控制工程基础872

INSERT LOGO绪 论内容内容 0.1 0.1 自动控制理论概述自动控制理论概述 0.2 0.2 自动控制系统的工作原理和一般构成自动控制系统的工作原理和一般构成 0.3 0.3 自动控制系统的基本控制方式和分类自动控制系统的基本控制方式和分类 0.4 0.4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 0.5 0.5 自动控制理论的发展自动控制理论的发展 0.6 0.6 控制工程实践控制工程实践 0.7 0.7 本课程的特点与学习方法本课程的特点与学习方法INSERT LOGO0.1 0.1 自动控制理论概述自动控制理论概述 0.1.1自动控制的基本概念 控制（control）一词如今已相当广泛地应用在各行各业，如温度控制、微机控制、人口控制等。控制的定义是：为达到某种目的，对某一对象施加所需的操作。控制有调节、调整，管理、监督，运用、操作等含义。上述定义中所说的对象，是指物体、机器、过程或经济、社会现象等一般广泛的系统，称为被控对象；把想实现控制的目标量，如电动机的转速、储水水位、油压缸中活塞的位置、炉内温度等，称为控制量；而把所希望的转速、水位、位置、温度等称为目标值或参据量。INSERT LOGO 根据产生控制作用的主体的不同，控制可分为手动控制和自动控制。由人本身通过判断和操作进行的控制称为手动控制。例如，汽车的驾驶，驾驶员为到达目的地，需要根据路况和车况不断地操纵方向盘；人的行走、抓放物品等行为也可称为手动控制。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器）使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的目标运行。自动控制技术在现代科学技术的许多领域中起着越来越重要的作用。例如，数控车床按照预定程序自动地切削工件，化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定，雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统自动地将导弹引导到敌方目标，无人驾驶飞机按照预定航线自动升降和飞行，人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收，等等，这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。INSERT LOGO 另外，为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量，即被控量是需要严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，如温度、压力、液位等，也可以要求按照某个给定规律运行，如飞行航线、记录曲线等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制。INSERT LOGO 0.1.2机械与控制的关系 机械可以代替人类从事各种有益的工作，弥补人类体力和能力的不足，在各个方面都给我们的生活带来了极大的帮助。从机械的发展史可以看到，机械的发展和进步与控制是密不可分的。一方面，机械运转本身，广义地讲也可称为控制，因为只有配备一定的控制装置才可以达到某种较复杂的工作目的（尽管这种控制装置最初是通过纯机械机构来实现的）。另一方面，机械的广泛深入的应用也促进了控制科学的产生和发展。例如，作为工业革命象征的蒸汽机，当时主要用于各种机械驱动，为了消除蒸汽机因负荷变化而对转速造成的影响，19世纪末，詹姆斯瓦特（James Watt）发明了离心调速器。但离心调速器在某种使用条件下，蒸汽机的转速和调速器套筒的位置依然会周期性地发生很大变化，形成异常运转状态。蒸汽机和调速器能单独地各自稳定地工作，为什么在组合的情况下会出现不稳定状态呢？这一问题促使人们展开了相关研究和探索。直到19世纪后半叶，麦克斯韦提出了系统特性，以及劳斯胡尔维兹发现了系统稳定工作的条件（稳定性判据）后，上述问题才得以解决，这也可以说是控制理论的开始。INSERT LOGO 生产工艺的发展对机械系统也提出了越来越高的要求。为达到工作目的，控制机械已不再采用纯机械结构，而是与电气、电子装置结合在一起，形成机电控制系统。例如，一些精密机床要求加工精度达百分之几毫米，甚至几微米；重型镗床为保证加工精度和表面粗糙度，要求在极慢的稳速下进给，即要求在很宽的范围内调速；为了提高效率，由数台或数十台设备组成的生产自动线，要求统一控制和管理等。这些要求都是靠驱动装置及其控制系统和机械传动装置的有机结合来实现的。由此也可得出机电控制和自动控制的关系：自动控制是以一般系统为对象，广泛地使用控制方法进行控制系统的理论设计；而机电控制就是应用自动控制工程学的研究结果，把机械作为控制对象，研究怎样通过采用一定的控制方法来适应对象特性变化，从而达到期望的性能指标。INSERT LOGO 0.1.3控制系统的发展概况 机械控制系统的发展按所用控制器件来划分，主要经历了4个阶段：最早的机电控制系统出现在20世纪初，它仅借助于简单的接触器与继电器等控制电器，实现对被控对象的启、停及有级调速等控制，它的控制速度慢，控制精度也较差；20世纪30年代，控制系统从断续控制发展到连续控制，连续控制系统可随时检测控制对象的工作状态，并根据输出量与给定量的偏差对被控对象自动进行调整，它的快速性及控制精度都大大超过了最初的断续控制，并简化了控制系统，减少了电路中的触点，提高了可靠性，使生产效率大为提高；20世纪4050年代初中期出现了大功率可控水银整流器控制；时隔不久，50年代末期出现了大功率固体可控整流元件晶闸管，很快晶闸管控制就取代了水银整流器控制，而后又出现了功率晶体管控制，由于晶闸管、晶体管具有效率高、控制特性好、反应快、寿命长、可靠性高、维护容易、体积小、重量轻等优点，它们的出现为机电自动控制系统开辟了新纪元。INSERT LOGO 随着数控技术的发展，计算机的应用特别是微型计算机的出现和应用，又使控制系统发展到一个新阶段计算机数字控制，它也是一种断续控制方式，但是和最初的断续控制不同，它的控制间隔（采样周期）比控制对象的变化周期短得多，因此在客观上完全等效于连续控制；它把晶闸管技术与微电子技术、计算机技术紧密地结合在一起，使晶体管与晶闸管控制具有强大的生命力。20世纪70年代初，计算机数字控制系统应用于数控机床和加工中心，不仅加强了机床的自动化程度，而且提高了其通用性和加工效率，在生产上得到了广泛应用。工业机器人的诞生，为实现机械加工全面自动化创造了物质基础。20世纪80年代以来，出现了由数控机床、工业机器人、自动搬运车等组成的统一由中心计算机控制的机械加工自动线柔性制造系统（FMS），它是实现自动化车间和自动化工厂的重要组成部分。机械制造自动化的高级阶段是走向设计和制造一体化，即利用计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）形成产品设计与制造过程的完整系统，对产品构思和设计，直至装配、试验和质量管理这一全过程实现自动化，以实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，实现计算机集成制造系统（CIMS）。INSERT LOGO0.20.2自动控制系统的工作原理和一般构成自动控制系统的工作原理和一般构成 所谓自动控制，是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程等）的某些物理量（如温度、压力、位置、速度等）或工作状态准确地按照预期规律变化（或运行）。如空调能保持恒温；数控机床能加工出预期几何形状的工件；火炮控制系统能准确击中目标等。一般地说，如何使被控制量按照给定量的变化规律而变化，这是控制系统所要完成的基本任务。学习机械工程控制基础要解决两个问题：一是如何分析某个给定控制系统的工作原理、稳定性和过渡过程品质；二是如何根据实际需要来进行控制系统的设计，并用机、电、液、光等设备来实现这一设计系统。前者主要是分析控制系统，后者是对控制系统的设计与综合。无论解决哪类问题，都必须具有丰富的控制理论知识，同时能以系统的而不是孤立的、动态的而不是静态的观点和方法来处理问题，才能实现预期的控制目的。INSERT LOGO 0.2.1自动控制系统的工作原理 在许多工业生产过程或生产设备运行中，为了保证正常的工作条件，往往需要对某些物理量（如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等）进行控制，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。要满足这种需要，就应该对生产机械或设备进行及时的操作，以抵消外界干扰的影响。这种操作通常称为控制，用人工操作称为人工控制，用自动装置来完成称为自动控制。图0-1（a）所示为人工控制水位保持恒定的供水系统。水池中的水位是被控制的物理量，简称被控量。水池这个设备是控制的对象，简称被控对象。当水位在给定位置且流入、流出量相等时，它处于平衡状态。当流出量发生变化或水位给定值发生变化时，就需要对流入量进行必要的控制。在人工控制方式下，工人用眼观察水位情况，用脑比较实际水位与期望水位的差异并根据经验做出决策，确定进水阀门的调节方向与幅度，然后用手操作进水阀门进行调节，最终使水位等于给定值。只要水位偏离了期望值，工人便要重复上述调节过程。INSERT LOGO 图0-1（b）所示为水池水位自动控制系统的一种简单形式。图中用浮子代替人的眼睛，用来测量水位高低；另用一套杠杆机构代替人的大脑和手，用来进行比较、计算误差并实施控制。杠杆的一端由浮子带动，另一端则连向进水阀门。当用水量增大时，水位开始下降，浮子也随之降低，通过杠杆的作用将进水阀门开大，使水位回到期望值附近；反之，若用水量变小，水位及浮子上升，进水阀关小，水位自动下降到期望值附近。整个过程中无须人工直接参与，控制过程是自动进行的。INSERT LOGO图0-1 水位控制系统图INSERT LOGO 0-1（b）所示的系统虽然可以实现自动控制，但由于结构简单而存在缺陷，主要表现在被控制的水位高度将随着出水量的变化而变化。出水量越多，水位就越低，偏离期望值就越远，误差也越大。控制的结果总是存在着一定范围的误差值。这是因为当出水量增加时，为了使水位基本保持恒定不变，就要开大阀门，增加进水量。要开大进水阀，唯一的途径是浮子要下降得更多，这意味着实际水位要偏离期望值更多。这样，整个系统就会在较低的水位上建立起新的平衡状态。INSERT LOGO 为克服上述缺点，可在原系统中增加一些设备而组成较完善的水位自动控制系统，如图0-2所示。这里，浮子仍是测量元件；连杆起着比较作用，它将期望水位与实际水位两者进行比较，得出误差，同时推动电位器的滑臂上下移动。电位器的输出电压反映了误差的性质（大小和方向）。电位器输出的微弱电压经放大器放大后驱动直流伺服电动机，其转轴经减速器后拖动进水阀门，对系统施加控制作用。在正常情况下，实际水位等于期望值，此时，电位器的滑臂居中，uc=0。当出水量增大时，浮子下降，带动电位器滑臂向上移动，uc0，经放大后成为ua，控制电动机正向旋转，以增大进水阀门的开度，促使水位回升。当实际水位回复到期望值时，uc=0，系统达到新的平衡状态。INSERT LOGO图0-2 较完善的水位自动控制系统INSERT LOGO 可见，该系统在运行时，无论何种干扰引起水位出现偏差，系统都要进行调节，最终总是使实际水位等于期望值，大大提高了控制精度。上述人工控制系统和自动控制系统是极其相似的，执行机构类似于人手，测量装置相当于人的眼睛，控制器类似于人脑。另外，它们还有一个共同的特点，就是都要检测偏差，并根据检测到的偏差去纠正偏差，可见，没有偏差便没有调节过程。在自动控制系统中，这一偏差是通过反馈建立起来的。给定信号也称为激励，给定量也称为控制系统的输入量；被控制量称为系统的输出量，输出信号也称为响应。反馈就是指输出量通过适当的测量装置将信号全部或部分返回输入端，并与之同时作用于系统的过程。反馈量与输入量的比较结果称为偏差。因此，基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理又称为反馈控制原理。利用反馈控制原理组成的系统称为反馈控制系统。实现自动控制的装置可能各不相同，但反馈控制的原理却是相同的，可以说，反馈控制是实现自动控制最基本的方法。INSERT LOGO 0.2.2自动控制系统的一般构成 机电控制系统一般由8个部分组成，如图0-3所示。图中，“”代表比较元