自动控制技术基础理论1

自动控制技术基础理论维修电工技师考证复习之三一、自动控制基本概念：在人不直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象自动地按照预定的规律运行和变化。

这种控制称为自动控制。

能够对被控对象的工作状态自动控制的系统称为自动控制系统。

自动控制系统其功能和组成是多种多样的，结构上也是有简有繁的。

自动控制系统可以是一个具体的工程系统，也可以是一个抽象的社会系统、生态系统和经济系统。

我们本章研究的是一个具体的工程系统，是工业机电自动控制系统。

自动控制理论是研究自动控制的共同规律的技术科学。

自动控制理论的发展过程其初期是以反馈控制理论为基础的自动调节原理。

随着工业生产和科学技术的发展，形成了以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究的是单输入—单输出、线性定常系统的分析和设计。

由于现代应用数学和计算机技术的发展和应用，自动控制理论又进入了一个新的阶段，即现代控制理论阶段。

它主要研究的是具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控剃问题。

二、开环控制系统和闭环控制系统1.开环控制系统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测量，也不需要将输出量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。

下图为晶闸管—电动机速度开环控制系统：图中电动机是被控对象，转速n是要求实现自动控制的物理量，被称为被控量。

转速的给定Ug为系统的输入量。

当系统输入端给定一个电压Ug（输入量）时，电动机就有对应一个转速n（输出量）。

当给定电压Ug增大时，通过触发器CF使晶闸管整流装置的控制角α减小，晶闸管整流装置的输出电压Ud增高，电动机的转速n增加。

图中作用于系统输入端的量Ug为输入量。

作用于被控对象（电动机）的量Ud为控制量。

转速n是要求控制的输出量，称为被控量。

作用于被控对象（电动机）的负载转矩TL称为扰动量。

从理论上来讲所有使被控量即转速偏离期望值（给定值）的因素都是扰动。

如电源电压的波动、电动机励磁电流的变化等因素在转速给定值Ug不变时，都将引起被控量（转速n）的变化。

为了分清主次，将各种扰动分为主扰动和次扰动。

系统分析时主要考虑主扰动。

上图的系统是按给定量控制的开环控制系统。

如果是按扰动量控制的开环控制系统，要用仪表来测量其扰动，使系统按照扰动来进行控制，以减小或抵消扰动对输出量的影响，这种开环控制系统称之为前馈控制系统。

前馈控制系统是利用可测量的扰动量而产生一种补偿作用，能针对扰动迅速调整控制量，使被控量及时得到调整，以提高抗扰动的性能和控制精度。

按给定量控制的开环控制系统虽然结构简单、调整方便、成本低，但系统的抗扰动性能差，控制精度低，往往不能满足生产的要求。

如果将开环控制系统用于刨床，在加工生产中，由于机械转矩的变化而产生不同的转速降，从而引起转速波动，造成刨床加工精度不高，不能满足生产要求。

在开环控制系统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）。

但是，当系统出现扰动时，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期望值，两者之间就有一定误差，开环系统不能减小这个误差，一但此误差超出了允许范围，系统将不能满足实际控制要求。

因此，开环速度控制系统不能实现自动调速。

开环控制系统的特点：（1）系统中无反馈环节，不需要反馈测量元件。

（2）系统开环工作，稳定性能好。

（3）系统不能实现自动调节，对干扰引起的误差不能自行修正，故控制精度不高。

因此，开环控制系统适用于输入量与输出量之间固定而且内扰和外扰较小的场合。

为了保证一定的控制精度，开环控制系统必须来高精度控制元件。

2.闭环控制系统闭环控制系统是反馈控制系统，其控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系，它将被控对象的输出量送回到输入端，然后与给定输入量进行比较，而形成偏差信号，再将偏差信号作用到控制器上，使系统的输出量趋向于期望值。

下图为晶闸管整流供电的直流电动机闭环控制系统测速发电机TG与电动机M同轴，从测速发电机TG引出转速负反馈电压Ufn ，此电压比于为电动机的转速。

该转速负反馈电压Ufn与给定电压Ug进行比较，其偏差值△Ui=U g－Ufn ，经调节放大后，输出控制电压Uc ，再经触发器CF控制晶闸管变流器的输出电压Ud ，从而控制电动机转速n ，使转速n与转速给定值趋于一致。

当负载增加时，电动机因负载增加而转速下降，则转速负反馈电压Ufn减小，由于转速给定电压U g不变，偏差电压△Ui=U g－Ufn则增加。

通过放大后使晶闸管整流器输出电压Ud增高，从而电动机的，转速n回升。

该调节过程可以表示为：TL↑→Id↑→n↓→Ufn↓→△Ui（=Ug－Ufn）↑→Uc↑→α（控制角）↓→Ud↑→n↑由此可见，当U g不变而电动机转速n由于扰动原因产生变化时，可通过转速负反馈自动调节电动机转速n而维持稳定，从而提高了控制精度。

将闭环控制系统与开环控制系统相比较，可看出：两者之间最大的差别在于闭环控制存在一条从被控量（转速n）经过检测反馈元件（测速发电机）到系统输入端的通道，这条通道称为反馈通道。

闭环控制系统有以下三个重要功能：1)检测被控量。

2)将被控量的实际值检测后所得到的反馈量与给定值进行比较而得到偏差值。

3)根据偏差值来对被控量进行调节。

闭环控制系统的特点：1) 能补偿控制过程中受到的各种扰动因素的影响，并可自动调节。

2)由于反馈环节的存在而出现稳定问题，可能会使系统的稳定性变差，甚至可能造成系统不稳定。

3) 系统必须要具备由反馈元件组成的反馈环节。

三、自动控制系统的性能及其指标：1、对自动控制系统的性能要求：1)稳定性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。

所谓稳定性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。

系统的工作过程包括稳态和动态两种过程：系统在输入量和被控量均为固定值时的平衡状态称为稳态，或称静态。

系统在受到外加信号（给定或干扰）作用后，被控量随时间t变化的全过程称为系统的动态过程，或过渡过程，常用C（t）表示。

在外加信号的作用下，任何系统都会偏离原来的平衡状态，产生初始偏差。

所谓稳定性能就是指系统由初始偏差状态至达到或恢复平衡状态的性能。

在阶跃输入信号作用下，系统动态过程的几种基本形式：对于一个稳定系统，在外加信号作用后，由于系统中存在的电磁惯性及机械惯性，必须经过一定的过渡时间，被控量才能达到新的平衡值，即系统才能进入新的稳态。

稳定系统的动态过裎如下图曲线1和2，其受控量的暂态成分随时间衰减，最终能以一定精度趋于平衡值（称为收敛）。

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，如下图的曲线3和4。

显然不不稳定系统是法完成控制任务的，而对于稳定系统也要求系统动态过程的振荡要小。

为此，对被控量的振幅和振荡次数应有所限制。

2)快速性快速性是对稳定系统过渡时间的长短而言的，过渡过程持续时间长，说明系统的快速性差，反应迟钝，将使系统受控量长久地出现偏差，如曲线2 。

通常要求自动控制系统的过渡时间要尽可能短一些，以有效地完成控制任务。

3)准确性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。

它反映了系统在动态过程后期的性能，一般自动控制系统要求被控量与其期望值的偏差是很小的。

对于一个具体系统来说，稳定性、快速性和准确性常常是互相矛盾、互相制约的。

如提高了系统的快速性，则有可能引起系统强烈振荡；又如改善了系统的稳定性，而控制过程则又可能变得迟缓，甚至使最终精度也差。

因此，不能片面追求自动控制系统的某一方面性能，而应根据具体控制要求进行综合考虑。

2、自动调速系统的性能指标自动调速系统的性能指标是衡量系统性能优劣的准则。

各种自动控制系统的具体指标有所不同，但一般都包括静态指标、动态指标和经济指标。

1)静态性能指标a.调速范围D调速范围是指电动机在额定负载下，用某一方法调速时所能达到的最高转速与最低转速之比。

即 D = n max / n min一般希望调速系统的调速范围大一些好，但不同的生产机械所要求的调速范围有所不同。

b.静差率S调速系统静差率是指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（额定转速为n N）时，对应的转速降△n N与该特性上的理想空载转速n0的比值。

△n N n0－n N即S= ——×100﹪= ———×100﹪n0 n0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。

静差率与机械特性的硬度有关。

在理想空载转速n0相同的情况下，机械特性越硬（△n N越小），则静差率S越小，转速的相对稳定性越好。

静差率与机械特性的硬度又有所不同。

在理想空载转速n0不同的情况下，硬度相同（△n N相等）的机械特性，理想空载转速n0越低，则静差率 S越大，转速的相对稳定性就越差。

如图，n02＜n01则S2＞S1 。

因此，对调速系统静差率的要求，实际上就是对系统最低速静差率的要求。

对于一个调速系统来说，调速范围D、静差率S和额定转速降△n N三者之间存在一定的关系。

例如直流电动机调压调速系统（其各机械特性硬度相同，n max = n N n min = n0min－△n N) 的调速范围D为n max n N n ND =—— = —————— = ——————————n min n0mi n－△n N △n N[(n0mi n/△n N)－1]n n n n S= ———————— = ——————△n N [（1/S）－1 ] △n n（1－S）由上式可知，在机械特性硬度(△n N) 一定的情况下，如果对静差率要求越高（S越小，即对调速系统转速的相对稳定性要求越高），则相应的调速范围越小如果对调速范围要求越高（D越大）则相应的静差率S就越大，这样必然降低转速的相对稳定性。

可见静差率S与调速范围D，这两项指标是互相关联、互相制约的。

若要同时满足调速范围D和静差率S的较高要求，则必须设法使△n N减小，即必须提高机械特性的硬度。

例题：已知某一龙门刨床工作台直流调速系统, 直流电动机参数为Pe = 60 kW Ue = 220V Ie = 305A n e = 1000r/min , 电枢电阻Rd = 0.05Ω, 要求调速范围D = 20。

试求：（1）高速和最低转速时的静差率S1、S2。

（2）（2）静差率S≤5﹪时，对应的转速降△n e。

解：（1）求S1、S2Ce为电动机的电动常数，可由电动机铭牌数据求出Ce =（Ue－IeRd）/ n e =（220－305×0.05）/1000 = 0.2V/（r/min），额定负载下电枢电阻Rd引起的转速降：△n e = IeRd / Ce = (305×0.05) / 0.2 = 76.25（r/min）最低转速时的静差率S2S2 = (△n e / n02)×100﹪= [△n e /（n min+△n e）] ×100﹪= {76.25 / [（1000/20）+76.25] }×100﹪=60.4﹪最高速时的静差率S1S1 =（△n e / n01）×100﹪= [△n e /（n max+△n e）] ×100﹪= [76.25 /（1000+76.25）]×100﹪=7﹪（2）求静差率S≤5﹪,D = 20 时，对应的转速降△n e△n e=（n eS）/ [ D（1－S）] =（1000×0.05）/ [20×（1－0.05）= 2.65 （r/min）由以上例题计算可知：最低转速时的静差率S2远远大于最高速（额定转速）时的静差率S1，只要最低转速时的静差率满足要求，高速时的静差率肯定满足要求。