自动控制系统及应用 第一章自动控制系统的一般概念 随着工业生产和科学技术的不断发展,自动控制技术越来越显示出它的重要性,为人们 所瞩目。掌握有关自动控制的知识就显得尤为重要。本章主要介绍自动控制的含义、基本工 作原理、系统的组成以及对系统的基本要求。 11自动控制的含义 所谓自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,通过控制装置(或称控制器)使被 控制对象或过程自动地按照预定的规律运行。 例如程序控制机床能够按预先排定的工艺程序自动地进刀切削,加工出预期几何形状 的零件。焊接机器人能自动地跟踪预期轨线移动,焊出高质量的产品。火炮根据雷达指挥仪 传来的信息,能够自动地改变方位角和俯仰角,随时跟踪目标,瞄准弹着点。又诸如对压力、 温度、湿度、流量、转速以及原料、燃料成分比例方面的控制等等。所有这些自动控制系统 的例子,尽管它们的结构和功能各不相同,但可以发现它们有共同的规律,即它们都是一个 或一些被控制的物理量按照另一个物理量,即控制量的变化而变化,或保持恒值。一般地说, 如何使被控制量按照给定的控制量的变化规律而变化,这就是一个控制系统所要解决的最基 本的问题 自动控制技术在各个领域中的广泛应用,不仅提高了劳动生产率和产品质量,改善了 劳动条件,而且在人类征服自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民物质生活等方面都 起着越来越重要的作用。可以说,自动控制已成为推动经济发展,促进社会进步所必不可少 的一门技术。 12自动控制系统的基本原理 121自动控制系统的基本原理 首先我们定义,用以完成一定任务的一些部件(或称元件)的组合为系统。系统是 个有机集合的整体,具有其目的性。不同的系统所要完成的任务也不同。有的要求某物理量 (如温度、压力、转速等)保持恒定:有的则要求按一定规律变化。我们将这些需要控制的 物理量定义为系统的被控量或输出量。用来使系统具有预期性能或预期输出的激励信号定义 为系统的控制量或输入量。而将使被控量偏离预期值的各种因素称为扰动量。设法消除扰动 因素影响从而保持被控制量按预期要求变化的过程称为控制过程 下面让我们研究一下图1.1所示电炉箱恒温自动控制系统是如何实现恒温控制的 在这个控制系统中,被控制量为炉温T,炉温的预期值是由给定电位器设定的电压Usr 所确定,也就是说Usr是该系统的输入量。当扰动(工件的增减、炉壁散热、电网电压波动 等)引起炉温变化后,作为检测元件的热电偶,将炉内实际温度转换成相对应的电压信号 Ur(称为反馈信号),反馈到输入端与给定电压Usr进行比较,所得的结果即为偏差信 AU=Us-Ulm。经电压、功率放大器放大后,去控制执行电机(电枢控制式直流电动机) 的旋转速度与方向,再经减速器带动调压器动触点移动,以改变加热电流的大小来调节炉温。自动控制系统及应用 1 第一章 自动控制系统的一般概念 随着工业生产和科学技术的不断发展，自动控制技术越来越显示出它的重要性，为人们 所瞩目。掌握有关自动控制的知识就显得尤为重要。本章主要介绍自动控制的含义、基本工 作原理、系统的组成以及对系统的基本要求。 1.1自动控制的含义 所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制装置（或称控制器）使被 控制对象或过程自动地按照预定的规律运行。 例如程序控制机床能够按预先排定的工艺程序自动地进刀切削，加工出预期几何形状 的零件。焊接机器人能自动地跟踪预期轨线移动，焊出高质量的产品。火炮根据雷达指挥仪 传来的信息，能够自动地改变方位角和俯仰角，随时跟踪目标，瞄准弹着点。又诸如对压力、 温度、湿度、流量、转速以及原料、燃料成分比例方面的控制等等。所有这些自动控制系统 的例子，尽管它们的结构和功能各不相同，但可以发现它们有共同的规律，即它们都是一个 或一些被控制的物理量按照另一个物理量，即控制量的变化而变化，或保持恒值。一般地说, 如何使被控制量按照给定的控制量的变化规律而变化，这就是一个控制系统所要解决的最基 本的问题。 自动控制技术在各个领域中的广泛应用，不仅提高了劳动生产率和产品质量，改善了 劳动条件，而且在人类征服自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民物质生活等方面都 起着越来越重要的作用。可以说，自动控制已成为推动经济发展，促进社会进步所必不可少 的一门技术。 1.2 自动控制系统的基本原理 1.2.1 自动控制系统的基本原理 首先我们定义，用以完成一定任务的一些部件（或称元件）的组合为系统。系统是一 个有机集合的整体，具有其目的性。不同的系统所要完成的任务也不同。有的要求某物理量 （如温度、压力、转速等）保持恒定；有的则要求按一定规律变化。我们将这些需要控制的 物理量定义为系统的被控量或输出量。用来使系统具有预期性能或预期输出的激励信号定义 为系统的控制量或输入量。而将使被控量偏离预期值的各种因素称为扰动量。设法消除扰动 因素影响从而保持被控制量按预期要求变化的过程称为控制过程。 下面让我们研究一下图 1.1 所示电炉箱恒温自动控制系统是如何实现恒温控制的。 在这个控制系统中，被控制量为炉温 T，炉温的预期值是由给定电位器设定的电压 UST 所确定，也就是说 UST是该系统的输入量。当扰动（工件的增减、炉壁散热、电网电压波动 等）引起炉温变化后，作为检测元件的热电偶，将炉内实际温度转换成相对应的电压信号 UfT（称为反馈信号），反馈到输入端与给定电压 UST 进行比较，所得的结果即为偏差信号 U =UST −UfT 。经电压、功率放大器放大后，去控制执行电机（电枢控制式直流电动机） 的旋转速度与方向，再经减速器带动调压器动触点移动，以改变加热电流的大小来调节炉温