《自动控制系统及应用》第一章 自动控制系统的一般概念

自动控制系统及应用 第一章自动控制系统的一般概念 随着工业生产和科学技术的不断发展,自动控制技术越来越显示出它的重要性,为人们 所瞩目。掌握有关自动控制的知识就显得尤为重要。本章主要介绍自动控制的含义、基本工 作原理、系统的组成以及对系统的基本要求。 11自动控制的含义 所谓自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,通过控制装置(或称控制器)使被 控制对象或过程自动地按照预定的规律运行。 例如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线移动,焊出高质量的产品。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,瞄准弹着点。又诸如对压力、 温度、湿度、流量、转速以及原料、燃料成分比例方面的控制等等。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,但可以发现它们有共同的规律,即它们都是一个 或一些被控制的物理量按照另一个物理量,即控制量的变化而变化,或保持恒值。一般地说, 如何使被控制量按照给定的控制量的变化规律而变化,这就是一个控制系统所要解决的最基 本的问题 自动控制技术在各个领域中的广泛应用,不仅提高了劳动生产率和产品质量,改善了 劳动条件,而且在人类征服自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民物质生活等方面都 起着越来越重要的作用。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。 12自动控制系统的基本原理 121自动控制系统的基本原理 首先我们定义,用以完成一定任务的一些部件(或称元件)的组合为系统。系统是 个有机集合的整体,具有其目的性。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。我们将这些需要控制的 物理量定义为系统的被控量或输出量。用来使系统具有预期性能或预期输出的激励信号定义 为系统的控制量或输入量。而将使被控量偏离预期值的各种因素称为扰动量。设法消除扰动 因素影响从而保持被控制量按预期要求变化的过程称为控制过程 下面让我们研究一下图1.1所示电炉箱恒温自动控制系统是如何实现恒温控制的 在这个控制系统中,被控制量为炉温T,炉温的预期值是由给定电位器设定的电压Usr 所确定,也就是说Usr是该系统的输入量。当扰动(工件的增减、炉壁散热、电网电压波动 等)引起炉温变化后,作为检测元件的热电偶,将炉内实际温度转换成相对应的电压信号 Ur(称为反馈信号),反馈到输入端与给定电压Usr进行比较,所得的结果即为偏差信 AU=Us-Ulm。经电压、功率放大器放大后,去控制执行电机(电枢控制式直流电动机) 的旋转速度与方向,再经减速器带动调压器动触点移动,以改变加热电流的大小来调节炉温

自动控制系统及应用 1 第一章 自动控制系统的一般概念 随着工业生产和科学技术的不断发展，自动控制技术越来越显示出它的重要性，为人们 所瞩目。掌握有关自动控制的知识就显得尤为重要。本章主要介绍自动控制的含义、基本工 作原理、系统的组成以及对系统的基本要求。 1.1自动控制的含义 所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制装置（或称控制器）使被 控制对象或过程自动地按照预定的规律运行。 例如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线移动，焊出高质量的产品。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，瞄准弹着点。又诸如对压力、 温度、湿度、流量、转速以及原料、燃料成分比例方面的控制等等。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，但可以发现它们有共同的规律，即它们都是一个 或一些被控制的物理量按照另一个物理量，即控制量的变化而变化，或保持恒值。一般地说, 如何使被控制量按照给定的控制量的变化规律而变化，这就是一个控制系统所要解决的最基 本的问题。 自动控制技术在各个领域中的广泛应用，不仅提高了劳动生产率和产品质量，改善了 劳动条件，而且在人类征服自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民物质生活等方面都 起着越来越重要的作用。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。 1.2 自动控制系统的基本原理 1.2.1 自动控制系统的基本原理 首先我们定义，用以完成一定任务的一些部件（或称元件）的组合为系统。系统是一 个有机集合的整体，具有其目的性。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。我们将这些需要控制的 物理量定义为系统的被控量或输出量。用来使系统具有预期性能或预期输出的激励信号定义 为系统的控制量或输入量。而将使被控量偏离预期值的各种因素称为扰动量。设法消除扰动 因素影响从而保持被控制量按预期要求变化的过程称为控制过程。 下面让我们研究一下图 1.1 所示电炉箱恒温自动控制系统是如何实现恒温控制的。 在这个控制系统中，被控制量为炉温 T，炉温的预期值是由给定电位器设定的电压 UST 所确定，也就是说 UST是该系统的输入量。当扰动（工件的增减、炉壁散热、电网电压波动 等）引起炉温变化后，作为检测元件的热电偶，将炉内实际温度转换成相对应的电压信号 UfT（称为反馈信号），反馈到输入端与给定电压 UST 进行比较，所得的结果即为偏差信号 U =UST −UfT 。经电压、功率放大器放大后，去控制执行电机（电枢控制式直流电动机） 的旋转速度与方向，再经减速器带动调压器动触点移动，以改变加热电流的大小来调节炉温

自动控制系统及应用 直流伺服电动机 给定电位器 减速器 TCC) 加热电阻丝 调压器 图11电炉箱恒温自动控制系统 当炉温偏低时,Un<Us,则ΔU>0,此时偏差电压极性为正,电动机正转,动触点 右移,加热电流加大,炉温上升,直到炉温升至预期值,Um=U,△U=0,电动机停转 反之,当炉温偏高时,则ΔU为负,电动机反转,动触点左移,加热电流减小,炉温下降至 预期值 现将图1.1画成图12所示职能方块图形式。图中方块代表各个组成部分,⑧代表比较 元件,方块两边直线及其标注代表该组成部分在控制过程中相互作用的物理量,箭头代表作 用信号传递的方向。采用职能方块图可清晰地表明系统各组成部分及其相互作用的情况。还 可知,被控制量(炉温)就是系统的输出量,给定电压信号就是系统的输入量。信号是沿着 箭头所指方向传递,从职能方块图中不难发现有两条信号传递的路径。一条是从输入端向输 出端方向传递,这种传递称为顺馈:另一条是从输出端向输入端方向传递,称为反馈。也就 是说,反馈就是从系统输出端取出信号,经过某种装置(通常称为反馈环节)变换后返回到 输入端,与输入信号进行比较。这种返回到输入端的信号称为反馈信号。输入信号与反馈信 号比较的结果则为偏差。 散热 工件增减 φ國國匹凹 热电偶 图12电炉箱恒温控制系统职能方块图 通过上面的分析可知,为了对炉温进行自动控制,控制系统必须具有以下两项基本的 职能,一是必须对被控制量进行检测并将它反馈到系统的输入端与控制量相减(即负反馈), 得到偏差信号:二是必须对偏差信号进行适当的变换和放大,从而产生对被控制量的再控制

自动控制系统及应用 2 当炉温偏低时， UfT UST ，则ΔU＞0，此时偏差电压极性为正，电动机正转，动触点 右移，加热电流加大，炉温上升，直到炉温升至预期值， UfT =UST ，ΔU=0，电动机停转。 反之，当炉温偏高时，则ΔU 为负，电动机反转，动触点左移，加热电流减小，炉温下降至 预期值。 现将图 1.1 画成图 1.2 所示职能方块图形式。图中方块代表各个组成部分，  代表比较 元件，方块两边直线及其标注代表该组成部分在控制过程中相互作用的物理量，箭头代表作 用信号传递的方向。采用职能方块图可清晰地表明系统各组成部分及其相互作用的情况。还 可知，被控制量（炉温）就是系统的输出量，给定电压信号就是系统的输入量。信号是沿着 箭头所指方向传递，从职能方块图中不难发现有两条信号传递的路径。一条是从输入端向输 出端方向传递，这种传递称为顺馈；另一条是从输出端向输入端方向传递，称为反馈。也就 是说，反馈就是从系统输出端取出信号，经过某种装置（通常称为反馈环节）变换后返回到 输入端，与输入信号进行比较。这种返回到输入端的信号称为反馈信号。输入信号与反馈信 号比较的结果则为偏差。 通过上面的分析可知，为了对炉温进行自动控制，控制系统必须具有以下两项基本的 职能，一是必须对被控制量进行检测并将它反馈到系统的输入端与控制量相减（即负反馈）， 得到偏差信号；二是必须对偏差信号进行适当的变换和放大，从而产生对被控制量的再控制 图 1.1 电炉箱恒温自动控制系统 - + 调压器 减速器 R 图1.1 电炉箱恒温自动控制系统 ～220V △ 热电偶 （ C） 工件 fT - ST + 加热电阻丝 电炉 a SM 给定电位器 放大器 功率 放大器 电压 直流伺服电动机 图 1.2 电炉箱恒温控制系统职能方块图 a 图1.2 电炉箱恒温控制系统职能方块图 - ST + fT 放大器 △ 电压功率 减速器 热电偶 电动机 调压器 R 电炉 工件增减 散热

自动控制系统及应用 作用,这种再控制作用应使偏差减小或消除,以使被控制量重新保持在预期值上 这种基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的控制原理称为反馈控制原理 我们还可举出许多的例子。尽管不同的系统实现自动控制的装置各不相同,但反馈控 制的原理却是相同的。反馈控制是实现自动控制的最基本的方法,并得到了广泛应用。它不 仅可以实现对物理量的恒值控制,而且还可以实现被控制量复现控制量的变化规律的随动控 122开环控制系统和闭环控制系统 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 1.开环控制系统 如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路,输出量对系统的控制作用没有影 时,这样的系统称为开环控制系统。图1.3为一开环速度控制系统。它根据控制信号的大小 和方向来控制负载转速的大小和方向。原理很简单,控制信号通过放大器放大,输出一电流 给伺服阀,伺服阀则供给一定流量的压力油给液压马达,带动负载以一定的转速运动。这个 系统对被控量(转速)不进行任何检测,因为没有反馈也就谈不上跟控制量进行比较,以产 生偏差来对系统进行再控制了。它仅是根据控制信号对转速加以控制的。因此,开环控制系 统的精度主要取决于系统的校正精度,取决于在工作过程中保持校正值以及组成系统的元件 特性和参数值的稳定程度 控制信号 电液伺服阀 (a)系统原理图 °[耍 (b)系统方块图 图13开环速度控制系统 一旦系统受到扰动作用,如图1.3所示的系统,当负载力矩增加时,由于阀的流量随负 载压力的增加而减小,以及液压系统内漏损增加等原因,就会造成液压马达转速的降低。因 为没有反馈比较,系统不具备纠偏的能力,因此,使开环系统的精度降低。对扰动造成的误 差无法自动补偿。但是开环系统一般结构简单,系统稳定性好。一般说来,当系统控制量的 变化规律能预先确知,并且对系统中可能出现的扰动可以做到有效抑制时,采用开环控制系 统有其优越性。当无法预计的扰动因素使被控制量产生的偏离超过允许限度时,开环控制系 统便无法胜任了,这时就应考虑采用闭环控制系统

自动控制系统及应用 3 作用，这种再控制作用应使偏差减小或消除，以使被控制量重新保持在预期值上。 这种基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的控制原理称为反馈控制原理。 我们还可举出许多的例子。尽管不同的系统实现自动控制的装置各不相同，但反馈控 制的原理却是相同的。反馈控制是实现自动控制的最基本的方法，并得到了广泛应用。它不 仅可以实现对物理量的恒值控制，而且还可以实现被控制量复现控制量的变化规律的随动控 制。 1.2.2 开环控制系统和闭环控制系统 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。 1．开环控制系统 如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响 时，这样的系统称为开环控制系统。图 1.3 为一开环速度控制系统。它根据控制信号的大小 和方向来控制负载转速的大小和方向。原理很简单，控制信号通过放大器放大，输出一电流 给伺服阀，伺服阀则供给一定流量的压力油给液压马达，带动负载以一定的转速运动。这个 系统对被控量（转速）不进行任何检测，因为没有反馈也就谈不上跟控制量进行比较，以产 生偏差来对系统进行再控制了。它仅是根据控制信号对转速加以控制的。因此，开环控制系 统的精度主要取决于系统的校正精度，取决于在工作过程中保持校正值以及组成系统的元件 特性和参数值的稳定程度。 一旦系统受到扰动作用，如图 1.3 所示的系统，当负载力矩增加时，由于阀的流量随负 载压力的增加而减小，以及液压系统内漏损增加等原因，就会造成液压马达转速的降低。因 为没有反馈比较，系统不具备纠偏的能力，因此，使开环系统的精度降低。对扰动造成的误 差无法自动补偿。但是开环系统一般结构简单，系统稳定性好。一般说来，当系统控制量的 变化规律能预先确知，并且对系统中可能出现的扰动可以做到有效抑制时，采用开环控制系 统有其优越性。当无法预计的扰动因素使被控制量产生的偏离超过允许限度时，开环控制系 统便无法胜任了，这时就应考虑采用闭环控制系统。 (b)系统方块图 (a)系统原理图 伺服阀 电液 图1.3 开环速度控制系统 控制信号 r 放大器 r 液压 马达 负载 液压马达 负载 电液伺服阀 放大器 控制信号 s 图 1.3 开环速度控制系统

自动控制系统及应用 2.闭环控制系统 放大器 电液伺服阀 控制信 负载 反馈信号Ub (a)系统原理图 液压马O测速发电机 控制信号 放大器 负载 「测理 发电 (b)系统方块图 图14闭环速度控制系统 凡是系统的输出端与输入端之间存在反馈回路,即输出量对控制作用能有影响的系统, 叫做闭环控制系统。如果对图1.3所示开环控制系统引λ反馈回路,即用测速发电机检测被 控制量(转速),然后反馈到输入端则构成闭环控制系统,如图1.4所示。 闭环控制系统突出的优点是由于采用了负反馈,因而被控制量对于外部或内部扰动所 引起的误差能够自动纠正。这样就有可能采用精度不太高而成本比较低的元件构成控制质量 较高的控制系统。当然,闭环控制系统要増加检测、反馈比较等环节,会使系统复杂、成本 增加。同时会带来副作用,当系统参数选得不适当时,将会造成系统振荡,甚至使系统完全 失去控制(即系统不稳定)而无法正常工作。这是采用闭环控制时必须加以重视并认真解决 的问题 13自动控制系统的基本组成 为了组成一个自动控制系统,必须包含以下各类基本元件 (1)任何控制系统必定有其控制对象,即系统所要操纵的对象。控制对象的输出就是 系统的被控量。 (2)系统工作时都要加上一定的激励信号,用来产生并可调节系统控制量的元件为给 定元件 (3)为了检测被控制量,系统需要有检测元件。由于检测元件的精度直接影响控制系 统的精度,所以应尽可能采用精度高的检测元件和合理的检测线路。有的系统检测元件的输 出就是反馈信号,而有的系统将检测元件的输出再经分压和滤波等才形成反馈信号,此时将 检测、分压和滤波等合并称为反馈环节 (4)为了对反馈信号和控制量进行比较,以便产生偏差信号,因此系统必须有比较元 件。比较元件在多数控制系统中常常是和检测元件(或反馈环节)或线路结合在一起的。在 比较元件处,控制量和反馈信号进行叠加或者说求和运算,一定要注意两者的极性关系 (5)由于偏差信号一般都比较微弱,需要进行变换放大,使它具有足够的幅值和功率, 因此系统还必须具有放大元件

自动控制系统及应用 4 2．闭环控制系统 凡是系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，即输出量对控制作用能有影响的系统， 叫做闭环控制系统。如果对图 1.3 所示开环控制系统引入反馈回路，即用测速发电机检测被 控制量（转速），然后反馈到输入端则构成闭环控制系统，如图 1.4 所示。 闭环控制系统突出的优点是由于采用了负反馈，因而被控制量对于外部或内部扰动所 引起的误差能够自动纠正。这样就有可能采用精度不太高而成本比较低的元件构成控制质量 较高的控制系统。当然，闭环控制系统要增加检测、反馈比较等环节，会使系统复杂、成本 增加。同时会带来副作用，当系统参数选得不适当时，将会造成系统振荡，甚至使系统完全 失去控制（即系统不稳定）而无法正常工作。这是采用闭环控制时必须加以重视并认真解决 的问题。 1.3自动控制系统的基本组成 为了组成一个自动控制系统，必须包含以下各类基本元件。 （1）任何控制系统必定有其控制对象，即系统所要操纵的对象。控制对象的输出就是 系统的被控量。 （2）系统工作时都要加上一定的激励信号，用来产生并可调节系统控制量的元件为给 定元件。 （3）为了检测被控制量，系统需要有检测元件。由于检测元件的精度直接影响控制系 统的精度，所以应尽可能采用精度高的检测元件和合理的检测线路。有的系统检测元件的输 出就是反馈信号，而有的系统将检测元件的输出再经分压和滤波等才形成反馈信号，此时将 检测、分压和滤波等合并称为反馈环节。 （4）为了对反馈信号和控制量进行比较，以便产生偏差信号，因此系统必须有比较元 件。比较元件在多数控制系统中常常是和检测元件（或反馈环节）或线路结合在一起的。在 比较元件处，控制量和反馈信号进行叠加或者说求和运算，一定要注意两者的极性关系。 （5）由于偏差信号一般都比较微弱，需要进行变换放大，使它具有足够的幅值和功率， 因此系统还必须具有放大元件。 负载 (b)系统方块图 (a)系统原理图 图1.4 闭环速度控制系统 控制信号 l r 放大器 b 反馈信号 b 电液 液压 马达 测速 发电机 伺服阀 负载 液压马达 测速发电机 电液伺服阀 控制信号 r 放大器 s - + 图 1.4 闭环速度控制系统

自动控制系统及应用 (6)系统需要根据偏差信号产生的再控制作用,去驱动控制对象使被控量按控制要求 的变化规律动作,这就要求系统还应具有执行元件 7)实践证明,按反馈原理由上述基本元件简单组合起来的控制系统往往是不能完成 任务的。为了改善系统的控制性能还需要在系统中加进校正元件。校正元件可以加在偏差信 号至被控信号间的前向通道中;也可以加在反馈通道中。前者称为串联校正,后者称为反馈 校正。 由上述各基本元件组成的自动控制系统的职能方块图如图1.5所示 比较 被控制量 放大变 控制输出信号) 控制 输入信号)信 校正」”局部反馈 反馈信号 反馈 环节 图1.5自动控制系统的职能方块图 般说来,尽管自动控制系统的控制任务各不相同,以及所使用元件结构和能源形式 均有所不同,但就其信号的传递、变换的职能来说,都可抽象成图1.5所示的职能方块图。 14自动控制系统的基本类型 自动控制系统的种类很多,应用的范围也很广,它们的结构和完成的任务也各不一样 因此,控制系统的分类方法也很多,其中有以下几种主要分类法: 14按照输入量的变化规律来分 恒值控制系统 恒值控制系统的特点是:系统的控制量为恒定的常量,而要求系统的被控制量也保持在 相对应的常量上。确切地说,控制量可根据要求预选某常量。 恒值控制系统是最常见的一类自动控制系统,如自动调速系统、恒温控制系统、恒张 力控制系统、恒压力控制系统等 对恒值控制系统,着重硏究各种扰动对被控制量的影响,以及如何克服扰动影响将实 际输出量保持在预期值上 2.随动系统 随动系统的特点是:系统的控制量是变化着的(常常还是随机的),要求被控量能够准 确、迅速复现控制量的变化。 随动系统在工业和国防上有着极为广泛的应用。如火炮控制系统、雷达自动跟踪系统、 刀架跟踪系统、各种电信号笔记录仪等

自动控制系统及应用 5 （6）系统需要根据偏差信号产生的再控制作用，去驱动控制对象使被控量按控制要求 的变化规律动作，这就要求系统还应具有执行元件。 （7）实践证明，按反馈原理由上述基本元件简单组合起来的控制系统往往是不能完成 任务的。为了改善系统的控制性能还需要在系统中加进校正元件。校正元件可以加在偏差信 号至被控信号间的前向通道中；也可以加在反馈通道中。前者称为串联校正，后者称为反馈 校正。 由上述各基本元件组成的自动控制系统的职能方块图如图 1.5 所示。 一般说来，尽管自动控制系统的控制任务各不相同，以及所使用元件结构和能源形式 均有所不同，但就其信号的传递、变换的职能来说，都可抽象成图 1.5 所示的职能方块图。 1.4自动控制系统的基本类型 自动控制系统的种类很多，应用的范围也很广，它们的结构和完成的任务也各不一样。 因此，控制系统的分类方法也很多，其中有以下几种主要分类法： 1.4.1 按照输入量的变化规律来分 1． 恒值控制系统 恒值控制系统的特点是：系统的控制量为恒定的常量，而要求系统的被控制量也保持在 相对应的常量上。确切地说，控制量可根据要求预选某常量。 恒值控制系统是最常见的一类自动控制系统，如自动调速系统、恒温控制系统、恒张 力控制系统、恒压力控制系统等。 对恒值控制系统，着重研究各种扰动对被控制量的影响，以及如何克服扰动影响将实 际输出量保持在预期值上。 2． 随动系统 随动系统的特点是：系统的控制量是变化着的（常常还是随机的），要求被控量能够准 确、迅速复现控制量的变化。 随动系统在工业和国防上有着极为广泛的应用。如火炮控制系统、雷达自动跟踪系统、 刀架跟踪系统、各种电信号笔记录仪等。 图 1.5 自动控制系统的职能方块图 反馈信号 串联 校正元件 图1.5 自动控制系统的职能方块图 号 （输入信号） 控制量 元件 给定 + 信 差 偏 - 比较 元件 校正 主反馈 局部反馈 反馈 环节 反馈 放大变 + 换元件 - 元件 执行 扰动 （输出信号） 对象 被控制量 控制