1/6 自动控制的一般原理

教材：《自动控制原理（第二版）》 陈复扬 国防工业出版社

引言

工程技术是通过理解并控制自然而造福人类的。控制系统工程师通过理解和控制他们周边环境的一部分，即所谓的系统，为社会提供经济实用的产品。理解和控制，这种双重目标是相辅相成的，因为对系统的有效控制需要对系统的理解和建模。
控制工程以反馈理论和线性系统理论为基础•并综合应用了网络理论和通信理论的有关概念.

自动控制系统的基本概念

自动控制：应用控制装置自动地、有目的地操纵被控对象，使被控量按预期规律变化。

名称	概念
被控对象	被控制的机器、设备或生产过程
被控量	被控对象的某个工作状态或参数，例如 转速、位置、温度、压力等
控制器	所用的控制装置

自动控制最基本的原理是反馈控制，又称闭环控制。

从控制方框图可以看出，控制装置应具有三种基本功能，分别是测量、计算与执行。这些功能需要相应的元件承担。参与控制的信号来自三条通道，分别是给定值、被控依与干扰。这是控制的主要依据。其于这些分析，可以获得两大类共三种自动控制的基本方式。
三种基本控制方式分别是按给定值操纵、按干扰补偿、按偏差调节，前两种控制方式属于开环控制，第三种控制方式属于闭环控制。

将控制输入既不依赖于输出又不依赖于干扰的控制方式称为按给定值操纵。

将利用干扰信号产生控制作用，以补偿干扰对被控量的影响的控制方式称为按干扰补偿。

称这种控制信号往复循环.沿前向通道和反馈通道闭路传送的控制方式为按偏差调节（又称反馈控制）。

前两者信号只能单向传输，故统称为开环控制方式；按偏差调节方式中控制信号可以在系统中往复循环传输（即信号通道形成了一个闭环），故称这类控制方式为闭环控制方式。

由于反馈控制只存在偏差出现后才产生控制作用.因此，系统在强干扰作用下，控制过程中被控量可能有较大的波动。对于这种工作环境，同时采用按偏差调节和按干扰补偿的开闭式复合控制更为合适。

控制方式	优点	缺点
开环控制	结构简单 经济 无不稳定问题 便于测试	抗干扰能力差 控制精度不高
闭环控制	抗干扰能力强 控制精度高	结构复杂 价格高 有不稳定问题 难以测试

自动控制系统的分类与组成

自动控制系统的分类

根据控制方式分为：开环控制系统、反馈控制（闭环控制）系统、复合控制系统等。
根据系统性质分为：线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、确定性系统和不确定性系统等。
根据被控制量变化规律分为：恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等。
根据元件类型分为：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统和生物系统等。
根据系统功用分为：温度控制系统、压力控制系统和位置控制系统等。

线性连续控制系统：
1）恒值控制系统：给定量是恒定的常值的反馈系统。其任务是在各种扰动作用下，都能使输出量保持在希望的恒定值附近。如恒温、水位、恒压控制系统。
2）程序控制系统：给定量按预定的规律随时间变化。要求输出量迅速、准确地复现给定量。比如数字程序控制机床系统。
3）随动系统（也叫伺服系统，跟踪系统）：给定量是事先不知道的任意时间函数。任务是，使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化。比如雷达自动跟踪系统。

自动控制系统的组成

一个典型的反馈控制系统基本组成可用下图所示的方块图表示。图中，用“O”代表比较元件，它将测最元件检测到的被控量与输入量进行比较，"-'’号表示两者符号相反.即负反馈；“+”号表示两者符号相同，即正反馈。信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测最元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。只包含一个主反馈通路的系统称单回路系统.有两个或两个以上反馈通路的系统称多回路系统。

对控制系统的性能要求:稳、快、准

1. 稳定性，指无外作用时，被控量偏离期望值的偏差应随着时间增加逐渐减小并趋于零。即过渡过程曲线是收敛的。稳定性是控制系统能够正常工作的先决条件。稳定性是由系统自身结构决定的，与外界因素无关。
2. 快速性：过渡过程所用时间越短，则说响应速度越快。
3. 准确性：指过渡过程结束后，实际输出量与期望输出量之间的误差(即稳态误差)。稳态误差越小越好。