1.3自动控制和自动控制系统的基本概念 1.3.1自动控制问题的提出 在许多工业生产过程或生产设备运行中，为了保证正常的工作条件，往往需要对某些物 理量（如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等进行控制，使其尽量维持在某个数 值附近，或使其按一定规律变化。要满足这种需要，就应该对生产机械或设备进行及时的操 作，以抵消外界干扰的影响。这种操作通常称为控制，用人工操作称为人工控制，用自动装 置来完成称为自动控制。 图1-1(a)所示是人工控制水位保持恒定的供水系统。水池中的水位是被控制的物理量 简称被控量。水池这个设各是控制的对象，简称被控对象。当水位在给定位置且流入、流出 量相等时，它处于平衡状态。当流出量发生变化或水位给定值发生变化时，就需要对流入量 进行必要的控制。在人工控制方式下，工人用眼观看水位情况，用脑比较实际水位与期望水 位的差异并根据经验做出决策，确定进水阀门的调节方向与幅度，然后用手操作进水阀门进 行调节，最终使水位等于给定值。只要水位偏离了期望值，工人便要重复上述调节过程。 图1-1(b)所示是水池水位自动控制系统的一种简单形式。图中用浮子代替人的眼睛 用来测量水位高低：另用一套杠杆机构代替人的大脑和手的功能，用来进行比较、计算误差 并实施控制。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，通过杠杆的作用将进水阀门开大，使水位回到期望值附近。反之， 若用水量变小，水位及浮子上升，进水阀关小，水位自动下降到期望值附近。整个过程中无 需人工直接参与，控制过程是自动进行的。 际水 安-* (a人工控制的水位系统 )简单的水位自动制系统 图1-1水位控制系统 图11(b)所示的系统虽然可以实现自动控制，但由于结构简陋而存在缺陷，主要表
1 1.3 自动控制和自动控制系统的基本概念 1.3.1 自动控制问题的提出 在许多工业生产过程或生产设备运行中，为了保证正常的工作条件，往往需要对某些物 理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制，使其尽量维持在某个数 值附近，或使其按一定规律变化。要满足这种需要，就应该对生产机械或设备进行及时的操 作，以抵消外界干扰的影响。这种操作通常称为控制，用人工操作称为人工控制，用自动装 置来完成称为自动控制。 图 1-1（a）所示是人工控制水位保持恒定的供水系统。水池中的水位是被控制的物理量， 简称被控量。水池这个设备是控制的对象，简称被控对象。当水位在给定位置且流入、流出 量相等时，它处于平衡状态。当流出量发生变化或水位给定值发生变化时，就需要对流入量 进行必要的控制。在人工控制方式下，工人用眼观看水位情况，用脑比较实际水位与期望水 位的差异并根据经验做出决策，确定进水阀门的调节方向与幅度，然后用手操作进水阀门进 行调节，最终使水位等于给定值。只要水位偏离了期望值，工人便要重复上述调节过程。 图 1-1（b）所示是水池水位自动控制系统的一种简单形式。图中用浮子代替人的眼睛， 用来测量水位高低；另用一套杠杆机构代替人的大脑和手的功能，用来进行比较、计算误差 并实施控制。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，通过杠杆的作用将进水阀门开大，使水位回到期望值附近。反之， 若用水量变小，水位及浮子上升，进水阀关小，水位自动下降到期望值附近。整个过程中无 需人工直接参与，控制过程是自动进行的。 图 1-1（b）所示的系统虽然可以实现自动控制，但由于结构简陋而存在缺陷，主要表
现在被控制的水位高度将随着出水量的变化而变化。出水量越多，水位就越低，偏离期望值 就越远，误差越大。控制的结果，总存在着一定范围的误差值。这是因为当出水量增加时， 为了使水位基本保持恒定不变，就得开大阀门，增加进水量。要开大进水阀，唯一的途径是 浮子要下降得更多，这意味着实际水位要偏离期望值更多。这样，整个系统就会在较低的水 位上建立起新的平衡状态。 为克服上述缺点，可在原系统中增加一些设备而组成较完善的自动控制系统，如图12 所示。这里，浮子仍是测量元件，连杆起着比较作用，它将期望水位与实际水位两者进行比 较，得出误差，同时推动电位器的滑臂上下移动。电位器输出电压反映了误差的性质（大小 和方向)。电位器输出的微弱电压经放大器放大后驱动直流伺服电动机，其转轴经减速器后 拖动进水阀门，对系统施加控制作用。 在正常情况下，实际水位等于期望值，此时，电位器的滑臂居中，4。=0。当出水量 增大时，浮子下降，带动电位器滑臂向上移动，4。>0，经放大后成为“。，控制电动机正 向旋转，以增大进水阀门开度，促使水位回升。当实际水位回复到期望值时，4.=0，系统 达到新的平衡状态。 实水位 图1-2水位控制系统 可见，该系统在运行时，无论何种干扰引起水位出现偏差，系统就要进行调节，最终总 是使实际水位等于期望值，大大提高了控制精度。 由此例可知，自动控制和人工控制极为相似，自动控制系统只不过是把某些装置有机地 组合在一起，以代替人的职能而已。图12中的浮子相当于人的眼睛，对实际水位进行测量： 连杆和电位器类似于大脑，完成比较运算，给出偏差的大小和极性：电动机相当于人手，调 节阀门开度，对水位实施控制。这些装置相互配合，承担若控制的职能，通常称之为控制器 (或控制装置)。任何一个控制系统，都是由被控对象和控制器两部分所组成的。 1.3.2开环控制系统
2 现在被控制的水位高度将随着出水量的变化而变化。出水量越多，水位就越低，偏离期望值 就越远，误差越大。控制的结果，总存在着一定范围的误差值。这是因为当出水量增加时， 为了使水位基本保持恒定不变，就得开大阀门，增加进水量。要开大进水阀，唯一的途径是 浮子要下降得更多，这意味着实际水位要偏离期望值更多。这样，整个系统就会在较低的水 位上建立起新的平衡状态。 为克服上述缺点，可在原系统中增加一些设备而组成较完善的自动控制系统，如图 1-2 所示。这里，浮子仍是测量元件，连杆起着比较作用，它将期望水位与实际水位两者进行比 较，得出误差，同时推动电位器的滑臂上下移动。电位器输出电压反映了误差的性质(大小 和方向)。电位器输出的微弱电压经放大器放大后驱动直流伺服电动机，其转轴经减速器后 拖动进水阀门，对系统施加控制作用。 在正常情况下，实际水位等于期望值，此时，电位器的滑臂居中， 0 c u = 。当出水量 增大时，浮子下降，带动电位器滑臂向上移动， 0 c u ，经放大后成为 a u ，控制电动机正 向旋转，以增大进水阀门开度，促使水位回升。当实际水位回复到期望值时， 0 c u = ，系统 达到新的平衡状态。 可见，该系统在运行时，无论何种干扰引起水位出现偏差，系统就要进行调节，最终总 是使实际水位等于期望值，大大提高了控制精度。 由此例可知，自动控制和人工控制极为相似，自动控制系统只不过是把某些装置有机地 组合在一起，以代替人的职能而已。图 1-2 中的浮子相当于人的眼睛，对实际水位进行测量； 连杆和电位器类似于大脑，完成比较运算，给出偏差的大小和极性；电动机相当于人手，调 节阀门开度，对水位实施控制。这些装置相互配合，承担着控制的职能，通常称之为控制器 （或控制装置）。任何一个控制系统，都是由被控对象和控制器两部分所组成的。 1.3.2 开环控制系统
最常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控制和复合控制。对于某一个具体的系统。 采取什么样的控制手段，应该根据具体的用途和目的而定。 系统的控制输入不受输出影响的控制系统称开环控制系统。在开环控制系统中，输入端 与输出端之间，只有信号的前向通道而不存在由输出端到输入端的反馈通路。 图1-3()所示的他激直流电动机转速控制系统就是一个开环控制系统。它的任务是控制 直流电动机以恒定的转速带动负载工作。系统的工作原理是：调节电位器R的滑臂，使其 输出给定参考电压山，。《，经电压放大和功率放大后成为山。，送到电动机的电枢端，用来控 制电动机转速。在负载恒定的条件下，他激直流电动机的转速。与电枢电压4。成正比，只 要改变给定电压业，便可得到相应的电动机转速。。 在本系统中，直流电动机是被控对象，电动机的转速0是被控量，也称为系统的输出 量或输出信号。把参考电压山，通常称为系统的给定量或输入量， 就图13()而言，只有输入量4，对输出量0的单向控制作用，而输出量0对输入量4， 却没有任何影响和联系，称这种系统为开环控制系统。 电动 (a) (控装置》 ！（被控对) (h) 图1-3直流电动机转速控制系统 (@直流电动机转速开环控制系统：他)直流电动机转速开环控制乐统方框图 直流电动机转速开环控制系统可用图1-3b)所示的方框图表示。图中用方框代表系统中 具有相应职能的元部件：用箭头表示元部件之间的信号及其传递方向。电动机负载转矩M。 的任何变动，都会使输出量)偏离希望值，这种作用称之为干扰或扰动，在图1-3b)中用 个作用在电动机上的箭头来表示
3 最常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控制和复合控制。对于某一个具体的系统， 采取什么样的控制手段，应该根据具体的用途和目的而定。 系统的控制输入不受输出影响的控制系统称开环控制系统。在开环控制系统中，输入端 与输出端之间，只有信号的前向通道而不存在由输出端到输入端的反馈通路。 图 1-3(a)所示的他激直流电动机转速控制系统就是一个开环控制系统。它的任务是控制 直流电动机以恒定的转速带动负载工作。系统的工作原理是：调节电位器 R 的滑臂，使其 输出给定参考电压 r u 。 r u 经电压放大和功率放大后成为 a u ，送到电动机的电枢端，用来控 制电动机转速。在负载恒定的条件下，他激直流电动机的转速 与电枢电压 a u 成正比，只 要改变给定电压 r u ，便可得到相应的电动机转速 。 在本系统中，直流电动机是被控对象，电动机的转速 是被控量，也称为系统的输出 量或输出信号。把参考电压 r u 通常称为系统的给定量或输入量。 就图 1-3(a)而言，只有输入量 r u 对输出量 的单向控制作用，而输出量 对输入量 r u 却没有任何影响和联系，称这种系统为开环控制系统。 直流电动机转速开环控制系统可用图 1-3(b)所示的方框图表示。图中用方框代表系统中 具有相应职能的元部件；用箭头表示元部件之间的信号及其传递方向。电动机负载转矩 Mc 的任何变动，都会使输出量 偏离希望值，这种作用称之为干扰或扰动，在图 1-3(b)中用一 个作用在电动机上的箭头来表示
1.3.3闭环控制系统 开环控制系统精度不高和适应性不强的主要原因是缺少从系统输出到输入的反馈回路。 若要提高控制精度，必须把输出量的信息反馈到输入端，通过比较输入值与输出值，产生偏 差信号，该偏差信号以一定的控制规律产生控制作用，逐步减小以至消除这一偏差，从而实 现所要求的控制性能。 在图1-3()所示的直流电动机转速开环控制系统中，加入一台测速发电机，并对电路稍 作改变，便构成了如图1-4()所示的直流电动机转速闭环控制系统。 图14()中，测速发电机由电动机同轴带动，它将电动机的实际转速)（系统输出量） 测量出来，并转换成电压4，再反馈到系统的输入端，与给定值电压山，（系统输入量）进 行比较，从而得出电压4。=4，一，。由于该电压能间接地反映出误差的性质（即大小和正 负方向)，通常称之为偏差信号，简称偏差。偏差！，经放大器放大后成为“。，用以控制电动 机转速0。 直流电动机转速闭环控制系统可用图14b)的方框图来表示。通常，把从系统输入量到 输出量之间的通道称为前向通道：从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。方框图中 用符号“⑧”表示比较环节，其输出量等于各个输入量的代数和。因此，各个输入量均须 用正、负号表明其极性。图中清楚地表明，由于采用了反馈回路，致使信号的传输路径形成 闭合回路，使输出量反过来直接影响控制作用。这种通过反馈回路使系统构成闭环，并按偏 差产生控制作用，用以减小或消除偏差的控制系统，称为闭环控制系统，或称反馈控制系统。 *3 恶⊙国 +个 测速发电机 g'蓝 图1-4直流电动机转速闭环控制系统 句直高电动机种速开控制系统，而直济中动机转速肝在制联统才在图
4 1.3.3 闭环控制系统 开环控制系统精度不高和适应性不强的主要原因是缺少从系统输出到输入的反馈回路。 若要提高控制精度，必须把输出量的信息反馈到输入端，通过比较输入值与输出值，产生偏 差信号，该偏差信号以一定的控制规律产生控制作用，逐步减小以至消除这一偏差，从而实 现所要求的控制性能。 在图 1-3(a)所示的直流电动机转速开环控制系统中，加入一台测速发电机，并对电路稍 作改变，便构成了如图 1-4(a)所示的直流电动机转速闭环控制系统。 图 1-4(a)中，测速发电机由电动机同轴带动，它将电动机的实际转速 （系统输出量） 测量出来，并转换成电压 f u ，再反馈到系统的输入端，与给定值电压 r u （系统输入量）进 行比较，从而得出电压 ue = ur − u f 。由于该电压能间接地反映出误差的性质(即大小和正 负方向)，通常称之为偏差信号，简称偏差。偏差 e u 经放大器放大后成为 a u ，用以控制电动 机转速 。 直流电动机转速闭环控制系统可用图 1-4(b)的方框图来表示。通常，把从系统输入量到 输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。方框图中 用符号“ ”表示比较环节，其输出量等于各个输入量的代数和。因此，各个输入量均须 用正、负号表明其极性。图中清楚地表明，由于采用了反馈回路，致使信号的传输路径形成 闭合回路，使输出量反过来直接影响控制作用。这种通过反馈回路使系统构成闭环，并按偏 差产生控制作用，用以减小或消除偏差的控制系统，称为闭环控制系统，或称反馈控制系统
必须指出，在系统主反馈通道中，只有采用负反馈才能达到控制的目的。若采用正反馈， 将使偏差越来越大，导致系统发散而无法工作。 闭环系统工作的本质机理是：将系统的输出信号引回到输入端，与输入信号相比较，利 用所得的偏差信号对系统进行调节，达到减小偏差或消除偏差的目的。这就是负反馈控制原 理，它是构成闭环控制系统的核心。 闭环控制是最常用的控制方式，我们所说的控制系统，一般都是指闭环控制系统。闭环 控制系统是本课程讨论的重点。 1.3.4开环控制系统与闭环控制系统的比较 一般来说，开环控制系统结构比较简单，成本较低。开环控制系统的缺点是控制精度不 高，抑制干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感。一般用于可以不考虑外界影响或精度 要求不高的场合，如洗衣机、步进电机控制及水位调节等。 在闭环控制系统中，不论是输入信号的变化，或者干扰的影响，或者系统内部的变化， 只要是被控量偏离了规定值，都会产生相应的作用去消除偏差。因此，闭环控制抑制干扰能 力强，与开环控制相比，系统对参数变化不敏感，可以选用不太精密的元件构成较为精密的 控制系统，获得满意的动态特性和控制精度。但是采用反馈装置需要添加元部件，造价较高， 同时也增加了系统的复杂性。如果系统的结构参数选取不适当，控制过程可能变得很差，甚 至出现振荡或发散等不稳定的情况，因此，如何分析系统，合理选择系统的结构参数，从而 获得满意的系统性能，是自动控制理论必须研究解决的问题。 1.3.5复合控制系统 反馈控制只有在外部作用（输入信号或干扰）对控制对象产生影响之后才能做出相应的 控制。尤其当控制对象具有较大延迟时间时，反馈控制不能及时地影响输出的变化，会影响 系统输出的平稳性。前馈控制能使系统及时感受输入信号，使系统在偏差即将产生之前就注 意纠正偏差。将前馈控制和反馈控制结合起来，构成复合控制，它可以有效提高系统的控制 精度。关于复合控制系统的结构和设计将在第三章中详细介绍。 5
5 必须指出，在系统主反馈通道中，只有采用负反馈才能达到控制的目的。若采用正反馈， 将使偏差越来越大，导致系统发散而无法工作。 闭环系统工作的本质机理是：将系统的输出信号引回到输入端，与输入信号相比较，利 用所得的偏差信号对系统进行调节，达到减小偏差或消除偏差的目的。这就是负反馈控制原 理，它是构成闭环控制系统的核心。 闭环控制是最常用的控制方式，我们所说的控制系统，一般都是指闭环控制系统。闭环 控制系统是本课程讨论的重点。 1.3.4 开环控制系统与闭环控制系统的比较 一般来说，开环控制系统结构比较简单，成本较低。开环控制系统的缺点是控制精度不 高，抑制干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感。一般用于可以不考虑外界影响或精度 要求不高的场合，如洗衣机、步进电机控制及水位调节等。 在闭环控制系统中，不论是输入信号的变化，或者干扰的影响，或者系统内部的变化， 只要是被控量偏离了规定值，都会产生相应的作用去消除偏差。因此，闭环控制抑制干扰能 力强，与开环控制相比，系统对参数变化不敏感，可以选用不太精密的元件构成较为精密的 控制系统，获得满意的动态特性和控制精度。但是采用反馈装置需要添加元部件，造价较高， 同时也增加了系统的复杂性。如果系统的结构参数选取不适当，控制过程可能变得很差，甚 至出现振荡或发散等不稳定的情况，因此，如何分析系统，合理选择系统的结构参数，从而 获得满意的系统性能，是自动控制理论必须研究解决的问题。 1.3.5 复合控制系统 反馈控制只有在外部作用(输入信号或干扰)对控制对象产生影响之后才能做出相应的 控制。尤其当控制对象具有较大延迟时间时，反馈控制不能及时地影响输出的变化，会影响 系统输出的平稳性。前馈控制能使系统及时感受输入信号，使系统在偏差即将产生之前就注 意纠正偏差。将前馈控制和反馈控制结合起来，构成复合控制，它可以有效提高系统的控制 精度。关于复合控制系统的结构和设计将在第三章中详细介绍