自动控制：基本原理

目录

• 基本概念
• 自动控制系统
  • 基本组成
  • 基本控制方式
  • 分类
  • 对控制系统的基本要求
• 参考

基本概念

自动控制：没有人直接参与情况下，利用外加的设备或装置（控制装置/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（被控量）自动地按照预定的规律运行.

自动控制系统：为实现各种复杂控制任务，首先要将被控对象和控制装置按一定的方式连接，组成一个有机总体.

反馈控制系统：一种基于反馈控制原理组成的反馈控制系统，控制装置对被控对象施加的控制左右，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. 简而言之，基于反馈信息，来控制的系统.

自动控制系统

基本组成

反馈控制系统由各种结构不同元部件组成，主要有以下几种（按职能）：

1. 测量元件（传感器）

检测被控的物理量，如果是非电量，一般要转换为电量（电压/电流）.

2. 给定元件（目标值）

给出与期望的被控量相对应的系统输入量.

3. 比较元件

将测量元件检测的被控量实际值与给定元件的输入量进行比较，求出其偏差. 常用比较元件：差动放大器、机械差动装置、电桥电路等；数控系统中，MCU 软件通常作为比较元件.

4. 放大元件

将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件取控制被控对象. 电压偏差信号可用集成电路、晶闸管等组成的电压放大级、功率放大级 放大.

5. 执行元件（执行器，如电机等）

之间推动被控对象，使其被控量变化.

6. 校正元件（补偿元件）

结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈方式连接在系统中，以改善系统性能. 如零漂校正，是一种典型的校正元件.

基本控制方式

应用最广泛的基本控制方式：

1. 反馈控制方式

按偏差进行控制的.

特点：不管什么原因使被控偏离期望值，必定产生相应的控制作用，去降低/消除该偏差，使得被控量与期望值趋于一致. 具有抑制任何内外扰动对被控量产生影响的能力，较高控制精度.

缺点：系统元件多，结构复杂，性能分析、设计更麻烦.

2. 开环控制方式

控制装置与被控对象之间，只有顺向作用，没有反向联系. 这种方式组成的系统，称为开环控制系统.

特点：系统输出量不会对系统控制作用产生影响.

顺馈控制：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，以降低或低效扰动对输出量的影响.

3. 复合控制方式

结合按偏差控制、扰动控制. 因为扰动只能针对可测量场合，一个补偿装置只能补偿一种扰动因素，对其他扰动不起补偿作用.

复合控制方式 结合两者，对主要扰动适当补偿，同时，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.

分类

按控制方式分：开环控制、反馈控制、复合控制等；

按元件类型分：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等；

按系统功用分：温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等；

按系统性能分：线性系统、非线性系统、连续系统、离散系统、定常系统、时变系统、确定性系统、不确定性系统等；

按输入量变化规律分：恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统等；

对控制系统的基本要求

为实现自动控制任务，必须要求控制系统的被控量c(t)跟随给定值r(t)的变化而变化，希望被控量在任何时刻都等于给定值. 然而，实际系统总是包含惯性元件/储能元件，控制系统在受到外作用时，被控量不可能立即变化，会有一个随实际变化的全过程，称为 动态过程或者过渡过程.

控制系统性能，可用动态过程的特性来衡量，工程常从稳、快、准 3个方面评价.

• 稳

控制系统稳定性、平稳性.

稳定：系统在受到外作用后，若控制装置能操纵被控对象，使其被控量c(t)随时间增长而与最终希望值一直，则称系统是稳定的.

如下图，曲线1，系统稳定；曲线2，系统不稳定.

平稳：动态过程振荡的振幅与频率. 被控量围绕给定值摆动的幅度越小、次数越少，则动态过程越好.

• 快

系统快速性，即动态过程进行的时间长短. 时间越短，系统快速性越好.

• 准

系统在动态过程结束后，被控量（或反馈量）与给定值的偏差，称为稳态误差，用来衡量系统稳态精度的指标.

参考

[1]胡寿松.自动控制原理(第七版)[M].科学出版社,2019.
[2]程鹏. 自动控制原理[M].高等教育出版.2002.