自动控制技术第二章

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1、第二章 自动控制系统的应用实例2.1 恒值系统的应用实例一、 电炉箱恒温自动控制系统M-220V加热电阻丝图2. 1电炉箱恒温自动控制系统功率 放大瞬觥偶/电炉箱工件_rTTjJ I I I直流伺服电动机因减速器电压 放大器+给定电位器期I 温度计（才一个由电阻丝通电加热的电炉箱，由于炉壁散热和增、减工件，使炉温产 生变化，而这种变化通常是无法预先确定的。因此，若工艺要求保持炉温恒定，则 开环控制将无法自动补偿，必须采用闭环控制。由于需要保持恒定的物理量是温度， 所以最常见的方法便是采用温度负反馈。如图2.1 所示，该系统采用热电偶来检查 温度，并将炉温转换成电压信号UfT （毫伏级），然后反

2、馈至输入端，与给定电压 UT进行比较，由于是采用负反馈控制，因此两者极性相反，两者的差值AU称为偏 sT差电压（ U=UT-U仃）。此偏差电压作为控制电压，经电压放大和功率放大后，去 sT fT驱动直流伺服电动机（控制电动机电枢电压），电动机经减速器带动调压变压器的滑动出触头，来调节炉温。电炉箱自动控制系统框图如图2.2 所示。当炉温偏低时，UtUe U= （UT-UfT） 0,此时偏差电压极性为正，此偏 T fTT fT差电压经电压放大和功率放大后，产生电压U （设U 0）,供给电动机电枢，使电动 aa机“正”转，带动调压变压器滑动触点右移，从而使电炉供电电压（UR）增加，电流 R加大，炉温

3、上升，直到使炉温升至给定值，即T=Tt（TSt为给定值），U T=UfT， sT StsT fTU=0 时为止。这样炉温可自动恢复，并保持恒定。炉温自动调节过程如图2.3 所示。N f % J fff f电动机正转f以亠T1（o）（o）； 图2. 3 炉温自动调节过程反之，当炉温偏高时，则 u=vo,经放大后使电动机“反”转，滑动触点左 移，供电电压减小，直至炉温降至给定值。炉温处于给定值时， U=0，电动机停转。由以上分析可见，反馈控制可以自动进行补偿，这是闭环控制的一个突出的优点。当然，闭环控制要增加检测、反馈比较、调节器等部件，会使系统复杂、成本 提高。而且闭环控制会带来副作用，使系统的

4、稳定性变差，甚至造成不稳定。这是 采用闭环控制时必须重视并要加以解决的问题。二、 水位控制系统水位控制系统的工作原理如图2.4 所示，其控制任务是使水位保持恒定。1+浮子连杆图2. 4自动控制的水箱水位控制系统图进水:实际水位水箱滿门L出水量2进水量Qi减速器电位器疋放大器M系统控制原理分析：假设经过事先设定，系统在开始工作时液位h正好等于给 定高度H，即4 h=0,浮子带动连杆位于电位器0电位，故电动机、阀门L1都静止不 动，进水量保持不变，水面高度保持设定高度H。如果这时由于阀门L2突然开大，出水量增大，则水位开始下降， h，经 过浮子测量，此时连杆上移，电动机得电正转，使阀门.开度增大，

5、从而增加进水 量，水位渐渐上升，直至重新等于设定高度Ho如果这时由于阀门L突然关小，出水量减小，则水位开始上升， hVO,经 过浮子测量，此时连杆下移，电动机得电反转，使阀门L开度减小，从而减小进水 量，水位渐渐下降，直至重新等于设定高度Ho可见系统在此两种情况下都能保持 希望高度。通过以上分析可以得出：此系统是通过测量水面实际高度与给定液面高度的偏 差值来进行控制工作的，也是按偏差调节的控制系统。同时不难看出：该系统的被 控对象是水池；被控量是水面高度；设定装置是电位器；测量变送装置是浮子连杆； 干扰是出水量；执行装置是电动机、减速器、阀门L。这样就得到了如图2.5所示 的水位控制系统的原理

6、框图。由图 2.5 可以看出，水位控制系统也存在负反馈环节。2.2 随动系统的应用实例、 舵轮随动系统舵轮随动系统的任务是使轮船的尾舵随时跟随舵轮的角度而旋转。其工作原理 图如图 2.6 所示。图2. 6舵轮随动系统工作原理图由图 2.6 可见，在轮船航行时，如果船的尾舵转角与舵轮的转角相等时，两电位器A、B的电压相等，此时的厶U=0,电动机不动，系统处于平衡状态。如果舵轮的输入角度8变化了，而尾舵仍处于原位，则工0,两电位器A、B的电压r就不相等了，此时的厶UHO,电动机开始旋转，拖带尾舵朝所要求的方向旋转，直 至尾舵的角度e与舵轮的输入角度e相等，u又恢复为零，电动机停转，系统 cr即在新

7、的位置上重新保持平衡直到舵轮的角度再次发生变化。也就是说此系统是使 被控量一直随给定量的变化而变化，而给定量的变化规律又无法事先确定。这种能 够任意跟踪给定量的变化而变化的系统就称为随动系统。其原理方框图如图2.7所 示。二、导弹发射架的方位控制系统图 2.8 所示是一个用以控制导弹发射架方位的随动系统原理图。图中电位器RP1和RP2并联后跨接到同一个电源E0的两端，其滑臂分别于输 入轴和输出轴连接，以组成方位角的给定装置和反馈装置。输入轴由手轮操纵，输 出轴则由直流电动机经减速后带动，电动机采用电枢控制的方式工作。当摇动手轮使电位器rpi的滑臂转过一个输入角e瞬间，由于输出轴的转角ie ze

8、 ，于是出现一个角差oie = e - eeio该角度通过电位器RP1和RP2转换成电压，并以偏差电压的形式表示出来，即u =u -ueio显然，若e e，则u u, u=u-u 0。该电压经放大后驱动电动机做正向i o i o e i o转动，带动导弹发射架转动的同时，并通过输出轴带动电位器RP2的滑臂转过一定 的角度e，直至e =0时，e =0,偏差电压口=哦，电动机才停止转动。这时，导o o i e e弹发射架就停留在相应的方位角上。也就是说，随动系统输出轴的运动已经完全复 现（重演）了输入轴的运动。可见，随动系统是角度的控制系统，其中的输出角总 是力图跟随输入角的变化而变化。系统的方块

9、图如图2.9 所示。其中，作为系统输出量方位角0是全部（不是一部分）直接反馈到输入端与输o入量e进行比较的，故称为全反馈系统或单位反馈系统。在本系统中，只要0工 io0，系统就会出现偏差，从而产生控制作用，控制的结果是消除偏差角0，使输 ie出量0 严格地跟随输入量0 的变化而变化。因而随动系统又称同步跟踪系统。此 oi外，转动手轮所需能量甚小，而导弹连同发射架的质量却很大，转动所需能量很大，这意味着随动系统是一个功率放大装置，故常称为伺服系统。2.3 程序控制系统的应用实例当自动控制系统的给定信号是已知的时间函数时，称这类系统为程序控制系统。图 2.10 所示是一个仿型铣床的原理示意图。电该

10、系统为闭环控制系统。其工作原理是：刀架电动机拖动刀架前行的同时带动 靠模触指，触指的上下运动使电位器滑臂移动，得到不同的电压与误差进行比较， 再经过电压和功率放大，驱动刀架电动机带动刀架做上下运动，最终使得加工的工 件与模型一样。但是，制作精确的立体木模是一个精细、费时的工作，所以后来又 将木模以纸带（或磁带）上的脉冲系列来代替，这时的闭环控制系统如图2.11 所 示。加工时由光电阅读机把记录在穿孔纸带（或磁带）上的程序指令，变成电脉冲 （即指令脉冲），送入运算控制器。运算控制器完成对控制脉冲的寄存、交换和计 算，并输出控制脉冲给执行机构。执行机构根据运算控制器送来的电脉冲信号，控 制机床的运动，完成切削成形的要求。习题1. 在图 2.8所示导弹发射架方位控制系统中，若把放大器的放大系数调得 很大（但未饱和），系统将出现什么现象？并解释其原理。2. 试叙述空调器的工作原理，并说明它是属于哪种控制系统。3. 试举一个随动控制的例子，并说明它的工作原理。