置的各元部件（硬件）分别用一些方块表示。系统中感M兴趣的物理量（信号），如电流、电压、温度、位置、速M度、压力等，标志在信号线上，其流向用箭头表示。用M.进入方块的箭头表示各元部件的输入量，用离开方块of1的箭头表示其输出，被控对象的输出量便是系统的n输出量，即被控量，一般置于方块图的最右端；系统的输入量，即参据量，一般置于系统方块图的左端。d:t,44.反馈控制系统的基本组成AutAu反馈控制系统是由各种结构不同的元部件组成的。从完成“自动控制”这一职能来看，一个系统必然d1海包含被控对象和控制装置两大部分，而控制装置是由M,t具有一定职能的各种基本元件组成的。在不同系统中，结构完全不同的元部件却可以具有相同的职能，因此，将组成系统的元部件按职能分类主要有以下几OL2种：图1-3龙门刨床速度自动控制过程其职能是检测被控制的物理量，如果测量元件电动机比较电路放大器触发器晶闸管测速发电机上图1-4龙门创床速度控制系统方块图这个物理量是非电量，一般要再转换为电量。例如，测速发电机用于检测电动机轴的速度并转换为电压，电位器、旋转变压器或自整角机用于检测角度并转换为电压；热电偶用于检测温度并转换为电压等。给定元件其职能是给出与期望的被控基相对应的系统输入基（即参据量）。例如图1-2中给出电压uo的电位器。比较元件其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置、电桥电路等。图1-2中，由于给定电压u。和反馈电压u都是直流电压，故只需将它们反向串联便可得到偏差电压。效太元件其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大。热行元件其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。校正元件也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。最简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或有源:4
网络，复杂的则用电子计算机。一个典型的反馈控制系统基本组成可用图1-5方块图表示。图中，用“○”代表比较元件，它将测量元件检测到的被控量与参据量进行比较，“一”号表示两者符号相反，即负反馈“十”号表示两者符号相同，即正反馈。信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。只包含个主反馈通路的系统称单回路系统；有两个或两个以上反馈通路的系统称多回路系统串联0一效大元件一执行元件被控对象输入景补偿元件输出景盛馈局部反馈 补偿完件测量元件！L主反馈图1-5反馈控制系统基本组成一般，加到反馈控制系统上的外作用有两种类型，一种是有用输入，一种是扰动。有用输人决定系统被控量的变化规律，例如参据量：而扰动是系统不希望有的外作用，它破坏有用输入对系统的控制。在实际系统中，扰动总是不可避免的，而且它可以作用于系统中的任何元部件上，也可能一个系统同时受到几种扰动作用。电源电压的波动，环境温度、压力以及负载的变化，飞行中气流的冲击，航海中的波浪等，都是现实中存在的扰动，在图1-2的速度控制系统中，切削工件外形及切削量的变化就是一种扰动，它直接影响电动机的负载转矩，并进而引起刨床速度的变化5.自动控制系统基本控制方式反馈控制是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种控制方式。除此之外，还有开环控制方式和复合控制方式，它们都有其各自的特点和不同的适用场合。近几十年来，以现代数学为基础，引人电子计算机的新的控制方式也有了很大发展，例如最优控制、自适应控制、模糊控制等。（1）反馈控制方式如前所述，反馈控制方式是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。可以说，按反馈控制方式组成的反馈控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。但这种系统使用的元件多，结构复杂，别是系统的性能分析和设计也较麻烦。尽管如此，它仍是一种重要的并被广泛应用的控制方式，自动控制理论主要的研究对象就是用这种控制方式组成的系统。（2）开环控制方式开环控制方式是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过5*
程，按这种方式组成的系统称为开环控制系统，其特点处系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。开环控制系统可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。按给定量控制的开环控制系统，其控制作用直接由系统的输入量产生，给定个输入量，就有一个输出量与之相对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度。在图1-2刨床速度控制系统中，若只考虑虚线框内的部件，便可视为按给定量控制的开环控制系统，刨床期望的速度值是事先调节触发器CF的控制电压u确定的。这样，在下作过程中，即使刨床速度偏离期值，它也不会反过来影响控制电压u，因此，这种开环控制方式没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。但由丁其结构简单、调整方便、成本低，在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。目前，用于国民经济各部门的一些自动化装置，如自动售货机、自动洗衣机、产品生产自动线、数控车床以及指摔交通的红绿灯的转换等，一般都是开环控制系统按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响，这种控制方式也称顺馈控制。例如，在一般的直流速度控制系统中，转速常常随负载的增加而下降，且其转速的下降是出于电枢回路的电压降引起的，如果我们设法将负载引起的电流变化测量出来，并按其大小产生一个附加的控制作用，用以补偿由它引起的转速下降，这样就可以构成按扰动控制的开环控制系统，如图1-6所示。可见，这种按扰动控制的开环控制方式是直接从扰动取得信息，并据以改变被控，因此，其抗抗动性好，控制精度也较高，但它只适用十扰动是可测的场合。4贝u美一电压u,天+三图1-6按扰动控制的速度控制系统（3）复合控制方式按扰动控制方式在技术上较按偏差控制方式简单，但它只适用于扰动是可测量的场合，而且一个补偿装置只能补偿一种扰动因素，对其余扰动均不起补偿作用。因此，比较合理的一种控制方式是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对丁主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。这样，系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就比较容易设计，控制效果也会更好。这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式。图1-7表示一种同时按偏差和扰动控制电动机速度的复合控制系统原理线路图和方块图。.6:
4SM负载美夫麦笑RTZ皮1(a)2HH电阻瓶放大电压功率电动机放大黑放大器耐油发电机(b)图1-7电动机速度复合控制系统自动控制系统示例1-21.函数记录仪函数记录仪是一种通用的自动记录仪，它可以在直角坐标上自动描绘两个电量的函数关系。同时，记录仪还带有走纸机构，用以描绘～个电量对时间的函数关系。函数记录仪通常由衰减器、测量元件、放大元件、伺服电动机-测速机组，齿轮系及绳轮等组成，采用负反馈控制原理工作，其原理如图1-8所示。系统的输入是待记录电压，被控对象是记录笔，其位移即为被控量。系统的任务是控制记录笔位移，在记录纸上描绘出待记录的电压曲线。在图1-8中，测量元件是中电位器R。和R组成的桥式测量电路，记录笔就固定在电位器R的滑臂上，因此，测其电路的输出电压与记录笔位移成正比。当有慢变的输入电压u.时，在放大元件输入口得到偏差电压Au=u一u.，经放大后驱动伺服电动机，并通过齿轮系及绳轮带动记录笔移动，同时使偏差电压减小。当偏差电压△二0时，电动机停止转动，记录笔也静止不动。此时，u，二u，表明记录笔位移与输入电压相对应。如果输入电压随时间连续变化，记录笔便描绘出随时间连续变化的相应曲线。函数记录仪方块图
见图1-9，图中测速发电机反馈与电动机速度成正比的电压，用以增加阻尼，改善系统性能。放大器变换器85何胶电动机测速发电机图1-8函数记录仪原理示意图位程伺服齿轮系放大器e换器电动机维轮测速发电机测单电路图1-9函数记录仪方块图2.飞机-自动驾驶仪系统飞机自动驾驶仪是一种能保持或改变飞机飞行状态的自动装置。它可以稳定飞行的姿态、高度和航迹；可以操纵飞机爬高、下滑和转弯。飞机与自动驾驶仪组成的自动控制系统称为飞机-自动驾驶仪系统。如同飞行员操纵飞机一样，自动驾驶仪控制飞机飞行是通过控制飞机的三个操纵面（升降能、方向能、副翼）的偏转，改变能面的空气动力特性，以形成围绕飞机质心的旋转转矩，从而改变飞机的飞行姿态和轨迹。现以比例式自动驾驶仪稳定飞机俯仰角为例，说明其工作原理。图1-10为飞机-自动驾驶仪系统稳定俯仰角的原理示意图图中，垂直陀螺仪作为测量元件用以测量飞机的俯仰角，当飞机以给定俯仰角水平飞行时，陀螺仪电位器没有电压输出：如果飞机受到扰动，使俯仰角向下偏离期望值，陀螺仪电位器输出与俯仰角偏差成正比的信号，经放大器放大后驱动舵机，一方面推动升降舵面间上偏转，产生使飞机抬头的转矩，以减小俯仰角偏差；同时还带动反馈电位器滑臂，输出与能偏角成正比的电压并反馈到输入端。随俯仰角偏差的减小，陀螺仪电位器输出信号越来越小，舵偏角也随之减小，直到俯仰角回到期望值，这时，舵面也恢复到原来状态。.8