控制系统都希望：ｃ（ｔ）＝ｋｒ（ｔ）

（２－３）式中ｃ（ｔ）———系统的输出量；ｒ（ｔ）———系统的输入量；ｋ———比例系数。如图２－３所示的导弹发射架方位控制系统，在理想情况下，总希望系统的输出量（被控量）θｏ与输入量（给定值）θｉ在任何时刻都保持一个固定的比例关系，完全没有偏差，而且不受任何干扰影响。71２－4自动控制系统的性能要求这样系统在阶跃函数输入作用下，其被控量的变化应如图２－１０所示。图２－１０控制系统的理想阶跃响应ａ）阶跃输入ｂ）系统输出然而，在实际自动控制系统中，由于机械部分存在质量和惯性，电路中存在电感和电容，加之电源功率的限制，因此系统中运动部件的加速度不会很大，运动速度和位移不可能瞬间发生变化，需要经历一段时间，或者说需要一段过程。72２－4自动控制系统的性能要求通常把系统受到扰动或给定值变化作用后，被控量由原来的平衡状态（稳态）过渡到新的平衡状态（稳态）的过程称为过渡过程或动态过程。图２－１１

系统的阶跃响应对于给定值做阶跃变化的线性系统，在这段动态过程中，被控量的变化可能存在如图２－１１所示的几种情况。73其中，图２－１１ａ和图２－１１ｂ表明，系统经历一段过渡过程后，被控量都能达到新的平衡状态，这是实际工程中最常见的情况。而在图２－１１ｃ和图２－１１ｄ中，被控量围绕期望值做等幅振荡或增幅振荡，即被控量的变化不收敛，这种系统根本无法工作，这是工程实际中不允许出现的情况。另外，自动控制系统在外加信号作用下，经历过渡过程达到新的平衡状态之后，被控量与期望值之间的误差也是衡量自动控制系统质量优劣的重要尺度。一个高质量的自动控制系统，在整个运动过程中，被控量与期望值之间的误差应该越小越好。综上所述，自动控制系统技术性能的优劣，可以从动态过程及静态精度去衡量。工程上常把对自动控制系统的基本要求归纳为稳定性、快速性和准确性三个方面，即稳、快、准。２－4自动控制系统的性能要求74２－4自动控制系统的性能要求１.稳定性（稳）稳定性是评价自动控制系统能否正常工作的首要指标，它是评价系统在过渡过程中的振荡倾向和重新建立平衡状态的能力。当自动控制系统受到外加信号作用时，如果系统被控量的过渡过程随时间推移而衰减，直到最后与期望值一致（通常允许有一定的误差），