專業理論課教案(首頁)
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1．1/1.2
在工業生產過程或裝置執行中，為了維持正常的工作條件，需要對某些物理量進行控制，使其維持在某個數值附近，或按一定規律變化，要滿足這種要求，可用人工操作完成，又可用自動裝置的操作完成，前者為手動控制，後者為自動控制。
自動控制和手動控制極為相似，自動控制系統只是把某些裝置有機的組合在一起，代替人的職能。任何乙個控制系統，都由被控物件和控制器兩大部分組成。
自動控制定義：
自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（簡稱控制器）使整個生產過程或工作機械（被控物件）自動地按預定的規律執行，或使它的某些物理量（被控量）按預定的要求變化。
1．3根據訊號傳送的特點或系統的結構形式，控制系統分為開環控制和閉環控制。
開環控制系統：只有輸入量ugd對n的單向控制作用，而輸出量n對輸入量ugd卻沒有任何影響和聯絡，即系統的輸入與輸出之間不存在反饋迴路。
開環系統沒有抵抗外部干擾的能力，故控制精度低。但結構簡單、造價低，所以在系統引數穩定、無干擾或小干擾的場合大量使用。
閉環控制系統：通過反饋迴路使系統形成閉合環路，並按偏差ue的性質產生控制作用，以求減小或消除偏差的控制系統。
閉環控制原理：
負反饋：指反饋訊號uf的正負極性必須與給定值ugd的極性相反，以便取得偏差值作為控制之用。
自動控制系統的特徵：
1、 系統必須具有反饋裝置，並按反饋的原則組成系統。
2、 由偏差產生控制作用。
3、 控制的目的是力圖減小或消除偏差，使被控量盡量接近期望值。
1．4 自動控制系統的組成：
由測量反饋元件、比較元件、校正元件、放大元件、執行元件以及被控物件等基本環節組成。
如圖1-8 典型自動控制系統功能框圖，各元件功能見p7頁。
方框圖的繪製：
1）組成：由方框、帶箭頭的訊號線、綜合點和分支點組成。
方框代表裝置或部件；訊號線代表訊號流動方向；綜合點又稱相加點，對訊號作比較；分支點稱引出點。
2）繪製步驟：
1、弄清系統的工作原理及各元器件的作用，明確輸入、輸出
2、對組成系統的各個元件繪出基本單元圖，標出輸入/輸出量字母代號。
3、系統給定值和綜合點置於圖形最左端，被控物件置於最右端，其輸出訊號就是系統輸出，即被控量。
4、按系統變數傳遞順序，將變數連線，即為系統方框圖。
例： 書 p10 圖 1—11
1．5系統分類
按輸入訊號分：
1、 恆值控制系統：給定值不變
2、 程式控制系統：給定值是變化的，如何變化也是早知道的
3、 隨動系統：又稱伺服系統，給定值是變化的而且不知道如何變
1．6應用事例
1．7對系統的基本要求：穩、快、準
1．8 pid控制器
控制器是對偏差訊號進行加工、處理的重要環節，其輸出訊號隨偏差訊號的變化而變化的規律稱為控制規律，又稱控制演算法。
一、 比例控制器p
若控制器輸出量與輸入量成正比，
即：uo=kp△u
則稱控制器為比例控制器，如圖：
可見，該比例器其實是個反相放大器，其輸出電壓u0為：
u0=-r1/r0△u=kp△u
kp為放大倍數，由r1和r0的比值確定，負號是由放大器為反相輸入所致，使輸出電壓極性和輸入偏差電壓的極性相反。
比例控制器具有作用及時、快速、控制作用強的優點，且kp的絕對值越大，系統的偏差就越小。但kp過大會造成系統的不穩定。故在工程設計中一般不單獨使用，而與其他控制規律一起使用，以達到更好的效果。
多級輸入訊號的比例控制器：將多個輸入訊號在放大器的輸入段併聯連線。
二、 積分控制器i
若控制器的輸出量與輸入量對時間的積分成正比，
即：uo=k1∫t0△udt
則稱控制器為積分控制器，如圖：
可見，該比例器其實是個運算放大積分電路，其輸出電壓為：
u0=-1/r0c1∫t0△udt
根據特性曲線表明：因電容c1的充電效能，使控制器最終形成「無輸入，但有輸出：的狀態。
用這種輸出去控制系統，可使其保持在△u=0的條件下正常執行，可見，i控制器可以消除系統輸出量的穩態誤差，實現無靜差控制，就是積分控制的最大優點。但由於i控制器的u0是隨時間積累而逐漸增強的，其過程緩慢，時間上落後於偏差訊號的變化，故控制過程不及時。所以i控制器通常作為輔助控制手段。
三、 比例積分控制器（pi）
pi控制器的輸出u0實際上是由比例和積分兩個分量疊加而成的，其比例作用使系統的動態響應速度加快，而積分作用又使系統的靜態效能顯著提高，實現無靜差控制。原理圖如下：
四、 比例微分（pd）控制器
「預見性」「超前性」是比例微分控制規律的突出優點，能反映偏差的大小及其變化趨勢，並能在偏差訊號的數值尚未變得太大之前，就在系統中引進乙個有效的早期修正訊號。有助系統的穩定性，並抑制過大的超調量。但也存在放大干擾訊號的缺點。
原理圖如下：
五、 比例積分微分（pid）控制器
如前所述，積分控制可以減小或消除靜差，提高精度；微分控制則可以抑制過大的超調量，提高穩定性，加快過度過程。若將，比例、積分、微分結合起來，就可以得到更完善的控制效果。如圖
由於pid控制規律全面的綜合了比例、積分、微分的優點，不但實現了系統無靜差控制，而且動態響應速度快。故pid控制器是一種相當完善的控制器，在工程中廣泛應用。
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