自动控制技术第二章
第二章 自动控制系统的应用实例
§2.1 恒值系统的应用实例
一、 电炉箱恒温自动控制系统
一个由电阻丝通电加热的电炉箱，由于炉壁散热和增、减工件，使炉温产 生变化，而这种变化通常是无法预先确定的。因此，若工艺要求保持炉温恒定，则开环控制将无法自动补偿，必须采用闭环控制。由于需要保持恒定的物理量是温度，所以最常见的方法便是采用温度负反馈。如图2.1所示，该系统采用热电偶来检查温度，并将炉温转换成电压信号U fT （毫伏级），然后反馈至输入端，与给定电压U sT 进行比较，由于是采用负反馈控制，因此两者极性相反，两者的差值ΔU
称为偏
差电压（ΔU=U sT -U fT ）。此偏差电压作为控制电压，经电压放大和功率放大后，去驱动直流伺服电动机（控制电动机电枢电压），电动机经减速器带动调压变压器的滑动出触头，来调节炉温。电炉箱自动控制系统框图如图2.2所示。
当炉温偏低时，U sT >U fT ，ΔU=（U sT -U fT ）>0，此时偏差电压极性为正，此偏差电压经电压放大和功率放大后，产生电压U a (设U a >0),供给电动机电枢，使电动机“正”转，带动调压变压器滑动触点右移，从而使电炉供电电压(U R ) 增加，电流加大，炉温上升，直到使炉温升至给定值，即T= TsT （T St 为给定值），U sT =U fT ，ΔU=0时为止。这样炉温可自动恢复，并保持恒定。
炉温自动调节过程如图2.3所示。
反之，当炉温偏高时，则ΔU=＜0，经放大后使电动机“反”转，滑动触点左 移，供电电压减小，直至炉温降至给定值。
炉温处于给定值时，ΔU=0，电动机停转。
由以上分析可见，反馈控制可以自动进行补偿，这是闭环控制的一个突出的优
点。当然，闭环控制要增加检测、反馈比较、调节器等部件，会使系统复杂、成本提高。而且闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差，甚至造成不稳定。这是采用闭环控制时必须重视并要加以解决的问题。
二、 水位控制系统
水位控制系统的工作原理如图2.4所示，其控制任务是使水位保持恒定。
系统控制原理分析：假设经过事先设定，系统在开始工作时液位h 正好等于给 定高度H ，即Δh=O，浮子带动连杆位于电位器0电位，故电动机、阀门L 1都静止不动，进水量保持不变，水面高度保持设定高度H 。
如果这时由于阀门L 2突然开大，出水量增大，则水位开始下降，Δh ＞O ，经 过浮子测量，此时连杆上移，电动机得电正转，使阀门L 1开度增大，从而增加进水量，水位渐渐上升，直至重新等于设定高度H 。
如果这时由于阀门L 2突然关小，出水量减小，则水位开始上升，Δh ＜O ，经 过浮子测量，此时连杆下移，电动机得电反转，使阀门L 1开度减小，从而减小进水量，水位渐渐下降，直至重新等于设定高度H 。可见系统在此两种情况下都能保持希望高度。
通过以上分析可以得出：此系统是通过测量水面实际高度与给定液面高度的偏 差值来进行控制工作的，也是按偏差调节的控制系统。同时不难看出：该系统的被控对象是水池；被控量是水面高度；设定装置是电位器；测量变送装置是浮子连杆；干扰是出水量；执行装置是电动机、减速器、阀门L 1。这样就得到了如图2.5所示的水位控制系统的原理框图。
由图2.5可以看出，水位控制系统也存在负反馈环节。
§2.2 随动系统的应用实例
一、 舵轮随动系统
舵轮随动系统的任务是使轮船的尾舵随时跟随舵轮的角度而旋转。其工作原理 图如图2.6所示。
由图2.6可见，在轮船航行时，如果船的尾舵转角与舵轮的转角相等时， 两电位器A 、B 的电压相等，此时的ΔU=0，电动机不动，系统处于平衡状态。如果舵轮的输入角度θr 变化了，而尾舵仍处于原位，则Δθ≠0，两电位器A 、B
的电压
就不相等了，此时的ΔU ≠0，电动机开始旋转，拖带尾舵朝所要求的方向旋转，直至尾舵的角度θc 与舵轮的输入角度θr 相等，ΔU 又恢复为零，电动机停转，系统即在新的位置上重新保持平衡直到舵轮的角度再次发生变化。也就是说此系统是使被控量一直随给定量的变化而变化，而给定量的变化规律又无法事先确定。这种能够任意跟踪给定量的变化而变化的系统就称为随动系统。其原理方框图如图2.7所示。
二、导弹发射架的方位控制系统
图2.8所示是一个用以控制导弹发射架方位的随动系统原理图。
图中电位器RP1和RP2并联后跨接到同一个电源E 0的两端，其滑臂分别于输 入轴和输出轴连接，以组成方位角的给定装置和反馈装置。输入轴由手轮操纵，输出轴则由直流电动机经减速后带动，电动机采用电枢控制的方式工作。
当摇动手轮使电位器RP1的滑臂转过一个输入角θi 瞬间，由于输出轴的转角 θo ≠θi ，于是出现一个角差
θe =θi -θo
该角度通过电位器RP1和RP2转换成电压，并以偏差电压的形式表示出来，即
u e =ui -u o
显然，若θi ＞θo ，则u i ＞u o ，u e =ui -u o ＞O 。该电压经放大后驱动电动机做正向转动，带动导弹发射架转动的同时，并通过输出轴带动电位器RP2
的滑臂转过一定
的角度θo ，直至θo =θi 时，θe =0，偏差电压u e =哦，电动机才停止转动。这时，导弹发射架就停留在相应的方位角上。也就是说，随动系统输出轴的运动已经完全复现（重演）了输入轴的运动。可见，随动系统是角度的控制系统，其中的输出角总是力图跟随输入角的变化而变化。
系统的方块图如图2.9所示。
其中，作为系统输出量方位角θo 是全部（不是一部分）直接反馈到输入端与输入量θi 进行比较的，故称为全反馈系统或单位反馈系统。在本系统中，只要θo ≠θi ，系统就会出现偏差，从而产生控制作用，控制的结果是消除偏差角θe ，使输出量θo 严格地跟随输入量θi 的变化而变化。因而随动系统又称同步跟踪系统。此外，转动手轮所需能量甚小，而导弹连同发射架的质量却很大，转动所需能量很大，这意味着随动系统是一个功率放大装置，故常称为伺服系统。
§2.3 程序控制系统的应用实例
当自动控制系统的给定信号是已知的时间函数时，称这类系统为程序控制系统。图2.10所示是一个仿型铣床的原理示意图。
该系统为闭环控制系统。其工作原理是：刀架电动机拖动刀架前行的同时带动靠模触指，触指的上下运动使电位器滑臂移动，得到不同的电压与误差进行比较，再经过电压和功率放大，驱动刀架电动机带动刀架做上下运动，最终使得加工的工件与模型一样。但是，制作精确的立体木模是一个精细、费时的工作，所以后来又将木模以纸带（或磁带）上的脉冲系列来代替，这时的闭环控制系统如图2.11所示。加工时由光电阅读机把记录在穿孔纸带（或磁带）上的程序指令，变成电脉冲（即指令脉冲），送入运算控制器。运算控制器完成对控制脉冲的寄存、交换和计算，并输出控制脉冲给执行机构。执行机构根据运算控制器送来的电脉冲信号，控制机床的运动，完成切削成形的要求。
习题
1. 在图2.8所示导弹发射架方位控制系统中，若把放大器的放大系数调得 很大（但未饱和），系统将出现什么现象？并解释其原理。
2. 试叙述空调器的工作原理，并说明它是属于哪种控制系统。
3. 试举一个随动控制的例子，并说明它的工作原理。