自动控制理论

1.1 引言

自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。控制技术的广泛应用，不仅将人们从繁重的体力劳动和大量重复性的操作中解放出来，而且也极大地提高了劳动生产率和产品质量。在科学技术发展的历史上控制技术始终起着重要的作用。因此，对于工程技术人员和科学工作者来说，掌握一定的控制技术是十分必要的。

本章将从自动控制原理的基本概念出发，介绍自动控制系统的基本结构、工作原理、控制方式以及分类。在对控制系统进行深入分析之前，明确自动控制原理研究的内容和对控制系统的基本要求。最后，给出本书的结构体系。

1.2 自动控制的基本概念

“控制”是一个很一般的概念或术语，在人们日常生活中随处可见。实际上自然界中的任何事物都受到不同程度的控制。但在自动控制原理中，“控制”是指为了克服各种扰动的影响，达到预期的目标，对生产机械或过程中的某一个或某一些物理量进行的操作。例如，日常生活中，对房屋的室内温度、汽车的方向和速度、洗衣机的控制；工业生产过程中，对电网电压、电机转速、锅炉的温度和压力、机器人的控制；生物工程中的人体温度和血压以及市场经济中的商品质量和价格的控制；航空航天工业中，对航天飞机的发射、飞行器的姿态控制等等。这些都是在自动控制原理中涉及到的控制问题。在这里，房屋、汽车、电网、电机、锅炉、航天飞机、飞行器等等称为被控对象，室内

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的温度、汽车的方向和速度、电网的电压、电机的转速、航天飞机发射

时的角度和速度、飞行器的姿态等等称为被控变量（简称被控量）。

在对被控量进行控制时，按照系统中是否有人参与，可分为人工控制和自动控制。若由人来完成对被控量的控制，称为人工控制；若由自动控制装置代替人来完成这种操作，称为自动控制。

图1.2.1描述的是人工控制的恒值水位系统。水池中的水源源不断地经出水管流出，以供用户使用。随着用水量的增多，水池中的水位必然下降。这时，若要保持水位高度不变，就得开大进水阀门，增加进水量以作补充。在本例中，若由人工控制来完成对水位的控制，需要操作者根据实际水位的多少（它反映出用水量大小）来调节进水阀门的开启程度（简称开度）。具体操作步骤如下：首先，操作者用眼睛测量实际水位，与期望水位进行比较，得到误差值；然后根据误差的大小和正负，由大脑指挥手去正确地调节进水阀门的开度。其控制目的是要尽量减小误差，使被控量尽可能地保持在期望值附近。

图1.2.1 人工控制的恒值水位系统

若用杠杆机构代替人工来进行操作，就成为自动控制，如图1.2.2所示。图中用浮子代替人的眼睛来测量水位的高低；另用一套杠杆机构代替人的大脑和手来计算误差和调节阀门开度。具体操作步骤如下：杠杆的一端由浮子带动，另一端则连向进水阀门。当用水量增大时，水位开始下降，浮子也随之降低，通过杠杆的作用，进水阀门上提，开度增大，进水量增加，使水位回至期望值附近。反之，若用水量变小，水位及浮子上升，进水阀门关小，减少进水量，使水位自动下降至

第1章 绪论

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图1.2.2 水位自动控制系统

期望值附近。其结果是，无论出水量多还是少，实际水位的高度总是在期望值附近。

上述的自动控制和人工控制的区别在于，在自动控制系统中某些装置被有机地组合在一起，代替了人工控制系统中人的功能。由于这些装置担负着控制的功能，通常称之为控制器。因此，自动控制系统可定义为，由被控对象和控制器按一定方式连接起来，完成某种自动控制任务的有机整体。

1.3 自动控制系统的基本形式

自动控制系统种类繁多，有机械的、电子的、液压的、气动的、抽象的等等。虽然这些控制系统的功能和复杂程度都各不相同，但就其基本结构形式而言，可分为两种类型：开环控制系统和闭环控制系统。

1.3.1 开环控制系统

若系统的输出量（即被控量）不返回到系统的输入端，则称之为开环控制系统。图1.3.1所示的汽车带速控制系统就属

于开环控制系统。

为了节省燃料，对于汽车带速控制系

统而言，不管发动机负载如何变化，都要

尽量将汽车发动机带速维持在较低水平。

如果没有带速的控制，那么负载的突然增加，将引起发动机转速急剧下降，从而导

致发动机熄火。因此，带速控制系统的主要目的,一个是消除或减小由于负载变化引起的速度下降；另一个是维持发动机带速为较低的期望值。

如图1.3.1所示，在带速控制系统中，风门角度α和发动机转速ω分别是系统的输入量和输出量，它们之间存在着一一对应的关系。负载力矩T L 称为扰动

（或

图1.3.1 汽车带速控制系统

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干扰），它包括空调的使用、加油和刹车等动作引起的力矩变化。扰动是不希望的系统输入量。在这个系统中它的存在将使发动机的转速偏离期望值。

通常，发动机转速处于期望值附近。当负载力矩T L增加时，发动机转速将下降。对于图1.3.1这样的开环控制系统，发动机转速的下降是无法反映到系统输入端的，因此对风门角度α不产生影响，也就无法消除负载力矩T L的变化对被控量发动机转速的影响。这就是开环控制系统的缺陷，它无法消除由于系统内部参数变化或外部扰动对系统被控量的影响。

开环控制系统结构如图1.3.2所示。由于在开环控制系统中，控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系，系统的被控变量对控制作用没有任何影响，系统的控制精度完全取决于所用元器件的精度和特性调整的准确度。因此开环系统只有在输出量难于测量且要求控制精度不高以及扰动的影响较小或扰动的作用可以预先加以补偿的场合，才得以广泛应用。

对于开环控制系统，只要被控对象稳定，系统就能稳定地工作。

图1.3.2 开环控制系统结构图

1.3.2 闭环控制系统

通常，在实际控制系统中，扰动是不可避免的。为了克服开环控制系统的缺陷，提高系统的控制精度以及在扰动作用下系统的性能，人们在控制系统中将被控量反馈到系统输入端，对控制作用产生影响，这就构成了闭环控制系统。

图1.3.3所示为汽车闭环带速控制系统的原理方块图。其中参考输入ωr给出了系统的期望带速。系统的输出量（即被控量）汽车的带速ω，通过速度传感器反馈到系统输入端。理想情况下，汽车带速维持在较低的期望值附近。如果负载力矩T L变化引起发动机转速ω发生变化，则这种转速的变化将通过转速传感器反馈到系统输入端，与参考输入比较，产生误差信号ωe。控制器将根据误差信号对风门角度α进行调节，以消除发动机转速与期望值之间的误差，使发动机转速维持在期望值附近。