控制系统基本概念

一.控制系统工作原理要实现对一个系统的控制有人工控制和自动控制两种办法。以恒温控制系统(恒温箱)为例对于人工控制而言需要操作者随时观察由测量元件(如温度计)测出的恒温箱内的温度然后与要求的温度值进行比较得到偏差根据偏差调整调压器以改变恒温箱内的温度。所以人工控制的过程就是测量、求偏差、再控制以纠正偏差的过程简单来说就是“检测偏差再纠正偏差”的过程。对于自动控制而言如下图恒温箱所需的温度由电压信号给定当外界因素引起箱内温度变化时测量元件热电偶可以把温度转换为电压信号并反馈回去与比较所得的结果即为温度的偏差信号经过电压、功率放大后用以控制电动机的转速和方向并通过传动装置移动调压器触头只有在偏差信号为0时电动机才会停转。此系统就是自动控制系统。人工控制系统和自动控制系统的共同点都是去检测偏差并用检测到偏差去纠正偏差。因此可以说没有偏差就不会有控制调节过程。在控制系统中给定量又称为系统的输入量被控制量又称为系统的输出量。输出量的返回过程称为反馈它表示输出量通过测量装置将信号的全部或一部分返回输入端使之与输入量进行比较。比较产生的结果称为偏差。因此可以归纳上述控制系统的工作原理如下检测输出量的实际值。将实际值与给定量(输入量)进行比较得出偏差值。用偏差值产生的控制调节作用去消除误差。控制系统的控制过程可以用系统框图清晰而形象地表示如下所示。代表比较元件箭头代表作用方向每个方框代表一个环节各个环节的作用是单向的其输出受输入控制。二.开环系统与闭环系统实际的控制系统按照有无反馈作用以及如何反馈可以分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环系统。开环控制系统如果系统只是根据输入量和干扰量进行控制而输出端和输入端之间不存在反馈回路输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响这样的系统称为开环控制系统。开环控制系统系统的输出量仅受输入量的控制。开环控制系统用一定输入量产生一定的输出量如果由于某种干扰作用使输出量偏离原始值它没有自动纠偏的能力。要进行补偿必须再借助人工改变输入量。所以开环系统的控制精度较低。但是如果组成系统的元件特性和参数值比较稳定而且外界的干扰也比较小则这种控制系统也可以保证一定的精度。开环控制系统的最大优点是系统简单一般都能稳定可靠地工作因此对于要求不高的系统可以采用。闭环控制系统如果系统的输出端和输入端之间存在反馈回路输出量对控制过程产生直接影响这种系统称为闭环控制系统。这里闭环的作用就是应用反馈来减少偏差。因此反馈控制系统必是闭环控制系统。例如前述的恒温箱温度自动控制系统就是一个闭环控制系统。闭环控制系统的突出优点是控制精度高不管遇到什么干扰只要被控制量的实际值偏离给定值闭环控制就会产生控制作用来减小这一偏差。因此高精度数控机床都采用闭环控制。但闭环控制系统也有它的缺点这类系统是靠偏差进行控制的因此在整个控制过程中始终存在着偏差由于元件的惯性如负载的惯性若参数配置不当很容易引起振荡使系统不稳定而无法工作。所以在闭环控制系统中精度和稳定性之间总存在着矛盾必须合理地解决。半闭环控制系统如果控制系统的反馈信号不是直接从系统的输出端引出而是间接地取自中间的测量元件例如在数控机床的进给伺服系统中若将位置检测装置安装在传动丝杠的端部间接测量工作台的实际位移则这种系统称为半闭环控制系统。半闭环控制系统可以获得比开环系统更高的控制精度但比闭环系统要低与闭环系统相比它易于实现系统的稳定。目前大多数一般精度的数控机床都采用这种半闭环控制进给伺服系统以降低制造成本。三.闭环控制系统的组成闭环控制系统一般包括给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件。给定元件主要用于产生输入信号(给定信号)。反馈元件检测输出量(被控制量)产生主反馈信号。一般来说为了便于传输主反馈信号多为电信号因此反馈元件多为一些用电量来测量非电量的元件。例如用电位器或旋转变压器将机械转角变换为电压信号用测速发电机将转速转换为电压信号用热电偶将温度变换为电压信号等。在机械、液压、气动、电机等系统中存在着内在反馈这是一种没有专门反馈元件的信息反馈由系统内部各物理环节、参数之间的相互作用自然产生的反馈信息流是系统固有的动力学特性。例如在机床工作台的低速爬行中工作台由丝杠螺母驱动运动时的摩擦力并非恒定值静摩擦动摩擦工作台启动时需克服静摩擦一旦启动变为动摩擦受力突然减小导致速度突增速度增加后丝杠的弹性变形又会产生反向作用力拉慢工作台形成“摩擦-速度-受力”的内在反馈循环这个反馈无需传感器、控制器等外部元件由机械部件的摩擦特性和弹性变形自然耦合产生最终导致工作台低速时的爬行是典型的机械系统内在反馈现象再比如RC电路的暂态响应 电容的端电压由充电电流决定而充电电流又受电容当前电压与电源电压的差值控制电压变化反过来影响电流形成“电流-电压”的内在反馈。比较元件用来接收输入信号和反馈信号并进行比较产生反映两者差值的偏差信号。放大元件对偏差信号进行放大的元件(如电压放大器、功率放大器等)。放大元件的输出一定要有足够的能量才能驱动执行元件。执行元件直接对控制对象进行操纵的元件例如伺服电机、液压马达等。校正元件为保证控制质量使系统获得良好的动、静态性能(如稳定性、响应速度、准确性)而加入系统的元件。串接在系统前向通路上的称为串联校正元件并接在反馈回路上的称为并联校正元件(局部反馈)。串联反馈元件如可调电阻、电位器等可以通过改变电阻值调整信号放大比例直接提升系统的开环增益提高稳态精度串联校正元件在控制系统中主要指PID控制这在后续章节将会详细介绍。并联校正元件如测速发电机将电机转速转换为电信号反馈至输入端与给定信号比较后调整电机输入抑制转速波动。四.控制系统的分类按输入量的特征分类恒值控制系统这种控制系统的输入量是一个恒定值一经给定在运行过程中就不再改变但可随生产要求而改变或更改输入量。恒值控制系统的任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。因此它又称为自动调节系统。程序控制系统这种系统的输入量不为常量但其变化规律是预先知道和确定的(比如可以写成与时间相关的函数)。可以预先将输入量的变化规律编成程序由该程序发出控制指令在输入装置中再将控制指令转换为控制信号经过全系统的作用使控制对象按指令的要求而运动。随动系统(又称伺服系统)这种系统的输入量的变化规律是不能预先确定的(随机量)。当输入量发生变化时则要求输出量迅速而平稳地跟随着变化且能排除各种干扰因素的影响准确地复现控制信号的变化规律此即伺服的含义。控制指令可以由操作者根据需要随时发出也可以由目标物或相应的测量装置发出。按系统中传递信号的性质分类连续控制系统系统中所有输入、输出、内部状态信号在时间和幅值上都是连续变化的信号随时间不间断存在整个系统由连续时间信号驱动。核心器件包括模拟放大器、模拟PID、运算放大器等。连续控制系统又有线性系统和非线性系统之分。用线性微分方程描述的系统称为线性系统不能用线性微分方程描述、存在着非线性部件的系统称为非线性系统。以家用定频空调为例说明连续控制系统见如下表格系统的输入、输出和反馈信号都是连续变化的模拟量控制器在所有时刻都根据反馈信号实时调整控制动作。离散控制系统系统中至少有一处信号在时间上是离散的仅在固定采样时刻有数值采样间隔内无定义。核心部件有单片机、PLC、计算机等。在离散控制系统中数字测量、放大、比较、给定等部件一般均由微处理机实现计算机的输出经D/A转换加给伺服放大器然后再去驱动执行元件或由计算机直接输出数字信号经数字放大器后驱动数字式执行元件。以8051单片机的水箱水位控制系统来说明离散控制系统见如下表格实际工程中纯离散的系统很少见绝大多数离散控制系统都是“连续环节 离散环节” 的混合结构是否为离散控制系统的核心判定依据就是是否存在某一环节为离散信号。由于连续控制系统和离散控制系统的信号形式有较大差别因此在分析方法上也有明显的不同。连续控制系统以微分方程描述系统的运动状态并用拉氏变换法求解微分方程而离散系统则用差分方程描述系统的运动状态用Z变换法引出脉冲传递函数来研究系统的动态特性。连续控制系统易受温漂、器件参数影响精度有限而离散控制系统无温漂、参数稳定、精度高、易算法升级。解释如下连续控制的PID、滤波、放大、校正过程都是靠模拟元器件搭电路实现电阻、电容、运放、三极管、模拟放大器例如模拟 PID 的比例系数、积分时间、微分时间都是由电阻电容的数值决定的。这些元器件本身存在的温漂、参数变化等问题会直接影响最终的精度。离散控制系统只在输入端 AD 采样、输出端 DA 还原用到少量模拟电路中间核心控制全程是纯数字运算例如数字 PID 的是二进制数字直接存在存储器里而控制算法都是程序代码不受器件参数变化的影响。并且数字信号只有0、1 两种状态只要干扰不把电平打翻转信号就不会失真而模拟是连续电压一点干扰就污染信号。除此之外由于工业控制中的核心设备PLC、单片机、工控机等都是数字式所以现代工业控制几乎都用离散数字控制系统。五.对控制系统的基本要求稳定性由于控制系统都包含储能元件若系统参数匹配不当便可能引起振荡。稳定性是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。对于稳定的系统当输出量偏离平衡状态时应能随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性乃是保证控制系统正常工作的先决条件。精确性控制系统的精确性即控制精度一般以稳态误差来衡量。所谓稳态误差是指以一定变化规律的输入信号作用于系统后当调整过程结束而趋于稳定时输出量的实际值与期望值之间的误差值它反映了动态过程后期的性能。这种误差一般是很小的如高精度数控机床的加工误差可小于0.002 mm一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的1%以内。快速性指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时消除这种偏差的快慢程度。快速性好的系统它消除偏差的过渡过程时间就短就能复现快速变化的输入信号因而具有较好的动态性能。由于控制对象的具体情况不同各种系统对稳定、精确、快速这三方面的要求是各有侧重的。例如调速系统对稳定性要求较严格而随动系统则对快速性提出较高的要求。即使对于同一个系统稳、准、快也是相互制约的。提高快速性可能会引起强烈振荡改进了稳定性控制过程又可能过于迟缓甚至精度也会变差。