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1、 第十一章 自动控制原理 自动控制系统及其组成 自动控制是在人工控制的基础上产生，发展起来 。所以，在介绍自动控制时，首先分析人工控制， 并与自动控制加以比较。 人工控制与自动控制 图111为室温人工控制示意图，送风经过热水加 热器加热后送入恒温室，用以控制室内温度（简称 室温），为了室温保持在要求得数之上或在一定的 范围内变化，必须在室内设计一个温度计，操作人 员根据温度计的指示，不断地改变调节阀的开度， 控制进入加热器的热水量，从而使室温维持在某个 要求的范围内。例如，当操作人员从温度计上观察到的数值低于要 求值时，则开大热水阀门，增大加热量，使时文加热 倒要求得数值；归纳起来操作人员所进
2、行的工作是: 观察温度计的指示值; 将室温指示值与室温要求值加以比较，并算出两 者的差值，规定要求值减去指示值为差值; 当差值为正时，开大热水闸门，从而使偏差减 小； 当偏差为负时，则关小热水闸门，也是偏差减小 。 将上述三部工作不断重复下去，直到温度指示回 到要求的数值上。 这种有人工来直接进行的控制称人工控制。 从上述可知，要进行人工控制，必须有测量仪表 和一个由人工操作的器件（如上图中的调节闸门）。 由人来判断偏差的大小与符号，然后根据这个偏差 进行控制，是偏差得以纠正。人在控制过程中就其到了观察，比较，判断和控制 的作用。简单说就是“检查偏差，就正偏差”的过程。众所周知，人工控制往往是
3、比较紧张和范所得工作 ，而且容易出现差错;另外，由于人眼的观察和手的操作动作，受到人生 理机能的限制，所以无法达到高精度和节能控制的要 求。 假如由一个自动控制装置来完成上述人工操作，就 可完成室温的人工控制。图11-2为室温自动控制系统示意图，控制器将传感 器反映的室温测量值与要求值进行比较合运算，用以 控制执行器，使流入室内的热量与流出到室外的热量 相平衡，以实现室温的自动控制。上述执行起由执行 机构和调节机构闸门组成，称为电动调节阀。所谓自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利 用控制装置使得被控制对象（如设备和生产过程等） 自动的按照预定的规律运行后变化的手段（或操作） 。从上述人工控
4、制与自动控制过程分析来看：传感器 相当于人工控制中的温度计；控制器代替人的眼睛和大脑，进行比较和运算；执行器中的电动机相当于人的双手。 在人工控制中，人是凭经验支配双手操作的。 其效果很大程度上取决于其经验的正确与否。 而在自动控制中，控制器是根据偏差信号，按一 定规律取控制调节阀的，其效果很多大程度上取决于 控制器的控制规律的选用是否恰当。二、自动控制系统的组成 为了达到自动控制的目的，由相互制约的各个部件， 按一定的规律组成的具有一定功能的整体称为自动控制系 统。 由被控对象，传感器（或变送器），控制器和执行器等 组成。例如，图112室温自动控制系统是有恒温器，温度传感 器，温度控制器和电
5、动调节阀组成。 为了能清楚地表示一个自动控制系统个组成部分（或称环 节）之间的相互影响和信号联系，一般都用框图表示控制 系统的组成。例如，上例室温控制系统可以用图113的框图表示。每 一个框表示一个环节，用带箭头的线条表示各个环节之间 的联系和信号传递方向，在线上用字母表示作用信号。在上例中，室外温度的变化，室内热源的变化，加热 器前送风温度的变化及热水温度的变化等，都使室温发 生变化，使室温的实际值于给定制之间产生差距。这是 引起室温变化的外界因素，在自动系统中称为干扰（或 称扰动），用f表示。 一般，控制系统受两种作用，即给定作用和干扰作用 ，它们称为系统的输入信号。 系统的给定值决定系统
6、被控制变量的变化规律。 干扰作用在实际系统中是难于避免的，而且它可以作用 在系统中的任意部位。 通常所说的系统的输入信号是指给定制信号，在系统的 输出信号是指被控变量。设定给定值这一端称为系统的 输出端。由图113的框图可以看出，从信号传输的角度来说 ，自动控制是一个闭合的回路，所以又称闭环系统。 应强调说明，这种闭环系统的输出信号被控变 量进过传感器（或变送器）有返回作用到系统的输入 端。 这种把系统的输出信号又引到系统的输入端的措施称 反馈。自动控制系统中采用的反馈是负反馈。 所谓负反馈就是输入量与反馈量是相减的，由于采用 负反馈控制，才能使被控制量与给定值之差消除或减 小，即使被控量变化
7、减小。 自动控制中的常用术语 被控对象 简称对象，指自动控制系统中要进行控制 的设备或生产过程的一部分或全部。例如，空调房间 ，燃气工业炉，锅炉等。被控变量 被控对象中要求实现自动控制的物理量， 例如，温度，湿度，压力等。给定值 又称设定值，即通过控制作用，使被控变量 达到要求的数值。传感器 又称被控量（包括物理量，化学量，生物量 等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理 量（一般为电量）的元件。例如，电阻，热电偶等。控制器 它是将被控变量的实测值与给定值信号相比 较，检测偏差并对偏差进行运算，按照预定的规律发 出控制指令的部件。因此，它一般据有给定、比较、 指示、运算和操作功能。控制器
8、又称调节器。执行器 他是将来自控制器的控制信号，转变为操 作量的部件，它是由执行机构和调节机构组成。例如 ，电动调节阀是有电动执行机构和调节阀组成。操作量 它是为使被控量受到干扰后，在恢复到新 稳定值而须要通过调节机构相对象输入（或对象输出 ）的物料量或能量。例如，图112中的热水量。干扰 引起被控量发生变化的外部原因，例如，外 界环境温度的变化引起的工业炉温的变化，环境温度 变化称干扰。二.自动控制系统的分类 （一）按给定值的形式可分为 1.定值控制系统 给定值保持不变（为一恒定值）的控制系统。 例如，燃气压力恒定控制系统，恒温恒湿控制系统， 锅炉气包水位控制系统等，均属定制控制系统。2.程
9、序控制系统 给定的值按已知的时间函数变化。 例如，人工气候室中的温、湿度按给定的时间规律变 化，满足某些产品例行实验的要求。3.随动控制系统 系统的给定值是另一变量的函数， 事先不知道其准确的变化规律，要求系统的输出随之 变化而变化。例如，舒适空调的室外温度补偿控制系 统，其室温给定值是室外给定值的函数。 （二）按系统结构可分为 1 闭环控制系统 也称反馈控制系统，如图113所示的系统，它的特 点是系统中采用了负反馈，即存在这一条从系统输出 端经过传感器到系统输入端的联络通道反馈通道 。反馈控制系统具有自动修正被控量偏离给定值的能 力，控制精度高，适应面广，是基本的控制系统。 但由于存在反馈，
10、系统有产生震荡的可能，故调节是 比较复杂。2开环控制系统开环控制是一种比较简单的控制系统，其特点是调 节器与被控对象之间只有正向控制作用，而没有反馈 控制作用。即系统输出对输入信号没有影响。在开环系统中，不需要对被控系统进行测量，只根 据输入信号进行控制。例如，在寒冷地区空调系统中的空气预热器可采用 开环控制：是利用室外温度来控制预热器上的阀门开 度，维持预热器后风湿在某一范围内波动。 由于这种系统是按照室外温度这个干扰信号进行控制 的，所以当其他干扰变化是，则无控制作用，因此不 能保证预热器后的风温恒定。开环系统虽然不一定能消除所有的干扰给系统带来 的影响，但采用较频繁的主要干扰作为控制信号
11、，则 能对其起到补偿作用，而且控制及时。 开环控制进度低，抗干扰能力差。结构简单成本低， 而且不产生震荡。开环控制又称前馈控制。 3 复合控制系统 将开环控制和闭环控制适当结合构成前馈控制系统。 实质上，它是闭环控制的基础上，用开通通道提供一 个附加的输入量，以提高系统的控制精度和动态性能 。 本书主要讨论反馈控制系统。三 自动控制系统的过度响应 （一） 静态和动态 自动控制系统的输入有两种：给定制的变化和干 扰的变化（干扰作用）。 当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统 中各个环节将暂时不动作，他们的输出都处于相对静 止状态，这种状态称为静态。 例如，前述的室温系统中，当进入室内的热流
12、量与 流出室外的热流量相等时，室温保持不变，此时称室 温系统达到平衡，即处于静态。 这里所致的静态并非指得系统中没有物料和能量的 流动，而是指各个参数互的变化率为零，及参数保持 不变。此时输出于输入的关系成为系统的静态特性。系统和环节的静态特性对控制室很重要系统的静态特性是调节品质的重要内容之一对象的静态特性是干扰分析，确定控制方案的基础检测装置的静态特性反映它的精度调节装置和调节器的静态特性对调节品质有显著影响假若一个系统原来处于静态，由于出现干扰，即输入 起了变换，系统的平衡受到破坏；由于被控变量发生变化，自动调节装置就会动作，进 行控制，以克服干扰的影响，力图使系统回复平衡。 从输入开始
13、，经过控制，直到在建立静态，在这断时 间中整个系统的各个环节和参数都处于变化的过程中 ，这种状态称动态。在另一面，当给定的值变化时，也引起动态过程，调 节装配力图使被控参数在新的给定值或其附近建立平 衡，总之，由于输入的变化，输出随时间而变化。同样，对任一环节来说，当输入变化时，也引起输 出的变化称为环节的动态特性。在自动控制系统中，了解动态特性甚至比了解静态 特性更重要，也可以说，静态特性是动态特性的一种 极限情况。在定制控制系统中，干扰不断产生，控制作用也就 不断的客服其影响，系统总是处在动态过程中。因此，控制系统的分析重点要放在系统和环节动态 特性上，这样才能设计出良好的控制系统，以满足
14、工 艺上的提出的要求。（二）自动控制系统的过度响应当自动控制系统的输入发生变化时，被控变量随时 间不断变化，最终稳定下来。被控变量随时间的变化 而变化的过程叫做系统的过度响应，又称系统的过度 过程，也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡 状态的过程。对于一个稳定系统（所有正常工作的反馈系统都是 稳定系统）要分析器稳定性、准确性和快速性，常以 阶跃作为输入时的被控变量的过度相应为例。所谓阶跃作用是一种突然地从一个数值变化到另一 个数值，而且已经加入就持续下去的作用。定值控制系统的过度响应有四种形式如图116所示：曲线（a）是发散的震荡过程，被控变量的变化幅度 越来越大，这是一种不稳定的过程，在
15、自动控制系统 中时应该避免的。曲线（b）是等幅振荡过程，在连续调节系统中一般 认为它是不稳定地和不允许的，但在双位调节系统中 ，只要被控编练的系统中的波动幅值及波动频率在工 艺所允许的范围内，还是可以采用的。曲线（c）是一个衰弱的震荡过程，被控变量在经过 一段时间的震荡后，能很快的趋向于一个新的平衡状 态，这种过度过程是比较理想的。曲线（d）是非振荡的过程过度，也称单调过程。这 种过度过程是允许的，但由于过度过程时间太长，一 般认为很不理想。综上所述，曲线（a）及（b）是不稳定地过程过度 ，而曲线（c）及（d）是稳定的过程。在多数的情况下，都希望得到象曲线（c）那样的衰 减震荡。（三）品质指示 衰弱震荡过程 1.衰减比 衰减比是表示衰减程度的指示，它是反应系统稳定程 度即相对稳定性。如图黑板上画所示，它是前后两个 波峰的比，即 n=B/B。 当n1时系统稳定。 当n只比1稍大一点时，过度过程衰减很慢，在等幅振 荡过程接近，由于震荡过于频繁不够稳定，一般不采 用。 如果n很大则有接近非周期的单调过程，通常也是不 希望的。一般n以410之间为宜。2.静差 静差又称余差，是指过度过程终了时的残余偏差，也 就是被控变量的稳定制于给定制之差，其值可为正也 可为负，它是一个表明准确性的重要指
