自动控制原理基础教程(第四版)

**章 控制系统导论 1-1 自动控制的基本原理 1.自动控制技术及其应用 在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器)，使机器、设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定的规律运行。例如，数控车床按照预定程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统，自动地将导弹引导到敌方目标；无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行；人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等，这一切都是以应用高水平的自动控制技术为前提的。 近几十年来，随着电子计算机技术的发展和应用，在宇宙航行、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术领域中，自动控制技术具有特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。 2.自动控制理论 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用装备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。第二次世界大战之后，完整的自动控制理论体系已形成，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析和设计问题。 20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的*优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论方向深入。 3.反馈控制原理 为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，如温度、压力、液位等，也可以要求按照某个给定规律运行，如飞行航迹、记录曲线等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但*基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。 在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。 其实，人的一切活动都体现出反馈控制的原理，人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统。例如，人用手拿取桌上的书，汽车司机操纵方向盘驾驶汽车沿公路平稳行驶等，这些日常生活中习以为常的平凡动作都渗透着反馈控制的深奥原理。下面，通过解剖手从桌上取书的动作过程，透视一下它所包含的反馈控制机理。在这里，书位置是手运动的指令信息，一般称为输入信号。取书时，首先人要用眼睛连续目测手相对于书的位置，并将这个信息送入大脑(称为位置反馈信息)；然后由大脑判断手与书之间的距离，产生偏差信号，并根据其大小发出控制手臂移动的命令(称为控制作用或操纵量)，逐渐使手与书之间的距离(即偏差)减小。显然，只要这个偏差存在，上述过程就要反复进行，直到偏差减小为零，手便取到了书。可以看出，大脑控制手取书的过程，是一个利用偏差(手与书之间距离)产生控制作用，并不断使偏差减小直至消除的运动过程；同时，为了取得偏差信号，必须要有手位置的反馈信息，两者结合起来，就构成了反馈控制。显然，反馈控制实质上是一个按偏差进行控制的过程，因此，它也称为按偏差的控制，反馈控制原理就是按偏差控制的原理。 人取物视为一个反馈控制系统时，手是被控对象，手位置是被控量(即系统的输出量)，产生控制作用的机构是眼睛、大脑和手臂，统称为控制装置。我们可以用图1-1的系统方块图来展示这个反馈控制系统的基本组成及工作原理。 图1-1 人取书的反馈控制系统方块图 通常，我们把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称闭环控制。 在工程实践中，为了实现对被控对象的反馈控制，系统中必须配置具有人的眼睛、大脑和手臂功能的设备，以便用来对被控量进行连续地测量、反馈和比较，并按偏差进行控制。这些设备依其功能分别称为测量元件、比较元件和执行元件，并统称为控制装置。 在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控制原理进行工作的。通常，当龙门刨床加工表面不平整的毛坯时，负载会有很大的波动，但为了保证加工精度和表龙门刨床速度控制系统原理图面光洁度，一般不允许刨床速度变化过大，因此必须对速度进行控制。图1-2是利用速度反馈对刨床速度进行自动控制的原理示意图。图中，刨床主电动机SM是电枢控制的直流电动机，其电枢电压由晶闸管整流装置KZ提供，并通过调节触发器CF的控制电压uk来改变电动机的电枢电压，从而改变电动机的速度(被控量)。测速发电机TG是测量元件，用来测量刨床速度并给出与速度成正比的电压ut。然后，将ut反馈到输入端并与给定电压u0反向串联便得到偏差电压。这里，u0是根据刨床工作情况预先设置的速度给定电压，它与反馈电压ut相减便形成偏差电压，因此ut称为负反馈电压。一般，偏差电压比较微弱，需经放大器FD放大后才能作为触发器的控制电压。在这个系统中，被控对象是电动机，触发器和整流装置起了执行控制动作的作用，故称为执行元件。现在具体分析一下刨床速度自动控制的过程。当刨床正常工作时，对于某给定电压u0，电动机必有确定的速度给定值n相对应，同时亦有相应的测速发电机电压ut，以及相应的偏差电压Δu和触发器控制电压uk。如果刨床负载变化，例如增加负载，将使速度降低而偏离给定值，同时，测速发电机电压ut将相应减小，偏差电压Δu将因此增大，触发器控制电压uk也随之增大，从而使晶闸管整流电压ua升高，逐步使速度回升到给定值附近。这个过程可用图1-3的一组曲线表明。由图可见，负载M1在t1时突增为M2，致使电动机速度由给定值n1急剧下降。但随着Δu和ua的增大，速度很快回升，t2时速度便回升到n2，它与给定值n1已相差无几了。反之，如果刨床速度因减小负载致使速度上升，则各电压量反向变化，速度回落过程完全一样。另外，如果调整给定电压u0，便可改变刨床工作速度。龙门刨床速度自动控制过程因此，采用图1-2的自动控制系统，既可以在不同负载下自动维持刨床速度不变，也可以根据需要自动地改变刨床速度，其工作原理都是相同的。它们都是由测量元件(测速发电机)对被控量(速度)进行检测，并将它反馈至比较电路与给定值相减而得到偏差电压(速度负反馈)，经放大器放大、变换后，执行元件(触发器和晶闸管整流装置)便依据偏差电压的性质对被控量(速度)进行相应调节，从而使偏差消失或减小到允许范围。可见，这是一个由负反馈产生偏差，并利用偏差进行控制直到*后消除偏差的过程，这就是负反馈控制原理，简称反馈控制原理。 图1-2 龙门刨床速度控制系统原理图 应当指出的是，图1-2的刨床速度控制系统是一个有静差系统。由图1-3的速度控制过程曲线可以看出，速度*终达到的稳态值n2与原给定速度n1之间始终有一个差值存在，这个差值是用来产生一个附加的电动机电枢电压，以补偿因增加负载而引起的速度下降。因此，差值的存在是保证系统正常工作所必需的，一般称为稳态误差。如果从结构上加以改进，这个稳态误差是可以消除的。 图1-4 是与图1-2对应的刨床速度控制系统方块图。在方块图中，被控对象和控制装置的各元部件(硬件)分别用一些方块表示。系统中感兴趣的物理量(信号)，如电流、电压、温度、位置、速度、压力等，标志在信号线上，其流向用箭头表示。用进入方块的箭头表示各元部件的输入量，用离开方块的箭头表示其输出量，被控对象的输出量便是系统的输出量，即被控量，一般置于方块图的*右端；系统的输入量一般置于系统方块图的左端。 图1-3 龙门刨床速度自动控制过程 图1-4 龙门刨床速度控制系统方块图 4.反馈控制系统的基本组成 反馈控制系统是由各种结构不同的元部件组成的。从完成“自动控制”这一职能来看，一个系统必然包含被控对象和控制装置两大部分，而控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的。在不同系统中，结构完全不同的元部件却可以具有相同的职能，因此，将组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种： 测量元件其职能是检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要再转换为电量。例如，测速发电机用于检测电动机轴的转速并转换为电压；电位器、旋转变压器或自整角机用于检测角度并转换为电压；热电偶用于检测温度并转换为电压等。 给定元件其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。例如图1-2中给出电压u0的电位器。 比较元件其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置、电桥电路等。图1-2中，由于给定电压u0和反馈电压ut都是直流电压，故只需将它们反向串联便可得到偏差电压。 放大元件其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。电压偏差信号，可用集成电路、晶闸管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大。 执行元件其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。 校正元件也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。*简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或有源网络，复杂的则用电子计算机。 一个典型的反馈控制系统基本组成可用图1-5方块图表示。图中，用“○”代表比较元件，它将测量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；系统输出量经测量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。 图1-5 反馈控制系统基本组成 一般，加到反馈控制系统上的外作用有两种类型：一种是有用输入；另一种是扰动。有用输入决定系统被控量的变化规律；而扰动是系统不希望有的外作用，它破坏有用输入对系统的控制。在实际系统中，扰动总是不可避免的，而且它可以作用于系统中的任何元部件上，也可能一个系统同时受到几种扰动作用。电源电压的波动，环境温度、压力以及负载的变化，飞行中气流的冲击，航海中的波浪等，都是现实中存在的扰动。在图1-2的速度控制系统中，切削工件外形及切削量的变化就是一种扰动，它直接影响电动机的负载转矩，进而引起刨床速度的变化。 5.自动控制系统基本控制方式 反馈控制是自动控制系统*基本的控制方式，也是应用*广泛的一种控制方式。除此之外，还有开环控制方式和复合控制方式，它们都有其各自的特点和不同的适用场合。近几十年来，以现代数学为基础，引入电子计算机的新的控制方式也有了很大发展，例如*优控制、自适应控制、模糊控制等。 (1)反馈控制方式如前所述，反馈