第1章自动控制系统概论1.1概述图1-1小球离心调速器原理图可以说，现代控制理论已经综合了控制技术、通信技术和计算机技术等各方面的成就，达到或正在进行着以下几个方面的工作：①最优控制对某种性能指标实现最佳控制，即目标函数法；②自适应控制系统具有自适应能力，当环境发生变化时，系统本身可适应环境的变化，而使系统保持最优；③自学习控制这是一种较完善的自适应控制系统，具有系统辨识、判断、积累经验和学习的功能。1.2自动控制系统的组成和术语控制装置一般由三部分组成：①自动检测装置包括测量元件和变送元件，起自动检测被控对象的作用，如转速控制系统中的测速发电机，温度控制系统中的热电偶等。②自动调节装置起综合、分析、比较、判断和运算的作用，并能按一定的规律发出控制信号或指令。③执行装置起具体执行控制信号或指令的作用，给被控对象施加某种作用，使其改变输出量。对控制系统的组成进行详细分类，其还可以由下列各部分组成：测量变送元件属于反馈元件，职能是把被控物理量测量出来；设定元件职能是给出被控量应取的数值信号，即是设定给定值的元件；比较元件职能是将测量信号与给定信号进行比较，并得到差值(偏差信号)，起信号综合作用；放大元件职能是对差值信号进行放大，使其足以推动下一级工作；执行元件职能是直接推动被控对象，改变其被控物理量，使输出量与希望值趋于一致；校正元件职能是改变由于结构或参数的原因而引起的性能指标的不适应；能源元件职能是为系统提供必要的能源。1.2.2系统术语①被控量(被控参数)要求被控对象保持恒定或为按一定规律变化的物理量。通常它是决定被控对象工作状态或产品产量、质量的主要变量。如加热炉的温度，电动机的转速，流体的流量、压力等。被控量一般是输出量，是时间的函数。②给定信号(参考输入信号)控制系统的输入信号，是时间的函数。③偏差信号是比较元件的输出信号，即给定信号与反馈（测量）信号之差。④误差信号系统被控量的希望值与实际值之差。在单位反馈系统中偏差信号等于误差信号，在非单位反馈系统中，两者虽然都反映了系统被控量的希望值与实际值之差，但它们的信号类型与量纲是不同的，这一点一定要引起重视。⑤干扰信号破坏系统平衡，导致系统的被控量偏离其给定值的因素，称为干扰信号。干扰信号是系统不希望的信号，它可能来自系统的内部或系统的外部，它们进入系统的作用点也可能不同，但都是影响系统控制质量的不利因素。⑥反馈信号从系统的输出端引出，经过变换(或直接)回送至输入端与给定信号进行比较的信号，称为反馈信号。此信号是为了达到控制目的而有意识地从输出端回送到输入端的信号。1.2.3自动控制系统的方块图表示在研究自动控制系统的工作原理时，为了清楚地表示系统的结构和组成，说明各元件间信号传递的因果关系，我们在分析系统时常采用方块图（框图）的方式表示。方块图的绘制原则是：组成系统的每一环节(或元件)用一方框表示，符号为“”。环节间用带箭头的线段“→”联接起来，此线段称为信号线（或作用线），箭头的方向表示信号的传递方向，即作用方向，信号只能单方向传递。一个环节的输入信号是环节发生运动的原因，而其输出信号是环节发生运动的结果。信号的比较点用“”表示，它有对几个信号进行求（代数）和的功能。一般在多个输入信号的信号线旁边标以“+”或“-”，表示各输入信号的极性。图1-2自动控制系统方框图的举例1.3自动控制系统的分类图1-3开环控制系统原理图图1-3所示为一个由可控硅供电的直流电动机调速系统。该系统由给定电位器、信号放大器、可控硅触发及整流装置、直流电动机等组成。系统用电位器取出电压Ug作为系统的给定信号，电动机的转速n作为系统的被控量（输出量）。Ug通过放大器、触发装置和可控硅装置实现对电动机转速n的控制。触发装置和可控硅装置等组成控制器。输入信号通过控制器作用于受控对象以控制输出，而电动机的转速输出则对控制器不产生影响，这样的控制系统就属于开环控制系统。按控制的要求，一定的给定电压Ug对应于一定的转速n。但是由于电动机的转速n要受到轴上负载、电动机磁场、可控硅装置的交流电源电压等的影响，故不可能完全达到Ug的要求，而这些对转速产生影响的变化量就是系统的干扰量或扰动量。开环系统特点：控制系统结构简单，设计维护方便，但是控制精度差，抗干扰性能差。如全自动洗衣机、计时器、自动机床、自动生产线等均是开环控制系统。2.闭环控制系统如果改进开环控制系统，设法把输出信号受干扰影响而变化的信息传递到控制装置中去，使控制器根据这个信息进行控制以消除扰动的影响，那么系统就能够更好地完成自动控制的任务。这种输入量与输出量之间不仅有顺向作用，而且有反向作用的控制系统，称为闭环控制系统。如图1-4所示就是将上述开环控制系统的例子