机电控制工程基础课程辅导-1 .pdfVIP

第1章控制系统的基本概念辅导

[学习目标]

熟练掌握：开环与闭环系统的基本知识、闭环控制系统的基本概念。

掌握：自动控制系统性能指标的基本概念。

了解：相关的工程实例。

自动控制的基本概念

自动控制是相对于人工控制而言的，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置

使生产过程或被控对象的某一物理量(输出量)准确地按照给定的规律(输入量)运行或变化。

因此，如何使输出量(或被控量)按照给定的变化规律而变化，这就是自动控制工程和理论所

要解决的基本问题。

自动控制系统指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装

置和被控制对象组成。被控制对象(简称被控对象)是指要求实现自动控制的机器、设备或生

产过程。例如，飞机、锅炉、机床以及化工生产过程等。控制装置则是指对被控对象起控制

作用的设备总体。例如，有用来测量温度、压力或飞行姿态等物理量的测量设备；有对位移、

速度、压力或电压等物理量进行变换和放大的变换、放大设备；有操纵飞机舵面偏转的舵机、

操纵反应塔流量的阀门等操纵设备。

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。

自动控制的实例

实现恒温控制有两种办法：人工控制和自动控制。其中很多自动控制都是受到人工控制

的启发而实现的。图1-1所示为人工控制的恒温控制箱。人工控制的任务是克服外来干扰(如

电源电压波动、环境温度变化等)，保持恒温箱的温度恒定，以满足物体对温度的要求。这

可以通过移动调压器活动触头位置来改变加热电阻丝的电流，以达到所要求的温度的目的。

箱内温度是由温度计进行测量的。人工调节过程可以归纳如下：

1.观察由测量元件(温度计)测出的恒温箱的温度

(被控制量)。

2.与要求的温度值(给定值)进行比较，得出偏差

大小和方向。

3.根据偏差的大小和方向再进行控制。当恒温箱

温度高于所要求的给定温度值，就移动调压器将电流

减小，使炉温降到正

常范围内；若低于给

定的温度，则移动调

压器将电流增加，使

温度升到正常范围。

因此，人工控制

的过程就是测量，求

3

偏差，再控制以纠正偏差的过程。简单地讲，就是“检测偏差用以纠正偏差”的过程。显然，

其中需要一个测量元件(温度计)和一个控制元件(如调压器)，并将被控制量(恒温箱温度)与给

定温度进行比较，以及决定怎样去控制调压器，这些都是通过人来实现的。

对于这样简单的控制形式，如果能找到一个控制器代替人的职能，那么人工调节系统就

可以变成自动控制系统了。图1-2就是一个自动控制系统。

在这个控制系统中，恒温箱的温度是由给定信号电压u控制的。当外界因素引起箱内

1

温度变化后，作为测量元件的热电偶，将与温度相对应的电压信号u测出，并反馈回去与

2

给定信号u进行比较，所得的结果即为温度的偏差信号Δu。经过电压、功率放大器放大后，

1

以控制电动机的旋转速度与方向，并通过传动装置拖动调压器动触头。当恒温箱内温度偏高

时，使调压器减小加热电流，反之加大电流，直到温度达到给定值为止。此时偏差信号Δu

＝0，电机停止。这样，就完成了所要求的控制任务。而所有这些装置便组成了一个自动控

制系统。

上述人工控制系统和自动控制系统是极其相似的。误差测量装置类似于操纵者的眼睛

(测量作用)；自动控制器类似于操纵者的头脑(比较作用)；执行机构类似于操纵者的肢体(执

行作用)。

通过上面的分析可以看出：不论是人工控制还是自动控制，它们都有两个共同点：

一是要检测偏差，二是要用检测到的偏差去纠正偏差。可见没有偏差便没有调节过程。

通常在自动控制系统中，这一偏差是通过反馈建立起来的。给定量称为控制系统的输入量，

被控制量称为系统的输出量。反馈就是指输出量通过适当的测量装置将信号的全部或一部分

返回输入端，使之与输入量进行比较，比较的结果叫做偏差。控制系统就是根据这一偏差的

大小和方向进行工作，以使偏差减小或消除，从而使输出量与输入量一致。因此基于反馈基

础上的“检测偏差用以纠正偏差”这一原理又称为反馈控