1.1 自动控制与自动控制系统的基本概念

自动控制是在没有人直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定或者按照一定的规律变化。自动控制系统则是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。例如：

①数控车床按照预定程序自动地切削工件；

②化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；

③雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统；

④自动地将导弹引导到敌方目标；

⑤无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行；

⑥人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收。

在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。

1.1.1 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，其发展经历了如下3个阶段。

①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。

②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最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。

③以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论。

1.1.2 反馈控制原理

1.自动控制系统

为了实现各种复杂的控制任务，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。

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，但最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。

2.反馈控制原理

在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，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，这就是反馈控制原理。

例1-1 人用手拿取桌上的书，如图1-1所示。

把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（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。

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。

反馈：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。

负反馈：反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小。

正反馈：反馈的信号与输入信号相加，使产生的偏差越来越大。

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类似人的眼睛、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器件、比较元器件和执行元器件，并统称为控制装置。

例1-2 龙门刨床速度控制系统示意图如图1-2所示。

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，从而改变电动机的转速（被控量）。测速发电机TG是测量元器件，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Δu=u0-ut。在这里，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相减形成偏差电压，因此，ut称为负反馈电压。偏差电压经过放大器FD放大后作为触发器的控制电压。

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最后消除偏差的过程，这就是负反馈控制原理，简称反馈控制原理。

龙门刨床速度控制系统方框图如图1-3所示。

3.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器件组成的。从完成“自动控制”这一职能来看，一个系统必须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器件组成的。在不同的系统中，结构完全不同的元器件可以具有相同的职能，因此，将组成系统的元器件按职能分类主要有以下几种。

测量元器件：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速度并转换为电压；电位器、旋转变压器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。

给定元器件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（参据量），例如图1-2中给出电压u0的电位器。

比较元器件：其职能是把测量元器件检测的被控量实际值与给定元器件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。常用的比较元器件有差动放大器、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。

放大元器件：其职能是将比较元器件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元器件去控制被控对象。电压偏差信号，可用晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大器加以放大。

执行元器件：其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元器件的有阀、电动机、液压马达等。

校正元器件：也叫补偿元器件，它是结构或参数便于调整的元器件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。最简单的校正元器件是由电阻、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1-4表示。图中用“⊗”代表比较元器件，它将测量元器件检测到的被控量与参据量进行比较，“-”表示两者符号相反，即负反馈；“+”表示两者符号相同，即正反馈（也可忽略不画）。方框两边直线及其标注代表该组成部分在控制过程中相互作用的物理量。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器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。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，一种是扰动。有用输入决定系统被控量的变化规律，如参据量；而扰动是系统不希望有的内、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器件上，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。

1.1.3 自动控制系统基本控制方式

反馈控制是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最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，它们都有各自的特点和不同的适用场合。

1.反馈控制方式

如前所述，反馈控制方式是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。可以说，按反馈控制方式组成的反馈控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。但这种系统使用的元器件多，结构复杂，特别是系统的性能分析和设计也较麻烦。尽管如此，它仍是一种重要的并被广泛应用的控制方式，自动控制理论主要的研究对象就是用这种控制方式组成的系统。

2.开环控制方式

开环控制方式是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种方式组成的系统称为开环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。开环控制系统可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减少或抵消扰动对输出量的影响，这种控制方式也称为顺馈控制。

这种开环控制方式没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。但由于其结构简单、调整方便、成本低，在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。目前，用于国民经济各部门的一些自动化装置，如自动售货机、自动洗衣机、产品自动生产线、数控车床以及指挥交通的红绿灯的转换等，一般都是开环控制系统。

3.复合控制方式

把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制（顺馈控制），同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式。图1-5表示一种同时按偏差和扰动控制电动机速度的复合控制系统原理图和方框图。