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自动控制:基本原理
明明1109 · 2026-06-10 · via 博客园 - 明明1109

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

img

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).

  1. 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.

  1. 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.

  1. 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.

  1. 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.

  1. 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.

  1. 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.

img

  1. 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.

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.

img

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.

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.

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.