第二章自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例§2—2隨動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例§2—1恒值系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例§2—3程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例§2—1恒值系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例一、蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)蒸汽機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過傘形齒輪帶動(dòng)一對(duì)飛錘作水平旋轉(zhuǎn)。飛錘通過鉸鏈可以帶動(dòng)套筒上下滑動(dòng)，套筒內(nèi)裝有平衡彈簧，套筒上下滑動(dòng)時(shí)可撥動(dòng)杠桿，杠桿另一端通過連桿調(diào)節(jié)供氣閥門的開度。在蒸汽機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，飛錘旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力與彈簧的反彈力相平衡，套筒保持某個(gè)高度，使閥門處于一個(gè)平衡位置（開度）。如果由于負(fù)載增大導(dǎo)致蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速n下降，則飛錘因離心力減小而使套筒向下滑動(dòng)，并通過杠桿增大供氣閥門的開度，使更多的蒸汽進(jìn)入蒸汽機(jī)，促使其轉(zhuǎn)速n回升。同理，若蒸汽機(jī)因負(fù)載減小而引起轉(zhuǎn)速n增大時(shí)，則飛錘因離心力增大而使套筒上滑，并通過杠桿減小供氣閥門的開度，蒸汽流量減少，迫使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)回落。這樣離心調(diào)速器就能自動(dòng)地消除負(fù)載變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，使蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本保持在某個(gè)期望值附近。二、爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)圖中的加熱爐采用電加熱的方式運(yùn)行，加熱器所產(chǎn)生的熱量與施加的電壓uc的平方成正比，uc增高，爐溫就上升。爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖在正常情況下，爐溫等于某個(gè)期望值t，熱電偶的輸出電壓uf正好等于給定電壓ugd。此時(shí)，ue=ugd-uf=0，故ul=ua=0，可逆電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)壓器的滑動(dòng)觸點(diǎn)停留在某個(gè)合適的位置上，使uc保持著一定的數(shù)值。這時(shí)爐子散失的熱量正好等于從加熱器吸取的熱量，形成一個(gè)穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。若爐膛溫度t由于某種原因（干擾）而下降（例如，爐門打開造成的熱量流失），則全系統(tǒng)將出現(xiàn)以下的控制過程：顯然，爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)也是一個(gè)帶反饋裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。§2—2隨動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例一、導(dǎo)彈發(fā)射架的方位控制系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)原理圖圖中電位器RP1和RP2并聯(lián)后跨接到同一電源E0的兩端，其滑臂分別與輸入軸和輸出軸相連接，以組成方位角的給定裝置和反饋裝置。輸入軸由手輪操縱，輸出軸則由直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速后帶動(dòng)，電動(dòng)機(jī)采用電樞控制的方式工作。當(dāng)搖動(dòng)手輪使電位器RP1的滑臂轉(zhuǎn)過一個(gè)輸入角θi的瞬間，由于輸出軸的轉(zhuǎn)角θo≠θi，于是出現(xiàn)一個(gè)角差θe=θi-θo該角差通過電位器RP1和RP2轉(zhuǎn)換成電壓，并以偏差電壓的形式表示出現(xiàn)，即ue=ui–uo顯然,若θi＞θo,則ui＞uo，ue=ui–uo＞0。該電壓經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)做正向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)導(dǎo)彈發(fā)射架轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，并通過輸出軸帶動(dòng)電位器RP2的滑臂轉(zhuǎn)過一定的角度θo，直至θo=θi時(shí)，θe=0，偏差電壓ue=0，電動(dòng)機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)，導(dǎo)彈發(fā)射架就停留在相應(yīng)的方位角上。導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)方塊圖系統(tǒng)的方塊圖如圖所示。其中，作為系統(tǒng)輸出量的方位角θo是全部（不是一部分）直接反饋到輸入端與輸入量θi進(jìn)行比較的，故稱為全反饋系統(tǒng)或單位反饋系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，只要θo≠θi，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)偏差，從而產(chǎn)生控制作用，控制的結(jié)果是消除偏差角θe，使輸出量θo嚴(yán)格地跟隨輸入量θi的變化而變化。因而隨動(dòng)系統(tǒng)又稱同步跟蹤系統(tǒng)。此外，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪所需能量甚小，而導(dǎo)彈連同發(fā)射架的質(zhì)量卻很大，轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量很大，這意味著隨動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)功率放大裝置，故常稱為伺服系統(tǒng)。二、船舶隨動(dòng)舵的控制系統(tǒng)隨動(dòng)舵操縱的特點(diǎn)是：操舵人員只要通過舵輪給定一個(gè)舵角信號(hào)，舵機(jī)就能把笨重的舵葉轉(zhuǎn)到給定的舵角位置，隨即自動(dòng)停下來?？梢姡S動(dòng)舵在本質(zhì)上屬于角度跟蹤隨動(dòng)系統(tǒng)，亦具有功率放大的作用。如圖所示為一種船舶隨動(dòng)舵的控制系統(tǒng)原理圖。其中，駕駛盤（又稱舵輪）與電位器RP1作機(jī)械連接，作為系統(tǒng)的給定（輸入）裝置。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸經(jīng)減速箱減速后帶動(dòng)舵葉旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，通過機(jī)械連接帶動(dòng)電位器RP2的滑臂作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。RP2產(chǎn)生的電壓uo反饋到輸入端，與RP1的電壓ui進(jìn)行比較后得出偏差信號(hào)ue（ue=ui–uo）。系統(tǒng)按照ue的性質(zhì)（大小和正負(fù)極性）進(jìn)行控制，其控制結(jié)果是舵葉的偏轉(zhuǎn)角θo嚴(yán)格等于駕駛盤所轉(zhuǎn)過的角度θi。船舶隨動(dòng)舵的控制系統(tǒng)原理圖三、火炮、雷達(dá)天線的方位控制系統(tǒng)前面介紹的隨動(dòng)系統(tǒng)雖然能做角度跟蹤，但由于它們采用了電位器作為輸入裝置和反饋裝置，因而θi和θo的變化范圍一般被限制在360°以內(nèi)。若RP1和RP2電位器選用多圈式電位器，θi和θo也只能在360°的范圍內(nèi)變化。這對(duì)于要求在超過360°做大范圍跟蹤的火炮、雷達(dá)天線等系統(tǒng)而言，顯然不能滿足要求。為克服上述缺點(diǎn)，通常采用一對(duì)自整角機(jī)作為角度檢測(cè)裝置，以取代電位器，從而組成自整角機(jī)式的隨動(dòng)系統(tǒng)。火炮方位角控制系統(tǒng)示意圖如圖所示是采用自整角機(jī)作為角度檢測(cè)的火炮方位角控制的隨動(dòng)系統(tǒng)示意圖。圖中的自整角機(jī)運(yùn)行于變壓器狀態(tài)，自整角發(fā)送機(jī)BD的轉(zhuǎn)子與輸入軸連接，轉(zhuǎn)子繞組通入單相交流電；自整角接收機(jī)BS的轉(zhuǎn)子則與輸出軸（炮架的方位角軸）相連接。當(dāng)搖動(dòng)手輪輸入一個(gè)角度θi的瞬間，由于θoθi，于是出現(xiàn)角差θe（θe=θi-θo）。這時(shí)，自整角接收機(jī)BS的轉(zhuǎn)子輸出一個(gè)相應(yīng)的交流調(diào)制信號(hào)電壓ue，其幅值與角差θe的大小成正比，相位則取決于角差θe的極性。即角差θe＞0，則交流調(diào)制信號(hào)呈正相位；角差θe＜0，則交流調(diào)制信號(hào)呈反相位。該調(diào)制信號(hào)經(jīng)相敏整流器解調(diào)后，變成一個(gè)與角差θe的大小和極性有關(guān)的直流電壓，并送往校正和功率放大裝置處理成為控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓ua，該電壓使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以帶動(dòng)炮架回轉(zhuǎn)，并同時(shí)帶動(dòng)自整角接收機(jī)的轉(zhuǎn)子作反饋連接。顯然，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向必須是朝著減小或消除角差θe的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到θo=θi為止。此時(shí)，ue=ua＝0，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，作為控制對(duì)象的炮身就指向并停留在相應(yīng)的方位角上，或說炮身重演了手輪的運(yùn)動(dòng)。自整角變壓器可用如圖所示的方塊圖表示。自整角變壓器方塊圖§2—3程序控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的給定信號(hào)是已知的時(shí)間函數(shù)時(shí)，稱這類系統(tǒng)為程序控制系統(tǒng)（ProgrammedControlSystem）。如圖所示是一個(gè)仿型銑床的原理示意圖。仿型銑床的原理示意圖工作原理是：刀架電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)刀架前行的同時(shí)帶動(dòng)靠模觸指，觸指的上下運(yùn)動(dòng)使電位器滑臂移動(dòng)，得到不同的電壓與誤差進(jìn)行比較，再經(jīng)過電壓和功率放大，驅(qū)動(dòng)刀架電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刀架做上下運(yùn)動(dòng)，最終使得加工的工件與模型一樣。但是，制做精確的立體木模是一個(gè)精細(xì)、費(fèi)時(shí)的工作，所以后來又將木模以紙帶（或磁帶）上的脈沖系列來代替，這時(shí)的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖所示。加工時(shí)由光電閱讀機(jī)把記錄在穿孔紙帶（或磁帶）上的程序指令，變成電脈沖（即指令脈沖），送入運(yùn)算控制器。運(yùn)算控制器完成對(duì)控制脈沖的寄存、交換和計(jì)算，并輸出控制脈沖給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)運(yùn)算控制器送來的電脈沖信號(hào)，控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，完成切削成形的要求。程序控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)程序自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能，就是按照預(yù)定的程序來控制被控制量,即自動(dòng)控制系統(tǒng)控制器給出的控制指令為一個(gè)預(yù)定的程序。原則上程序控制可以是開環(huán)的，但可以用反饋來消除系統(tǒng)誤差，提高精度。由于控制對(duì)象不同，工作方式不同，系統(tǒng)要完成的任務(wù)也不同，因此對(duì)各個(gè)具體系統(tǒng)的要求自然也有較大的差異。不過，就其共性而言，所有的自動(dòng)控制系統(tǒng)都希望：

c（t）=kr（t）式中

c（t）——系統(tǒng)的輸出量；

r（t）——系統(tǒng)的輸入量；k——比例系數(shù)。在理想情況下，總希望系統(tǒng)的輸出量（被控量）與輸入量（給定值）在任何時(shí)刻都保持一個(gè)固定的比例關(guān)系，完全沒有偏差，而且不受任何干擾的影響，如圖所示。控制系統(tǒng)的理想階躍響應(yīng)a)階躍輸入b)系統(tǒng)輸出然而，在實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)速度和位移不可能瞬間發(fā)生變化，而需要經(jīng)歷一段時(shí)間。通常把系統(tǒng)受到擾動(dòng)或給定值變化作用后，被控量由原來的平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）過渡到新的平衡狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)）的過程稱為過渡過程或動(dòng)態(tài)過程。對(duì)于給定值做階躍變化的線性系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)過程中，被控量的變化可能有如圖所示的幾種情況。經(jīng)歷一段過度過程后，被控量達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。系統(tǒng)的階躍響應(yīng)被控量的變化不收斂。工程上對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求歸納為穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個(gè)方面，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)。1.穩(wěn)定性（穩(wěn)）穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)能否正常工作的首要指標(biāo)，它是評(píng)價(jià)系統(tǒng)在過渡過程中的振蕩傾向和重新建立平衡狀態(tài)的能力。當(dāng)系統(tǒng)受到外加信號(hào)作用，例如，在輸入端輸入一個(gè)階躍函數(shù)的給定值時(shí)，如果系統(tǒng)被控量的過渡過程隨時(shí)間推移而衰減，直到最后與期望值一致（通常允許有一定的誤差），從而建立一個(gè)新的平衡狀態(tài)，稱為穩(wěn)定系統(tǒng)。反之，當(dāng)系統(tǒng)受外加作用。被控量越來越遠(yuǎn)離期望值，則稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。2.快速性（快）控制系統(tǒng)不但要求穩(wěn)定，而且要求被控量能迅速地按照輸入信號(hào)所規(guī)定的規(guī)律變化，即要求系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)速度。如前所述，控制系統(tǒng)總包含一些慣性元件，所以在輸入信號(hào)作用下，其響應(yīng)總要經(jīng)歷一個(gè)過渡過程才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。過渡過程時(shí)間長(zhǎng)，說明系統(tǒng)的控制動(dòng)作反應(yīng)遲鈍，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的指令信號(hào)。因此，對(duì)實(shí)用系統(tǒng)來說，總是希望過渡過程時(shí)間愈短愈好。3.準(zhǔn)確性（準(zhǔn)）準(zhǔn)確性是指系統(tǒng)建立平衡狀態(tài)后，被控量偏離期望