自动控制系统基本知识

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方

式

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1．1/1.2

在工业生产过程或设备运行中，为了维持正常的工作条件，需要对某些物理量进行控制，使其维持在某个数值附近，或按一定规律变化，要满足这种要求，可用人工操作完成，又可用自动装置的操作完成，前者为手动控制，后者为自动控制。

自动控制和手动控制极为相似，自动控制系统只是把某些装置有机的组合在一起，代替人的职能。任何一个控制系统，都由被控对象和控制器两大部分组成。

自动控制定义：

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（简称控制器）使整个生产过程或工作机械（被控对象）自动地按预定的规律运行，或使它的某些物理量（被控量）按预定的要求变化。

1．3

根据信号传送的特点或系统的结构形式，控制系统分为开环控制和闭环控制。 开环控制系统：只有输入量Ugd 对n 的单向控制作用，而输出量n 对输入量Ugd 却没有任何影响和联系，即系统的输入与输出之间不存在反馈回路。

开环系统没有抵抗外部干扰的能力，故控制精度低。但结构简单、造价低，所以在系统参数稳定、无干扰或小干扰的场合大量使用。

闭环控制系统：通过反馈回路使系统形成闭合环路，并按偏差ue 的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差的控制系统。

闭环控制原理：

负反馈：指反馈信号Uf 的正负极性必须与给定值Ugd 的极性相反，以便取得偏差值作

为控制之用。

自动控制系统的特征：

1、 系统必须具有反馈装置，并按反馈的原则组成系统。

2、 由偏差产生控制作用。

3、 控制的目的是力图减小或消除偏差，使被控量尽量接近期望值。

1．4 自动控制系统的组成：

由测量反馈元件、比较元件、校正元件、放大元件、执行元件以及被控对象等基本环节组成。

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如图1-8 典型自动控制系统功能框图，各元件功能见P7页。

方框图的绘制：

1）组成：由方框、带箭头的信号线、综合点和分支点组成。

方框代表设备或部件；信号线代表信号流动方向；综合点又称相加点，对信号作比较；分支点称引出点。

2）绘制步骤：

1、弄清系统的工作原理及各元器件的作用，明确输入、输出

2、对组成系统的各个元件绘出基本单元图，标出输入/输出量字母代号。

3、系统给定值和综合点置于图形最左端，被控对象置于最右端，其输出信号就是系统输出，即被控量。

4、按系统变量传递顺序，将变量连接，即为系统方框图。

例：书P10 图1—11

1．5系统分类

按输入信号分：

1、恒值控制系统：给定值不变

2、程序控制系统：给定值是变化的，如何变化也是早知道的

3、随动系统：又称伺服系统，给定值是变化的而且不知道如何变

1．6应用事例

1．7对系统的基本要求：稳、快、准

1．8 PID控制器

控制器是对偏差信号进行加工、处理的重要环节，其输出信号随偏差信号的变化而变化的规律称为控制规律，又称控制算法。

一、比例控制器P

若控制器输出量与输入量成正比，

即：Uo=Kp△U

则称控制器为比例控制器，如图：

可见，该比例器其实是个反相放大器，其输出电压U0为：

U0=-R1/R0△U=Kp△U

Kp为放大倍数，由R1和R0的比值确定，负号是由放大器为反相输入所致，使输出电压极性和输入偏差电压的极性相反。

比例控制器具有作用及时、快速、控制作用强的优点，且Kp的绝对值越大，系统的偏差就越小。但Kp过大会造成系统的不稳定。故在工程设计中一般不单独使用，而与其他控制规律一起使用，以达到更好的效果。

多级输入信号的比例控制器：将多个输入信号在放大器的输入段并联连接。

二、积分控制器I

若控制器的输出量与输入量对时间的积分成正比，

即：Uo=K1∫t0△Udt

则称控制器为积分控制器，如图：

可见，该比例器其实是个运算放大积分电路，其输出电压为：

U0=-1/R0C1∫t0△Udt

根据特性曲线表明：因电容C1的充电性能，使控制器最终形成“无输入，但有输出：

的状态。用这种输出去控制系统，可使其保持在△U=0的条件下正常运行，可见，I控制器可以消除系统输出量的稳态误差，实现无静差控制，就是积分控制的最大优点。但由于I控制器的U0是随时间积累而逐渐增强的，其过程缓慢，时间上落后于偏差信号的变化，故控制过程不及时。所以I控制器通常作为辅助控制手段。

三、比例积分控制器（PI）

PI控制器的输出U0实际上是由比例和积分两个分量叠加而成的，其比例作用使系统的动态响应速度加快，而积分作用又使系统的静态性能显著提高，实现无静差控制。原理图如下：

四、比例微分（PD）控制器

“预见性”“超前性”是比例微分控制规律的突出优点，能反映偏差的大小及其变化趋势，并能在偏差信号的数值尚未变得太大之前，就在系统中引进一个有效的早期修正信号。有助系统的稳定性，并抑制过大的超调量。但也存在放大干扰信号的缺点。原理图如下：

五、比例积分微分（PID）控制器

如前所述，积分控制可以减小或消除静差，提高精度；微分控制则可以抑制过大的超调量，提高稳定性，加快过度过程。若将，比例、积分、微分结合起来，就可以得到更完善的控制效果。如图

由于PID控制规律全面的综合了比例、积分、微分的优点，不但实现了系统无静差控制，而且动态响应速度快。故PID控制器是一种相当完善的控制器，在工程中广泛应用。