自动控制原理(培训)

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(u,r,)反馈,量,量(u,f,),工控机培,训,训,闭环控制,系,系统:通过反馈,回,回路使系,统,统构成闭,环,环并按偏,差,差的性质,产,产生控制,作,作用,以,求,求减小或,消,消除偏差(从而减,小,小或消除,误,误差)的,控,控制系统,。,。,闭环控制,系,系统的特,点,点:,系统对外,部,部或内部,干,干扰(如,内,内部件参,数,数变动),的,的影响不,甚,甚敏感。,出于采用,反,反馈装置,,,,导致设,备,备增多,,线,线路复杂,。,。,闭环系统,存,存在稳定,性,性问题。,由,由于反馈,通,通道的存,在,在,对于,那,那些惯性,较,较大的系,统,统,若参,数,数配合不,当,当,控制,性,性能可能,变,变得很差,甚至出,现,现发散或,等,等幅振荡,等,等不稳定,的,的情况。,注意:,对于主反,馈,馈必须采,用,用负反馈,。,。若采用,正,正反馈将,使,使偏差越,来,来越大。,工控机培,训,训,自动控制,系,系统的特,征,征,:,1.结构上必,须,须有反馈,装,装置并按,负,负反馈的,原,原则构成,系,系统。,2.,由,由偏差,产,产生控制,作,作用。,控制的目,的,的是尽量,的,的减小或,消,消除偏差,,,,使输出,量,量接近于,期,期望值。,自动控制,系,系统定义,:,:,是一个带,有,有反馈装,置,置的动力,学,学系统。,系,系统能自,动,动而连续,地,地测量被,控,控制量,,并,并求出偏,差,差,进而,根,根据偏差,的,的大小和,正,正负极性,进,进行控制,,,,而控制,的,的目的是,力,力图减小,或,或消除所,存,存在的偏,差,差。,工控机培,训,训,控制系统,的,的组成,工控机培,训,训,测量反馈,元,元件,用以测量,被,被控量并,将,将其转换,成,成与输入,量,量同一物,理,理量后,,再,再反馈到,输,输入端以,作,作比较。,比较元件,用来比较,输,输人信号,与,与反馈信,号,号,。,放大元件,将微弱的,信,信号作线,性,性放大,。,校正元件,按某种函,数,数规律变,换,换控制信,号,号,并产,生,生反映两,者,者差值的,偏,偏差信号,。,。以利于,改,改善系统,的,的动态品,质,质或静态,性,性能。,执行元件,根据偏差,信,信号的性,质,质执行相,应,应的控制,作,作用,以,便,便使被控,量,量按期望,值,值变化。,控制对象,又称被控,对,对象或受,控,控对象,,通,通常是指,生,生产过程,中,中需要进,行,行控制的,工,工作机械,或,或生产过,程,程。出现,于,于被控对,象,象中需要,控,控制的物,理,理量称为,被控量,。,工控机培,训,训,工控机培,训,训,工控机培,训,训,闭环与开,环,环控制系,统,统的比较,闭环系统,的,的优点是,采,采用了反,馈,馈,因而,使,使系统的,响,响应对外,部,部干扰和,内,内部系统,的,的参数变,化,化均相当,不,不敏感。,这,这样,对,于,于给定的,控,控制对象,,,,有可能,采,采用不太,精,精密且成,本,本较低的,元,元件构成,精,精密的控,制,制系统。,在,在开环情,况,况下,就,不,不可能做,到,到这一点,。,。,从稳定性,的,的观点出,发,发,开环,控,控制系统,比,比较容易,建,建造,因,为,为对开环,系,系统来说,,,,不存在,稳,稳定性的,问,问题。但,是,是在闭环,系,系统中,,稳,稳定性则,始,始终是一,个,个重要问,题,题。因为,闭,闭环系统,可,可能引起,过,过调误差,,,,从而导,致,致系统做,等,等幅振荡,或,或变幅振,荡,荡。,工程上常,采,采用的复,合,合控制方,法,法,就是,把,把两者结,合,合起来使,用,用。复合,控,控制实质,上,上是在闭,环,环控制回,路,路的基础,上,附加,一,一个输入,信,信号(给,定,定或扰动,),)的顺馈,通,通路,对,该,该信号实,行,行加强或,补,补偿,以,达,达到精确,的,的控制效,果,果。,工控机培,训,训,常见的方,式,式有以下,两,两种:,1.,附加给定,输,输入补偿,控制器,被控对象,补偿装置,输入,输出,+,-,通常,附,加,加的补偿,装,装置可提,供,供一个顺,馈,馈控制信,号,号,与原,输,输入信号,一,一起对被,控,控对象进,行,行控制,,以,以提高系,统,统的跟踪,能,能力。,工控机培,训,训,2.,附加扰动,输,输入补偿,该种复合,控,控制方框,图,图。附加,的,的补偿装,置,置所提供,的,的控制作,用,用,主要,起,起到对扰,动,动影响“,防,防患未然,”,”的效果,。,。,控制器,被控对象,补偿装置,输入,输出,+,-,+,扰动,工控机培,训,训,自动控制,系,系统的分,类,类,按控制方,式,式分,开环控制,闭环控制(反馈控,制,制),复合控制,工控机培,训,训,按系统性,能,能分,线性系统,非线性系,统,统,连续系统,离散系统,定常系统,时变系统,工控机培,训,训,按参据量,变,变化规律,分,分,恒值控制,系,系统,随动系统,程序控制,系,系统,工控机培,训,训,对自动控,制,制系统性,能,能的基本,要,要求,可以归结,为,为稳定性(长期,稳,稳定性,),)、准确性(精度,),)和快速性(相对,稳,稳定性,),)。,稳定性,:,:,1 对,恒,恒值系,统,统,要,求,求当系,统,统受到,扰,扰动后,,,,经过,一,一定时,间,间的调,整,整能够,回,回到原,来,来的期,望,望值。,2 对,随,随动系,统,统,被,控,控制量,始,始终跟,踪,踪参据,量,量的变,化,化。,稳定性,是,是对系,统,统的基,本,本要求,,,,不稳,定,定的系,统,统不能,实,实现预,定,定任务,。,。稳定,性,性,通,常,常由系,统,统的结,构,构决定,与,与外界,因,因素无,关,关。,工控机,培,培训,快速性,:,:,对过渡,过,过程的,形,形式和,快,快慢提,出,出要求,,,,一般,称,称为动,态,态性能,。,。,稳定高,射,射炮射,角,角随动,系,系统,,虽,虽然炮,身,身最终,能,能跟踪,目,目标,,但,但如果,目,目标变,动,动迅速,,,,而炮,身,身行动,迟,迟缓,,仍,仍然抓,不,不住目,标,标。,准确性,:,:,用稳态,误,误差来,表,表示。,在,在参考,输,输入信,号,号作用,下,下,当,系,系统达,到,到稳态,后,后,其,稳,稳态输,出,出与参,考,考输入,所,所要求,的,的期望,输,输出之,差,差叫做,给,给定稳,态,态误差,。,。显然,,,,这种,误,误差越,小,小,表,示,示系统,的,的输出,跟,跟随参,考,考输入,的,的精度,越,越高。,稳、准,、,、快是,相,相互制,约,约的!,工控机,培,培训,1.,开,开环控,制,制系统,结,结构简,单,单、稳,定,定性好,,,,但不,能,能自动,补,补偿扰,动,动对输,出,出量的,影,影响。,当,当系统,扰,扰动量,产,产生的,偏,偏差可,以,以预先,进,进行补,偿,偿或影,响,响不大,时,时,采,用,用开环,控,控制是,有,有利的,。,。当扰,动,动量无,法,法预计,或,或控制,系,系统的,精,精度达,不,不到预,期,期要求,时,时,则,应,应采用,闭,闭环控,制,制。,2.,闭,闭环控,制,制系统,具,具有反,馈,馈环节,,,,它能,依,依靠反,馈,馈环节,进,进行自,动,动调节,,,,以克,服,服扰动,对,对系统,的,的影响,。,。闭环,控,控制极,大,大地提,高,高了系,统,统的精,度,度。但,是,是闭环,使,使系统,的,的稳定,性,性变差,,,,需要,重,重视并,加,加以解,决,决。,结论,值得自,豪,豪的是,,,,1954年,,,,中国,科,科学家,钱,钱学森,全,全面地,归,归纳总,结,结了经,典,典控制,理,理论,,在,在美国,出,出版了,国,国际上,第,第一本,经,经典控,制,制理论,的,的著作,工程,控,控制论,。,工控机,培,培训,工控机,培,培训,线性控,制,制系统,的,的校正,方,方法,在工程,实,实践中,,,,由于,控,控制系,统,统的性,能,能指标,不,不能满,足,足要求,,,,需要,在,在系统,中,中加入,一,一些适,当,当的元,件,件或装,置,置去补,偿,偿和提,高,高系统,的,的性能,,,,以满,足,足性能,指,指标的,要,要求。,这,这一过,程,程我们,称,称为校,正,正。,目前工,程,程实践,中,中常用,的,的校正,方,方式有,串,串联校,正,正、反,馈,馈校正,、,、前馈,校,校正和,复,复合校,正,正四种,。,。,工控机,培,培训,串联校,正,正装置,一,一般接,在,在系统,误,误差测,量,量点之,后,后和放,大,大器之,前,前,串,接,接于系,统,统前向,通,通道之,中,中;反,馈,馈校正,装,装置接,在,在系统,局,局部反,馈,馈通路,之,之中。,串,串联校,正,正与反,馈,馈校正,连,连接方,式,式如图,所,所示。,工控机,培,培训,前馈校,正,正又称,顺,顺馈校,正,正,是,在,在系统,主,主反馈,回,回路之,外,外采用,的,的校正,方,方式。,如,如图所,示,示。,工控机,培,培训,复合校,正,正方式,是,是在反,馈,馈控制,回,回路中,,,,加入,前,前馈校,正,正通路,,,,组成,一,一个有,机,机整体,,,,如图,所,所示。,工控机,培,培训,基本控,制,制规律,1 比,例,例控制,规,规律,具有比,例,例控制,规,规律的,控,控制器,,,,称为P控制,器,器,如,图,图所示,。,。,其中,称,称,为,为P控,制,制器增,益,益。,P控制,器,器实质,上,上是一,个,个具有,可调增,益,益的放,大,大器。,在,在串,联校正,中,中,加,大,大控制,器,器增,益,可,以,以提高,系,系统的,开,开环,增益,,减,减小系,统,统稳态,误,误差,,提高系,统,统的控,制,制精度,,,,但会,降,降,低系统,的,的相对,稳,稳定性,,,,甚至,造,造成闭,环,环系统,不,不稳定,。,。因此,,,,,在系统,校,校正设,计,计中,,很,很少单,独,独使用,比,比例控,制,制规律,。,。,工控机,培,培训,2比例-,微,微分控,制,制规律,具有比,例,例微,分,分控制,规,规律的,控,控制器,,,,称为PD控,制,制器,PD控,制,制器中,的,的微分,控,控制规,律,律,能,反,反应输,入,入信号,的,的变化,趋,趋势,,产,产生有,效,效的早,期,期修正,信,信号,,以,以增加,系,系统的,阻,阻尼程,度,度,从,而,而改善,系,系统的,稳,稳定性,。,。在串,联,联校正,时,时,使,系,系统的,相,相角裕,度,度提高,,,,因而,有,有助于,系,系统动,态,态性能,的,的改善,。,。,工控机,培,培训,3 积,分,分(,),)控制,规,规律,具有积,分,分控制,规,规律的,控,控制器,,,,称为,控制,器,器。在,串,串联校,正,正时,,采,采用,控,控制器,可,可以提,高,高系统,的,的型别,(,(无差,度,度),,有,有利于,系,系统稳,态,态性能,的,的提高,,,,但积,分,分控制,使,使系统,使,使信号,产,产生的,相,相角滞,后,后,对,系,系统不,利,利。因,此,此,在,控,控制系,统,统的校,正,正设计,中,中,通,常,常不宜,采,采用单,一,一的,控,控制器,。,。,工控机,培,培训,4,比,比例-,积,积分控,制,制规律,具有比,例,例-积,分,分控制,规,规律的,控,控制器,,,,称P,控制,器,器。在,串,串联校,正,正时,P控,制,制器可,以,以消除,或,或减小,系,系统的,稳,稳态误,差,差,改,善,善系统,的,的稳态,性,性能;,同,同时可,以,以缓和P控,制,制器极,点,点对系,统,统稳定,性,性及记,过,过程产,生,生的不,利,利影响,。,。,工控机,培,培训,5 比,例,例-积,分,分-微,分,分(PID),控,控制规,律,律,具有比,例,例-积,分,分-微,分,分控制,规,规律的,控,控制器,,,,称PID控,制,制器。,当,当利用PID,控,控制器,进,进行串,联,联校正,时,时,除,可,可使系,统,统的型,别,别提高,一,一级外,,,,还将,提,提供两,个,个负实,零,零点。,与,与PI,控,控制器,相,相比,PID,控,控制器,除,除了具,有,有提高,系,系统的,稳,稳态性,能,能的优,点,点外,,还,还多提,供,供一个,负,负实零,点,点,从,而,而在提,高,高系统,动,动态性,能,能方面,具有,更,更大的,优,优越性,。,。,通常,,应,应使I,部,部分发,生,生在系,统,统频率,特,特性的,低,低频段,,,,以提,高,高系统,的,的稳态,性,性能;,而,而使D,部,部分发,生,生在系,统,统频率,特,特性的,中,中频段,,,,以改,善,善系统,的,的动态,性,性能。,演讲完,毕,毕,谢,谢,谢观看,!,!,
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