自动控制系统简介

第二章自动控制系统

随着生产和科学技术的发展，自动控制广泛应用于电子、电力、机械、冶金、石油、化工、航海航天、核反应等各个学科领域及生物、医学、管理工程和其他许多社会生活领域，并为各学科之间的相互渗透起到促进作用。自动控制技术的应用，不仅使生产过程实现了自动化，改善了劳动条件；同时全面提高了劳动生产率和产品质量、降低了生产成本、提高了经济效益；在人类征服大自然、探索新能源、发展新技术和创造人类社会文明等方面都具有十分重要的意义。可以说，自动控制已成为推动经济发展，促进社会进步所必不可少的一门技术，掌握有关自动控制的知识显得越来越重要。

§2.1自动控制系统概述

所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使整个生产过程或工作机械自动地按预选规定的规律运行，达到要求的指标；或使它的某些物理量按预定的要求变化。所谓系统，就是通过执行规定功能、实现预定目标的一些相互关联单元的组合体。自动控制系统就是为实现某一控制目标所需要的所有装置的有机组合体。例如，家用电冰箱能保持恒温；高楼水箱能保持恒压供水；电网电压和频率自动保持不变；火炮根据雷达指挥仪传来的信息，能够自动地改变方位角和俯仰角，随时跟踪目标；人造卫星能够按预定的轨道运行并返回地面；程序控制机床能够按预先排定的工艺程序自动地进刀切削，加工出预期几何形状的零件；焊接机器人能自动地跟踪预期轨迹移动，焊出高质量的产品。所有这些自动控制系统的例子，尽管它们的结构和功能各不相同，但它们有共同的规律，即它们被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。

自动控制系统中常用的名词术语

系统——系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。在工程领域中，系统可以是电气、机械、气动和液压或它们的组合。不同的系统所要完成的任务也不同。有的要求某物理量(如温度、压力、转速等)保持恒定，有的则要求按一定规律变化。

输入信号——作用于系统的激励信号定义为系统的控制量或参考输入量。通常是指给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号

输出信号——被控对象中需要控制的物理量定义为系统的被控量或输出量。它与输入量之间保持一定的函数关系。

反馈信号——由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。

偏差信号——指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差，其实质是从输入端定义的误差信号。

误差信号——指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差，其实质是从输出端定义的误差信号。

扰动信号——在自动控制系统中，妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、能破坏系统输出规律的不利因素。

例如，在直流调速系统中，触发器放大倍数的变化，外接交流电源的电压波动，电动机负载的变化等，都可看成是扰动量。扰动量和控制量都是自动控制系统的输入量。扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。内部扰动是指来自系统内部的扰动，如系统元件参数的变化。来自系统外部的扰动称为外扰动，如电动机负载的变化、电网电压的波动、环境温度的变化等。在控制系统中如何使被控制量按照预定的变化规律变化而不受扰动的影响，这是控制系统所要解决的最基本的问题。

§2.2开环控制系统与闭环控制

自动控制系统的结构形式多种多样。若通过某种装置使系统的输出量反过来影响系统的输入量，这种作用称为反馈作用。反馈环节构成的回路称为环。控制系统按照是否设有反馈环节，可以分为两类：一类是开环控制系统，另一类是闭环控制系统。若要实现复杂且精度较高的控制任务，可将开环控制和闭环控制结合在一起，形成复合控制。

2.2.1开环控制系统

所谓开环控制系统是指系统只有输入量的向前控制作用，输出量并不反馈回来影响输入量的控制作用。即系统的输出量对系统的控制作用没有影响，在开环系统中，由于不存在输出量对输入量的反馈，因此系统不存在闭合回路。其控制系统框图如图2-2-1所示。

图2-1

开环控制系统框图

下面以图2-2-2所示的晶闸管供电直流电动机系统图说明开环控制系统。在该控制系统中，放大器、触发器、晶闸管可控整流器组成调速系统对直流电动机转速进行调节。直流电压经电位器RP分压后得到与电动机转速对应的给定电压Us，经放大器A放大后得到控制信号Uc，再经触发整流装置得到电机端电压Ud。电机的转速n随着Ud变化而变化。本系统的预定目标是根据给定的电压调节电机的转速，电动机的转速是被控量，给定电压Us是控制量。电动机是接受控制的装置，常被称为被控对象、被控装置或被控系统。对被控对象进行控制的所有元件称为施控装置。施控装置的输出量Ud，即被控对象的输入量，称为操纵量。直接改变操纵量的元件称为执行装置或末级施控装置。从图中可看出，电机的转速n对输入端不产生影响。

图2—2 晶闸管供电直流电动机系统图

开环系统的优点是结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。开环系统的精度主要取决于控制信号的标定精度、控制装置参数的稳定程度以及外部扰动因素。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数和外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。

开环控制的缺点是当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素(如负载变化、电源电压波动等)以及来自系统内部的扰动因素(如元件参数变化等)时，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿。因此，开环系统对控制信号和元器件的精度要求较高。

2.2.2闭环控制系统

闭环控制系统又称为反馈控制系统，这类系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量可以反馈到输入端，输出量反馈与输入量共同完成控制作用。闭环控制系统利用了负反馈获取偏差(M，一u。)信号，利用偏差产生控制作用去克服偏差。这种控制原理称为反馈控制原理。由于闭环控制系统具有很强的纠偏能力，且控制精度较高，因而在工程中获得广泛应用，其控制系统框图如图2-3所示。

图2一3 闭环控制系统框图

如果要对图2—2所示开环控制系统引入反馈回路，可以用测速发电机检测被控制量(转速)，然后反馈到输入端，就构成了闭环控制系统，如图2—4所示。图中电动机轴上连接一台永磁式直流测速发电机TG，它将检测到的转速信号n转变成电压信号,经RP2分压后