1.3自动控制和自动控制系统的基本概念

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1、1.3自动控制和自动控制系统的基本概念1.3.1自动控制问题的提出在许多工业生产过程或生产设备运行中，为了保证正常的工作条件，往往需要对某些物理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。要满足这种需要，就应该对生产机械或设备进行及时的操作，以抵消外界干扰的影响。这种操作通常称为控制，用人工操作称为人工控制，用自动装置来完成称为自动控制。图1-1（a）所示是人工控制水位保持恒定的供水系统。水池中的水位是被控制的物理量，简称被控量。水池这个设备是控制的对象，简称被控对象。当水位在给定位置且流入、流出

2、量相等时，它处于平衡状态。当流出量发生变化或水位给定值发生变化时，就需要对流入量进行必要的控制。在人工控制方式下，工人用眼观看水位情况，用脑比较实际水位与期望水位的差异并根据经验做出决策，确定进水阀门的调节方向与幅度，然后用手操作进水阀门进行调节，最终使水位等于给定值。只要水位偏离了期望值，工人便要重复上述调节过程。图1-1（b）所示是水池水位自动控制系统的一种简单形式。图中用浮子代替人的眼睛，用来测量水位高低；另用一套杠杆机构代替人的大脑和手的功能，用来进行比较、计算误差并实施控制。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

3、也随之降低，通过杠杆的作用将进水阀门开大，使水位回到期望值附近。反之，若用水量变小，水位及浮子上升，进水阀关小，水位自动下降到期望值附近。整个过程中无需人工直接参与，控制过程是自动进行的。5图1-1（b）所示的系统虽然可以实现自动控制，但由于结构简陋而存在缺陷，主要表现在被控制的水位高度将随着出水量的变化而变化。出水量越多，水位就越低，偏离期望值就越远，误差越大。控制的结果，总存在着一定范围的误差值。这是因为当出水量增加时，为了使水位基本保持恒定不变，就得开大阀门，增加进水量。要开大进水阀，唯一的途径是浮子要下降得更多，这意味着实际水位要偏离期望值更多。这样，整

4、个系统就会在较低的水位上建立起新的平衡状态。为克服上述缺点，可在原系统中增加一些设备而组成较完善的自动控制系统，如图1-2所示。这里，浮子仍是测量元件，连杆起着比较作用，它将期望水位与实际水位两者进行比较，得出误差，同时推动电位器的滑臂上下移动。电位器输出电压反映了误差的性质(大小和方向)。电位器输出的微弱电压经放大器放大后驱动直流伺服电动机，其转轴经减速器后拖动进水阀门，对系统施加控制作用。在正常情况下，实际水位等于期望值，此时，电位器的滑臂居中，。当出水量增大时，浮子下降，带动电位器滑臂向上移动，，经放大后成为，控制电动机正向旋转，以增大进水阀门开度，促使水

5、位回升。当实际水位回复到期望值时，，系统达到新的平衡状态。可见，该系统在运行时，无论何种干扰引起水位出现偏差，系统就要进行调节，最终总是使实际水位等于期望值，大大提高了控制精度。由此例可知，自动控制和人工控制极为相似，自动控制系统只不过是把某些装置有机地组合在一起，以代替人的职能而已。图1-2中的浮子相当于人的眼睛，对实际水位进行测量；连杆和电位器类似于大脑，完成比较运算，给出偏差的大小和极性；电动机相当于人手，调节阀门开度，对水位实施控制。这些装置相互配合，承担着控制的职能，通常称之为控制器（或控制装置）。任何一个控制系统，都是由被控对象和控制器两部分所组成的

6、。1.3.2开环控制系统5最常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控制和复合控制。对于某一个具体的系统，采取什么样的控制手段，应该根据具体的用途和目的而定。系统的控制输入不受输出影响的控制系统称开环控制系统。在开环控制系统中，输入端与输出端之间，只有信号的前向通道而不存在由输出端到输入端的反馈通路。图1-3(a)所示的他激直流电动机转速控制系统就是一个开环控制系统。它的任务是控制直流电动机以恒定的转速带动负载工作。系统的工作原理是：调节电位器R的滑臂，使其输出给定参考电压。经电压放大和功率放大后成为，送到电动机的电枢端，用来控制电动机转速。在负载恒定的条件下，他激

7、直流电动机的转速与电枢电压成正比，只要改变给定电压，便可得到相应的电动机转速。在本系统中，直流电动机是被控对象，电动机的转速是被控量，也称为系统的输出量或输出信号。把参考电压通常称为系统的给定量或输入量。就图1-3(a)而言，只有输入量对输出量的单向控制作用，而输出量对输入量却没有任何影响和联系，称这种系统为开环控制系统。直流电动机转速开环控制系统可用图1-3(b)所示的方框图表示。图中用方框代表系统中具有相应职能的元部件；用箭头表示元部件之间的信号及其传递方向。电动机负载转矩的任何变动，都会使输出量偏离希望值，这种作用称之为干扰或扰动，在图1-3(b)中用一个

8、作用在电动机上的箭头来表