自动控制系统的结构

自动控制系统的结构

◆ 在现实世界中，存在着大量的这类系统，如炮火自动跟踪和瞄准目标有效打击敌人；人造卫星或无人驾驶的航空器按设定的轨道运行；电动机转速保持恒定；电梯匀速运行并按指令平稳停留某个楼层等等，都是自动控制的结果。 因此，为完成控制系统的分析和设计，首先必须对控制对象、控制系统结构有个明确的了解。一般，可将控制系统分为两种基本形式：开环控制系统和闭环（反馈）控制系统。 1.2.1 开环控制系统 开环控制系统是一种最简单的控制方式，在控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的输出量不会对控制器产生任何影响，如图1-1所示。在该系统中，对于每一个输入量，就有一个与之对应的工作状态和输出量，系统的精度仅取决于元器件的精度和特性调整的精度。这类系统结构简单，成本低，容易控制，但是控制精度低，因为如果在控制器或控制对象上存在干扰，或者由于控制器元器件老化，控制对象结构或参数发生变化，均会导致系统输出的不稳定，使输出值偏离预期值。正因为如此，开环控制系统一般适用于干扰不强或可预测，控制精度要求不高的场合。 图1.1 开环控制系统 图1-2所示为一简单贮槽液面控制系统，这是一个典型的开环系统，要求贮槽的液面H能保持在允许的偏差范内。V1是液体流出阀，V2是液体流入阀。首先根据要求，液面的高度H及V1阀在单位时间内液体的流出量，整定好V2阀的开启程度，以达到预定的目的。但这是个不精确的控制系统，如果V1阀的输出流量和V2阀的输入量受到温度、液体浓度及其他各种因素的影响而发生了变化，不将液面控制在原标定的H值，而超过了允许的偏差，系统无法纠正偏差。 图1-3所示为数控机床中广泛应用的定位系统的框图。这也是一个开环控制系统，工作台的位移是该系统的被控制量，它是跟随着控制信号（控制脉冲）而变化的。显然，这个系统没有抗扰动的功能。 如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内部参数或外来扰动的变化都较小，或这些扰动因素可以事先确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果。 1.2.2.闭环控制系统 如果在控制器和被控对象之间，不仅存在正向作用，而且存在着反向的作用，即系统的输出量对控制量具有直接的影响，那么这类控制称为闭环控制, 将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较，称为反馈。因此，闭环控制又称为反馈控制，其控制结构如图1-4。在这样的结构下，系统的控制器和控制对象共同构成了前向通道，而反馈装置构成了系统的反馈通道。 在控制系统中，反馈的概念非常重要。在图1-4中，如果将反馈环节取得的实际输出信号加以处理，并在输入信号中减去这样的反馈量，再将结果输入到控制器中去控制被控对象，我们称这样的反馈为负反馈；反之，若由输入量和反馈量相加作为控制器的输入，则称为正反馈。 在一个实际的控制系统中，具有正反馈形式的系统一般是不能改进系统性能的，而且容易使系统的性能变坏，因此不被采用。而且有负反馈形式的系统，它通过自动修正偏离量，使系统趋向于给定值，并抑制系统回路中存在的内扰和外扰的影响，最终达到自动控制的目的。通常，反馈控制就是指负反馈控制。 与开环系统比较，闭环控制系统的最大特点是检测偏差，纠正偏差。从系统结构上看，闭环系统具有反向通道，即反馈；其次，从功能上看，1) 由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，若采用开环控制，要达到同样的精度，则需高精度的控制器，从而大大增加了成本；2) 由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不稳定性；3) 反馈环节的存在，同时可较好地改善系统的动态性能。当然，如果引入不适当的反馈，如正反馈，或者参数选择不恰当，不仅达不到改善系统性能的目的，甚至会导致一个稳定的系统变为不稳定的系统。 在现实世界中，反馈控制系统的形式是多样的，但一般均可化为图1-4的形式。 一个水池水位自动控制系统如图1-5所示。在这个水位控制系统中，水池的进水量Q1来自电动机控制开度的进水阀门，出水量Q2。在用户用水量Q2随意变化的情况下，保持水箱水位在希望的高度不变。 希望水位高度由电位器触头A设定，浮子测出实际水位高度。由浮子带动的电位计触头B的位置反映实际水位高度。A,B两点的电位差 反映希望水位与实际水位的偏差。当实际水位低于希望水位时， >0，通过放大器驱使电动机转动，开大进水阀门，使进水量Q1增加，从而使水位上升。当实际水位上升到希望值时，A、B两个触头在同一位置， =0，电动机停转，进水阀门开度不变，这时进水量Q1和出水量Q2达到了新的平衡。若实际水位高于希望水位， <0，则电动机使进水阀门关小，进水量减少，实际水位下降。 这个系统是个典型的镇定系统, 在该系统中: 控制量 希望水位的设定值 被控制量 实际水位 扰动量 出水量Q2 被控对象 水池 测量元件 浮子 比较元件 电位器 放大元件 放大器 执行元件 电动机,减速器,进水阀门 系统的方框图如1-6所示。控制系统中各元件的分类和方框图的绘制不是唯一的，只要能正确反映其功能和运动规律即可。 一个位置自动控制系统如图1-7所示，该系统的作用是使负载L(工作机械)的角位移随给定的角度的变化而变化，即要求被控量复现控制量 。 指令电位器和反馈电位器组成的桥式电路是测量比较环节，其作用就是测量控制量－输入角度和被控制量--－输出角度，变成电压信号和并相减，产生偏差电压 。 当负载的实际位置 与给定位置 相符时，则 ,电动机不转动。当负载的实际位置与给定位置不相符时， 和也不相等，偏差电压 。偏差电压经过放大器放大，使电动机转动，通过减速器移动负载L，使负载L和反馈电位器向减少偏差的方向转动。 一个位置随动系统，系统的方框图如图1-8所