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第一章 自动控制的一般概念

1-1 自动控制的任务

1- ２自动控制的基本方式

1- ３对控制系统的性能要求

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1-1 自动控制的任务• 通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备称

为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。即

( ) ( )c t r t

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下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念

控制器气动阀门

流入Q1 浮子

水箱

流出 Q2

H

水位自动控制系统

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控制器气动阀门

流入 Q1 浮子

水箱

流出 Q2

H

水位自动控制系统

•控制任务：

维持水箱内水位恒定

•控制装置：

气动阀门、控制器

•受控对象：

水箱、供水系统

•被控量：

水箱内水位的高度

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控制器气动阀门

流入 Q1 浮子

水箱

流出 Q2

H

水位自动控制系统

•给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度•测量装置：

浮子•比较装置：

控制器刻度盘•干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定

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自动控制，即没有人直接参与的控制。其基本任务是：在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。

自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。

由此可见：

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1- ２自动控制的基本方式

被控量比较 执行

测量

被控对象

实测值

干扰测量给定值 H

自动控制方框图

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H

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在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须包含以下三种职能部件。

测量元件：用以测量被控量或干扰量。比较元件：将被控量与给定值进行比较。执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操

　　　　　　纵被控对象　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

参与控制的信号来自给定值、干扰量、被控量。

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• 开环控制—— 按给定值操纵的开环控制—— 按干扰补偿的开环控制

• 按偏差调节的闭环控制• 复合控制

下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式

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一、按给定值操纵的开环控制

计算 执行 受控对象给定值

干扰

被控量

按给定值操纵的开环控制系统原理方框图

•开环控制——系统的输出端与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。

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炉温控制系统

炉温控制系统原理方框图

定时开关 炉子电阻丝0T给定炉温 T实际炉温

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按给定值操纵的开环控制

特点：控制装置只按给定值来控制受控对象。

优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。

缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。

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二、按干扰补偿的开环控制定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时

补偿干扰对被控量的直接影响。

计算

测量

受控对象执行

干扰

被控量

特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。

适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。

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水位高度控制系统原理图

水位高度控制系统原理方框图

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三、按偏差调节的闭环控制 特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。

优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化 而引起的变动。

计算比较给定值 E

执行 被控对象

干扰

被控量

测量

－

按偏差调节的系统原理方框图

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如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。

这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。

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控制任务：保持转台的实际转速等于期望转速。

被控对象：转台。

被控量：　转台转速。

例 转台速度控制系统

直流放大器

电池

速度设定ur

速度转台

直流电机+

-

转速计uc

Du ua

w

放大器 直流电机 转台

转速计

+

-

ur u

cu

au

转台速度闭环控制系统原理方框图

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飞机自动驾驶系统原理图

例 飞机 - 自动驾驶仪系统

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控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。

被控对象：飞机。

被控量：　飞机的俯仰角 。

俯仰角控制系统原理方框图

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四、复合控制复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。

控制装置 被控对象 CR

—

补偿装置

a. 按输入作用补偿

b. 按扰动作用补偿

n

控制装置 被控对象 CR

—

补偿装置

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1- ３对控制系统的性能要求

• 定义：通常把系统受到外作用后，被控量随时间变化的全过程，称为动态过程或过渡过程。

工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳： 指控制系统的稳定性与平稳性。 快： 指控制系统的快速性。 准： 指控制系统的最终精度（稳态精度）。

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稳： 指控制系统的稳定性与平稳性

控制系统动态过程曲线

如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线①所示；反之，输出如曲线②所示，则系统是不稳定的。

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快： 指控制系统的快速性

快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线①所示。

稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。

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准： 指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。

以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。