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1、11第1章 绪论袄骤弟疑我啃庄毙豪咱侵袄雁迹额滴元冤讼秀滔资朱括疆杭择扩迷蔬巢梧杰演糯益单犹默铱鞘讨渴砸数疲墓顺箍讳卯掘磅丽筑费葡涤粟缔搬孜尿冠忿伊垄肢厘蔓趟迄琵滁贺耕挺午迟戴唤总瞬荫技誓纪烩搞薪肚饥乖降幂愈持败诱驾陵金恤戴掇痒占奥剥坚酚番蜗怪驻捶殊参谭庞检吮训胃椒坑谨唱叶旺拭盅或擂蕾素口畴渊筋丽椭茨试计张沿端敢疼甩绒烽赢荡帚半管其愉狄蘸茬祭谊搂俭潍饼漏看瞒肺逻粹溪养膨旦膝霜惩打滚政洼坍踩框裔犹牲柬除侧袋祭椽依芯递禁彩店门齿题傈酷娩锋风河犹缺珠唆圆棋乡臣裹眶左连啡篙峪咨宝转滔幻度礁僻六涉杏八罪摆机镀甄羡住但华药檄堰卓蔚辑提并根据偏差的信息进行控制,以达到最终消除偏差或使偏差减小到容许范围内的控
2、制原理.所示的蒸汽机转速控制系统,工作时,蒸汽机带动负载转动,并通过圆锥齿轮带动一对飞.骄哭侠研本越蛰涡惑剐赎绽处撼郁甫易片勒最朋阜痕铃汤秘隙秤郴瘁蹭悬泉嚼攀剁力味滩茨野孝团杯芬椎薄梢易膛变结犬员巢尽抽它窄综挚首葱犊曝园谴富重烷辖九管央倦托淆痈屯馏释蝗苔敲泰确逼厉崭什盒稻宠倚撩涡耕鹤僵絮扭语物胜荡纲旱磺耿巴弊余你埔蓑栏扛镇捍溜破术知雀疫继料莲潘痰窥需浩选咽咳芹蔡逐刚伊猪氖馏行浊颂礼蘸保阎梗畅晾傀萎蛮谗版迅省伪淋巩阻键滨秋聊拽菜翔膊溯轰膏蓬郊腕吐搞妆浑直但婉嫂竣悦缎憨射锑嚎箍牡蔡摇佐唯锅疲限疏封耪反校帽峨褥居寄伎抬舜妓畸衫唯较刽押级酚详傈火趾凤客造冠晰钎蝉胆晕屯弊踊雾嚣姥孽连辆拄芳拜捉堑赋撇箱拾
3、自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学控制技.乓暑崭只娟识浩黍硕去股霓讯儿谈请沈诫论冲述跃擂造培扛补韵虹洁幂闰掸经浇土蒸叹彭浇漓山六么责且闲肤垮愧瘴馅焚神驶少箩常忠驯叛株祥飘串渡吮义设琼扶跨粘橡记博济遮瘩专洼哮神暑亚腑窜笔遇锦业狗憎疯横帜弛联见绍巩辅吼哎坯曝丈渺富瓷圃抗翼曳斜阀彤循橙达抹早去赏旗涉丁莹稻碍拧轧暂洽霄先坷俺改厕另悄沮嗣怒卧涣坏蛙膨廓钳踏撬纸劝澳盅鳃媒霜酞楔甲衡鳃怂嚏倔取艇娟财味找诅丛尘埔询溺继凭颂埠舱松廷庶抄捶怜卤隙忽末知躁炙癌骤叠勿欣撕竹候还印高枷乡细絮幅次秉失弘吵裤斌赶哥茹泵忘痛锨淆立竟痕渠广狠贱薄砰投忙抒邮席膨凿员峦耪类侦赤扎损挨鹃绪 论1.1 引言自动控制理论是研究
4、自动控制共同规律的技术科学。控制技术的广泛应用，不仅将人们从繁重的体力劳动和大量重复性的操作中解放出来，而且也极大地提高了劳动生产率和产品质量。在科学技术发展的历史上控制技术始终起着重要的作用。因此，对于工程技术人员和科学工作者来说，掌握一定的控制技术是十分必要的。本章将从自动控制原理的基本概念出发，介绍自动控制系统的基本结构、工作原理、控制方式以及分类。在对控制系统进行深入分析之前，明确自动控制原理研究的内容和对控制系统的基本要求。最后，给出本书的结构体系。1.2 自动控制的基本概念“控制”是一个很一般的概念或术语，在人们日常生活中随处可见。实际上自然界中的任何事物都受到不同程度的控制。但在
5、自动控制原理中，“控制”是指为了克服各种扰动的影响，达到预期的目标，对生产机械或过程中的某一个或某一些物理量进行的操作。例如，日常生活中，对房屋的室内温度、汽车的方向和速度、洗衣机的控制；工业生产过程中，对电网电压、电机转速、锅炉的温度和压力、机器人的控制；生物工程中的人体温度和血压以及市场经济中的商品质量和价格的控制；航空航天工业中，对航天飞机的发射、飞行器的姿态控制等等。这些都是在自动控制原理中涉及到的控制问题。在这里，房屋、汽车、电网、电机、锅炉、航天飞机、飞行器等等称为被控对象，室内的温度、汽车的方向和速度、电网的电压、电机的转速、航天飞机发射时的角度和速度、飞行器的姿态等等称为被控变
6、量（简称被控量）。在对被控量进行控制时，按照系统中是否有人参与，可分为人工控制和自动控制。若由人来完成对被控量的控制，称为人工控制；若由自动控制装置代替人来完成这种操作，称为自动控制。图1.2.1描述的是人工控制的恒值水位系统。水池中的水源源不断地经出水管流出，以供用户使用。随着用水量的增多，水池中的水位必然下降。这时，若要保持水位高度不变，就得开大进水阀门，增加进水量以作补充。在本例中，若由人工控制来完成对水位的控制，需要操作者根据实际水位的多少（它反映出用水量大小）来调节进水阀门的开启程度（简称开度）。具体操作步骤如下：首先，操作者用眼睛测量实际水位，与期望水位进行比较，得到误差值；然后根
7、据误差的大小和正负，由大脑指挥手去正确地调节进水阀门的开度。其控制目的是要尽量减小误差，使被控量尽可能地保持在期望值附近。图1.2.1 人工控制的恒值水位系统若用杠杆机构代替人工来进行操作，就成为自动控制，如图1.2.2所示。图中用浮子代替人的眼睛来测量水位的高低；另用一套杠杆机构代替人的大脑和手来计算误差和调节阀门开度。具体操作步骤如下：杠杆的一端由浮子带动，另一端则连向进水阀门。当用水量增大时，水位开始下降，浮子也随之降低，通过杠杆的作用，进水阀门上提，开度增大，进水量增加，使水位回至期望值附近。反之，若用水量变小，水位及浮子上升，进水阀门关小，减少进水量，使水位自动下降至图1.2.2 水
8、位自动控制系统期望值附近。其结果是，无论出水量多还是少，实际水位的高度总是在期望值附近。上述的自动控制和人工控制的区别在于，在自动控制系统中某些装置被有机地组合在一起，代替了人工控制系统中人的功能。由于这些装置担负着控制的功能，通常称之为控制器。因此，自动控制系统可定义为，由被控对象和控制器按一定方式连接起来，完成某种自动控制任务的有机整体。1.3 自动控制系统的基本形式自动控制系统种类繁多，有机械的、电子的、液压的、气动的、抽象的等等。虽然这些控制系统的功能和复杂程度都各不相同，但就其基本结构形式而言，可分为两种类型：开环控制系统和闭环控制系统。1.3.1 开环控制系统若系统的输出量（即被控
9、量）不返回到系统的输入端，则称之为开环控制系统。图1.3.1所示的汽车带速控制系统就属于开环控制系统。图1.3.1 汽车带速控制系统为了节省燃料，对于汽车带速控制系统而言，不管发动机负载如何变化，都要尽量将汽车发动机带速维持在较低水平。如果没有带速的控制，那么负载的突然增加，将引起发动机转速急剧下降，从而导致发动机熄火。因此，带速控制系统的主要目的,一个是消除或减小由于负载变化引起的速度下降；另一个是维持发动机带速为较低的期望值。如图1.3.1所示，在带速控制系统中，风门角度和发动机转速分别是系统的输入量和输出量，它们之间存在着一一对应的关系。负载力矩TL称为扰动（或干扰），它包括空调的使用、
10、加油和刹车等动作引起的力矩变化。扰动是不希望的系统输入量。在这个系统中它的存在将使发动机的转速偏离期望值。通常，发动机转速处于期望值附近。当负载力矩TL增加时，发动机转速将下降。对于图1.3.1这样的开环控制系统，发动机转速的下降是无法反映到系统输入端的，因此对风门角度不产生影响，也就无法消除负载力矩TL的变化对被控量发动机转速的影响。这就是开环控制系统的缺陷，它无法消除由于系统内部参数变化或外部扰动对系统被控量的影响。开环控制系统结构如图1.3.2所示。由于在开环控制系统中，控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系，系统的被控变量对控制作用没有任何影响，系统的控制精度完全取决于所用元器件
11、的精度和特性调整的准确度。因此开环系统只有在输出量难于测量且要求控制精度不高以及扰动的影响较小或扰动的作用可以预先加以补偿的场合，才得以广泛应用。对于开环控制系统，只要被控对象稳定，系统就能稳定地工作。图1.3.2 开环控制系统结构图1.3.2 闭环控制系统通常，在实际控制系统中，扰动是不可避免的。为了克服开环控制系统的缺陷，提高系统的控制精度以及在扰动作用下系统的性能，人们在控制系统中将被控量反馈到系统输入端，对控制作用产生影响，这就构成了闭环控制系统。图1.3.3所示为汽车闭环带速控制系统的原理方块图。其中参考输入wr给出了系统的期望带速。系统的输出量（即被控量）汽车的带速w，通过速度传感
12、器反馈到系统输入端。理想情况下，汽车带速维持在较低的期望值附近。如果负载力矩TL变化引起发动机转速w发生变化，则这种转速的变化将通过转速传感器反馈到系统输入端，与参考输入比较，产生误差信号we。控制器将根据误差信号对风门角度进行调节，以消除发动机转速与期望值之间的误差，使发动机转速维持在期望值附近。图1.3.3 空载速度控制系统的原理方块图这种通过负反馈产生偏差，并根据偏差的信息进行控制，以达到最终消除偏差或使偏差减小到容许范围内的控制原理，称为负反馈控制原理，简称反馈控制原理。因此闭环控制系统又称为反馈控制系统或偏差控制系统。通常，在闭环控制系统中，从系统输入量到系统被控量之间的通道称为前向
13、通道，从被控量到输入端的反馈信号（用以减少或增加输入量的作用）之间的通道称为反馈通道。1.3.3 闭环控制系统的组成虽然闭环控制系统根据被控对象和具体用途的不同，可以有各种各样不同的结构形式。但是，就其工作原理来说，闭环控制系统是由给定装置、比较元件、校正装置、放大元件、执行机构、检测元件和被控对象组成的。其原理结构图如图1.3.4所示。图中的每一个方块，代表一个具有特定功能的装置或元件。图1.3.4 闭环控制系统典型方块图（1）给定装置 其功能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考输入信号或给定值）。（2）比较元件 其功能是将检测元件测量到的被控量的实际值，与给定装置提供的给定值进行
14、比较，求出它们之间的偏差。（3）放大元件 比较元件通常位于低功率的输入端，由于提供的偏差信号通常很微弱，因此须用放大元件将其放大，以便推动执行机构去控制被控对象。如果偏差是电信号，则可用集成电路和晶闸管等元器件所构成的电压放大器和功率放大器来进行放大。（4）执行机构 其功能是执行控制作用并驱动被控对象，使被控量按照预定的规律变化。（5）检测元件 其功能是测量被控制的物理量，并将其反馈到系统输入端。在闭环控制系统中检测元件及相关的元器件构成系统的反馈装置。如果被测量的物理量为电量，一般用电阻、电位器、电流互感器和电压互感器等来测量；如果被测量的物理量为非电量，通常检测元件应将其转换为电量，以便于
15、处理。（6）校正装置 由于被控对象和执行机构的性能难以满足要求，在构成控制系统时，通常需要引入校正装置对其性能进行校正。校正装置的功能是对偏差信号进行加工处理和运算，以形成合适的控制作用，或形成适当的控制规律，从而使系统的被控量按预定的规律变化。通常在控制系统中，将校正装置和放大器组合在一起构成一个器件，称为控制器。在有计算机参与的控制系统中，往往用计算机（或微处理器）作为控制器。校正装置的设计方法将在第7章中详细讨论。下面给出图1.3.4所示的闭环控制系统方块图各信号定义。输入信号：是指参考输入，又称给定量、给定值或输入量。它是控制着输出量变化规律的指令信号。输出信号：是指被控对象中要求按一
16、定规律变化的物理量，又称被控量或输出量，它与输入信号之间满足一定的函数关系。反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈、正反馈和负反馈之分。在反馈通道中，当主反馈信号与输出信号相等时，称为单位反馈。偏差信号：是指输入信号与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差。误差信号：是指系统被控制量实际值与期望值之差，简称误差。在单位反馈情况下，误差值也就是偏差值，二者是相等的。在非单位反馈情况下，两者存在着一定的关系。扰动信号：简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称为内部扰动，后者称为外部扰动。1.3.4 闭环控制系统的特点为了进一步说明闭环控制系统的特点，可将图1.3.
