浅谈电气自动控制系统的技术及应用

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  在现代科学技术的许多领域中,自动控制技术得到了广泛的应用。所谓自动控制,是指在无人直接参与的情况下,利用控制装置操纵受控对象,使被控量等于给定值或给定信号变化规律去变化的过程。控制装置和受控对象为物理装置,而给定值和被控量均为一定形式的物理量。自动控制系统由控制装置和受控对象构成。对自动控制系统的性能进行分析和设计则是自动控制原理的主要任务。
  控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时,称为开环控制。开环控制的特点是系统结构和控制过程很简单,但抗扰能力差、 控制精度不高,故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。控制装置与受控对象之间,不但有顺向作用,而且还有反向联系,既有被控量对控制过程的影响,这种控制称为闭环控制,相应的控制系统称为闭环控制系统。闭环控制系统又被称为反馈控制或按偏差控制。闭环控制系统是通过给定值与反馈量的偏差来实现控制作用的,故这种控制常称为按偏差控制,或称反馈控制。此类系统包括了两种传输信号的通道:由给定值至被控量的通道称为前向通道;由被控量至系统输入端的通道称为反馈通道。闭环系统能减小或消除作用,但若设计调试不当,易产生震荡设置不能正常工作。自动控制原理中所讨论的系统主要是闭环控制系统。反馈控制是在外部的作用下,系统的被控量发生变化后才做出相应调节和控制的,在受控对象具有较大时滞的情况下,其控制作用难以及时影响被控量,进而形成快速有效的反馈控制。前馈补偿控制,则在测量出外部作用的基础上,形成与外部作用相反的控制量,该控制量与相应的外部作用共同作用的结果,使被控量基本不受影响,即在偏差产生之前就进行了防止偏差产生的控制。在这种控制方式中,由于被控量对控制过程不产生影响,故它也属于开环控制。前馈补偿控制与反馈控制相结合,就构成了复合控制。复合控制有两种基本形式:按输入前馈补偿的复合控制和按扰动前馈补偿控制的复合控制。从系统中的信号来看,若系统各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量,则称此系统为连续系统,若系统中有一处或多处信号为时间的离散函数,如脉冲或数码信号,则称之为离散系统。若系统中既有模拟量也有离散信号,则又称为采样系统。若系统的给定值为一定值,而控制任务就是克服骚动,使被控量保持恒值,此类系统称为恒值系统。若系统给定值按照事先不知道的时间函数变化,并要求被控量跟随给定值的变化,则此类系统称为随动系统。若系统的给定值按照一定时间函数变化,并要求被控量随之变化,则此类系统称为程序控制系统。此外,根据组成系统的物理部件的类型,可分为机电控制系统、液压控制系统、气动系统以及生物系统等。根据系统的的被控量,又可分为位置控制系统、速度系统、温度控制系统等。一个理想的控制系统,在其控制过程中应始终使被控量等于给定值。但是,由于系统中储能元件的存在以及能源功率的限制,使得运动部件的加速度受到限制,其速度和位置难以瞬时变化。所以,当给定值变化时,被控量不可能立即等于给定值,而需要经过一个过渡过程,即瞬态过程。所谓瞬态过程就是指系统受到外加信号作用后,被控量随时间变化的全过程。瞬态过程可以反映系统内在性能的好坏,而常见的评价系统优劣的性能指标也是从瞬态过程定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。稳定性是这样来表述的:系统受到外作用后,其瞬态过程的震荡倾向和系统恢复平衡的能力。如果系统受到外作用力后,经过一段时间,其被控量可以达到某一稳定状态,则称系统是稳定的,否则不稳定的。快速性是通过瞬态过程时间长短来表征的,过渡过程时间越短,表明快速性越好,反之亦然。准确性是由输入给定值与输出响应的终值之间的差值来表征的,他反映了系统的稳定精度。若系统的最终误差为零,则称为无差系统,否则称为有差系统。稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试过程中,若过分强调系统的稳定性,则可能会造成系统响应迟缓和控制精度较低的后果;反之,若过分强调系统响应的快速性,则又会使系统的震荡加剧,甚至引起不稳定。自动控制理论研究的是如何接受控制对象和环境特征,通过能动地采集和运用信息,施加控制作用,使系统在变化或不确定的条件下正常运行并具有预定功能。它是研究自动控制共同规律的技术科学,其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。具有“自动”功能的装置自古有之,瓦特发明的蒸汽机上离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。麦克斯韦对它的稳定性进行分析,于1868年发表的论文当属最早的理论工作。从20世纪20年代到40年代形成了以时域法、频率法和根轨迹法为主要内容的“经典”控制理论。60年代以来,随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动,又产生了基于状态空间模型的“现代”控制理论。 随着自动化技术的发展,人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标,为了使系统在一定的约束条件喜下,其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。当对象或环境特性变化时,为了使系统能自行调节,以跟踪这种变化并保持良好的品质,又出现了自适应控制。虽然现代控制理论的内容很丰富,与经典控制理论相比较,它能解决更多更复杂的控制问题,但对于单输入、单输出线性定常系统而言,用经典控制理论来分析和设计,仍是最实用最方便的。
  真正优良的设计必须允许模型的结构和参数不精确并可能在一定范围内变化,即具有鲁棒性。这是当前的重要前沿课题之一,。总之,自动控制理论正随着技术和生产的发展而不断发展,而它反过来又成为高新技术发展的重要理论根据和推动力。它在工程实践中用得最多,也是进一步学习自动控制理论的基础。自动检测技术是自动化科学技术的一个重要分支科学,是在仪器仪表的使用、研制、生产、的基础上发展起来的一门综合性技术。自动检测就是在测量和检验过程中完全不需要或仅需要很少的人工干预而自动进行并完成的。实现自动检测可以提高自动化水平和程度,减少人为干扰因素和人为差错,可以提高生产过程或设备的可靠性及运行效率。自动检测的任务主要有两种,一是将被测参数直接测量并显示出来,以告诉人们或其他系统有关被测对象的变化情况,即通常而言的自动检测或自动测试;二是用作自动控制系统的前端系统,以便根据参数的变化情况做出相应的控制决策,实施自动控制。
  检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。广义的讲,检测技术是自动化技术四个支柱之一,从信息科学角度考察,检测技术任务寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号,以及确定二者间的定性、定量关系;从反映某一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下最为合适的表现形式,以及寻求最佳采集、变换、处理、传输、存贮、显示等方法和相应的设备。信息采集是指,自然界诸多被检查与测量量中提取有用信息。信息变换是将所提取出的有用信息进行电量形式幅值、功率等的转换.信息处理的任务,视输出环节的需要,可将变换后的电信号进行数字运算、模拟量-数字量变换等吃力。
  自动检测系统是自动测量、自动计量、自动保护、自动诊断、自动信号等诸多系统的总称.在上述系统中,都包含有被测量,敏感元件和电子测量电路,它们之间的区别仅在于输出单元。如果输出单元是显示器或记录器,则该系统叫做自动测量系统;如果输出单元是计数器或累加器,则该系统叫做自动计量系统,如果输出单元是报警器,则该系统是自动保护系统或自动诊断系统;如果输出单元是处理电路,则该系统是部分数据分析系统、自动管理系统或自动控制系统。
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