1.1 自動控制與自動控制系統的基本概念

自動控制是在沒有人直接干預下，利用物理裝置對生產設備和工藝過程進行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定或者按照一定的規律變化。自動控制系統則是為實現某一控制目標所需要的所有物理部件的有機組合體。例如：

①數控車床按照預定程序自動地切削工件；

②化學反應爐的溫度或壓力自動地維持恒定；

③雷達和計算機組成的導彈發射和制導系統；

④自動地將導彈引導到敵方目標；

⑤無人駕駛飛機按照預定航跡自動升降和飛行；

⑥人造衛星準確地進入預定軌道運行并回收。

在自動控制系統中，被控制的設備或過程稱為被控對象或對象；被控制的物理量稱為被控量或輸出量；決定被控量的物理量稱為控制量或給定量；妨礙控制量對被控量進行正常控制的所有因素稱為擾動量。給定量和擾動量都是自動控制系統的輸入量。擾動量按其來源可分為內部擾動和外部擾動。

1.1.1 自動控制理論

自動控制理論是研究自動控制共同規律的技術科學，其發展經歷了如下3個階段。

①以傳遞函數為基礎的經典控制理論，它主要研究單輸入/單輸出、線性定常系統的分析和設計問題。

②現代控制理論。它主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數系統的最優控制問題，主要采用的方法是以狀態為基礎的狀態空間法。

③以控制論、信息論、仿生學為基礎的智能控制理論。

1.1.2 反饋控制原理

1.自動控制系統

為了實現各種復雜的控制任務，將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機總體。

在自動控制系統中，被控對象的輸出量即被控量是要求嚴格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，如溫度、壓力、液位等，也可以要求按照某個給定規律運行，如飛行航跡、記錄曲線等；而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機構的總體，它可以采用不同的原理和方式對被控對象進行控制，但最基本的一種是基于反饋控制原理組成的反饋控制系統。

2.反饋控制原理

在反饋控制系統中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實現對被控對象進行控制的任務，這就是反饋控制原理。

例1-1 人用手拿取桌上的書，如圖1-1所示。

把人取物視為一個反饋控制系統時，手是被控對象，手位置是被控量（系統的輸出量），產生控制作用的機構是眼睛、大腦和手臂，統稱為控制裝置。

顯然，反饋控制實質上是一個按偏差進行控制的過程，因此，它也稱為按偏差的控制，反饋控制原理就是按偏差控制的原理。

反饋：取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號相比較產生偏差信號的過程。

負反饋：反饋的信號與輸入信號相減，使產生的偏差越來越小。

正反饋：反饋的信號與輸入信號相加，使產生的偏差越來越大。

反饋控制就是采用負反饋并利用偏差進行控制的過程，而且，由于引入了被控量的反饋信息，整個控制過程成為閉合過程，因此反饋控制也稱閉環控制。

在工程實踐中，為了實現對被控對象的反饋控制，系統中必須配置具有類似人的眼睛、大腦和手臂功能的設備，以便用來對被控量進行連續地測量、反饋和比較，并按偏差進行控制。這些設備依其功能分別稱為測量元器件、比較元器件和執行元器件，并統稱為控制裝置。

例1-2 龍門刨床速度控制系統示意圖如圖1-2所示。

圖中，刨床主電動機SM是電樞控制的直流電動機，其電樞電壓由晶閘管整流裝置KZ提供，并通過調節觸發器CF的控制電壓uk，來改變電動機的電樞電壓，從而改變電動機的轉速（被控量）。測速發電機TG是測量元器件，用來測量刨床速度并給出與速度成正比的電壓ut。然后，將ut反饋到輸入端并與給定電壓u0反向串聯便得到偏差電壓Δu=u0-ut。在這里，u0是根據刨床工作情況預先設置的速度給定電壓，它與反饋電壓ut相減形成偏差電壓，因此，ut稱為負反饋電壓。偏差電壓經過放大器FD放大后作為觸發器的控制電壓。

可見，這是一個由負反饋產生偏差，并利用偏差進行控制直到最后消除偏差的過程，這就是負反饋控制原理，簡稱反饋控制原理。

龍門刨床速度控制系統方框圖如圖1-3所示。

3.反饋控制系統的基本組成

反饋控制系統是由各種結構不同的元器件組成的。從完成“自動控制”這一職能來看，一個系統必須包含被控對象和控制裝置兩大部分，而控制裝置是由具有一定職能的各種基本元器件組成的。在不同的系統中，結構完全不同的元器件可以具有相同的職能，因此，將組成系統的元器件按職能分類主要有以下幾種。

測量元器件：其職能是檢測被控制的物理量，如果這個物理量是非電量，一般要再轉換為電量。例如，測速發電機用于檢測電動機軸的速度并轉換為電壓；電位器、旋轉變壓器用于檢測角度并轉換為電壓；熱電偶用于檢測溫度并轉換為電壓等。

給定元器件：其職能是給出與期望的被控量相對應的系統輸入量（參據量），例如圖1-2中給出電壓u0的電位器。

比較元器件：其職能是把測量元器件檢測的被控量實際值與給定元器件給出的參據量進行比較，求出它們之間的偏差。常用的比較元器件有差動放大器、機械差動裝置、電橋電路等。圖1-2中，由于給定電壓u0和反饋電壓ut都是直流電壓，故只需將它們反向串聯便可得到偏差電壓。

放大元器件：其職能是將比較元器件給出的偏差信號進行放大，用來推動執行元器件去控制被控對象。電壓偏差信號，可用晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓放大器和功率放大器加以放大。

執行元器件：其職能是直接推動被控對象，使其被控量發生變化。用來作為執行元器件的有閥、電動機、液壓馬達等。

校正元器件：也叫補償元器件，它是結構或參數便于調整的元器件，用串聯或反饋的方式連接在系統中，以改善系統的性能。最簡單的校正元器件是由電阻、電容組成的無源或有源網絡，復雜的則用電子計算機。

一個典型的反饋控制系統基本組成可用圖1-4表示。圖中用“?”代表比較元器件，它將測量元器件檢測到的被控量與參據量進行比較，“-”表示兩者符號相反，即負反饋；“+”表示兩者符號相同，即正反饋（也可忽略不畫）。方框兩邊直線及其標注代表該組成部分在控制過程中相互作用的物理量。信號從輸入端沿箭頭方向到達輸出端的傳輸通路稱前向通路。系統輸出量經測量元器件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構成主回路。此外還有局部反饋通路以及由它構成的內回路。只包含一個主反饋通路的系統稱單回路系統；有兩個或兩個以上反饋通路的系統稱多回路系統。一般加到反饋控制系統上的外作用有兩種類型，一種是有用輸入，一種是擾動。有用輸入決定系統被控量的變化規律，如參據量；而擾動是系統不希望有的內、外作用，它破壞有用輸入對系統的控制。在實際系統中，擾動總是不可避免的，而且它可以作用于系統中的任何元器件上，也可能一個系統同時受到幾種擾動作用。電源電壓的波動，環境溫度、壓力以及負載的變化，飛行中氣流的沖擊，航海中的波浪等，都是現實中存在的擾動。

1.1.3 自動控制系統基本控制方式

反饋控制是自動控制系統最基本的控制方式，也是應用最廣泛的一種控制方式。除此之外，還有開環控制方式和復合控制方式，它們都有各自的特點和不同的適用場合。

1.反饋控制方式

如前所述，反饋控制方式是按偏差進行控制的，其特點是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現偏差時，必定會產生一個相應的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致。可以說，按反饋控制方式組成的反饋控制系統，具有抑制任何內、外擾動對被控量產生影響的能力，有較高的控制精度。但這種系統使用的元器件多，結構復雜，特別是系統的性能分析和設計也較麻煩。盡管如此，它仍是一種重要的并被廣泛應用的控制方式，自動控制理論主要的研究對象就是用這種控制方式組成的系統。

2.開環控制方式

開環控制方式是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯系的控制過程，按這種方式組成的系統稱為開環控制系統，其特點是系統的輸出量不會對系統的控制作用發生影響。開環控制系統可以按給定量控制方式組成，也可以按擾動控制方式組成。按擾動控制的開環控制系統，是利用可測量的擾動量，產生一種補償作用，以減少或抵消擾動對輸出量的影響，這種控制方式也稱為順饋控制。

這種開環控制方式沒有自動修正偏差的能力，抗擾動性較差。但由于其結構簡單、調整方便、成本低，在精度要求不高或擾動影響較小的情況下，這種控制方式還有一定的實用價值。目前，用于國民經濟各部門的一些自動化裝置，如自動售貨機、自動洗衣機、產品自動生產線、數控車床以及指揮交通的紅綠燈的轉換等，一般都是開環控制系統。

3.復合控制方式

把按偏差控制與按擾動控制結合起來，對于主要擾動采用適當的補償裝置實現按擾動控制（順饋控制），同時，再組成反饋控制系統實現按偏差控制，以消除其余擾動產生的偏差。這種按偏差控制和按擾動控制相結合的控制方式稱為復合控制方式。圖1-5表示一種同時按偏差和擾動控制電動機速度的復合控制系統原理圖和方框圖。