第一章绪论1.1自动控制系统简介图1-1表示采用空调器的室内温度控制系统的元件框图。图中方块表示元部件,方框之间的有向线段代表信号(或变量)及其传递方向。室内温度是要被控制的物理量,它由空调器直接控制。电位器的输入电压r代表设定的室内温度。实际温度c由热敏电阻组成的温度传感器检测并转换成电压y。电子放大器的输出电压e代表设定温度与实际温度之差。当这个温度差大于某个规定值时,空调器开始运行,缩小室内温度与设定温度之间的差值。一旦室内温度达到设定值后,放大器输出电压e使空调断电而停止运行。于是室内温度就被控制在设定值的附近。图1-1室温控制系统元件框图在自动化领域,被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象。这个“过程”的含义是广泛的,它包括化学反应过程、核反应过程、热传导过程、工业生产调度过程等等。另外,控制对象还可以属于生物领域、社会经济领域等其他领域。对控制对象产生控制作用的装置称为控制器,有时也称为控制元件、调节器等。在控制系统中被控制的物理量是被控变量。直接改变被控变量的元件称为执行元件。能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件。在图1-1中,室内的空气就是被控对象,室内温度是被控变量,空调器是执行元件,放大器是控制器,热敏电阻属于传感器或测量元件。按照各元件的不同功能可以将图1-1抽象为如图1-2所示的功能框图。图1-2室温控制系统功能框图由外部加到系统中的变量称为输入信号,它不受系统中其他变量的影响和控制。由系统或元件产生的变量称为输出信号,其中最受关注的输出信号又称为被控变量。由某一个输入信号产生的输出信号又称为该输入信号的响应。控制器的输出信号称为控制变量,它作用在控制对象(执行元件、功率放大器)上,影响和改变被控变量。反馈信号是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端的信号,一般与被控变量成正比。给定值又称为指令输入信号,它与被控变量是同一物理单位,用来表示被控变量的设定值。代表指令输入信号与反馈信号进行比较的基准信号称为参考输入信号。参考输入信号与反馈信号之差称为偏差信号。扰动信号是加于系统上的不希望的外来信号,它对被控变量产生不利的影响。将指令输入信号变成参考输入信号的元件可称为参考输入元件。在图1-1和图1-2表示的室温控制系统中,室内温度的设定值就是给定值,或称为指令输入。室内的实际温度c就是被控变量,也是系统的输出信号。电位器的输出电压r是参考输入信号,热敏电阻即温度传感器的输出信号y是反馈信号,e=r-y称为偏差信号。放大器(控制器)的输出信号e也就是加到空调器上的信号,它就是控制变量。电位器是参考输入元件,它将设定的温度转换为电压。周围环境温度的变化及房间散热条件的变化等都属于扰动信号。1.2自动控制系统分类图1-3开环控制系统另外,如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定,且其内部参数或外来扰动的变化都比较小,或这些扰动因素可以事先确定并能给予补偿,则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果。闭环控制系统指的是系统输出量对控制作用有直接影响的一类控制系统。在闭环控制系统中,需要对系统输出不断地进行测量、变换并反馈到系统的控制端与参考输入信号进行比较,产生偏差信号,实现按偏差控制。因此闭环控制又称为反馈控制,其控制结构如图1-4所示。在这样的结构下,系统的控制器和控制对象共同构成了前向通道,而反馈装置构成了系统的反馈通道。图1-4闭环控制系统在控制系统中,反馈的概念非常重要。在图1-4中,如果将反馈环节取得的实际输出信号加以处理,并在输入信号中减去这个反馈量,再将结果输入到控制器中去控制被控对象,这样的反馈称为负反馈;反之,若由输入量与反馈量相加作为控制器的输入,则称为正反馈。在一个实际的控制系统中,具有正反馈形式的系统一般是不能改进系统性能的,而且容易使系统性能变坏,因此不被采用;而具有负反馈形式的系统,它通过自动修正偏离量,使系统输出趋于给定值,并能抑制系统回路中存在的内扰和外扰的影响,最终达到自动控制的目的。通常而言,反馈控制就是指负反馈控制。与开环控制系统相比,闭环控制系统的最大特点是检测偏差、纠正偏差。从系统结构上看,闭环系统具有反向通道,即反馈;从功能上看,闭环系统具有如下特点:(1)由于增加了反馈通道,系统的控制精度得到了提高,若采用开环控制,要达到同样的精度,则需要高精度的控制器,从而大大增加了成本。(2)由于存在系统的反馈,可以较好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性。(3)反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。虽然在实际系统中,反馈控制系统的形式是多样的,但一般均可化为图1-4的形式。1.2.2线性控制系统和非线性控制系统按照系统是否满足叠加原理,系统可分为线性系统和