第一章自動(dòng)控制的基本概念§1—2開環(huán)控制§1—1人工控制與自動(dòng)控制§1—3閉環(huán)控制§1—5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類§1—4自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成§1—1人工控制與自動(dòng)控制在工業(yè)生產(chǎn)過程或生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行中，為了維持正常的工作條件，往往需要對某些物理量（如溫度、壓力、流量、液位、電壓、位移、轉(zhuǎn)速等）進(jìn)行控制，使其盡量維持在某個(gè)數(shù)值附近或使其按一定規(guī)律變化。要滿足這種需要，就得對生產(chǎn)機(jī)械或設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的操作和控制，以抵消外界的擾動(dòng)和影響。這種操作和控制，既可用人工操作來完成，又可用自動(dòng)裝置的操作來實(shí)現(xiàn)，前者稱為人工控制或手動(dòng)控制，后者稱為自動(dòng)控制。一、人工控制如圖所示為一個(gè)人工控制水位保持恒定的供水系統(tǒng)。人工控制的水位系統(tǒng)操作步驟是：（1）將水位的要求值（期望水位值）牢記在操作者的大腦中。（2）通過眼睛和測量工具測量出水池的實(shí)際水位。（3）將期望水位與實(shí)際水位進(jìn)行比較、計(jì)算，從而得出誤差值。（4）按照誤差的大小和正負(fù)性質(zhì)由大腦指揮手去正確地調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門。所謂正確調(diào)節(jié)，是要按減小誤差的方向來調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度。由于圖中有人直接參與控制，故稱為人工控制。在本例中水池中的水位是被控制的物理量，簡稱被控量。水池這個(gè)設(shè)備是控制的對象，簡稱對象。人工控制的過程是測量、求誤差、控制、再測量、再求誤差、再控制這樣一種不斷循環(huán)的過程。其控制目的是要盡量減小誤差，使被控量盡可能地保持在期望值附近。二、自動(dòng)控制如果找到某種裝置可以完全代替人工控制中人所完成的全部職能，人就可以不直接參與控制，這樣的控制方案就稱為自動(dòng)控制。如圖所示是水池水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種簡單形式。圖中用浮子代替人的眼睛，作為測量水位高低之用；另用一套杠桿機(jī)構(gòu)代替人的大腦和手，作為計(jì)算誤差和執(zhí)行控制操作之用。簡單的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制的工作步驟可歸納為：（1）用連桿的長度標(biāo)定好水位的期望值。（2）當(dāng)水位超過或低于期望值時(shí)，其水位誤差被浮子檢測出來，并通過杠桿作用于進(jìn)水閥，從而產(chǎn)生控制作用。（3）按減小誤差的方向控制進(jìn)水閥門的開度。如圖所示的系統(tǒng)雖然可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但由于結(jié)構(gòu)簡單而存在較大的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在被控制的水位高度將隨著出水量的變化而變化。出水量越多，水位就越低，偏離期望值就越遠(yuǎn)，即誤差越大。也就是說，控制的結(jié)果，總存在著一定范圍的誤差值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可解釋如下：當(dāng)出水量增加時(shí)，為了使水位基本保持恒定不變，就得開大進(jìn)水閥門，使較多的水流進(jìn)水池以作補(bǔ)充。要開大進(jìn)水閥，唯一的途徑是浮子要下降得更多，這就意味著控制的結(jié)果是水位要偏離期望值而降低了。于是整個(gè)系統(tǒng)將在較低的水位建立起新的平衡狀態(tài)。為克服上述的缺點(diǎn)，可在原系統(tǒng)中增加一些設(shè)備而組成較完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖所示。這里浮子仍是測量元件，連桿起著比較作用，它將期望水位與實(shí)際水位兩者進(jìn)行比較，得出誤差，并以運(yùn)動(dòng)的形式推動(dòng)電位器的滑塊做上下移動(dòng)。電位器輸出電壓的高低和極性充分反映出誤差的性質(zhì)（大小和方向）。電位器輸出的微弱電壓經(jīng)放大器放大后，用以控制直流伺服電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)軸經(jīng)減速器降速后拖動(dòng)進(jìn)水閥門，作為施加于系統(tǒng)的控制作用。在正常情況下,實(shí)際水位等于期望值,此時(shí),電位器的滑塊居中，ue=0。當(dāng)出水量增大，浮子下降（如圖所示），它帶動(dòng)電位器滑塊向上移動(dòng)，輸出電壓（ue＞0）經(jīng)放大成ua后控制電動(dòng)機(jī)作正向旋轉(zhuǎn)，以增大進(jìn)水閥門的開度，促使水位回升。只有當(dāng)實(shí)際水位回復(fù)到期望值時(shí)，才能使ue=0，控制作用結(jié)束。較完善的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)本控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是無論出水量多或少，自動(dòng)控制的結(jié)果總是使實(shí)際水位的高度接近于期望值，不致出現(xiàn)大誤差，從而大大提高控制的精度。上述的自動(dòng)控制和人工控制極為相似。自動(dòng)控制系統(tǒng)只不過是把某些裝置有機(jī)地組合在一起，以代替人的職能。上圖中的浮子相當(dāng)于人的眼睛，連桿和電位器相當(dāng)于人的大腦，電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于人的手等。由于這些裝置負(fù)擔(dān)著控制的職能，通常稱之為控制器。任何一個(gè)控制系統(tǒng)，都是由被控制對象和控制器兩大部分所組成?！?—2開環(huán)控制控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。如圖所示的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)就是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。它的任務(wù)是控制電動(dòng)機(jī)使其以恒定的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)負(fù)載工作。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)工作原理是：調(diào)節(jié)電位器Rw的滑臂，使其給出某個(gè)給定電壓ugd。該電壓經(jīng)電壓放大和功率放大后成為ua，再送往電動(dòng)機(jī)的電樞，作為控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之用。由于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電樞電壓ua成正比（對同一負(fù)載而言），因此，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩mfz不變時(shí)，只要改變給定電壓ugd，便可得到不同的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n。換言之，ugd與n具有一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。系統(tǒng)中，只有輸入量ugd對輸出量n的單向控制作用，而輸出量n對輸入量ugd卻沒有任何影響和聯(lián)系，即系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，故稱這種系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)可用下圖所示的方塊圖來表示。圖中用方塊代表系統(tǒng)中具有相應(yīng)職能的元件；用箭頭表示元件之間信號(hào)的傳遞方向。電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩mfz的任何變動(dòng)，均會(huì)構(gòu)成對輸出量n的影響。換言之對恒速控制系統(tǒng)來說，作用于電動(dòng)機(jī)軸上的阻力距mfz將對系統(tǒng)的輸出起到破壞作用，這種作用稱為干擾或擾動(dòng),在圖中用一個(gè)作用在電動(dòng)機(jī)上的箭頭來表示。開環(huán)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)方塊圖開環(huán)控制系統(tǒng)的精度，主要取決于ugd的標(biāo)定精度以及控制裝置參數(shù)的穩(wěn)定程度,系統(tǒng)沒有抵抗外部干擾的能力，故控制精度較低。但由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低，故在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定、沒有干擾作用或所受干擾較小的場合下，仍會(huì)大量使用。§1—3閉環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是精度不高和適應(yīng)性較差，造成這種缺點(diǎn)的主要原因是缺乏從系統(tǒng)輸出端至輸入端的反饋回路。要克服這些缺點(diǎn)，就必須引入反饋環(huán)節(jié)，測出輸出量，并經(jīng)物理量的轉(zhuǎn)換后再反饋到輸入端，使輸出量對控制作用有直接影響。引入反饋回路的目的是要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，提高控制質(zhì)量。在直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)中，加入一臺(tái)測速發(fā)電機(jī)，并對電路稍作改變，便構(gòu)成圖示的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。測速發(fā)電機(jī)由電動(dòng)機(jī)同軸帶動(dòng)，用于測量電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n（即系統(tǒng)的輸出量），然后轉(zhuǎn)換成電壓uf，再反送到系統(tǒng)的輸入端，與給定值（即系統(tǒng)的輸入量）進(jìn)行比較，從而得出電壓ue=ugd-uf。由于該電壓能間接地反映出誤差的性質(zhì)（即大小和正負(fù)方向），通常稱之為偏差信號(hào)，簡稱為偏差。偏差ue經(jīng)放大器放大成ua后，作為電樞電壓控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n之用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)可用圖示的方塊圖來表示。通常將從系統(tǒng)輸入量至輸出量之間的信號(hào)傳輸通道稱為前向通道；從輸出量至反饋信號(hào)之間的信號(hào)傳輸通道稱為反饋通道。方塊圖中用符號(hào)“”表示比較環(huán)節(jié)，其輸出量等于各個(gè)輸入量的代數(shù)和。因此，各個(gè)輸入量均須用正負(fù)號(hào)表明其極性。方塊圖清楚表明：由于采用了反饋回路，致使信號(hào)的傳送路徑形成閉合環(huán)路，使輸出量反過來直接影響控制作用。這種通過反饋回路使系統(tǒng)形成閉合環(huán)路，并按偏差ue的性質(zhì)產(chǎn)生控制作用，以求減小或消除偏差的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱為反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)整過程：控制的結(jié)果就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降落得到自動(dòng)補(bǔ)償，使被控量n基本保持恒定。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖由于閉環(huán)控制系統(tǒng)采用了負(fù)反饋回路，故系統(tǒng)對來自外部的干擾（如電源電壓波動(dòng)或變化）有自動(dòng)補(bǔ)償作用，而對來自內(nèi)部的干擾（如元部件本身的參數(shù)變動(dòng)）的影響不甚敏感。這樣就可以選用不太精密的元件去構(gòu)成較為精密的控制系統(tǒng)。但是，閉環(huán)控制系統(tǒng)也有它的缺點(diǎn)：由于采用反饋裝置，導(dǎo)致設(shè)備增多，線路復(fù)雜。此外，對于一些慣性較大的系統(tǒng)，若參數(shù)配合不當(dāng)，控制過程可能變得很差，甚至出現(xiàn)發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況。必須指出，對主反饋而言，只有按負(fù)反饋原理組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的功能。若采用正反饋（ue=ugd+uf），不但無法糾正偏差，反而使偏差越來越大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)無法工作。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自動(dòng)糾偏能力，且控制精度較高，因而在工程中獲得廣泛的應(yīng)用。通常所說的自動(dòng)調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng)，就是指帶有反饋裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的特征有：（1）在結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)必須具有反饋裝置，并按負(fù)反饋的原則組成系統(tǒng)。采用反饋，就可不斷檢測被控制量，并將其變換成與輸入量相同的物理量，再反饋到輸入端，以便與輸入量進(jìn)行比較。采用負(fù)反饋的目的是要求得偏差信號(hào)。（2）由偏差產(chǎn)生控制作用。具體而言，系統(tǒng)必須按照偏差的性質(zhì)（大小、方向）進(jìn)行正確的控制，故系統(tǒng)中必須具有執(zhí)行糾偏任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（3）控制的目的是力圖減小或消除偏差，使被控量盡量接近期望值。自動(dòng)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確定義：是一個(gè)帶有反饋裝置的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)能自動(dòng)而連續(xù)地測量被控制量，并求出偏差,進(jìn)而根據(jù)偏差的大小和正負(fù)極性進(jìn)行控制，而控制的目的是力圖減小或消除所存在的偏差。§1—4自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成部分一個(gè)完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)通常是由測量反饋元件、比較元件、放大元件、校正元件、執(zhí)行元件以及被控對象等基本環(huán)節(jié)組成。通常還把圖中除被控對象外的所有元件合并在一起，稱為控制器。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖方塊圖中主要元件的職能如下：測量反饋元件——用以測量被控制量，并將其轉(zhuǎn)換成與輸入量同類物理量后，再反饋至輸入端以作比較。比較元件——用來比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)，并產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。放大元件——將微弱的信號(hào)作線性放大。校正元件——按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào)，以利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——根據(jù)偏差信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，以便使被控量按期望值變化?？刂茖ο蟆址Q被控對象或受控對象，通常是指生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行控制的工作機(jī)械或生產(chǎn)過程。出現(xiàn)在被控對象中需要控制的物理量稱為被控量。圖中串聯(lián)校正元件和并聯(lián)校正元件是為了改善系統(tǒng)的控制性能而引入的校正環(huán)節(jié)。二、自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)是由被控對象和自動(dòng)控制裝置按一定方式組合而成，以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的有機(jī)整體。輸入信號(hào)：系統(tǒng)的輸入信號(hào)又稱為參考輸入，通常是指給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號(hào)。輸出信號(hào)：系統(tǒng)的輸出信號(hào)是指被控對象中要求按某種規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號(hào)：取自系統(tǒng)（或元件）輸出端并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。反饋有主反饋和局部反饋之分。偏差信號(hào)：它是指參考輸入與主反饋信號(hào)之差。偏差信號(hào)簡稱偏差，其實(shí)質(zhì)是從輸入端定義的誤差信號(hào)。誤差信號(hào)：它是指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差，簡稱誤差，其實(shí)質(zhì)是從輸出端定義的誤差信號(hào)。顯然，在單位反饋（反饋信號(hào)不經(jīng)放大直接送入比較元件）的情況下誤差值也就是偏差值，二者是相等的。擾動(dòng)信號(hào)：簡稱擾動(dòng)或干擾，它與控制作用相反，是一種不希望的、能破壞系統(tǒng)輸出規(guī)律的不利因素。擾動(dòng)信號(hào)既可來自系統(tǒng)內(nèi)部，又可來自系統(tǒng)外部，前者稱內(nèi)部擾動(dòng)，后者稱外部擾動(dòng)。§1—5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按照輸入信號(hào)變化的規(guī)律，可將控制系統(tǒng)分為三類，即恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)。一、恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)又稱為自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號(hào)為某個(gè)常數(shù)，故稱為恒值。由于擾動(dòng)的出現(xiàn)，將使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差，恒值系統(tǒng)能根據(jù)偏差的性質(zhì)產(chǎn)生控制作用，使被控量以一定的精度回復(fù)到期望值附近。生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用的溫度、壓力、流量等參數(shù)的控制，多半是采用恒值控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。二、程序控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)的輸入信號(hào)不是常數(shù)，而是按照一種預(yù)先知道的時(shí)間函數(shù)進(jìn)行變化。如熱處理爐溫度控制系統(tǒng)中的升溫、保溫、降溫等過程，都是按照某種預(yù)先設(shè)定的規(guī)律（程序）進(jìn)行控制的。又