上篇自动控制原理
第一章自动控制系统概述
本章要点
本章简要介绍有关自动控制的基本概念、开环控制和闭环控制的特点、自动控制系统的基本组成和分类以及对自动控制系统的基本要求。
第一节自动控制的基本概念
自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。自动控制系统则是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。
在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；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。扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。
给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。通常情况下，系统有两种外作用信号：一是有效输入信号（以下简称输入信号），二是有害干扰信号（以下简称干扰信号）。输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值，并作用于系统的输入端。干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号，它不但可以作用于系统的任何部位，而且可能不止一个。由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制，严重时必须加以抑制或补偿。
第二节开环控制和闭环控制
自动控制有两种基本的控制方式：开环控制和闭环控制。与这两种控制方式对应的系统分别称之为开环控制系统和闭环控制系统。
一、开环控制系统开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。
电加热系统的控制目标是，通过改变自耦变压器滑动端的位置，来改变电阻炉的温度，并使其恒定不变。因为被控制的设备是电阻炉，被控量是电阻炉的温度，所以该系统可称为温度控制系统，如图1-1所示。
开环控制系统的优点是系统结构和控制过程简单，稳定性好，调试方便，成本低。缺点是抗干扰能力差，当受到来自系统内部或外部的各种扰动因素影响而使输出量发生变化
时，系统没有自动调节能力，因此控制精度较低。一般用于对控制性能要求不高，系统输入－输出之间的关系固定，干扰较小或可以预测并能进行补偿的场合。
图1-1人工控制的电炉箱
二、闭环控制系统
闭环控制则是在开环控制基础上引入人工干预过程演变而来的。如果要消除或减少扰动的影响,实现无论是否出现扰动，都能使炉温保持恒定的目标，常采用如图1-2所示系统。图中热电偶将检测到的温度信号T转变成电压信号U fT并以负反馈形式返回输入端与给定信号u T相比较，得到偏差电压Au,此偏差电压Au经过电压、功率放大后，改变电动机的转sT
速和方向，并通过减速器带动调压器，实现对炉温的闭环控制。输出量直接（或间接）地反馈到输入端形成闭环，使输出量参与系统的控制，这样的系统称为反馈控制系统，又称为闭环控制系统。在这里，控制装置和被控对象不仅有顺向作用，而且输出端和输入端之间存在反馈关系。图1-3表示控制系统组成框图。
图1-3电炉箱控制系统框图
当给定信号u sT固定不变时，而温度T因某些因素（如加热工件增加，或频繁开启炉
门等）降低时，通过负反馈的调节作用，将使温度T回升。其自动调节过程如下：
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闭环控制系统的突出优点是控制精度高，抗扰能力强，适用范围广。无论出现什么干扰，只要被控量的实际值偏离给定值时，闭环控制就会通过反馈产生控制作用来使偏差减小。这样就可使系统的输出响应对外部干扰和内部参数变化不敏感，因而有可能采用不太
精密且成本较低的元件来构成比较精确的控制系统。
闭环控制也有其固有的缺点：一是结构复杂，元件较多，成本较高；二是稳定性要求
较高。由于系统中存在反馈环节和元件惯性，而且靠偏差进行控制，因此偏差总会存在，
时正时负，很可能引起振荡，导致系统不稳定。可见控制精度与稳定性是闭环系统的基本
矛盾。
总结：开环控制与闭环控制系统的特点可归纳如下。
（1）在开环系统和闭环系统中，输入量和输出量都存在一一对应关系。
（2）在开环系统中，只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与系统的控
制，因而开环系统没有抗干扰能力；从控制结构上看，开环控制系统只有正向通道；而闭
环控制系统既有正向通道又有反向通道。
（3）闭环系统必须有检测环节和比较环节。
（4）闭环控制系统是利用偏差量作为控制信号来纠正偏差的，因此系统中必须具有
执行纠正偏差这一任务的执行机构。闭环系统正是靠放大了的偏差信号来推动执行机构，
进一步对控制对象进行控制。
第三节闭环控制系统的组成和基本环节
根据控制对象和使用元件的不同，一般控制系统主要由以下基本环节组成（见图1-4）。
1．控制对象或调节对象是指要进行控制的设备或过程，如前面所举例中的电炉箱等。
相应地，控制系统所控制的某个物理量，就是系统的被控制量或输出量，如电炉箱的温度等。闭环控制系统的任务就是控制这些系统输出量的变化规律，以满足生产工艺的要求。
2．执行机构一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。
3．检测装置或传感器该装置用来检测被控制量，如所举例中的热电偶等，并将其转换为与给定量相同的物理量。检测装置的精度和特性直接影响控制系统的控制品质，它是构成自动控制系统的关键性元件，所以一般应要求检测装置的测量精度高，反应灵敏，性能稳定等。
图1-4控制系统结构图
4．给定环节是设定被控制量的给定值的装置，如电位器。给定环节的精度对被控制量的控制精度有较大影响，在控制精度要求高时，常采用数字给定装置。
5．比较环节比较环节将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量。该偏差量由于功率较小或者由于物理性质不同，还不能直接作用于执行机构，所以在执行机构和比较环节之间还有中间环节。
6．中间环节中间环节一般是放大元件，将偏差信号变换成适于控制执行机构工作的信号。根据控制的要求，中间环节可以是一个简单的环节，如放大器；或者是将偏差信号变换为适于执行机构工作的物理量，如功率放大器。除此之外还希望中间环节能够按某种规律对偏差信号进行运算，用运算的结果控制执行机构，以改善被控制量的稳态和暂态性能，这种中间环节常称为校正环节。
在控制系统中，常把比较环节、中间环节合在一起称为控制器。
在图1-4所示自动控制系统结构图中，清楚地表明了各环节之间的关系和信号的传递方向。应注意，在结构图中，各环节的信号传递是有方向性的。如果在实际的环节中存在输出对输入的影响，那么这一影响可以用反馈的形式表示出来，这种反馈称为局部反馈，而系统输出量的反馈称为主反馈。按偏差原则和按扰动补偿原则结合起来构成的系统，称为复合控制系统。这种系统兼有二者的优点，并可构成精度很高的控制系统。
第四节自动控制系统的分类
自动控制系统分类方法很多，常见的主要有以下几种分类方法和基本类型。1．按输
宀输入饥 《扰动
*】触热4工件增减- 宀输出
«
】
別
速用
电减凋
反熾冋路
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