文档介绍：第一章自动控制系统概述
§1-1 引言
从 20 世纪 40 年代起。特别是第二次世界世界大战以来,由于工业活动的发展和
军事技术上的需要,科学技术的发展十分迅速。自动控制作为一门专门学科,也得到
了迅速的发展和广泛的应用。
自动控制,就是在没有人参与的情况下,通过控制器或者控制装置来控制机器或
者设备等物理装置,使得机器设备的受控物理量按照希望的规律变化,达到控制的目
的。
自动控制技术不仅广泛应用于工业控制中,在军事、农业、航空、航海、核能利
用、导弹制导等领域也发挥着重要作用。例如在工业控制中,对压力、温度、流量、
湿度、配料比等的控制,都广泛采用了自动控制技术。对于高温、高压、剧毒等对人
身体健康危害很大的场合,自动控制更是必不可少的。在军事和空间技术方面,宇宙
飞船准确地飞行和返回地面、人造卫星按预定轨道飞行、导弹准确地击中目标等,自
动控制更具有十分重要的意义。
《自动控制原理》是自动控制的基础理论,是一门理论性较强的工程科学。本课
程的主要任务是研究与讨论控制系统的一般规律,从而设计出合理的自动控制系统,
满足工农业生产和各种工程上的需要。
自动控制理论的发展与应用,不仅改善了劳动条件,把人类从繁重的劳动中解放
出来,而且由于自动控制系统能以某种最佳方式运行,因此可以提高劳动生产率,提
高产品质量,节约能源,降低成本。自动控制理论的应用是实现工业、农业、国防等
方面科学技术现代化的有利工具。自本学科创建以来,自动控制理论得到了充分的发
展,必定会在未来得到更为广泛的应用。
§1-2 开环控制与闭环控制
系统的定义十分广泛。在自动控制领域,系统指由内部互相联系的部件按照一定
规律组成,能够完成一定功能的有机整体。
开环控制和闭环控制是控制系统的两种最基本的形式,如图 1-1 中(a)、(b)两图
所示。
开环控制是最简单的一种控制方式。它的特点是,控制量与输出量之间仅有前向
通路,而没有反馈通路。也就是说,输出量不能对控制量产生影响。由于开环控制系
统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题,因此应用于许多控制设备中。
开环控制系统的缺点是:控制精度取决于组成系统的元件的精度,因此对元器件
的要求比较高。由于输出量不能反馈回来影响控制量,所以输出量受扰动信号的影响
比较大,系统抗干扰能力差。根据上述特点,开环控制方式仅适用于输入量已知、控
制精度要求不高、扰动作用不大的情况。
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开环控制系统一般是根据经验来
设计的。如普通的洗衣机,对输出信控制量
输入量输出量
号即衣服的洁净度不作监测;普通电控制器受控对象
烤箱,不考虑开门时的扰动对于烤箱
(a) 开环控制系统
温度的影响等,所以系统只有一条从
控制量
输入到输出的前向通路。输入量输出量
控制器受控对象
比较图 1-1 中闭环控制系统与开+
-
环控制系统,很容易发现它们的区
反馈元件
别。闭环控制系统不仅有一条从输入
端到输出端的前向通路,还有一条从(b) 闭环控制系统
输出端到输入端的反馈通路。输出量图1-1 开环系统控制与闭环控制系统
通过一个测量变送元件反馈到输入
端,与输入信号比较后得到偏差信号来作为控制器的输入,反馈的作用是减小偏差,
以达到满意的控制效果。闭环控制又称为反馈控制。
上述系统的输出量通过测量变送元件返回到系统的输入端,并和系统的输入量作
比较的过程就称为反馈。如果输入量和反馈量相减则称为负反馈,反之,若二者相
加,则称为正反馈。控制系统中一般采用负反馈方式。输入量与反馈量之差称为偏差
信号。
闭环控制系统在控制上具有以下特点。
由于输出信号的反馈量与给定信号作比较产生偏差信号,利用偏差信号实现对输
出量的控制或者调节,所以系统的输出量能够自动地跟踪给定量,减小跟踪误差,提
高控制精度,抑制扰动信号的影响。除此之外,负反馈构成的闭环控制系统还有其它
的优点:引进反馈通路后,使得系统对前向通路中元件参数的变化不灵敏,从而系统
对于前向通路中元件的精度要求不高;反馈作用,还可以使得整个系统对于某些非线
性影响不灵敏等等。下面来举例说明开环控制和闭环控制。
图 1-2 是直流电动机转速开环控制
电 V+ 电动机负载
示意图。图 1-3 是是直流电动机转速位
闭环控制示意图。在图 1-2 中,电器功率
放大器
动机带动负载以一定的转速转动。当
调节电位器的滑臂位置时,可以改变
图1-2 直流电动机转速开环控制
功率放大器的输入电压,从而改变电
动机的电枢电压,最终改变电动机的转速。所以,电动机的转速可以由调节电位器来
给定。但是当电动