ME模电第三章ME.ppt

共123页 3.1自动控制系统概述 3.1.1自动控制的基本概念 随着科学技术的发展，自动控制技术的应用越来越广泛。从比较简单 的家用电器设备 (如冰箱、空调等〉到复杂的飞机自动控制系统，都采用 了自动控制技术。在控制过程中，被控量可能是电压或电流等电参量，也 可能是温度、速度、压力等非电量。 所谓自动控制，是指在没有人直接干预的情况下，利用物理装置(控制 器)对被控制对象（生产设备和工艺过程）进行合理的控制，使被控制的物 理量保持恒定、或者按照一定的规律变化。 自动控制的任务：使系统克服各种干扰量的影响，按所要求的规律运行。 自动控制系统一般包括控制器和被控对象两大部分。被控对象是指生 产设备或工艺过程；控制器是指对被控对象实施控制作用的装置。自动控 制的任务就是使系统克服各种扰动量的影响，使系统按所要求的规律运行。 自动控制系统有两种基本方式，即开环控制和闭环控制。 1.开环控制系统 开环控制系统是指系统的输出量对系统的控制作用没有影响的系统。 图3.1-1所示的直流电动机转速控制系统就是一个开环控制系统的例子。 开环控制系统的特点： ①在开环系统中，输出变量仅随输入变量的变化而变化，输出变量 不反馈到输入端。 ②控制精度比较低。 ③只能对一些可测量的干扰或者变化规律已知的干扰进行补偿，抗 干扰能力差。 ④开环控制结构简单、成本低、工作稳定、控制方便且容易实现。 因此，开环控制系统只应用于控制要求不高的场合。 在生产实际中，采用开环控制的例子很多，如中央供热系统、灯光 照明系统及各种顺序控制系统等。 2.闭环控制系统 为了解决抗干扰问题，必须采用闭环控制。在闭环系统中，将输出 量反馈到系统的输入端，使输出量对控制作用产生直接影响。 在闭环系统中，输入量和反馈信号（反馈信号等于输出量的一部分 或全部，也可以与输出信号成函数关系)之间的差值，称为误差信号。 误差信号加到控制器上，通过控制器的作用减小系统的误差，从而使输 出量达到希望的值。 实质上，闭环控制将输出量反馈到系统的输入端，输出量对控制产 生直接影响的控制系统。控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有 反向联系的控制过程。 将图3.1-1所示系统的输出量即电机的转速n反送到放大器的输人端， 就构成了闭环控制系统，如图3.1-2所示。但因速度是非电量，它不能直 接与设定电压值进行比较。为了将转速转换为电压值，控制系统中接入 测速发电机，它的输出电压反映转速值的大小。设定电压值Ug与测速发 电机的输出电压Uf进行比较，只要两者不相等，就会产生偏差信号，控制 器根据偏差信号控制电路的工作，进而使可控硅的导通状态改变，这样 就可以使直流电动机的转速得到精确控制。可见，信号经过了从输出到 输入，再返回到输出这样一个控制环路，因此称这一系统为闭环控制系 统。 在控制技术中，电量、非电量及其部件的联接很复杂。为了使控制 系统容易理解，经常采用方框图的形式表示控制系统的基本结构。上述 的闭环系统可以用图3.1 - 3所示的方框图表示。它由控制对象（电动机 ）和控制器（放大器、触发器等）组成。反馈通道的反馈网络一般就是 一个分压器。这些部件组成一个闭合的环路。在闭环系统中，输出信号 （实际值）与设定值进行比较，误差信号通过控制器传送到控制对象的 输入端。 闭环控制系统的优点是采用了反馈，因而使系统响应不受外界扰动 的影响，具有精度高的优点；但闭环系统结构复杂，容易产生振荡，在 设计控制器时需要着重考虑。 在图3.1 -3中，如果把反馈信号断开，就变成了开环控制系统，如 图3.1-4所示。这时输出量不参与控制过程，输出量是否与设定值一致， 系统也无法控制，因此控制精度低。但开环控制系统结构简单，控制方 便，容易实现。 如同飞行员操纵飞机一样，自动驾驶仪控制飞机飞行是通过控制飞 机的三个操纵面一升降舵、方向舵和副翼的偏转来改变舵面的空气动 力特性，以形成围绕飞机质心的旋转转矩，从而改变飞机的飞行姿态和 轨迹。现以比例式自动驾驶仪稳定飞机俯仰角为例，说明其控制原理。 图3.1 -5所示为自动驾驶仪系统稳定俯仰角的原理示意图。 图中，垂直陀螺仪作为测量元件用以检测飞机的俯仰角，当飞机以 给定俯仰角水平飞行时，陀螺仪电位器没有电压输出；如果飞机受到 扰动，使俯仰角向下(或向上)偏离期望值，陀螺仪电位器输出与俯仰角 偏差成正比的信号，经放大后驱动舵机，一方面推动升降舵面向上偏 转(或向下) ，产生使飞机抬头（或低头）的转矩(T)以减小俯仰角偏