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1、维修电工技师,国家职业资格培训,首钢技师学院,第六部分 自动控制系统基本知识,所谓自动控制，是指在人不直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）自动地按照预定的规律运行或变化。自动控制系统，是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，一般是由控制装置和被控对象组成。,（一）自动控制系统的基本概念,1、自动控制技术中常用的一些术语,被控对象：被控对象是一个设备，由一些机械或电器零件组成，其功能是完成某些特定的动作，这些动作通常是系统最终输出的目标 系统：系统是由一些部件所组成的，用以完成一定的任务 环节：环节是系统的一个组成部分，它由控制系统中的一个或多个部件组成，其
2、任务是完成系统工作过程中的局部过程 扰动：扰动是一种对系统的输出量产生反作用的信号或因素。若扰动产生于系统内部，称内扰；若其来自于系统外部，则称外扰 反馈控制：在有扰动的情况下，反馈控制有减小系统输出量与给定量之间偏差的作用，而这种控制作用正是基于这一偏差来实现的。反馈控制仅仅是针对无法预料的扰动而设计的，可以预料的或者已知的扰动，可以用补偿的方法解决,2、自动控制系统的类型,按系统的结构特点分类 开环控制系统：这类系统的特点是系统的输出量对系统的控制作用没有直接影响。在开环控制系统中，由于不存在输出对输入的反馈，因此对系统的输出量没有任何闭合回路 闭环控制系统：这类系统的特点是输出量对系统的
3、控制作用有直接影响。在闭环控制系统中，由于系统的输出量，经测量后反馈到输入端，故对系统的输出量形成了闭合回路 复合控制系统：复合控制是开环控制与闭环控制相结合的一种控制方式。复合控制系统是兼有开环结构和闭环结构的控制系统,自动控制系统的类型,按输入量的特点分类 恒值控制系统：输入量是恒值，要求系统的输出量也保持相应恒值。如恒温、恒压等自动控制系统 随动系统：输入量是随意变化的，要求系统的输出量，能以一定的精确度跟随输入量的变化作相应的变化，又称自动跟踪系统。如雷达的自动跟踪等自动控制 程序控制系统：系统的控制作用按预先制定的规律（程序）变化。如预先制定的程序控制加热炉炉温的温度控制系统,自动控
4、制系统的类型,按系统输出量与输入量间的关系分类 线性控制系统：输出量和输入量之间为线性关系。系统和各环节均可用线性微分方程来描述。线性系统的特点是可以运用叠加原理 非线性控制系统：这类系统中具有非线性性质的环节，因此系统只能用非线性微分方程来描述,3、开环控制系统与闭环控制系统,开环控制系统：其控制装置与被控对象之间，只有顺向作用而没有反向联系，系统既不需要对输出量进行检测，也不需要将它反馈到输入端与给定输入量进行比较，故系统的输入量就是系统的给定值。开环控制系统的特征：系统中没有反馈环节，作用信号从输入到输出是单一方向传递的,开环控制系统方框图,开环控制系统原理图,开环控制系统,开环控制系统
5、中，每一个给定的输入量，就有一个相应的固定输出量（期望值）。但当系统中出现扰动时，这种输入与输出之间的一一对应关系将被破坏，系统的输出量将不再是其期望值，两者之间就有一定的误差。开环系统自身不能减小此误差，一旦此误差超出了允许范围，系统将不能实现自动调速。,开环控制系统,开环控制系统特点 系统中无反馈环节，不需要反馈测量元件，结构简单，成本低 系统不能实现自动调节作用，对于干扰引起的误差不能自行修正，控制精度不高 开环控制系统使用于输入量与输出量之间关系固定且内扰和外扰较小的场合。为保证一定的控制精度，开环控制系统必须采用高精度元件,闭环控制系统,闭环控制系统：闭环控制系统是反馈控制系统，其控
6、制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系，它将被控对象输出量送回到输入端，与给定输入量比较，而形成偏差信号，将偏差信号作用到控制器上，使系统的输出量趋向其期望值,闭环控制系统方框图,闭环控制系统原理图,闭环控制系统,系统中存在反馈环节，作用信号按闭环传递，系统的输出量对控制作用有直接影响 特点 系统中具有负反馈环节，可自动对输出量进行调节补偿，对系统中参数变化所引起的扰动和系统外部的扰动，均有一定的抗干扰能力 系统采用负反馈，除了降低系统误差、提高控制精度外，还能加速系统的过渡过程，系统的控制质量与反馈元件的精度有关 系统闭环工作，有可能产生不稳定现象,闭环控制系统,闭环控制系统在受到干
7、扰后，利用负反馈的自动调节作用，能够有效地抑制一切被包围在负反馈环内前向通道上的扰动作用对被控量的影响，而且能够紧紧跟随给定作用，使被控量按照给定信号的变化而变化，从而实现复杂而准确的控制。因此，闭环控制系统又常称为自动调节系统，系统中的控制器也常称为调节器,4、自动控制系统的基本组成,一个自动控制系统是由若干个环节组成的，每个环节有其特定的功能。自动控制系统的组成和信号的传递情况常用方框图来表示。在方框图中，系统的各环节用方框表示，而环节间作用信号的传递情况用箭头表示，依次将各方框联接起来，便构成控制系统的方框图。对于具体系统，方框图可以不尽相同,一般闭环自动控制系统方框图,自动控制系统的基
8、本组成,指令：来自系统外部的输入量，和系统本身无关 参考输入环节：用来产生与指令成正比的参考输入信号 参考输入：正比于指令的信号，简称输入量 放大环节：由于偏差信号一般比较微弱，必须经过放大环节的放大后，才能得到足够大的幅值和功率，来驱动后面的环节,自动控制系统的基本组成,执行环节：根据放大后的信号。对被控对象进行控制，使被控量趋于其期望值。有时，也将放大环节与执行环节合并为一个环节，统称为控制环节 反馈环节：将被控量变成与输入量相同性质的物理量，并送回到输入端，用以与输入信号相加 比较环节：将输入信号和反馈信号在此处相加，其符号为“”，并注明“+”或“-”，以表示该信号进入比较环节时所具备的
9、符号,自动控制系统的基本组成,被控量：被控对象的输出量，通常就是调节量 方框图中，信号从输入端沿箭头方向，到达输出端的传输通路，称为前向通路；系统输出量通过测量装置反馈到输入端的传输通路，称为主反馈通路；前向通路与主反馈通路一起构成主回路（主环）。此外某些自动控制系统，还有局部反馈通路以及它所组成的内回路（内环）只有一个反馈通路的系统称为单回路（单环）系统；具有两个及以上反馈通路的系统称为多回路（多环）系统。,（二）自动控制系统性能及其指标,1、对自动控制系统的性能要求,稳定性：是决定一个自动控制系统能否实际应用的首要条件。是就动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能力而言的。所谓稳定
10、性，就是指系统由初始偏差状态达到或恢复平衡状态的性能。稳定系统的动态过程，其受控量的暂态成分随时间衰减，最终能以一定的精度趋于平衡值（称为收敛）。而对于不稳定系统，其受控量的暂态成分随时间而单调发散或振荡发散。不稳定系统是无法完成控制任务的。,1、对自动控制系统的性能要求,快速性：快速性是对稳定系统过渡时间的长短而言。过渡过程持续时间长，系统的快速性差、响应迟钝，将使系统受控量长久地出现偏差。,1、对自动控制系统的性能要求,准确性：是指系统过渡到新的平衡状态后，其最终保持的精度。反映了系统在动态过程后期的性能。,2、自动调速系统的性能指标,静态性能指标 调速范围 D ：电动机在额定负载下，用某
11、一方法调速时所能达到的最高转速与最低转速之比,2、自动调速系统的性能指标,静态性能指标 静差率 s ：电动机工作在某一条机械特性上，其负载转矩由理想空载增加到额定负载时，对应的转速降与该特性上的理想空载转速的比值 静差率主要用来衡量负载转矩变化时调速系统转速变化的程度，因此它反映了转速的相对稳定性,2、自动调速系统的性能指标,静态性能指标 调速平滑性 ：电动调速范围内所获得的调速级数愈多，则调速的平滑性越好。用两个相邻速度级的转速之比表示,2、自动调速系统的性能指标,静态性能指标 稳态误差（静差） ：当系统由一个稳态过渡到另一个稳定状态后，系统输出量的期望值与稳定时的实际值之间的偏差。稳态误差
12、是系统控制精度或抗扰动能力的一种度量。稳态误差反映了系统的准确程度，由其可将系统分为有静差和无静差系统,2、自动调速系统的性能指标,动态性能指标：指一个稳定的自动调速系统在动态过程时的指标。它通常以系统在阶跃信号作用下的响应特性来衡量 最大超调量：调速系统转速超过其稳定值n1的最大偏差（nP-n1）与稳定值n1之比,2、自动调速系统的性能指标,动态性能指标 上升时间 tr ：系统在输入量作用下，系统的转速从零上升到第一次达到稳定值 n1 所经过的时间 调节时间 tS ：从系统受到输入量作用开始到系统的转速进入偏离稳定值的(2-5)%区域所需要的时间 振荡次数 N ：在调节时间内，输出量在稳定值
13、上下摆动的次数,自动调速系统的动态性能指标,3、自动控制的基本规律与调节器,自动控制系统中的控制装置，对系统的性能有着极其重要的影响，为满足各种自动调节系统的不同性能要求，系统中的控制器（即调节器）也有很多种类。每种调节器的输出与输入之间都具有一个确定关系即确定的控制规律。调节器的基本控制规律主要有比例控制、积分控制、微分控制、比例积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。,3、自动控制的基本规律与调节器,自动调节系统中常用集成运放构成系统的调节器，其主要优点是：开环电压放大倍数高，加入电压深度负反馈后，可获得高稳定度的电压放大倍数；运算输入端的各种信号是并联输入进行电流叠加的，调整方便，易
14、于组成各种类型的调节器；运放输入阻抗高，故其外部输入电路的电阻对运放工作影响小；运放输入端各输入信号共地，干扰小；运放输出端可采用钳位限幅或接地保护，使系统工作安全可靠。,一、比例控制与比例调节器,比例控制：系统的输出量与输入量（即偏差量）成比例的控制，简称P控制。 比例（P）调节器 P调节器的输出信号UO与输入信号Ui之间关系的一般表达式为 UO =KpUi KpP调节器的比例系数 P调节器的比例调节规律，即输出信号UO与输入信号Ui之间存在一一对应的比例关系。比例系数Kp是P调节器的一个重要参数。,Kp=R1/R0 改变反馈电阻R1，可以改变P调节器的比例系数Kp。为得到满意的控制效果，实
15、际的P调节器的比例系数Kp常常是可以调节的。 在自动控制系统中，调节器往往有给定信号Ug和反馈信号Uf等多个输入信号，通常可以在调节器的输入端采用并联输入的方法，来实现信号的比较叠加。,多个输入端信号的比例调节器,多个输入信号的比例调节器实际上是一个反相加法运算电路。调节器的输出电压为,当反馈电阻R1一定时，比例系数Kp由给定信号输入回路的电阻R01确定，反馈信号及其它信号则可按其各自输入回路的电阻倍比值（如R01/R02等）与给定信号叠加，共同作为比例调节器的输入信号即偏差信号Ui。在运放的并联输入方式中，由于每个信号输入回路电阻的倍比值相互独立，故调整十分方便。,当各输入回路的电阻均相等时
16、，调节器的输入偏差信号Ui便是这些输入信号的直接叠加。 在采用P调节器进行比例控制的自动控制系统中，一旦被控量因扰动而发生变化，反馈信号 Uf 就会变化，P调节器的输入偏差信号Ui 随之变化，其输出信号 UO 将发生与偏差信号Ui成比例的变化，从而形成很大的纠正偏差的作用,比例控制的特点,系统的控制和调节作用几乎与被控量的变化同步进行，在时间上没有任何延迟，这说明比例控制作用及时、快速、控制作用强，而且Kp值越大，系统的静特性越好、静差越小。但是，Kp值过大将有可能造成系统的不稳定，实际系统只能选择适当的Kp值，因此比例控制存在静差。 实际上，比例控制正是依据输入偏差（即给定量与反馈量之差）来
17、进行的控制。若输入偏差为零，P调节器的输出将为零，这说明系统没有比例控制作用，故系统便不能正常运行。因此，当系统中出现扰动时，通过适当的比例控制，系统被控量虽然能达到新的稳定，但是永远回不到原值。,二、积分控制与积分调节,当自动控制系统不允许静差存在时，比例控制的P调节器就不能满足使用的需要，这就必须引入积分控制。所谓积分控制，是指系统的输出量与输入量对时间的积分成正比例的控制，简称 I 控制。 积分（I）调节器 I 调节器积分调节规律的一般表示式为,原理图,阶跃输入时的输出特性,积分调节器,当突加输入信号Ui时，由于电容C1两端电压不能突变，电容被充电，输出电压UO随之线性增大， UO的大小
18、正比于Ui对作用时间的积累，即UO与Ui为时间积分关系。如果Ui =0，积分过程就会终止，只要Ui 0，积分过程将持续到积分器饱和为止。电容C1完成了积分过程后，其两端电压等于积分终值电压而保持不变，由于Ui =0，故可以认为此时运放的电压放大倍数极大，I调节器便利用运放这种极大开环电压放大能力使系统实现了稳态无静差。,I 调节器的输出：,调节器的积分时间 若改变R0或C1均可改变积分时间。积分时间越小，输出-UO的斜线越陡，-UO上升的越快，积分作用就越强。,积分控制的特点,在采用I调节器进行积分控制的自动控制系统中，由于系统的输出量不仅与输入量有关，而且与其作用时间有关，因此只要输入量存在
19、，系统的输出量就不断地随时间积累，调节器的积分控制就起作用。正是这种积分控制作用，使系统输出量逐渐趋向期望值，而输入偏差逐渐减小，直到输入量为零（即给定信号与反馈信号相等）时，系统进入稳态为止。稳态时， I 调节器保持积分终值电压不变，系统输出量就等于其期望值。因此，积分控制可以消除输出量的稳态误差，能实现无静差控制，这是积分控制的最大优点。 由于积分作用是随时间积累而逐渐增强的，故积分控制的调节过程是缓慢的；由于积分作用在时间上总是落后于输入偏差信号的变化，故积分调节作用又是不及时的。因此，积分作用作用通常作为一种辅助的调节作用，而系统也不单独使用I调节器。,三、比例积分控制与比例积分调节器
20、,比例控制速度快，但有静差；积分控制虽然能消除静差，但调节时间较长。因此，在实际应用中总是把这两种控制作用结合起来，形成比例积分控制规律。比例积分控制简称为PI控制，它既具有稳态精度高的优点，又具有动态相应快的优点，因此它可以满足大多数自动控制系统的对控制性能的要求。,比例积分（PI）调节器,PI调节器是以比例控制为主，积分调节为辅的调节器，其积分作用主要用来最终消除静差。比例积分调节规律的一般表达式,原理图,阶跃输入时的输出特性,PI调节器,比例积分控制的特点,比例积分控制的比例作用，使得系统动态响应速度快，而其积分作用，又使得系统基本上无静差。 PI调节器的两个可供调整的参数为KP和TI。
21、减小KP或增大TI ，都会减小超调量，有利于系统的稳定，但同时也将降低系统的动态响应速度。,四、比例积分微分控制与比例积分微分调节器,一般情况下，采用PI调节器已能满足基本的控制要求。但对于某些大延迟对象，为满足各项控制性能指标要求，还需加入微分控制。所谓微分控制，是指系统的输出量与输入量的变化速度成比例的控制，简称D控制。采用微分控制后，系统就可根据输入偏差的变化速度来提前进行控制，而不需等到输入偏差已经放大以后才进行控制，因此它的作用比比例控制还要快。但是，当输出量已稳定而输入偏差没有变化时，即使存在较大的偏差，微分控制也不能起作用。此外，由于微分控制对输入信号的变化速度极其敏感，故其抗干扰性能较差。因此，通常把比例、积分、微分三种控制规律结合起来，形成比例积分微分控制，以得到更为满意的控制效果。比例积分微分控制，通常称为PID控制。,比例积分微分（PID）调节器,理想PID调节器的调节规律的一般表达式,原理图,阶跃输入时的输出特性,PID调节器,比例积分微分控制的特点,PID控制不但可以实现控制系统无静差，而且具有比PI控制更快的动态相应速度。 PID调节器是一种较为完善的调节器，其参数主要有比例系数KP、积分时间TI和微分时间TD，三者必须根据被控对象的特性正确配合，才能充分发挥各自优点，满足控制系统的要求。,