第1章 自动控制系统概述

1.1引言 1.2 开环控制和闭环控制 1.3 自动控制系统的组成 1.4 自动控制系统的分类 1.5 自动控制系统的性能指标 1.6 研究自动控制系统的方法

1.1 自动控制理论的发展史及内容 在工业、 农业、 交通运输和国防各个方面，凡要求较高的场合，都离不开自动控制。 所谓自动控制， 就是在没有人直接参与的情况下， 利用控制装置对生产过程、 工艺参数、 目标要求等进行自动的调节与控制， 使之按照预定的方案达到要求的指标。 自动控制系统性能的优劣， 将直接影响到产品的产量、 质量、 成本、 劳动条件和预期目标的完成。

自动控制技术的应用可以追溯到18世纪(1788年)瓦特(Watt)利用小球离心调速器使蒸汽机转速保持恒定的开创性的突破， 以及19世纪(1868年)麦克斯威尔（Maxwell）对轮船摆动（稳定性）的研究。 但在初期， 自动控制技术的应用进展很缓慢。 自动控制技术的真正发展是在20世纪。

自动控制理论通常可分为经典控制理论、 现代控制理论和智能控制理论。  1、经典控制理论 经典控制理论产生并发展于20世纪40～60年代。 2、现代控制理论 现代控制理论于20世纪60年代中期发展成熟。 3、智能控制理论 智能控制理论是20世纪70年代后， 控制理论向广度和深度发展的结果。

智能控制系统是指具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统， 其中最典型的就是智能机器人。  对自动控制理论的具体描述可表示为下图。 

对自动控制理论的具体描述

1.2 开环控制和闭环控制 1、开环控制系统(OpenLoop Control System) 若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响， 则这样的系统称为开环控制系统。

图 1 - 1 数控加工机床示意图

图 1 - 2 为数控加工机床开环控制框图。 此系统的输入量为加工程序指令， 输出量为机床工作台的位移， 系统的控制对象为工作台， 执行机构为步进电动机和传动机构。 此系统无反馈环节， 输出量并不返回来影响控制部分， 因此是开环控制。 

图 1 – 2 数控加工机床开环控制框图

2、闭环控制系统(ClosedLoop Control System) 若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分， 形成闭合环路， 则这样的系统称为闭环控制系统， 又称为反馈控制系统(Feedback Control System)。

图 1 - 3 电炉箱恒温自动控制系统

图 1 - 4 电炉箱自动控制系统的组成框图

图 1 – 5 炉温自动调节过程

1.3 自动控制系统的组成 现以图 1 - 3和图 1 - 4 所示的恒温控制系统来说明自动控制系统的组成和有关术语。 

图 1 - 6 自动控制系统的组成框图

由图 1 - 6 可以看出， 一般自动控制系统包括： (1) 给定元件（Command Element）： 由它调节给定信号（UsT）， 以调节输出量的大小。 (2) 检测元件（Detecting Element）： 由它检测输出量（如炉温T）的大小， 并反馈到输入端。 (3) 比较环节（Comparing Element）： 在此处， 反馈信号与给定信号进行叠加， 信号的极性以“+”或“-”表示。 (4) 放大元件（Amplifying Element）： 由于偏差信号一般很小， 因此要经过电压放大及功率放大， 以驱动执行元件。

(5) 执行元件（Executive Element）： 驱动被控制对象的环节。 (6) 控制对象（Controlled Plant）： 亦称被调对象。 (7) 反馈环节（Feedback Element）： 由它将输出量引出， 再回送到控制部分。

由图 1 - 6 可见， 系统中的各种作用量和被控制量包括： (1) 输入量（Input Variable）： 又称控制量或调节量（Reference Input Variable）， 所以输入量的角标常用i(或 r)表示。它通常由给定信号电压构成,或通过检测元件将非电输入量转换成信号电压。 (2) 输出量（Output Variable）： 又称被控制量（Controlled Variable）, 所以输出量角标常用o(或 c)表示。它是被控制对象的输出，是自动控制的目标。

(3) 反馈量（Feedback Variable）： 通过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同且数量级相同信号电压。 (4) 扰动量（Disturbance Variable）: 又称干扰或“噪声”（Noise）， 所以扰动量的角标常以d（或n）表示。 它通常指引起输出量发生变化的各种因素。 (5) 中间变量(Semifinisbed Variable)： 系统中各环节之间的作用量。

【例1-1】 水位控制系统。 图1-7 水位控制系统示意图

图1-8 水位控制系统的组成框图

2.工作原理 3.自动调节过程 直至Q1=Q2,H=H0，UB=UA，△U=0时，电动机停转为止 图1-9 水位控制系统的自动调节过程

【例1-2】 位置跟随系统。 1、系统的组成 图1-10 位置跟随系统示意图

图1-11 雷达天线位置跟随系统框图

2、工作原理 　　 图1-12 雷达天线位置跟随自动调节过程

1.4 自动控制系统的分类 自动控制系统可以从不同的角度来进行分类， 常见的有以下几种。 1、按输入量变化的规律分类 自动控制系统按输入量变化的规律可分为以下三类。 1) 恒值控制系统(Fixed Set-Point Control System) 恒值控制系统的特点是： 系统的输入量是恒量， 并且要求系统的输出量相应地保持恒定。

2) 随动系统（Follow-Up Control System） 随动控制系统又称伺服系统（Serve-System）， 其特点是： 输入量是变化着的（有时是随机的）， 并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。

在数控机床控制系统中,目前国内用得较多 得两种系统: 　　①德国西门子数控系统(SINUMER1K 810D) 　　主轴——交流高速变频调速电机(恒值控制) 　　转速可达15000r/min(铣刀、齿轮) 　　刀架——位置随动系统 　　交流伺服电动机(变频) 　　系统如下图所示：

②日本FANUC数控系统 　　下图为FANUC数控系统： 　　交流变频伺服系统(刀架精确定位)

3) 过程控制系统(Process Control System) 过程控制系统的特点是： 输入量按照一定的时间函数变化， 并且要求输出量随之变化。对其中的每一个局部，它们可能是一种随动控制系统，也可能是按程序指令变化的恒值控制系统。

食品加工的在线调和——流量控制——如生产调和油

化工厂中的温度、压力、流量的控制

发电厂的生产控制——木屑发电原理

2、按系统传输信号对时间的关系分类 自动控制系统按系统传输信号对时间的关系可分为两类。 1) 连续控制系统（Continuous Control System） 连续控制系统的特点是：各元件的输入量或输出量都是连续量或模拟量， 因此它又称为模拟控制系统（Analogue Control System）。连续控制系统的运动规律通常可用微分方程来描述。

2) 离散控制系统(Discrete Control System) 离散控制系统又称采样数据控制系统（Sampted-Date Control System）。 它的特点是： 系统中有的信号是脉冲序列或采样数据量或数字量。

3、按系统的输出量和输入量间的关系分类 自动控制系统按系统的输出量和输入量间的关系可分为两类。 1) 线性系统(Linear System) 线性系统的特点是： 系统全部由线性元件组成， 它输出量和输入量间的关系用线性微分方程来描述。可应用叠加定理。

2) 非线性系统(Nonlinear System) 非线性系统的特点是： 系统中存在有非线性元件， 如具有死区、 出现饱和、 含有摩擦等非线性特性的元件， 要用非线性微分方程来描述。

4、按系统中的参数对时间的变化情况分类 1) 定常系统（Time-Invariant System） 定常系统(又称时不变系统) ，其特点是： 系统的全部参数不随时间变化， 它用定常微分方程来描述。 2) 时变系统(Time-Varying System) 时变系统的特点是： 系统中有的参数是时间t的函数， 它随时间变化而改变。

1.5 自动控制系统的性能指标 1、系统的稳定性（Stability） 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。 一个稳定的控制系统， 其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。

图1-13 稳定系统和不稳定系统 a)稳定系统 b)不稳定系统

(Steaty-State Performance Specification) 2 、系统的稳态性能指标 (Steaty-State Performance Specification) 　　 当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统会出现偏差，这种偏差称为稳态误差(ess)(Steady-State Error)。系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度(或静态精度)(Static Accuracy)，它表明了系统的准确程度。稳态误差 ess 越小，则系统的稳态精度越高。 　　 １.有静差系统：ess≠0，如图1-8a所示。 ２.无静差系统：ess=0，如图1-8b所示。

图1-14 自动控制系统的稳态性能 a)有静差系统 b)无静差系统

3、系统的动态性能指标(Dynamic Performance Specification) 　　 系统从一个稳态过渡到新的稳态都需要经历一段时间，亦即需要经历一个过渡过程。表征这个过渡过程性能的指标叫做动态指标。

图1-15 系统对突加给定信号的动态响应曲线

（1）、最大超调量( )(Maximum Overshoot) 最大超调量是输出量c(t)与稳态值 的最大偏差 与稳态值 之比。 　　即 　　 最大超调量反映了系统的动态精度，最大超调量越小，则说明系统过渡过程进行得越平稳。

　（2）、调整时间( )(Settling Time) 调整时间是给定量作用于系统开始，到输出量进入并一直保持在离稳态值的允许误差带内所需要的时间。 （3）、振荡次数(N)(Order Number)　　 振荡次数是指在调整时间内，输出量在稳态值上下摆动的次数。

结论： 在上述指标中，最大超调量和振荡次数反映了系统的稳定性能。调整时间反映了系统的快速性。稳态误差反映了系统的准确度。一般说来，我们总是希望最大超调量小一点，振荡次数少一点，调整时间短一些，稳态误差小一点。总之，希望系统能达到稳、快、准。 　　以后的分析将表明，这些指标要求，在同一个系统中往往是相互矛盾的。这就需要根据具体对象所提出的要求，对其中的某些指标有所侧重，同时又要注意统筹兼顾。 　　性能指标是衡量自动控制系统技术品质的客观标准，它是订货、验收的基本依据，也是技术合同的基本内容。

1.6 研究自动控制系统的方法 　　 对自动控制系统进行分析研究，首先是对系统进行定性分析。所谓定性分析，主要是搞清各个单元及各个元件在系统中的地位和作用，以及它们之间的相互联系，并在此基础上搞清系统的工作原理。然后，在定性分析的基础上，可以建立系统的数学模型；再应用自动控制理论对系统的稳定性、稳态性能和动态性能进行定量分析。在系统分析的基础上就可以找到改善系统性能，提高系统技术指标的有效途径，这也就是系统的校正、设计和现场调试。

自动控制理论又分为经典控制理论(Classical Control Theory)和现代控制理论(Modern Control Theory)。 经典控制理论是建立在传递函数(Transfer Function)概念基础之上的，它对单输入—单输出系统是十分有效的。 现代控制理论是建立在状态变量(State Variable)概念基础之上的，它适用于复杂的多输入—多输出控制系统及变参数非线性系统，实现自适应控制(Adaptive Control)、最佳控制(Optimal Control)等。 　　在经典控制理论中，又有时域分析法 (TimeDomain Analysis Method)、频率响应法(Freguency Response Method)和根轨迹法(The Root Locus Method)等几种分析方法。

习 题 1 - 1 分析比较开环控制与闭环控制的特征、 优缺点和应用场合的不同。

1 - 2 指出下列系统中哪些属开环控制， 哪些属闭环控制： (1) 家用电冰箱 (2) 家用空调 (3) 家用洗衣机 (4) 抽水马桶 (5) 普通车床 (6) 电饭煲 (7) 多速电风扇 (8) 高楼水箱 (9) 调光台灯 (10) 自动报时电子钟

1 - 3 衡量一个自动控制系统的性能指标通常有哪些？ 下图 为某自动控制系统启动时的动态曲线， 其中x(t)为被控量， xo为期望稳态值。 曲线Ⅰ、 Ⅱ对应不同的调节参数。 试分析比较Ⅰ、 Ⅱ两种情况技术性能的优劣。

某自动控制系统的启动曲线

1 - 4 组成自动控制系统的主要环节有哪些？ 它们各有什么特点? 起什么作用？ 1 - 5 恒值控制系统和随动控制系统的主要区别是什么？判断下列系统属于哪一类系统： 电饭煲、 空调、 燃气热水器、 自动跟踪雷达、 家用交流稳压器。

1 - 6 画出电冰箱温度自动控制系统的方框图，并说明在该系统中可能存在哪些扰动量？ （提示： 电冰箱是依靠由电动机驱动的压缩机， 将氟里昂气体压缩成液体， 此液体在冰箱柜内的管道中气化膨胀， 产生致冷效应。 检测冰箱内温度的是一个内有液体的温包， 温包内液体通过毛细管与波纹管内腔液体相通。 当温度升高时， 温包液体膨胀， 使波纹管伸长， 它通过连杆带动微动开关， 使微动开关合上， 接通电动压缩机的电源， 压缩机工作， 使温度降低。)

1 - 7 锅炉液位控制系统如下图所示，气动薄膜调节阀设置在给水进水管上， 液位检测变送器、 调节器、 定值器（即给定器）全部采用气动单元组合（QDZ）仪表。 (1) 试画出该液位控制系统的原理方框图， 要求标出各环节对应的信号。 (2) 说明被控量、 给定值及可能的干扰量各是什么？ (3) 从系统的结构、 给定值变化的规律及对象特点来分类， 该自动控制系统应分别属于哪类控制系统？

锅炉液位控制系统示意图