1.2　自动控制的基本原理

目前，在人们的日常生活和工农业生产中都有许多自动控制系统的例子。下面以两个工业生产过程的自动控制系统为例，介绍自动控制系统的工作原理和基本构成。

（1）温度控制系统

在机械加工行业，为了消除被加工工件的内部应力，提高其力学性能，一般需要对工件进行热处理。为了完成这一加工任务而设计的一个自动控制系统如图1-1所示。对自动控制系统的要求是：随时调整直流伺服电动机的转动方向，并以此来改变调压变压器，从而达到对电阻炉温度的控制。同时又要保证工件温度尽量不受加工条件和外部干扰的影响，如环境温度的变化和电压的波动等。

图1-1　电阻炉温度控制系统

自动控制系统的工作原理是：图1-1中热电偶将检测到的温度信号T转变成电压信号U_fT并以负反馈形式返回输入端与给定信号U_sT相比较，得到偏差电压ΔU，此偏差电压ΔU经过电压放大器、功率放大器放大后，改变直流伺服电动机的转速和方向，并通过减速器带动调压变压器，实现对炉温的闭环控制。

在图1-1中，输出量直接（或间接）地反馈到输入端形成闭环，使输出量参与系统的控制，这样的系统称为反馈控制系统，又称为闭环控制系统。在这里，控制装置和被控对象不仅有顺向作用，而且输出端和输入端之间存在反馈关系。图1-2表示电阻炉温度控制系统框图。由于系统是按偏差调节原则设计的，所以反馈连接和闭合回路是必然存在的，而且反馈信号应与给定值相减，以便得到偏差信号，故这种反馈又称为负反馈。负反馈是按偏差调节的自动控制系统在结构上和信号传递上的重要标志。

图1-2　电阻炉温度控制系统框图

（2）角位置随动系统

某角位置随动系统的工作原理图如图1-3所示。两个相同的电位器由同一直流电源供电，电位器1的滑臂由指令机构转动，相应的电位为u_r，电位器2的滑臂随工作机构转动，相应的电位为u_c。以u_r -u_c作为放大装置的输入，然后驱动电动机转动。电动机的转轴经变速箱后拖动工作机构按照给定的要求转动。

图1-3　角位置随动系统工作原理图

此系统控制的任务是控制工作机械角位置θ_c跟踪手柄转角θ_r。工作机械是被控对象，工作机械的角位置是被控量，手柄角位移是给定量。

自动控制系统的工作原理是：当工作机械转角θ_c与手柄转角θ_r一致时，两环行电位器组成的桥式电路处于平衡状态，输出电压u_s=0，电动机不动。系统相对静止。

如果手柄转角θ_r变化了，而工作机械仍处于原位，则电桥输出u_c≠0，此电位器信号经放大器放大后驱动电动机转动，经变速箱拖动工作机械向θ_r要求的方向偏转。当θ_c=θ_r时，电动机停转，系统达到新的平衡状态，从而实现角位置跟踪目的。

由此看出，此控制系统通过机械传动机构和电位器来测量θ_c，将工作机构的角位移转换为便于处理的电位信号，并与指令机构θ_r产生的电位信号进行比较而产生偏差信号，再通过放大器和电动机来控制θ_c，所以仍是按偏差调节的反馈控制系统。角位置随动系统框图如图1-4所示，图中同样存在着一个负反馈闭合回路。

图1-4　角位置随动系统框图

通过上述两个实例概括出自动控制系统的基本工作原理：通过测量装置随时监测被控量，并与给定值进行比较，产生偏差信号；根据控制要求对偏差信号进行计算和信号放大，并且产生控制量，驱动被控量维持在希望值附近。无论是干扰造成的，还是给定值发生变化或系统内部结构参数发生变化引起的，只要被控量与希望值出现偏差，控制系统就自行纠偏，故称这种控制方式为按偏差调节的闭环控制。由于是将输出量反馈到输入端进行比较，并产生偏差信号，所以这种控制系统称为反馈控制系统。显然，这种反馈控制方式在原理上提供了实现高精度控制的可能性。