1、 第 1 章 绪 论1.1 引言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。
2、实际上自然界中的任何事物都受到不同程度的控制。但在自动控制原理中， “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
3、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 、 航自动控制原理2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 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
4、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
5、。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
6、 水 位 自 动下 降 至第 1 章 绪论 3图 1.2.2 水位自动控制系统期 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
7、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。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
8、。图 1.3.1 汽车带速控制系统自动控制原理4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、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
9、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
10、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 r 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 ，通过速度传感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 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 e。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。第 1 章 绪论 5图 1.3.3 空载
11、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
12、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比较，求出它们之间的偏差。自动控制原理6（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
13、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
14、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
15、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 1.3.4 所示的系统方块图简化第 1 章 绪论 7为图 1.3.5 所示的方块图。图中，r 和 y 分别是系统的输入和输出信号；e 为系统的偏差信号；b 为系统的主反馈信号；假设
16、参量 G 和 H 分别是前向通道和反馈通道的增益，亦即放大系数。由图 1.3.5 可得出如下关系：（1.3.1）erb（1.3.2）Hy（1.3.3）G将式（1.3.3）和式（1.3.2）代入式（1.3.1） ，整理后可得出输入与输出之间的关系为（1.3.4）1yMr这一关系式将有助于理解闭环控制系统的一些特性。概括起来，闭环控制系统有如下特点。（1）闭环控制系统是利用负反馈的作用来减小系统误差的。在闭环控制系统中，控制器与被控对象之间不仅有正向作用，而且还有反馈联系，因而信号的传递形成一个闭合回路，闭环控制系统也因此而得名。因此，当输出量偏离期望值时，这个偏差将被检测出来，对控制作用产生影响
17、，从而使系统具有自动修正被控量偏离的能力，减小了系统误差，较好地实现了自动控制的功能。（2）闭环控制系统能够有效地抑制被反馈通道包围的前向通道中各种扰动对系统输出量的影响。从上面列举的控制系统中，可以看出，扰动实际上是制约控制系统性能提高的一个重要因素，因而克服扰动的影响已成为控制系统的重要任务。对于闭环控制系统而言，由于引入了负反馈的控制作用，因而使得作用在被反馈通道包围的前向通道中各环节（如被控对象或控制装置）上的任何形式的扰动，包括已知的或未知的，只要它们使系统的被控量偏离期望值而出现偏差，就可以被检测出来，产生相应的控制作用去减小或消除这些偏差，使被控量与期望值趋于一致。故闭环控制系统
18、能够抑制扰动的影响，从而提高了系统的控制精度。分析图 1.3.6 所示的闭环控制系统也可得出相同的结论。在图 1.3.6 中， 为n系统扰动，k 1 和 k2 分别为输入到扰动作用点之间以及扰动作用点到输出之间的增益，h 为反馈通道的增益。图 1.3.5 闭环控制系统自动控制原理8图 1.3.6 带扰动的闭环控制系统当系统是开环控制系统，并且输入 时，有0r（1.3.5）2ykn而对于图 1.3.6 所示的闭环控制系统，当输入 为零时，有（1.3.6）12h比较式（1.3.5）和式（1.3.6）知，当 时，在闭环控制系统中由扰k动引起的输出部分被减小了 倍，也即闭环控制系统具有抑制扰动的能力。
19、12k（3）闭环控制系统可以减小被控对象的参数变化对输出量的影响。为了讨论参数变化的影响，首先给出系统灵敏度的概念。系统增益 对于被控对象增益 变化的灵敏度定义为MG（1.3.7）/MS将式（1.3.4）代入式（1.3.7） ，有（1.3.8）1GH根据式（1.3.8） ，当 时，灵敏度函数的幅值小于 1，并将随着 的0H GH增大而减小，这表明系统增益 M 对被控对象 G 变化的敏感程度将随着增益的增大而降低。而对于开环控制系统而言，有 。GHMS对于实际控制系统，通常 和 并不是常量，而是频率的函数。因此并不能保证对于所有的频率范围都有 ，但在人们所关心的频率范围内，常常0有 远大于 1。
20、因此，可以说闭环控制系统对被控对象的灵敏度低于开环控制系统。正是由于闭环控制系统的这一特点，使得闭环控制系统对被控对象参数的要求不像开环控制系统那样苛刻。下面讨论系统增益 对于反馈装置增益 变化的灵敏度。其定义如下MH（1.3.9）/1HGSM由式（1.3.9）可看出，当 GH 很大时，灵敏度式（1.3.9）的幅值约为 1，这第 1 章 绪论 9说明反馈装置增益 H 的变化将直接影响系统输出。因此，保持反馈装置参数不因环境的变化而变化，或者说保证反馈增益为常数是非常重要的。 例 1.3.1 试比较图 1.3.7 所示的开环与闭环放大器的灵敏度。（a） （b）图 1.3.7 开环和闭环运算放大器
21、解：如图 1.3.7（a）所示，开环运算放大器的输入与输出之间的关系为 oinaVMk根据灵敏度的定义，开环运算放大器对于放大器增益变化的灵敏度为 1akS对于图 1.3.7（b）所示的带有反馈的运算放大器，其输入输出关系可用图1.3.8 表示，其中 。21R图 1.3.8 闭环运算放大器的输入输出关系由图 1.3.8 可得出（1.3.10）oin1aVkM于是，闭环运算放大器的灵敏度为（1.3.11）aakaSk由式（1.3.11）知，闭环运算放大器对于放大器增益的灵敏度随着 的增大ak而减小。假设 410ak.自动控制原理10则 310aMkS这表明闭环运算放大器对于放大器增益的灵敏度是开
22、环运算放大器的千分之一。由上面的分析可知，闭环控制系统由于有了反馈的作用，确实克服了开环控制系统的缺点，带来了很多优势，但同时也带来了一些问题。（1）很显然，由于增加了反馈通道，使闭环控制系统增加了元器件的数目和系统的复杂程度。（2）闭环控制系统用增益的损失换取了系统对参数变化和干扰灵敏度的降低，亦即换取了对系统响应的控制能力。说明如下：对于开环控制系统，开环增益为 。而由式（1.3.4）知，单位反馈控制系统G的闭环增益为 。由此可知，单位反馈控制系统的增益比开环控制系统减小1G了 倍，也即闭环控制系统损失了系统增益。（3）闭环控制系统带来了系统稳定性问题。对于开环控制系统，只要被控对象稳定，
23、系统就能稳定地工作。而在闭环控制系统中，输出信号被反馈到系统输入端，与参考输入比较后形成偏差信号，控制器再按照偏差信号的大小对被控对象进行控制。在这个过程中，由于控制系统的惯性，可能引起超调，造成系统的等幅或增幅振荡，使系统变成不稳定，从而产生了闭环控制系统的稳定性问题。关于稳定性问题详见第 3 章。1.4 自动控制系统分类对于种类繁多的自动控制系统，根据不同的分类原则有不同的分类结果。为便于学习，现介绍几种常用的分类方法。1.4.1 按输入信号特征分类1恒值控制系统（又称自动调节系统）这类系统的特点是输入信号为某个恒定不变的常数，要求系统的被控量尽可能保持在期望值附近；系统面临的主要问题是存
24、在使被控量偏离期望值的扰动；控制的任务是要增强系统的抗扰动能力，使扰动作用于系统时，被控量尽快地恢复到期望值上。因此恒值控制系统又称为自动调节系统。前面提到的图 1.3.2 所第 1 章 绪论 11示的水位控制系统和图 1.3.5 所示的汽车空载速度控制系统均为恒值控制系统。实际上，工业生产过程中广泛应用的温度、压力、流量等参数的控制，都是采用恒值控制系统来实现的。例 1.4.1 采用由瓦特发明的离心调速器构成的蒸汽机转速控制系统如图1.4.1（a）所示。试叙述其工作原理，指出被控对象和被控量，并画出其原理方 块图。解：对于如图 1.4.1（a）所示的蒸汽机转速控制系统，工作时，蒸汽机带动负载
25、转动，并通过圆锥齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链带动套筒上下滑动，拨动杠杆，以调节供汽阀门开度，从而改变进入蒸汽机的蒸汽流量，达到控制蒸汽机转速的目的。在蒸汽机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果负载增大使蒸汽机转速 n 下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，通过杠杆增大供汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速 n 回升。同理，如果负载减小使蒸汽机的转速 n 增加，则飞锤因离心力增加而使套筒上滑，通过杠杆减小供汽阀门的开度，迫使蒸汽机转速回落。这样，离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速 n 保持在某个期望值附近。在本系统中，蒸汽机是被控对象，蒸汽机的转速 n 是被控量。其原理方块图如图 1.4.1（b）所示。
