自动控制理论第一章解析

2、开环控制系统结构图
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。
三.闭环控制系统的组成
闭环控制系统的组成 ： 就其工作原理来说，闭环控制系统是由给定装置、比较 比较元件通常位于低功率的 给定装置 校正装置：其功能是对偏差信 ： 其功能是 元件、校正装置、放大元件、执行机构、检测元件和被控对 输入端，由于提供的偏差信 给出与期望的被控量相 号进行加工处理和运算，以形 执行机构：其功能是执行控制 象组成的 。 号通常很微弱，因此须用放 对应的系统输入量（即 成合适的控制作用，或形成适 比较元件：其功能是将检测元 作用并驱动被控对象，使被控 大元件将其放大，以便推动 参考输入信号或给定 当的控制规律，从而使系统的 件测量到的被控量的实际值， 量按照预定的规律变化。 检测元件 ：其功能是测量被控制的 执行机构去控制被控对象。 值）。 被控量按预定的规律变化。 与给定装置提供的给定值进行 物理量，并将其反馈到系统输入端。 比较，求出它们之间的偏差。 扰动
这种通过负反馈产生偏差，并根据偏差的信息进行控制，以 达到最终消除偏差或使偏差减小到容许范围内的控制原理，称 为负反馈控制原理，简称反馈控制原理。因此闭环控制系统又 称为反馈控制系统或偏差控制系统。
通常，在闭环控制系统中，从系统输入量到系统被控量之间 的通道称为前向通道，从被控量到输入端的反馈信号（用以减 少或增加输入量的作用）之间的通道称为反馈通道。
例：人工控制的恒值水位系统
要求水位 阀门 进水 水池
实际水位
出水
若用杠杆机构代替人工来进行操作，就成为自动控制，如图所示。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。
第一章 绪
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，而且也极大的提高了生产劳动率和产 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。
二. 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（例1） 人工控制：由人来完成对被控量的控制。 自动控制：由自动控制装置代替人来完成对被控量的控 制。 三.自动控制系统：是指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。 例：交通控制、水位控制、 经济控制、人体控制
输入信号 给定装置
r (t )
1.3
自动控制系统的基本形式
一、开环控制系统
1.定义：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。如图所示的汽车带速控制系统就属于开环控制系统。
在带速控制系统中，风门角度和发动机转速分别是 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TL称为扰动（或干扰），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TL增加时，发动机 转速将下降。对于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 角度不产生影响，也就无法消除负载力矩TL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。
1.2 自动Βιβλιοθήκη 制的概念及应用 一. 控制：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；航空航天工业中，对航 天飞机的发射、飞行器的姿态控制等。 房屋、汽车、电网、电机、锅炉、航天飞机等被称为被控对 象，室内温度、汽车方向和速度、电网的电压、电机的转速、 航天飞机发射时的角度和速度等被称为被控变量。
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。
二、闭环控制系统
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。 如图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r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，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TL变化引起 发动机转速发生变化，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e。控制器将根据误差信号对风门角度进行调节， 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。