第1章自動控制系統概述

1.1自動控制理論的發展史及內容

1.2開環控制和閉環控制

1.3自動控制系統的組成

1.4自動控制系統的分類

1.5對自動控制系統的基本要求

1.6自動控制系統實例

小結

1.1自動控制理論的發展史及內容

在工業、農業、交通運輸和國防各個方面都離不開自動控制。所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置對生產過程、工藝參數、目標要求等進行自動的調節與控制，使之按照預定的方案達到要求的指標。自動控制系統性能的優劣，將直接影響到產品的產量、質量、成本、勞動條件和預期目標的完成。因此，自動控制越來越受到人們的重視，在控制理論和技術應用方面也獲得了飛速的發展。

1)經典控制理論

2)現代控制理論

3)智能控制理論圖1-1對自動控制理論的具體描述1.2開環控制和閉環控制

1.開環控制系統(Open-loopControlSystem)

例如，一臺洗衣機就是一個開環控制系統。其浸濕、洗滌、漂清和脫水過程都是根據設定的時間程序依次進行的，而無需對輸出量(如衣服清潔程度、脫水程度等)進行測量。

又如，普通機床的自動加工過程也是開環控制。它是根據預先設定的加工指令(切削深度、行程距離)進行加工的，而不用去檢測其實際加工的程度。

再如，如圖1-2所示的由步進電動機驅動的數控加工機床，也是一個沒有反饋環節的開環控制系統。圖1-2數控加工機床示意圖圖1-3為數控加工機床開環控制方框圖。此系統的輸入量為加工程序指令，輸出量為機床工作臺的位移，系統的控制對象為工作臺，執行機構為步進電動機和傳動機構。由圖可見，系統無反饋環節，輸出量并不返回來影響控制部分，因此是開環控制。圖1-3數控加工機床開環控制方框圖

2.閉環控制系統(Closed-loopControlSystem)

若系統輸出量通過反饋環節返回來作用于控制部分，形成閉合環路，則這樣的系統稱為閉環控制系統，又稱為反饋控制系統(FeedbackControlSystem)。

圖1-4為電爐箱恒溫自動控制系統。圖1-4電爐箱恒溫自動控制系統由圖1-4可見，采用熱電偶來檢測電爐箱溫度，并將爐溫轉換成電壓信號UfT，然后反饋至輸入端與給定電壓UsT進行比較，由于是采用負反饋控制，因此兩者極性相反，兩者的差值ΔU稱為偏差電壓(ΔU=UsT－UfT)。此偏差電壓作為控制電壓，經電壓放大和功率放大后，去驅動直流伺服電動機，電動機經減速器帶動調壓變壓器的滑動觸頭來調節爐溫。電爐箱的自動控制方框圖如圖1-5所示。圖1-5電爐箱自動控制方框圖當爐溫偏低時，UfT<ＵsT，ΔU=(UsT－ＵfT)>0，此時偏差電壓極性為正。此偏差電壓經電壓放大和功率放大后，產生的電壓Ua(設Ua＞0)供給電動機電樞，使電動機“正”轉，帶動調壓器滑點右移，從而使電爐供電電壓(UR)增加，電流加大，爐溫上升，直至爐溫升至給定值，即T=TsT(TsT為給定值)，UfT=UsT，ΔU=0時為止。這樣爐溫可自動恢復，并保持恒定。

爐溫自動調節過程如圖1-6所示。圖1-6爐溫自動調節過程

1.3自動控制系統的組成

現以圖1-4和圖1-5所示的恒溫控制系統來說明自動控制系統的組成和有關術語。為了表明自動控制系統的組成以及信號的傳遞情況，通常把系統各個環節用框圖表示，并

用箭頭標明各作用量的傳遞情況，圖1-7便是圖1-4所示系統的方框圖。方框圖可以把系統的組成簡單明了地表達出來，而不必畫出具體線路。圖1-7自動控制系統的方框圖由圖1-7可以看出，一般自動控制系統包括：

(1)給定元件(CommandElement)

(2)檢測元件(DetectingElement)

(3)比較環節(ComparingElement)

(4)放大元件(AmplifyingElement)

(5)執行元件(ExecutiveElement)

(6)控制對象(ControlledPlant)

(7)反饋環節(FeedbackElement)由圖1-7可見，系統中的各種作用量和被控制量包括：

(1)輸入量(InputVariable)

(2)輸出量(OutputVariable)

(3)反饋量(FeedbackVariable)

(4)擾動量(DisturbanceVariable

(5)中間變量(SemifinisbedVariable)

1.4自動控制系統的分類

1.按輸入量變化的規律分類

自動控制系統按輸入量變化的規律可分為以下三類。

1)恒值控制系統(FixedSet-PointControlSystem)

2)隨動控制系統(Follow-UpControlSystem)

3)程序控制系統(ProgrammeControlSystem)

2.按系統傳輸信號對時間的關系分類

自動控制系統按系統傳輸信號對時間的關系可分為

兩類。

1)連續控制系統(ContinuousControlSystem)

2)離散控制系統(DiscreteControlSystem)

3.按系統的輸出量和輸入量間的關系分類

自動控制系統按系統的輸出量和輸入量間的關系可分為兩類。

1)線性系統(LinerSystem)

2)非線性系統(NonLinerSystem)

4.按系統中的參數對時間的變化情況分類

自動控制系統按系統中的參數對時間的變化情況可分為兩類。

1)定常系統(Time-InvariantSystem)

2)時變系統(Time-VaryingSystem)

1.5對自動控制系統的基本要求

1.穩定性

穩定性是保證控制系統正常工作的先決條件。一個穩定的控制系統，其被控量偏離期望值的初始偏差應隨時間的增長逐漸減小或趨于零。

2.快速性

為了很好地完成控制任務，控制系統僅僅滿足穩定性要求是不夠的，還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態性能。

3.準確性

理想情況下，當過渡過程結束后，被控量達到的穩態值(即平衡狀態)應與期望值一致。但實際上，由于系統結構，外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響，被控量的穩態值與期望值之間會有誤差存在，稱為穩態誤差。穩態誤差是衡量控制系統控制精度的重要標志，在技術指標中一般都有具體要求。

1.6自動控制系統實例

1.軋鋼計算機控制系統

軋鋼計算機控制系統的工作原理如圖1-8所示。圖1-8軋鋼計算機控制系統的原理圖軋鋼計算機控制系統的原理方框圖如圖1-9所示。圖1-9軋鋼計算機控制系統的原理方框圖

2.機床臺控制系統

機床臺控制系統的工作原理如圖1-10所示。圖1-10機床臺控制系統的原理圖機床臺控制系統的原理方框圖如圖1-11所示。圖1-11機床臺控制系統的原理方框圖

3.液位控制系統

液位控制系統的工作原理如圖1-12所示。圖1-12液位控制系統的原理圖液位控制系統的原理方框圖如圖1-13所示。圖1-13液位控制系統的原理方框圖

4.轉速、電流雙閉環直流調速系統

轉速、電流雙閉環直流調速系統原理圖如圖1-14所示。系統的方框圖如圖1-15所示。圖1-14轉速、電流雙閉環直流調速系統原理圖圖1-15轉速、電流雙閉環直流調速系統方框圖小結

1.開環控制系統結構簡單、穩定性好，但不能自動補償擾動對輸出量的影響。當系統擾動量產生的偏差可以預先進行補償或影響不大時，采用開環控制是有利的。當擾動量無法預計或控制系統的精度達不到預期要求時，則應采用閉環控制。

2.閉環控制系統具有反饋環節，它能依靠負反饋環節進行自動調節，以補償擾動對系統產生的影響。閉環控制極大地提高了系統的精度。但閉環系統使系統穩定性變差，需要重視并加以解決。

3.自動控制系統通常由給定元件、檢測元件、比較環節、放大元件、執行元件、控制對象和反饋環節等部件組成。系統的作用量和被控制量有：輸入量、反饋量、擾動量、輸出量和中間變量。

方框圖可直觀地表達系統各環節(或各部件)間的因果關系，可以表達各種作用量和中間變量的作用點和傳遞情況以及它們對輸出量的影響。

4.恒值控制系統的特點是：輸入量