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“开放教育”机械设计制造及其自动化专业（本科） 《机电控制工程基础》第一单元教学辅导 1 控制系统的基本概念 主要学习内容： 控制任务，被控制对象、输入量、输出量、扰动量。 开环控制系统、闭环控制系统及反馈的概念。 控制系统的组成、基本环节及对控制系统的基本要求。 被控制对象或对象 ── 我们称这些需要控制的工作机器、装备为被控制对象或对象。 输出量（被控制量）── 将表征这些机器装备工作状态需要加以控制的物理参量，称为被控制量（输出量）。 输入量（控制量）── 将要求这些机器装备工作状态应保持的数值，或者说，为了保证对象的行为达到所要求的目标，而输入的量，称为输入量（控制量） 扰动量 ── 使输出量偏离所要求的目标，或者说妨碍达到目标，所作用的物理量称为扰动量。 控制的任务实际上就是形成控制作用的规律，使不管是否存在扰动，均能使被控制对象的输出量满足给定值的要求。 开环控制系统 只有给定量影响输出量（被控制量），被控制量只能受控于控制量，而被控制量不能反过来影响控制量的控制系统称为开环控制。 开环控制系统可以用结构示意图表示，如图所示。 扰动量 输入量 输出量 ur u a n 图 开环控制结构图 闭环控制系统 为了实现闭环控制，必须对输出量进行测量，并将测量的结果反馈到输入端与输入量相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。因此，整个控制系统形成一个闭合环路。我们把输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环,参与控制的系统，称作闭环控制系统。由于系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的，也叫作反馈控制系统或偏差控制系统。 闭环控制系统中各元件的作用和信号的流通情况，可用结构图表示。 ur ue ua n 输入量 输出量 ucf 反馈 图 闭环系统结构图 归纳一下开环与闭环控制系统各自的特点如下： （1） 开环控制系统中，只有输入量对输出量产生控制作用；从控制结构上来看，只有从输入端到输出端的信号传递通道（该通道称为前向通道），控制系统简单，实现容易。 闭环控制系统中除前向通道外，还必须有从输出端到输入端的信号传递通道，使输出信号也参与控制，该通道称为反馈通道。闭环控制系统就是由前向通道和反馈通道组成的，控制系统结构复杂。 （2） 闭环控制系统能抑制内部和外部各种形式的干扰，对干扰不甚敏感。因此，可采用不太精密和成本较低的元件来构成控制精度较高的系统。 开环控制系统的控制精度，完全由采用高精度元件和有效的抗干扰措施来保证。 （3） 对闭环控制系统来说，系统的稳定性，始终是一个首要问题。稳定是闭环控制系统正常工作必要条件。对于开环控制系统，或者不存在不稳定问题，或者容易解决。 例题： (1) 什么叫反馈？什么是负反馈？ 答：把系统输出全部或部分地返回到输入端，就叫做反馈。把输出量反馈到系统的输入端与输入量相减称为负反馈。 (2) 什么样系统叫开环控制系统？举例说明。 答：若系统的输出量对系统没有控制作用，即系统没有反馈回路时，则该控制系统称为开环控制系统。如自动售货机，自动洗衣机，步进电机控制刀架进给机构等。 (3) 什么叫闭环控制系统？举例说明之。 答：当系统的输出量对系统有控制作用时，即系统存在着负反馈回路称为闭环控制系统，例如：人手在抓取物件时的动作。机器人手臂运动控制，火炮跟踪目标的运动，导弹飞行运动控制等等。 自动控制系统的类型 自动控制系统的种类繁多，很难确切地对自动控制系统进行分类。现在将经常讨论的几种自动控制系统的类型概括如下： 1． 线性系统和非线性系统 按组成自动控制系统主要元件的特性方程式的性质，可以分为线性控制系统和非线性控制系统。 线性系统是由线性元件组成的系统，系统的运动方程式可用线性微分方程式或线性差分方程式来描述的系统称为线性系统。 线性系统主要特点是具有迭加性和齐次性。就是说对于线性控制系统，几个