1.1概

述

圖1-1所示為小球離心調(diào)速器的原理圖，此調(diào)速器是利用飛錘、彈簧和杠桿系統(tǒng)來調(diào)節(jié)閥門的開度，從而達(dá)到控制蒸汽機轉(zhuǎn)速的目的的。其工作原理為：如果負(fù)載增加，則蒸汽機轉(zhuǎn)速下降，飛錘(1)下降，滑套(2)將通過杠桿(3)使蒸汽閥門開大，蒸汽供給量增加，從而使蒸汽機轉(zhuǎn)速上升。反之若負(fù)載減小，蒸汽機轉(zhuǎn)速上升，則通過調(diào)節(jié)可使轉(zhuǎn)速下降。這樣，離心調(diào)速器可自動地抵制負(fù)載的變化，使蒸汽機轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。1.1概述圖1-1所示為小球離心調(diào)速器的原1圖1-1小球離心調(diào)速器原理圖

圖1-1小球離心調(diào)速器原理圖2可以說，現(xiàn)代控制理論已經(jīng)綜合了控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)等各方面的成就，達(dá)到或正在進(jìn)行著以下幾個方面的工作：①最優(yōu)控制對某種性能指標(biāo)實現(xiàn)最佳控制，即目標(biāo)函數(shù)法；②自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)本身可適應(yīng)環(huán)境的變化，而使系統(tǒng)保持最優(yōu)；③自學(xué)習(xí)控制這是一種較完善的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)辨識、判斷、積累經(jīng)驗和學(xué)習(xí)的功能。

可以說，現(xiàn)代控制理論已經(jīng)綜合了控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機31.2自動控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語

1.2.1自動控制的基本概念與組成所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對象(被控量)，使其按照預(yù)定的規(guī)律運動或變化。被控對象是控制系統(tǒng)的主體，是在系統(tǒng)中要求對其參數(shù)進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。如溫度控制系統(tǒng)中的加熱爐，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的拖動電機，過程控制系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)爐等。

1.2自動控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語1.2.1自動控制的基本4控制裝置一般由三部分組成：①自動檢測裝置包括測量元件和變送元件，起自動檢測被控對象的作用，如轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的測速發(fā)電機，溫度控制系統(tǒng)中的熱電偶等。②自動調(diào)節(jié)裝置起綜合、分析、比較、判斷和運算的作用，并能按一定的規(guī)律發(fā)出控制信號或指令。③執(zhí)行裝置起具體執(zhí)行控制信號或指令的作用，給被控對象施加某種作用，使其改變輸出量。

控制裝置一般由三部分組成：5對控制系統(tǒng)的組成進(jìn)行詳細(xì)分類，其還可以由下列各部分組成：測量變送元件屬于反饋元件，職能是把被控物理量測量出來；設(shè)定元件職能是給出被控量應(yīng)取的數(shù)值信號，即是設(shè)定給定值的元件；比較元件職能是將測量信號與給定信號進(jìn)行比較，并得到差值(偏差信號)，起信號綜合作用；對控制系統(tǒng)的組成進(jìn)行詳細(xì)分類，其還可以由下列各部分組成6放大元件職能是對差值信號進(jìn)行放大，使其足以推動下一級工作；執(zhí)行元件職能是直接推動被控對象，改變其被控物理量，使輸出量與希望值趨于一致；校正元件職能是改變由于結(jié)構(gòu)或參數(shù)的原因而引起的性能指標(biāo)的不適應(yīng)；能源元件

職能是為系統(tǒng)提供必要的能源。

放大元件職能是對差值信號進(jìn)行放大，使其足以推動下一級工71.2.2系統(tǒng)術(shù)語①被控量(被控參數(shù))要求被控對象保持恒定或為按一定規(guī)律變化的物理量。通常它是決定被控對象工作狀態(tài)或產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量的主要變量。如加熱爐的溫度，電動機的轉(zhuǎn)速，流體的流量、壓力等。被控量一般是輸出量，是時間的函數(shù)。②給定信號(參考輸入信號)控制系統(tǒng)的輸入信號，是時間的函數(shù)。③

偏差信號

是比較元件的輸出信號，

即給定信號與反饋（測量）信號之差。

1.2.2系統(tǒng)術(shù)語8④誤差信號系統(tǒng)被控量的希望值與實際值之差。在單位反饋系統(tǒng)中偏差信號等于誤差信號，在非單位反饋系統(tǒng)中，兩者雖然都反映了系統(tǒng)被控量的希望值與實際值之差，但它們的信號類型與量綱是不同的，這一點一定要引起重視。⑤干擾信號破壞系統(tǒng)平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)的被控量偏離其給定值的因素，稱為干擾信號。干擾信號是系統(tǒng)不希望的信號，它可能來自系統(tǒng)的內(nèi)部或系統(tǒng)的外部，它們進(jìn)入系統(tǒng)的作用點也可能不同，但都是影響系統(tǒng)控制質(zhì)量的不利因素。⑥反饋信號從系統(tǒng)的輸出端引出，經(jīng)過變換(或直接)回送至輸入端與給定信號進(jìn)行比較的信號，稱為反饋信號。此信號是為了達(dá)到控制目的而有意識地從輸出端回送到輸入端的信號。

④誤差信號系統(tǒng)被控量的希望值與實際值之差。在單位反饋91.2.3自動控制系統(tǒng)的方塊圖表示在研究自動控制系統(tǒng)的工作原理時，為了清楚地表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成，說明各元件間信號傳遞的因果關(guān)系，我們在分析系統(tǒng)時常采用方塊圖（框圖）的方式表示。方塊圖的繪制原則是：組成系統(tǒng)的每一環(huán)節(jié)(或元件)用一方框表示，符號為“

”。環(huán)節(jié)間用帶箭頭的線段“→”聯(lián)接起來，此線段稱為信號線（或作用線），箭頭的方向表示信號的傳遞方向，即作用方向，信號只能單方向傳遞。一個環(huán)節(jié)的輸入信號是環(huán)節(jié)發(fā)生運動的原因，而其輸出信號是環(huán)節(jié)發(fā)生運動的結(jié)果。信號的比較點用“”表示，它有對幾個信號進(jìn)行求（代數(shù)）和的功能。一般在多個輸入信號的信號線旁邊標(biāo)以“+”或“-”，

表示各輸入信號的極性。

1.2.3自動控制系統(tǒng)的方塊圖表示10圖1-2自動控制系統(tǒng)方框圖的舉例

圖1-2自動控制系統(tǒng)方框圖的舉例111.3自動控制系統(tǒng)的分類1.3.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)

1.開環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間只有順向作用，而沒有反向聯(lián)系，則該系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，控制信息只能單方向傳遞，沒有反向作用，輸入信號通過控制裝置作用于被控對象，

而被控對象的輸出對輸入沒有影響。

1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.3.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制12圖1-3開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

圖1-3開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖13圖1-3所示為一個由可控硅供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)由給定電位器、信號放大器、可控硅觸發(fā)及整流裝置、直流電動機等組成。系統(tǒng)用電位器取出電壓Ug作為系統(tǒng)的給定信號，電動機的轉(zhuǎn)速n作為系統(tǒng)的被控量（輸出量）。Ug通過放大器、觸發(fā)裝置和可控硅裝置實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速n的控制。觸發(fā)裝置和可控硅裝置等組成控制器。輸入信號通過控制器作用于受控對象以控制輸出，而電動機的轉(zhuǎn)速輸出則對控制器不產(chǎn)生影響，這樣的控制系統(tǒng)就屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。按控制的要求，一定的給定電壓Ug對應(yīng)于一定的轉(zhuǎn)速n。但是由于電動機的轉(zhuǎn)速n要受到軸上負(fù)載、電動機磁場、可控硅裝置的交流電源電壓等的影響，故不可能完全達(dá)到Ug的要求，而這些對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響的變化量就是系統(tǒng)的干擾量或擾動量。圖1-3所示為一個由可控硅供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。該14開環(huán)系統(tǒng)特點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計維護(hù)方便，但是控制精度差，抗干擾性能差。如全自動洗衣機、計時器、

自動機床、

自動生產(chǎn)線等均是開環(huán)控制系統(tǒng)。

開環(huán)系統(tǒng)特點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計維護(hù)方便，但是控制精15

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)如果改進(jìn)開環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)法把輸出信號受干擾影響而變化的信息傳遞到控制裝置中去，使控制器根據(jù)這個信息進(jìn)行控制以消除擾動的影響，那么系統(tǒng)就能夠更好地完成自動控制的任務(wù)。這種輸入量與輸出量之間不僅有順向作用，而且有反向作用的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖1-4所示就是將上述開環(huán)控制系統(tǒng)的例子加以改進(jìn)而形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)16圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖17閉環(huán)系統(tǒng)特點：與開環(huán)控制系統(tǒng)最明顯的不同之處在于系統(tǒng)有檢測變送元件(此例中為測速發(fā)電機)，它可以將系統(tǒng)的輸出情況及時地反饋到系統(tǒng)的輸入端進(jìn)行比較，這樣就使系統(tǒng)具有控制精度高，適應(yīng)性強，抗干擾性好等優(yōu)點；但由于系統(tǒng)存在檢測變送元件，因此系統(tǒng)就比開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，設(shè)計維護(hù)困難。如自動火炮系統(tǒng)(雷達(dá)、計算機、火炮群)、高級自動機床、自動恒溫箱、隨動系統(tǒng)等均是閉環(huán)控制系統(tǒng)。

閉環(huán)系統(tǒng)特點：與開環(huán)控制系統(tǒng)最明顯的不同之處在于系統(tǒng)有檢181.3.2定值、隨動和程序控制系統(tǒng)

1.定值控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值(參考輸入)為恒定的常數(shù)，此種控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可通過反饋控制使系統(tǒng)的被控參數(shù)(輸出)保持恒定的、希望的數(shù)值。如在過程控制系統(tǒng)中，一般都要求將過程參數(shù)(如溫度、壓力、流量、液位和成份等)維持在工藝給定的狀態(tài)，所以，多數(shù)過程控制系統(tǒng)都是定值控制系統(tǒng)。

1.3.2定值、隨動和程序控制系統(tǒng)19

2.隨動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值(參考輸入)隨時間任意變化的控制系統(tǒng)稱為隨動控制系統(tǒng)。也就是說，此類系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律是無法預(yù)先確定的時間函數(shù)。這種系統(tǒng)的任務(wù)是在各種情況下保證系統(tǒng)的輸出以一定的精度跟隨參考輸入的變化而變化，所以這種系統(tǒng)又稱為跟蹤系統(tǒng)。如運動目標(biāo)的自動跟蹤瞄準(zhǔn)和攔截系統(tǒng)，工業(yè)控制中的位置控制系統(tǒng)，過程控制中的串級控制系統(tǒng)的副回路等都屬于此類系統(tǒng)。另外，工業(yè)自動化儀表中的位置控制系統(tǒng)、顯示記錄儀表等也是閉環(huán)隨動控制系統(tǒng)。

2.隨動控制系統(tǒng)20

3.程序控制系統(tǒng)若系統(tǒng)給定值(參考輸入)是隨時間變化并有一定的規(guī)律，且為事先給定了的時間函數(shù)，則稱這種系統(tǒng)為程序控制系統(tǒng)。如熱處理爐的溫度調(diào)節(jié)，要求溫度按一定的時間程序的規(guī)律變化（自動升溫、保溫及降溫等）；間隙生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)器溫度控制以及機械加工中的程序控制機床等均屬于此類系統(tǒng)。也可以說，程序控制系統(tǒng)是隨動控制系統(tǒng)的一種特殊情況，其分析研究方法也和隨動控制系統(tǒng)相同。

3.程序控制系統(tǒng)211.3.3線性和非線性控制系統(tǒng)

1.線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)或特性可以用線性微分方程(或差分方程)來描述時，這種系統(tǒng)就稱為線性控制系統(tǒng)。線性控制系統(tǒng)的特點是可以使用疊加原理，當(dāng)系統(tǒng)存在幾個輸入時，系統(tǒng)的總輸出等于各個輸入分別作用于系統(tǒng)時系統(tǒng)的輸出之和，當(dāng)系統(tǒng)輸入增大或減小時，系統(tǒng)的輸出也按比例增大或減小。如果描述系統(tǒng)運動狀態(tài)的微分(或差分)方程的系數(shù)是常數(shù)，不隨時間變化，則這種線性系統(tǒng)稱為線性定常(或時不變)系統(tǒng)。若微分(或差分)方程的系數(shù)是時間的函數(shù)，則這種線性系統(tǒng)稱為線性時變系統(tǒng)。

1.3.3線性和非線性控制系統(tǒng)22

2.非線性控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中存在有非線性特性的組成環(huán)節(jié)或元件時，系統(tǒng)的特性就由非線性方程來描述，這樣的系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。對于非線性控制系統(tǒng)，疊加原理是不適用的。嚴(yán)格地講，實際的控制系統(tǒng)都不是線性的，各種系統(tǒng)總是不同程度地具有非線性特性，例如系統(tǒng)中應(yīng)用的放大器的飽和特性，運動部件的間隙、摩擦和死區(qū)，彈性元件的非線性關(guān)系等等。非線性特性根據(jù)其處理方法不同可以分為本質(zhì)非線性和非本質(zhì)非線性兩種。對于非本質(zhì)的非線性特性，其輸入、輸出關(guān)系曲線沒有間斷點和折斷點，且呈單值關(guān)系，因此當(dāng)系統(tǒng)變量變化范圍不大時，為便于研究，可簡化為線性關(guān)系處理，這樣可以應(yīng)用相當(dāng)成熟的線性控制理論進(jìn)行分析和討論。對于本質(zhì)非線性特性，其輸入、輸出關(guān)系或具有間斷點和折斷點，

或具有非單值關(guān)系，

這類系統(tǒng)需要用非線性控制理論來分析研究。

2.非線性控制系統(tǒng)231.3.4連續(xù)和離散控制系統(tǒng)

1.連續(xù)控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是時間的連續(xù)函數(shù)時，稱此類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)，亦稱模擬控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)的運動狀態(tài)或特性一般是用微分方程來描述的。模擬式的工業(yè)自動化儀表以及用模擬式儀表來實現(xiàn)自動化過程控制的系統(tǒng)都屬于連續(xù)控制系統(tǒng)。

1.3.4連續(xù)和離散控制系統(tǒng)24

2.離散控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中某些組成環(huán)節(jié)或元件的輸入、輸出信號在時間上是離散的，即僅在離散的瞬時取值時，稱此類系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別僅在于信號只是特定的離散瞬時上的時間的函數(shù)。離散信號可由連續(xù)信號通過采樣開關(guān)獲得，具有采樣功能的控制系統(tǒng)又稱為采樣控制系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)的運動狀態(tài)或特性一般用差分方程來描述，其分析研究方法也不同于連續(xù)控制系統(tǒng)。

2.離散控制系統(tǒng)251.3.5單變量和多變量控制系統(tǒng)

1.單變量控制系統(tǒng)在一個控制系統(tǒng)中，如果只有一個被控制的參數(shù)和一個控制作用來控制對象，則此系統(tǒng)為單變量控制系統(tǒng)，又叫單輸入單輸出系統(tǒng)。

1.3.5單變量和多變量控制系統(tǒng)26

2.多變量控制系統(tǒng)如果一個控制系統(tǒng)中的被控參數(shù)多于一個，控制作用也多于一個，且各控制回路相互之間有耦合關(guān)系，則稱這種系統(tǒng)為多變量控制系統(tǒng)，也叫多輸入多輸出系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的分類方法除上述幾種外還有很多，且各種分類方法只是人們站在不同的角度來看問題的一種方法，對于一個自動控制系統(tǒng)，可以用不同的方法來分類，但是這并不影響控制系統(tǒng)本身。

2.多變量控制系統(tǒng)271.4自動控制系統(tǒng)示例

要分析一個實際的自動控制系統(tǒng)，首先要了解它的工作原理，明白系統(tǒng)的組成等，也就是要求我們明白如下一些問題：①系統(tǒng)的被控對象是什么?哪些狀態(tài)參量要求控制(亦即被控量是什么)?作用在被控對象上的主要干擾有哪些?②操縱哪個機構(gòu)可改變被控量?③系統(tǒng)有哪些檢測元件?檢測的是被控量還是干擾?④系統(tǒng)給定值(參考輸入)或指令由哪個裝置提供?⑤如何實現(xiàn)各信號的偏差計算和判斷偏差?⑥

控制作用通過什么部件來實現(xiàn)?

1.4自動控制系統(tǒng)示例要分析一個實際的自動控制系統(tǒng)，281.4.1溫度控制系統(tǒng)溫度在很多場合是重要的被控參數(shù)之一，它與流量、壓力等均屬于典型的被控參數(shù)。圖1-5所示為烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖。

1.4.1溫度控制系統(tǒng)29圖1-5烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖

圖1-5烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖30根據(jù)圖1-5可以知道，控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持爐膛溫度的恒定；系統(tǒng)的被控對象為烘烤爐；系統(tǒng)被控量為烘烤爐的爐膛溫度；干擾量有工件數(shù)量、環(huán)境溫度和煤氣壓力等；調(diào)節(jié)煤氣管道上閥門開度可改變爐溫；系統(tǒng)的檢測元件是熱電偶，它將爐膛溫度轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量Ut；系統(tǒng)的給定裝置為給定電位器，其輸出電壓Ug作為系統(tǒng)的參考輸入，對應(yīng)于給定的爐膛溫度；系統(tǒng)的偏差為ΔU，為爐溫與給定溫度的偏差，由Ug和Ut計算得到（ΔU=Ug-Ut），兩電壓極性反接，就可完成減法運算；系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)為電動機、傳動裝置和閥門。根據(jù)圖1-5可以知道，控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持爐膛溫度的恒定31爐溫既受工件數(shù)量及環(huán)境溫度的影響，又受由混合器輸出的煤氣流量的影響，因此，調(diào)整煤氣流量便可控制爐溫。烘烤爐溫度控制系統(tǒng)的控制原理如下：假定爐溫恰好等于給定值，這時Ug=Ut，(即ΔU＝0)，故電動機和調(diào)節(jié)閥都靜止不動，煤氣流量恒定，烘烤爐處于給定溫度狀態(tài)。

爐溫既受工件數(shù)量及環(huán)境溫度的影響，又受由混合器輸出的煤氣32如果增加工件，烘烤爐的負(fù)荷加大，則爐溫下降，溫度下降將導(dǎo)致Ut減小，由于給定值Ug保持不變，則使ΔU>0，產(chǎn)生Ua使電動機轉(zhuǎn)動，開大煤氣閥門，增加煤氣供給量，從而使?fàn)t溫回升，直至重新等于給定值(即Ug=Ut)為止。這樣在負(fù)荷加大的情況下仍然保持了規(guī)定的溫度。如果負(fù)荷減小或煤氣壓力突然加大，則爐溫升高。Ut隨之加大，ΔU<0，故電動機反轉(zhuǎn)，關(guān)小閥門，減少煤氣量，從而使?fàn)t溫下降，直至等于給定值為止。由此看出，系統(tǒng)通過爐溫與給定值之間的偏差來控制爐溫，所以此控制系統(tǒng)是按偏差調(diào)節(jié)的自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中除烘烤爐及供氣設(shè)備外，其余統(tǒng)稱溫度控制裝置或溫度調(diào)節(jié)器。

如果增加工件，烘烤爐的負(fù)荷加大，則爐溫下降，溫度下降將導(dǎo)33表示系統(tǒng)各功能部件之間相互聯(lián)系的框圖如圖1-6所示。圖中每個功能部件用一個方框表示，箭頭表示信號的輸入、輸出通道。最右邊的方框習(xí)慣于表示被控對象，其輸出信號即為被控量，

而系統(tǒng)的總輸入量包括給定值和外部干擾。

表示系統(tǒng)各功能部件之間相互聯(lián)系的框圖如圖1-6所示。圖34圖1-6烘烤爐溫度控制系統(tǒng)方框圖

圖1-6烘烤爐溫度控制系統(tǒng)方框圖351.4.2位置隨動系統(tǒng)

圖1-7機床工作臺位置隨動系統(tǒng)原理圖

1.4.2位置隨動系統(tǒng)圖1-7機床工作臺位置隨動系統(tǒng)原36在圖1-7所示的系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制工作臺的位置，使之按指令電位器給出的規(guī)律變化；系統(tǒng)的被控對象為工作臺；被控量為工作臺的位置；檢量元件是反饋電位器W2，它將工作臺的位置xc轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量uc；系統(tǒng)的給定裝置為指令電位器W1，其輸出電壓ur作為系統(tǒng)的參考輸入，以確定工作臺的希望位置；系統(tǒng)的偏差為Δu，為工作臺的希望位置與實際位置之差，由ur和uc計算得到（Δu=ur-uc）；系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)為直流伺服電動機、齒輪減速器和絲杠副。在圖1-7所示的系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制工作臺的位置37機床工作臺位置隨動系統(tǒng)的工作原理是：通過指令電位器W1的滑動觸點給出工作臺的位置指令xr，并轉(zhuǎn)換為控制電壓ur。被控制工作臺的位移xc由反饋電位器W2檢測，并轉(zhuǎn)換為反饋電壓uc，兩電位器接成橋式電路。當(dāng)工作臺位置xc與給定位置xr有偏差時，橋式電路的輸出電壓為Δu=ur-uc。設(shè)開始時指令電位器和反饋電位器滑動觸點都處于左端，即xr=xc=0，則Δu=ur-uc=0，此時，放大器無輸出，直流伺服電動機不轉(zhuǎn)，工作臺靜止不動，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。機床工作臺位置隨動系統(tǒng)的工作原理是：通過指令電位器W1的38當(dāng)給出位置指令xr時，在工作臺改變位置之前的瞬間，xc=0，uc=0，則電橋輸出為Δu=ur-uc=ur-0=ur，該偏差電壓經(jīng)放大器放大后控制直流伺服電動機轉(zhuǎn)動，直流伺服電動機通過齒輪減速器和絲杠副驅(qū)動工作臺右移。隨著工作臺的移動，工作臺實際位置與給定位置之間的偏差逐漸減小，即偏差電壓Δu逐漸減小。當(dāng)反饋電位器滑動觸點的位置與指令電位器滑動觸點的給定位置一致，即輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入時，電橋平衡，偏差電壓Δu=0，伺服電動機停轉(zhuǎn)，工作臺停止在由指令電位器給定的位置上，系統(tǒng)進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。當(dāng)給出反向指令時，偏差電壓極性相反，伺服電動機反轉(zhuǎn)，工作臺左移，當(dāng)工作臺移至給定位置時，系統(tǒng)再次進(jìn)入平衡狀態(tài)。如果指令電位器滑動觸點的位置不斷改變，則工作臺位置也跟著不斷變化。當(dāng)給出位置指令xr時，在工作臺改變位置之前的瞬間，xc=39圖1-8機床工作臺位置隨動系統(tǒng)方框圖

圖1-8機床工作臺位置隨動系統(tǒng)方框圖401.4.3自動調(diào)速系統(tǒng)圖1-9所示為自動調(diào)速系統(tǒng)原理圖。由圖可以明確：控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持工作機械恒轉(zhuǎn)速運行；系統(tǒng)的被控對象為工作機械；被控量為電動機的轉(zhuǎn)速n；系統(tǒng)的檢測元件是測速發(fā)電機，它能將電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量Uf；系統(tǒng)的給定裝置為給定電位器，其輸出電壓Ug作為系統(tǒng)的參考輸入；系統(tǒng)的偏差為ΔU，為系統(tǒng)給定量與反饋量之差，由Ug和Uf計算得到（ΔU=Ug-Uf）；系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)為直流電動機。1.4.3自動調(diào)速系統(tǒng)41圖1-9自動調(diào)速系統(tǒng)原理圖

圖1-9自動調(diào)速系統(tǒng)原理圖42自動調(diào)速系統(tǒng)的工作原理是：測速發(fā)電機測量電動機的轉(zhuǎn)速n，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓Uf，與給定電位器的輸出電壓Ug進(jìn)行比較，得到的偏差信號ΔU經(jīng)放大裝置放大后控制電動機的工作電壓Ud，而電壓Uf即代表了系統(tǒng)所要求的轉(zhuǎn)速。如果工作機械的負(fù)載增大，使電動機轉(zhuǎn)速下降，則測速發(fā)電機輸出電壓Uf減小，與給定電壓Ug比較后的偏差電壓（ΔU=Ug-Uf）增大，經(jīng)放大后的觸發(fā)控制電壓Uk增大，從而使可控硅整流裝置輸出電壓Ud增大，增大的Ud加在電動機電樞兩端，則電動機的轉(zhuǎn)速n將提高，從而使電動機轉(zhuǎn)速得到補償。自動調(diào)速系統(tǒng)的工作原理是：測速發(fā)電機測量電動機的轉(zhuǎn)速n，43圖1-10自動調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

圖1-10自動調(diào)速系統(tǒng)原理框圖441.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求

1.穩(wěn)定性對一個自動控制系統(tǒng)的首要要求是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。系統(tǒng)的穩(wěn)定性指的是系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受擾后偏離了原來的工作狀態(tài)，而控制裝置再也不能使系統(tǒng)恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)，并且越偏越遠(yuǎn)；或當(dāng)輸入信號變化以后，控制裝置再也無法使受控對象跟隨輸入信號的運行，并且是越差越大，這樣的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)，顯然這樣的系統(tǒng)是根本完不成控制任務(wù)的。圖1-11所示為穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)的示意圖。

1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.穩(wěn)定性45圖1-11自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性示意圖(a)穩(wěn)定系統(tǒng)；

(b)不穩(wěn)定系統(tǒng)

圖1-11自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性示意圖46

2.快速性對系統(tǒng)快速性的要求，就是對系統(tǒng)動態(tài)特性的要求?？焖傩灾傅氖窍到y(tǒng)動態(tài)過程進(jìn)行的時間長短。過程時間持續(xù)很長，將使系統(tǒng)長久地出現(xiàn)大偏差，同時也說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以跟蹤（復(fù)現(xiàn)）快速變化的輸入信號。系統(tǒng)動態(tài)過程的時間越短，反應(yīng)就越快。圖1-12所示為自動控制系統(tǒng)快速性的示意圖。從圖1-12中可以看出，曲線①的快速性顯然沒有曲線②好。

2.快速性47圖1-12自動控制系統(tǒng)快速性示意圖

圖1-12自動控制系統(tǒng)快速性示意圖48

3.準(zhǔn)確性所謂的準(zhǔn)確性，指的是系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后，或系統(tǒng)受擾重新恢復(fù)平衡以后，系統(tǒng)最終保持的精度。準(zhǔn)確性反映了系統(tǒng)動態(tài)過程后期的性能。這時系統(tǒng)的被控量對給定值的偏差，一般應(yīng)該是很小的。由于被控對象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性的要求是有所側(cè)重的。例如隨動系統(tǒng)對快速性要求較高，而調(diào)速系統(tǒng)對穩(wěn)定性的要求就嚴(yán)格些。對于同一個系統(tǒng)來說，穩(wěn)、快、準(zhǔn)又是相互制約的。提高了系統(tǒng)的快速性，可能會引起系統(tǒng)強烈的振動；而改善了系統(tǒng)的平穩(wěn)性，控制過程又可能變得很遲緩，甚至使精度也很差。3.準(zhǔn)確性49習(xí)

題

1

1-1比較開環(huán)控制與閉環(huán)控制的特征、優(yōu)缺點和應(yīng)用場合。

1-2閉環(huán)控制系統(tǒng)由哪些主要環(huán)節(jié)組成？它們在系統(tǒng)中各自的職能是什么？

1-3恒值、隨動和程序控制系統(tǒng)主要的區(qū)別是什么？

1-4圖1-13為倉庫大門自動控制系統(tǒng)，試說明自動控制大門開啟和關(guān)閉的工作原理。

如果大門不能全開或全閉，

應(yīng)當(dāng)進(jìn)行怎樣的調(diào)整？

習(xí)題11-1比較開環(huán)控制與閉環(huán)控制的特征、優(yōu)缺點50圖1-13習(xí)題1-4圖

圖1-13習(xí)題1-4圖51

1-5圖1-14是一個水池水位自動控制系統(tǒng)，試簡述系統(tǒng)工作原理，指出主要變量和各環(huán)節(jié)的構(gòu)成，畫出系統(tǒng)的方框圖。

圖1-14習(xí)題1-5圖

1-5圖1-14是一個水池水位自動控制系統(tǒng)，試簡述系統(tǒng)52

1-6一個位置自動控制系統(tǒng)如圖1-15所示，試分析系統(tǒng)工作原理，畫出系統(tǒng)的方框圖。

圖1-15習(xí)題1-6圖

1-6一個位置自動控制系統(tǒng)如圖1-15所示，試分析系統(tǒng)531.1概

述

圖1-1所示為小球離心調(diào)速器的原理圖，此調(diào)速器是利用飛錘、彈簧和杠桿系統(tǒng)來調(diào)節(jié)閥門的開度，從而達(dá)到控制蒸汽機轉(zhuǎn)速的目的的。其工作原理為：如果負(fù)載增加，則蒸汽機轉(zhuǎn)速下降，飛錘(1)下降，滑套(2)將通過杠桿(3)使蒸汽閥門開大，蒸汽供給量增加，從而使蒸汽機轉(zhuǎn)速上升。反之若負(fù)載減小，蒸汽機轉(zhuǎn)速上升，則通過調(diào)節(jié)可使轉(zhuǎn)速下降。這樣，離心調(diào)速器可自動地抵制負(fù)載的變化，使蒸汽機轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。1.1概述圖1-1所示為小球離心調(diào)速器的原54圖1-1小球離心調(diào)速器原理圖

圖1-1小球離心調(diào)速器原理圖55可以說，現(xiàn)代控制理論已經(jīng)綜合了控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)等各方面的成就，達(dá)到或正在進(jìn)行著以下幾個方面的工作：①最優(yōu)控制對某種性能指標(biāo)實現(xiàn)最佳控制，即目標(biāo)函數(shù)法；②自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)本身可適應(yīng)環(huán)境的變化，而使系統(tǒng)保持最優(yōu)；③自學(xué)習(xí)控制這是一種較完善的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)辨識、判斷、積累經(jīng)驗和學(xué)習(xí)的功能。

可以說，現(xiàn)代控制理論已經(jīng)綜合了控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機561.2自動控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語

1.2.1自動控制的基本概念與組成所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對象(被控量)，使其按照預(yù)定的規(guī)律運動或變化。被控對象是控制系統(tǒng)的主體，是在系統(tǒng)中要求對其參數(shù)進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。如溫度控制系統(tǒng)中的加熱爐，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的拖動電機，過程控制系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)爐等。

1.2自動控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語1.2.1自動控制的基本57控制裝置一般由三部分組成：①自動檢測裝置包括測量元件和變送元件，起自動檢測被控對象的作用，如轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的測速發(fā)電機，溫度控制系統(tǒng)中的熱電偶等。②自動調(diào)節(jié)裝置起綜合、分析、比較、判斷和運算的作用，并能按一定的規(guī)律發(fā)出控制信號或指令。③執(zhí)行裝置起具體執(zhí)行控制信號或指令的作用，給被控對象施加某種作用，使其改變輸出量。

控制裝置一般由三部分組成：58對控制系統(tǒng)的組成進(jìn)行詳細(xì)分類，其還可以由下列各部分組成：測量變送元件屬于反饋元件，職能是把被控物理量測量出來；設(shè)定元件職能是給出被控量應(yīng)取的數(shù)值信號，即是設(shè)定給定值的元件；比較元件職能是將測量信號與給定信號進(jìn)行比較，并得到差值(偏差信號)，起信號綜合作用；對控制系統(tǒng)的組成進(jìn)行詳細(xì)分類，其還可以由下列各部分組成59放大元件職能是對差值信號進(jìn)行放大，使其足以推動下一級工作；執(zhí)行元件職能是直接推動被控對象，改變其被控物理量，使輸出量與希望值趨于一致；校正元件職能是改變由于結(jié)構(gòu)或參數(shù)的原因而引起的性能指標(biāo)的不適應(yīng)；能源元件

職能是為系統(tǒng)提供必要的能源。

放大元件職能是對差值信號進(jìn)行放大，使其足以推動下一級工601.2.2系統(tǒng)術(shù)語①被控量(被控參數(shù))要求被控對象保持恒定或為按一定規(guī)律變化的物理量。通常它是決定被控對象工作狀態(tài)或產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量的主要變量。如加熱爐的溫度，電動機的轉(zhuǎn)速，流體的流量、壓力等。被控量一般是輸出量，是時間的函數(shù)。②給定信號(參考輸入信號)控制系統(tǒng)的輸入信號，是時間的函數(shù)。③

偏差信號

是比較元件的輸出信號，

即給定信號與反饋（測量）信號之差。

1.2.2系統(tǒng)術(shù)語61④誤差信號系統(tǒng)被控量的希望值與實際值之差。在單位反饋系統(tǒng)中偏差信號等于誤差信號，在非單位反饋系統(tǒng)中，兩者雖然都反映了系統(tǒng)被控量的希望值與實際值之差，但它們的信號類型與量綱是不同的，這一點一定要引起重視。⑤干擾信號破壞系統(tǒng)平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)的被控量偏離其給定值的因素，稱為干擾信號。干擾信號是系統(tǒng)不希望的信號，它可能來自系統(tǒng)的內(nèi)部或系統(tǒng)的外部，它們進(jìn)入系統(tǒng)的作用點也可能不同，但都是影響系統(tǒng)控制質(zhì)量的不利因素。⑥反饋信號從系統(tǒng)的輸出端引出，經(jīng)過變換(或直接)回送至輸入端與給定信號進(jìn)行比較的信號，稱為反饋信號。此信號是為了達(dá)到控制目的而有意識地從輸出端回送到輸入端的信號。

④誤差信號系統(tǒng)被控量的希望值與實際值之差。在單位反饋621.2.3自動控制系統(tǒng)的方塊圖表示在研究自動控制系統(tǒng)的工作原理時，為了清楚地表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成，說明各元件間信號傳遞的因果關(guān)系，我們在分析系統(tǒng)時常采用方塊圖（框圖）的方式表示。方塊圖的繪制原則是：組成系統(tǒng)的每一環(huán)節(jié)(或元件)用一方框表示，符號為“

”。環(huán)節(jié)間用帶箭頭的線段“→”聯(lián)接起來，此線段稱為信號線（或作用線），箭頭的方向表示信號的傳遞方向，即作用方向，信號只能單方向傳遞。一個環(huán)節(jié)的輸入信號是環(huán)節(jié)發(fā)生運動的原因，而其輸出信號是環(huán)節(jié)發(fā)生運動的結(jié)果。信號的比較點用“”表示，它有對幾個信號進(jìn)行求（代數(shù)）和的功能。一般在多個輸入信號的信號線旁邊標(biāo)以“+”或“-”，

表示各輸入信號的極性。

1.2.3自動控制系統(tǒng)的方塊圖表示63圖1-2自動控制系統(tǒng)方框圖的舉例

圖1-2自動控制系統(tǒng)方框圖的舉例641.3自動控制系統(tǒng)的分類1.3.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)

1.開環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間只有順向作用，而沒有反向聯(lián)系，則該系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，控制信息只能單方向傳遞，沒有反向作用，輸入信號通過控制裝置作用于被控對象，

而被控對象的輸出對輸入沒有影響。

1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.3.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制65圖1-3開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

圖1-3開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖66圖1-3所示為一個由可控硅供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)由給定電位器、信號放大器、可控硅觸發(fā)及整流裝置、直流電動機等組成。系統(tǒng)用電位器取出電壓Ug作為系統(tǒng)的給定信號，電動機的轉(zhuǎn)速n作為系統(tǒng)的被控量（輸出量）。Ug通過放大器、觸發(fā)裝置和可控硅裝置實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速n的控制。觸發(fā)裝置和可控硅裝置等組成控制器。輸入信號通過控制器作用于受控對象以控制輸出，而電動機的轉(zhuǎn)速輸出則對控制器不產(chǎn)生影響，這樣的控制系統(tǒng)就屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。按控制的要求，一定的給定電壓Ug對應(yīng)于一定的轉(zhuǎn)速n。但是由于電動機的轉(zhuǎn)速n要受到軸上負(fù)載、電動機磁場、可控硅裝置的交流電源電壓等的影響，故不可能完全達(dá)到Ug的要求，而這些對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響的變化量就是系統(tǒng)的干擾量或擾動量。圖1-3所示為一個由可控硅供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。該67開環(huán)系統(tǒng)特點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計維護(hù)方便，但是控制精度差，抗干擾性能差。如全自動洗衣機、計時器、

自動機床、

自動生產(chǎn)線等均是開環(huán)控制系統(tǒng)。

開環(huán)系統(tǒng)特點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計維護(hù)方便，但是控制精68

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)如果改進(jìn)開環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)法把輸出信號受干擾影響而變化的信息傳遞到控制裝置中去，使控制器根據(jù)這個信息進(jìn)行控制以消除擾動的影響，那么系統(tǒng)就能夠更好地完成自動控制的任務(wù)。這種輸入量與輸出量之間不僅有順向作用，而且有反向作用的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖1-4所示就是將上述開環(huán)控制系統(tǒng)的例子加以改進(jìn)而形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)69圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖70閉環(huán)系統(tǒng)特點：與開環(huán)控制系統(tǒng)最明顯的不同之處在于系統(tǒng)有檢測變送元件(此例中為測速發(fā)電機)，它可以將系統(tǒng)的輸出情況及時地反饋到系統(tǒng)的輸入端進(jìn)行比較，這樣就使系統(tǒng)具有控制精度高，適應(yīng)性強，抗干擾性好等優(yōu)點；但由于系統(tǒng)存在檢測變送元件，因此系統(tǒng)就比開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，設(shè)計維護(hù)困難。如自動火炮系統(tǒng)(雷達(dá)、計算機、火炮群)、高級自動機床、自動恒溫箱、隨動系統(tǒng)等均是閉環(huán)控制系統(tǒng)。

閉環(huán)系統(tǒng)特點：與開環(huán)控制系統(tǒng)最明顯的不同之處在于系統(tǒng)有檢711.3.2定值、隨動和程序控制系統(tǒng)

1.定值控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值(參考輸入)為恒定的常數(shù)，此種控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可通過反饋控制使系統(tǒng)的被控參數(shù)(輸出)保持恒定的、希望的數(shù)值。如在過程控制系統(tǒng)中，一般都要求將過程參數(shù)(如溫度、壓力、流量、液位和成份等)維持在工藝給定的狀態(tài)，所以，多數(shù)過程控制系統(tǒng)都是定值控制系統(tǒng)。

1.3.2定值、隨動和程序控制系統(tǒng)72

2.隨動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值(參考輸入)隨時間任意變化的控制系統(tǒng)稱為隨動控制系統(tǒng)。也就是說，此類系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律是無法預(yù)先確定的時間函數(shù)。這種系統(tǒng)的任務(wù)是在各種情況下保證系統(tǒng)的輸出以一定的精度跟隨參考輸入的變化而變化，所以這種系統(tǒng)又稱為跟蹤系統(tǒng)。如運動目標(biāo)的自動跟蹤瞄準(zhǔn)和攔截系統(tǒng)，工業(yè)控制中的位置控制系統(tǒng)，過程控制中的串級控制系統(tǒng)的副回路等都屬于此類系統(tǒng)。另外，工業(yè)自動化儀表中的位置控制系統(tǒng)、顯示記錄儀表等也是閉環(huán)隨動控制系統(tǒng)。

2.隨動控制系統(tǒng)73

3.程序控制系統(tǒng)若系統(tǒng)給定值(參考輸入)是隨時間變化并有一定的規(guī)律，且為事先給定了的時間函數(shù)，則稱這種系統(tǒng)為程序控制系統(tǒng)。如熱處理爐的溫度調(diào)節(jié)，要求溫度按一定的時間程序的規(guī)律變化（自動升溫、保溫及降溫等）；間隙生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)器溫度控制以及機械加工中的程序控制機床等均屬于此類系統(tǒng)。也可以說，程序控制系統(tǒng)是隨動控制系統(tǒng)的一種特殊情況，其分析研究方法也和隨動控制系統(tǒng)相同。

3.程序控制系統(tǒng)741.3.3線性和非線性控制系統(tǒng)

1.線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)或特性可以用線性微分方程(或差分方程)來描述時，這種系統(tǒng)就稱為線性控制系統(tǒng)。線性控制系統(tǒng)的特點是可以使用疊加原理，當(dāng)系統(tǒng)存在幾個輸入時，系統(tǒng)的總輸出等于各個輸入分別作用于系統(tǒng)時系統(tǒng)的輸出之和，當(dāng)系統(tǒng)輸入增大或減小時，系統(tǒng)的輸出也按比例增大或減小。如果描述系統(tǒng)運動狀態(tài)的微分(或差分)方程的系數(shù)是常數(shù)，不隨時間變化，則這種線性系統(tǒng)稱為線性定常(或時不變)系統(tǒng)。若微分(或差分)方程的系數(shù)是時間的函數(shù)，則這種線性系統(tǒng)稱為線性時變系統(tǒng)。

1.3.3線性和非線性控制系統(tǒng)75

2.非線性控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中存在有非線性特性的組成環(huán)節(jié)或元件時，系統(tǒng)的特性就由非線性方程來描述，這樣的系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。對于非線性控制系統(tǒng)，疊加原理是不適用的。嚴(yán)格地講，實際的控制系統(tǒng)都不是線性的，各種系統(tǒng)總是不同程度地具有非線性特性，例如系統(tǒng)中應(yīng)用的放大器的飽和特性，運動部件的間隙、摩擦和死區(qū)，彈性元件的非線性關(guān)系等等。非線性特性根據(jù)其處理方法不同可以分為本質(zhì)非線性和非本質(zhì)非線性兩種。對于非本質(zhì)的非線性特性，其輸入、輸出關(guān)系曲線沒有間斷點和折斷點，且呈單值關(guān)系，因此當(dāng)系統(tǒng)變量變化范圍不大時，為便于研究，可簡化為線性關(guān)系處理，這樣可以應(yīng)用相當(dāng)成熟的線性控制理論進(jìn)行分析和討論。對于本質(zhì)非線性特性，其輸入、輸出關(guān)系或具有間斷點和折斷點，

或具有非單值關(guān)系，

這類系統(tǒng)需要用非線性控制理論來分析研究。

2.非線性控制系統(tǒng)761.3.4連續(xù)和離散控制系統(tǒng)

1.連續(xù)控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是時間的連續(xù)函數(shù)時，稱此類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)，亦稱模擬控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)的運動狀態(tài)或特性一般是用微分方程來描述的。模擬式的工業(yè)自動化儀表以及用模擬式儀表來實現(xiàn)自動化過程控制的系統(tǒng)都屬于連續(xù)控制系統(tǒng)。

1.3.4連續(xù)和離散控制系統(tǒng)77

2.離散控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中某些組成環(huán)節(jié)或元件的輸入、輸出信號在時間上是離散的，即僅在離散的瞬時取值時，稱此類系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別僅在于信號只是特定的離散瞬時上的時間的函數(shù)。離散信號可由連續(xù)信號通過采樣開關(guān)獲得，具有采樣功能的控制系統(tǒng)又稱為采樣控制系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)的運動狀態(tài)或特性一般用差分方程來描述，其分析研究方法也不同于連續(xù)控制系統(tǒng)。

2.離散控制系統(tǒng)781.3.5單變量和多變量控制系統(tǒng)

1.單變量控制系統(tǒng)在一個控制系統(tǒng)中，如果只有一個被控制的參數(shù)和一個控制作用來控制對象，則此系統(tǒng)為單變量控制系統(tǒng)，又叫單輸入單輸出系統(tǒng)。

1.3.5單變量和多變量控制系統(tǒng)79

2.多變量控制系統(tǒng)如果一個控制系統(tǒng)中的被控參數(shù)多于一個，控制作用也多于一個，且各控制回路相互之間有耦合關(guān)系，則稱這種系統(tǒng)為多變量控制系統(tǒng)，也叫多輸入多輸出系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的分類方法除上述幾種外還有很多，且各種分類方法只是人們站在不同的角度來看問題的一種方法，對于一個自動控制系統(tǒng)，可以用不同的方法來分類，但是這并不影響控制系統(tǒng)本身。

2.多變量控制系統(tǒng)801.4自動控制系統(tǒng)示例

要分析一個實際的自動控制系統(tǒng)，首先要了解它的工作原理，明白系統(tǒng)的組成等，也就是要求我們明白如下一些問題：①系統(tǒng)的被控對象是什么?哪些狀態(tài)參量要求控制(亦即被控量是什么)?作用在被控對象上的主要干擾有哪些?②操縱哪個機構(gòu)可改變被控量?③系統(tǒng)有哪些檢測元件?檢測的是被控量還是干擾?④系統(tǒng)給定值(參考輸入)或指令由哪個裝置提供?⑤如何實現(xiàn)各信號的偏差計算和判斷偏差?⑥

控制作用通過什么部件來實現(xiàn)?

1.4自動控制系統(tǒng)示例要分析一個實際的自動控制系統(tǒng)，811.4.1溫度控制系統(tǒng)溫度在很多場合是重要的被控參數(shù)之一，它與流量、壓力等均屬于典型的被控參數(shù)。圖1-5所示為烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖。

1.4.1溫度控制系統(tǒng)82圖1-5烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖

圖1-5烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖83根據(jù)圖1-5可以知道，控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持爐膛溫度的恒定；系統(tǒng)的被控對象為烘烤爐；系統(tǒng)被控量為烘烤爐的爐膛溫度；干擾量有工件數(shù)量、環(huán)境溫度和煤氣壓力等；調(diào)節(jié)煤氣管道上閥門開度可改變爐溫；系統(tǒng)的檢測元件是熱電偶，它將爐膛溫度轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量Ut；系統(tǒng)的給定裝置為給定電位器，其輸出電壓Ug作為系統(tǒng)的參考輸入，對應(yīng)于給定的爐膛溫度；系統(tǒng)的偏差為ΔU，為爐溫與給定溫度的偏差，由Ug和Ut計算得到（ΔU=Ug-Ut），兩電壓極性反接，就可完成減法運算；系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)為電動機、傳動裝置和閥門。根據(jù)圖1-5可以知道，控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持爐膛溫度的恒定84爐溫既受工件數(shù)量及環(huán)境溫度的影響，又受由混合器輸出的煤氣流量的影響，因此，調(diào)整煤氣流量便可控制爐溫。烘烤爐溫度控制系統(tǒng)的控制原理如下：假定爐溫恰好等于給定值，這時Ug=Ut，(即ΔU＝0)，故電動機和調(diào)節(jié)閥都靜止不動，煤氣流量恒定，烘烤爐處于給定溫度狀態(tài)。

爐溫既受工件數(shù)量及環(huán)境溫度的影響，又受由混合器輸出的煤氣85如果增加工件，烘烤爐的負(fù)荷加大，則爐溫下降，溫度下降將導(dǎo)致Ut減小，由于給定值Ug保持不變，則使ΔU>0，產(chǎn)生Ua使電動機轉(zhuǎn)動，開大煤氣閥門，增加煤氣供給量，從而使?fàn)t溫回升，直至重新等于給定值(即Ug=Ut)為止。這樣在負(fù)荷加大的情況下仍然保持了規(guī)定的溫度。如果負(fù)荷減小或煤氣壓力突然加大，則爐溫升高。Ut隨之加大，ΔU<0，故電動機反轉(zhuǎn)，關(guān)小閥門，減少煤氣量，從而使?fàn)t溫下降，直至等于給定值為止。由此看出，系統(tǒng)通過爐溫與給定值之間的偏差來控制爐溫，所以此控制系統(tǒng)是按偏差調(diào)節(jié)的自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中除烘烤爐及供氣設(shè)備外，其余統(tǒng)稱溫度控制裝置或溫度調(diào)節(jié)器。

如果增加工件，烘烤爐的負(fù)荷加大，則爐溫下降，溫度下降將導(dǎo)86表示系統(tǒng)各功能部件之間相互聯(lián)系的框圖如圖1-6所示。圖中每個功能部件用一個方框表示，箭頭表示信號的輸入、輸出通道。最右邊的方框習(xí)慣于表示被控對象，其輸出信號即為被控量，

而系統(tǒng)的總輸入量包括給定值和外部干擾。

表示系統(tǒng)各功能部件之間相互聯(lián)系的框圖如圖1-6所示。圖87圖1-6烘烤爐溫度控制系統(tǒng)方框圖

圖1-6烘烤爐溫度控制系統(tǒng)方框圖881.4.2位置隨動系統(tǒng)

圖1-7機床工作臺位置隨動系統(tǒng)原理圖

1.4.2位置隨動系統(tǒng)圖1-7機床工作臺位置隨動系統(tǒng)原89在圖1-7所示的系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制工作臺的位置，使之按指令電位器給出的規(guī)律變化；系統(tǒng)的被控對象為工作臺；被控量為工作臺的位置；檢量元件是反饋電位器W2，它將工作臺的位置xc轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量uc；系統(tǒng)的給定裝置為指令電位器W1，其輸出電壓ur作為系統(tǒng)的參考輸入，以確定工作臺的希望位置；系統(tǒng)的偏差為Δu，為工作臺的希望位置與實際位置之差，由ur和uc計算得到（Δu=ur-uc）；系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)為直流伺服電動機、齒輪減速器和絲杠副。在圖1-7所示的系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制工作臺的位置90機床工作臺位置隨動系統(tǒng)的工作原理是：通過指令電位器W1的滑動觸點給出工作臺的位置指令xr，并轉(zhuǎn)換為控制電壓ur。被控制工作臺的位移xc由反饋電位器W2檢測，并轉(zhuǎn)換為反饋電壓uc，兩電位器接成橋式電路。當(dāng)工作臺位置xc與給定位置xr有偏差時，橋式電路的輸出電壓為Δu=ur-uc。設(shè)開始時指令電位器和反饋電位器滑動觸點都處于左端，即xr=xc=0，則Δu=ur-uc=0，此時，放大器無輸出，直流伺服電動機不轉(zhuǎn)，工作臺靜止不動，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。機床工作臺位置隨動系統(tǒng)的工作原理是：通過指令電位器W1的91當(dāng)給出位置指令xr時，在工作臺改變位置之前的瞬間，xc=0，uc=0，則電橋輸出為Δu=ur-uc=ur-0=ur，該偏差電壓經(jīng)放大器放大后控制直流伺服電動機轉(zhuǎn)動，直流伺服電動機通過齒輪減速器和絲杠副驅(qū)動工作臺右移。隨著工作臺的移動，工作臺實際位置與給定位置之間的偏差逐漸減小，即偏差電壓Δu逐漸減小。當(dāng)反饋電位器滑動觸點的位置與指令電位器滑動觸點的給定位置一致，即輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入時，電橋平衡，偏差電壓Δu=0，伺服電動機停轉(zhuǎn)，工作臺停止在由指令電位器給定的位置上，系統(tǒng)進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。當(dāng)給出反向指令時，偏差電壓極性相反，伺服電動機反轉(zhuǎn)，工作臺左移，當(dāng)工作臺移至給定位置時，系統(tǒng)再次進(jìn)入平衡狀態(tài)。如果指令電位器滑動觸點的位置不斷改變，則工作臺位置也跟著不斷變化。當(dāng)給出位置指令xr時，在工作臺改變位置之前的瞬間，xc=92圖1-8機床工作臺位置隨動系統(tǒng)方框圖

圖1-8機床