的形状。1.1.3.2按系统的结构特点分类（1）反馈控制系统反馈控制系统是根据系统被控量与给定值的偏差进行工作的，最后达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据，图1.4所示的液位控制系统，就是一个反馈控制系统。因为该系统由被控量的反馈构成一个闭合回路，所以又称为闭环控制系统，这是过程控制系统中最基本的一种，另外，反馈信号也可能有多个，从而可以构成一个以上的闭合回路，称为多回路反馈控制系统。（2）前馈控制系统前馈控制是直接根据扰动进行工作的，扰动是控制的依据，由于它没有被控的反馈，所以不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。图1.7所示为前馈控制系统方块图。扰动f（t）是引起被控量（t）变化的原因，前馈控制器是根据扰动f（t）进行工作的，可以及时抵消扰动f（t）对被控量y（t）的影响。但是，由于前馈控制是一种开环控制，无法检查控制的效果，所以在实际生产过程中是不能单独应用的。[f(t)测量仪表对象前馈调节器调节阁y(e)图1.7前馈控制系统方块图（3）复合控制系统（前馈-反馈控制系统）前馈开环控制的主要优点是能针对主要的扰动迅速及时地改变控制量，克服扰动对被控量的影响。所以，在反馈控制系统中加人对于主要扰动的前馈控制，构成复合控制系统、f(o)丽馈词节器优动通邀友馈测节器调节阁对象图1.8复合控制系统方块图6
可以提高控制质量。图1.8所示为复合控制系统方块图。除上述分类方法之外，还可分为简单控制系统、复杂控制系统等等，不再详述1.1.4自动控制系统的应用随着各种传感器技术的发展，特别是电子计算机技术的发展，自动控制技术已日益产泛地应用于各行各业和人民日常生活中。大至航天飞船，小至家用电器，无处不有自动控制系统的应用。以机器人为例。人们感到厌烦的工作或危险环境下的工作，由机器人来承担是非常合适的。例如，在有放射性爆炸可能性的原子炉中进行的组装、检修作业，以及在可能爆发事故的煤矿中进行挖掘工作等。另外，还有在医院或康复院中的所谓看护机器人。由于惠者及身残者在多数情况下需要看护人抱着移动，因此，看护人会发生腰痛等职业病，如果使用机器人，就可以避免。图1.9所示是日本研制的抱起搬运辅助机器人MELKOVG的示意图。另外，使用机器人，很容易实现24h工作的4无人工厂。但是，这些机器人多数是用来进行加工、组装、检验等，属于生产用的自动机械。今后还将研制各种智能机器人，具有判断能力，从而与人更接近一步。在这里，起重要作用的是物体检测传感器，特别是视觉传感器和触觉?（压觉、滑动觉）传感器。机器人中，作为视觉传感器有代表性的是利用摄像管和CCD（电荷耦合器件）的图像传感器。另外，在用手臂抓物的时候，过紧则损坏，过松则落下，因此触觉传感器的调节作用是非常重要的。作为执行机构，为了能进行规定的精密操作，需要多关节的臂及多关节的机械手。高级智能机器人的实现将是很久以后的事。图1.9患者抱起搬运辅助机器人可是，智能机器人一旦普及，不仅特殊作业，而MELKONG的示意图且一般生产和事务乃至家务，也许全部由机器人处理。因此也有人担心，人们无事可做，会发生严重的社会问题。确实是这样，不能任何工作都由机器人承担，最好在渴望提高人性的领域采用机器人。1在给水排水工程中，自动控制技术的应用也在日益发展。在西方发达国家已出现无人值班的全自动化水厂，节省了大量的人力。在供水管网上采用遥测技术，自动收集各节点的工作参数，可以实现全供水系统自动调度调节，实现运行优化。在给水排水工程中各个局部环节，自动控制技术则有着更为广泛的应用，如建筑内的恒压给水系统，供水、排水泵站的自动控制系统，水处理单元环节的自动控制系统等，比比皆是。但就整体而言，自动控制技术在给水排水工程中的应用仍是初步的。随着自动控制技术与给水排水工程技术!的不断进步，给水排水工程自动化的水平必将不断提高，它将推动水工业技术现代化的进程，并带来更大的社会效益与经济效益。7
1.2传递函数与环节特性1.2.1方块图和传递函数自动控制系统中每个组成环节的特性将对控制过程起什么影响？为了达到预定的控制要求，应构成怎样的控制回路，应选择怎样的控制器特性？为了解决这些问题，常应用方块图和传递函数作为分析的基本手段，对自动控制系统进OO行进一步的分析。方块图和传递函数是自动化理论的重要u2基础。O在自动控制理论中，常以微分方程的方式描述输出信2号与输人信号的关系。例如图1.10所示的阻容电路，在输图1.10阻容电路出电压u与输入电压u:之间有如下关系：dua([.2)" RC(u, - u.)dr式中R—电阻：C电容。用微分方程来描述环节或系统的关系，不仅复杂，而且求解十分麻烦。为此、更常见的是进行拉普拉斯变换（简称拉氏变换）。拉氏变换是一种积分变换，将微分积分函数转化为代数幂函数形式，将微分方程转化为代数方程·是一-种简化运算的手段。关于拉氏变换的详细内容可参考有关的数学书籍。在此仅简单介绍它的应用方法。拉氏变换把一个时间函数f（t)变换为另一个复变量s的函数F（s）。也正像对于：个数可以找出它的对数值一样，对于一个时间t域内的函数t)，可以找出它的复变崽s域的变f()与F(s)是换式F（s），例如，对于阶跃函数f(r)=A，它的拉氏变换式是F（s）=二(对应的.可以认为F(s)是(t)的肤象，(t)称原函数.F(s)为象函数，F(s)=Lf(t))拉氏变换表示为：拉氏反变换表示为：F(t)=L-1F(s)用拉氏变换进行计算时，有现成的变换表可查，见表1.1。拉氏变换表表 1. 110oIo:0-f(t)-F(s)-f()e-"def(t)=/F(s)JoeMdr1f(n)1>Cf()1>0AA/semn!/(s+a)+1/s2te-asinotwi 115-a)+e1n!/s+r-"cOSOKtafur-即（0）c41/s+usF(a)+do++Fted+?dsincorensart(t---:fi2..08
在自动控制理论中，人们常常把输入信号拉氏变换用X（s)代替，输出信号拉氏变换用Y（s）代替。将微分方程变为拉氏变换代数方程的方法：(1）分别用X(s)、Y(s)代替r(t)、y(t);d2d（2）用：代替品或。代替品：（3）用一代替dt；（4）常数不变。于是图1.10所示的阻容环节，其一般拉氏变换式为：(RCs+ 1)Y(s) =X(s)(1.3)若输入信号（t）是一个幅度E的阶跃信号，则：1EY(S)= RCs+1'RCE+E(1.4)=-RCs+1+.s也可查表进行皮变换：(t)=E(1-e-R)(1. 5)分析自动控制系统，应用拉氏变换的方法比用微分方程法要简单，若再配以方块图形式·会更加清楚和简单。前面曾介绍过方块图，一个方块代表一个环节。在方块中填人微分方程的拉氏变换式，把输出和输人的变换式分别写在方块的输出箭头线和输入箭头线上，就可直接看出各环节的e;(s)ee)KRCs+1联系以及环节对信号的传递过程，如图1.11。方块内的拉氏变换即传递函数。传递函数可用来描述环节或自动控制系统的特性。可以92图1.11环节方块图将输人-输出关系一目了然地表示出来。传递函n数定义为：一个环节或一个自动控制系统，输出拉氏变换与输入拉氏变换之比。用Y（s）代表输出的拉氏变换，用X（s）代表输入的拉氏变换，则传递函数可表示为：Y(s)G(s) = X(5)(1.6)A2式中G(s)一环节或系统的传递函数。传递函数方法，实际上就是用以：为变量的代数方程，代替了以为变量的微分方程，来表示系统或环节的固有的动态特性。环节的传递函数与外界输人到该环节的输人信号无关，它的形式只决定于环节或系统的内部结构。式（1.6)展示了G(s)、Y(s）、X(s)三者之间的关系。对于已知传递函数的系统或环节，输人一个特定信号X（s)时，将式（1.6）变为Y（s)=G(s）·X（s），就可分析出系统或环节的输出随时间变化的规律，这为我们分析系统提供了方法。当系统或环节的物理过程不清，不知其传递函数时，可以输入特定信号X（s），通过对输出的观察记录得到Y（s），再通过式（1.6），就可求出该环节或系统的传递函数。这就是利用实验方法求取系统或环节传递函数的过程。如果根据工程需要，预期得到系统或环节在特定X（s）情况下的输出特性Y（s），可9
根据式（1.6）构造出这个系统或环节的传递函数，这属于系统设计问题。1.2.2典型环节的动态特性及传递函数自动控制系统是由对象、测量元件及变送器、控制器、执行装置等环节组成的在分析自动控制系统时，就应该知道每个构成环节的特性。环节特性制约着环节的输出信号与输人信号之间的关系。当输入信号加入环节，其输出信号随时间变化的规律，称为该环节的动态特性。通过大量研究表明，尽管各种各样环节其结构和工作原理不尽相同，但有着相同的动态特性，即具有相同的传递函数。了解典型环节的动态特性，就成为研究系统动态特性的基础。1.2.2.1比例环节比例环节也称放大环节。图1.12所示的杠杆机构、齿轮传动机构及电子放大器都是这种环节的实例，XA入（a)杠杆机构(b)肯轮转动机构(c)放大器图1.12比例环节实例这种环节的特点是：当输人信号变化时，输出信号会同时以一定的比例复现输入信号的变化，其传递函数为：Y(s)=KG(S) (1.7)X(s)式中K一比例系数或称放大系数。它表示输出信号与输入信号间的比值。比例系数是比例环节的特征参数，在相同输人信号情况下，K值越大，输出越大。若在环节的输入端加一个r(t)=A的阶跃变化时，输出信号y(t)随时间变化的规律如图1.13所示。1.2.2.2一阶环节一阶环节也称一阶惯性环节。图1.14所示是一个自由出水的水池。假设进水量是Q，出水量是Q，当两者相等时，池内液位高度为L。在某一时1(0)刻Q.有了一个阶跃变化AQ，槽内液位L变化曲线如图05<6JA1.15.阻容电路（图1.10）的情况与此相似，在输入信号作阶跃变化后，输出参数的变化曲线（亦称阶跃响应曲线、飞升v)曲线或反应曲线）具有与图1.15相同的形状，只是变化速度不一定相同。KA其传递函数为：KG(s) =(1.8)Ts+1图1.13比例环节动态特性10