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2023-06-18
自动控制系统实例分享
【摘要】：在分析自动控制系统时，首先应明确下面一些问题。例1-1 涡轮喷气发动机转速控制系统，如图1-8所示。负反馈闭合回路，是按偏差控制的自动控制系统在结构联系和信号传递上的重要标志。图1-10位置随动控制系统首先应明确以下问题。
在分析自动控制系统时，首先应明确下面一些问题。
（1）受控对象是什么？被控量是什么？作用在受控对象上的主要干扰信号有哪些？
（2）通过操纵哪个机构来改变被控量？即确定执行元件。
（3）有哪些测量元件，测量的是被控量还是干扰信号？测量元件的确定对分析系统起着关键的作用。
（4）指令信号或给定值是由哪个装置提供的？
（5）如何实现各信号的综合比较、计算和判断偏差？
图1-8 涡轮喷气发动机转速控制系统
该控制系统的任务是保持涡轮转速nr和给定转速nc相等，即nr=nc，发动机的涡轮是由燃气推动的，而燃气是由压气机进来的空气和喷嘴喷出的燃油经燃烧后产生的，因此涡轮转速既受外界大气条件和飞行条件的干扰，同时也取决于供油量的多少。通过改变油量就可以控制转速。
首先应明确以下问题。
（1）受控对象：涡轮喷气发动机。
（2）被控量：涡轮转速nc。
（3）执行元件：为改变供油量的机构，系统中与柱塞泵的斜盘以及和斜盘相连接的油缸活塞。斜盘倾角不同，泵在同样转速下的供油量就不同。
（4）转速测量：靠离心块（转速传感器）来完成。转速不同，离心块产生的离心力不同，作用在滑阀上（分油活门）上的力的大小就代表了转速的大小。
（5）转速给定：由油门的位置给定。油门位置不同，作用在滑阀上的起始弹簧力也不同，起始弹簧力的大小就代表了给定转速的大小。
（6）比较元件：离心力和弹簧力在阀芯上进行比较，若两个作用力不相等，则推动阀芯打开油路，从而输出定压油驱动油缸活塞运动。
其工作原理如下。
假定在某飞行条件下nr=nc，若飞行高度降低了，则大气密度加大，涡轮承受的负载加大，转速下降，这时离心块产生的离心力将减小，阀芯上移，使定压油进入油缸活塞的上腔，推动活塞加大斜盘角度，增加供油量，从而使转速上升，直到nr=nc阀芯又将油路堵死。这时发动机在新的高度下运转，仍然保持了原来的转速。
如果由于飞行任务的需要，希望增加转速，则可推大油门。这时的转速控制过程读者可自行分析。
在控制器中要完成测量、比较计算和执行的职能，但每一种职能并不一定都对应一个单独的元件，有时一个元件起到几种作用。另外，在高精度系统中，放大元件和校正元件是不可少的。
根据以上的分析可画出该系统控制原理框图，如图1-9所示。
图1-9 涡轮喷气发动机转速控制原理框图
图1-9中按照在系统中的工作顺序，将每个职能部件用一个方框表示，箭头线段表示信号的传递方向，最右边的方框一般表示受控对象，其输出信号即被控量nc，而系统的输入量为给定值nr和干扰信号。
系统中存在着一个闭合的作用回路，信号经控制器的各部件、发动机之后又反馈到控制器的输入端。负反馈闭合回路，是按偏差控制的自动控制系统在结构联系和信号传递上的重要标志。
例1-2 位置随动控制系统，如图1-10所示。
该系统的控制任务，是使工作机械跟随指令机构同步运动，即要求θr=θc。
图1-10 位置随动控制系统
首先应明确以下问题。
（2）被控量：角位移θc。给定值为指令角位移θr。
（3）测量元件：同步器的两个电位器，分别把角位移交换成相应的电压信号ur和uc。
（4）比较计算元件：同步器组成的桥式线路，完成了减法运算Δu=ur-uc，代表θr对θc的偏差。
系统的工作原理：如果工作机械转角θc等于给定转角θr，则经事先整定Δu=ur-uc=0，电动机不动，系统处于平衡状态。如指令转角θr改变而工作机械仍处于原位不动，则此时θr-θc≠0，从而，Δu=ur-uc≠0，则偏差电压信号Δu经放大器放大为ud，从而使电动机拖动工作机械朝所要求的方向偏转，直到θr=θc，电动机停转，系统在新的位置上又处于与指令同步的平衡工作状态，即完成了随动的任务。
由此可以看出，系统通过测量Δu，对Δu的偏差来控制θc，所以仍是按偏差控制的自动控制系统，系统的控制原理框图如图1-11所示。同样也存在着一个负反馈的闭合回路。
图1-11 位置随动系统控制原理框图
工程技术中这种位置随动系统应用非常广泛，如舵机、发动机导向叶片转角、进气锥位移、尾喷口、船闸、轧机、刀架、工作台、雷达天线等。
这种系统的突出特点是指令信号根据工作需要经常变化，而且事先是无法完全确定的，可以用功率很小的指令信号操纵功率很大的工作机械，而且可以进行远距离控制。
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