自動(dòng)控制系統的結構

因此，為完成控制系統的分析和設計，首先必須對控制對象、控制系統結構有個(gè)明確的了解。一般，可將控制系統分為兩種基本形式：開(kāi)環(huán)控制系統和閉環(huán)（反饋）控制系統。

開(kāi)環(huán)控制系統是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，在控制器和控制對象間只有正向控制作用，系統的輸出量不會(huì )對控制器產(chǎn)生任何影響，如圖1-1所示。在該系統中，對于每一個(gè)輸入量，就有一個(gè)與之對應的工作狀態(tài)和輸出量，系統的精度僅取決于元器件的精度和特性調整的精度。這類(lèi)系統結構簡(jiǎn)單，成本低，容易控制，但是控制精度低，因為如果在控制器或控制對象上存在干擾，或者由于控制器元器件老化，控制對象結構或參數發(fā)生變化，均會(huì )導致系統輸出的不穩定，使輸出值偏離預期值。正因為如此，開(kāi)環(huán)控制系統一般適用于干擾不強或可預測，控制精度要求不高的場(chǎng)合。

圖1-2所示為一簡(jiǎn)單貯槽液面控制系統，這是一個(gè)典型的開(kāi)環(huán)系統，要求貯槽的液面H能保持在允許的偏差范內。V1是液體流出閥，V2是液體流入閥。首先根據要求，液面的高度H及V1閥在單位時(shí)間內液體的流出量，整定好V2閥的開(kāi)啟程度，以達到預定的目的。但這是個(gè)不精確的控制系統，如果V1閥的輸出流量和V2閥的輸入量受到溫度、液體濃度及其他各種因素的影響而發(fā)生了變化，不將液面控制在原標定的H值，而超過(guò)了允許的偏差，系統無(wú)法糾正偏差。

圖1-3所示為數控機床中廣泛應用的定位系統的框圖。這也是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統，工作臺的位移是該系統的被控制量，它是跟隨著(zhù)控制信號（控制脈沖）而變化的。顯然，這個(gè)系統沒(méi)有抗擾動(dòng)的功能。

如果系統的給定輸入與被控量之間的關(guān)系固定，且其內部參數或外來(lái)擾動(dòng)的變化都較小，或這些擾動(dòng)因素可以事先確定并能給予補償，則采用開(kāi)環(huán)控制也能取得較為滿(mǎn)意的控制效果。

1.2.2.閉環(huán)控制系統

如果在控制器和被控對象之間，不僅存在正向作用，而且存在著(zhù)反向的作用，即系統的輸出量對控制量具有直接的影響，那么這類(lèi)控制稱(chēng)為閉環(huán)控制, 將檢測出來(lái)的輸出量送回到系統的輸入端，并與輸入信號比較，稱(chēng)為反饋。因此，閉環(huán)控制又稱(chēng)為反饋控制，其控制結構如圖1-4。在這樣的結構下，系統的控制器和控制對象共同構成了前向通道，而反饋裝置構成了系統的反饋通道。

在控制系統中，反饋的概念非常重要。在圖1-4中，如果將反饋環(huán)節取得的實(shí)際輸出信號加以處理，并在輸入信號中減去這樣的反饋量，再將結果輸入到控制器中去控制被控對象，我們稱(chēng)這樣的反饋為負反饋；反之，若由輸入量和反饋量相加作為控制器的輸入，則稱(chēng)為正反饋。

在一個(gè)實(shí)際的控制系統中，具有正反饋形式的系統一般是不能改進(jìn)系統性能的，而且容易使系統的性能變壞，因此不被采用。而且有負反饋形式的系統，它通過(guò)自動(dòng)修正偏離量，使系統趨向于給定值，并抑制系統回路中存在的內擾和外擾的影響，最終達到自動(dòng)控制的目的。通常，反饋控制就是指負反饋控制。 與開(kāi)環(huán)系統比較，閉環(huán)控制系統的最大特點(diǎn)是檢測偏差，糾正偏差。從系統結構上看，閉環(huán)系統具有反向通道，即反饋；其次，從功能上看，1) 由于增加了反饋通道，系統的控制精度得到了提高，若采用開(kāi)環(huán)控制，要達到同樣的精度，則需高精度的控制器，從而大大增加了成本；2) 由于存在系統的反饋，可以較好地抑制系統各環(huán)節中可能存在的擾動(dòng)和由于器件的老化而引起的結構和參數的不穩定性；3) 反饋環(huán)節的存在，同時(shí)可較好地改善系統的動(dòng)態(tài)性能。當然，如果引入不適當的反饋，如正反饋，或者參數選擇不恰當，不僅達不到改善系統性能的目的，甚至會(huì )導致一個(gè)穩定的系統變?yōu)椴环€定的系統。

在現實(shí)世界中，反饋控制系統的形式是多樣的，但一般均可化為圖1-4的形式。

一個(gè)水池水位自動(dòng)控制系統如圖1-5所示。在這個(gè)水位控制系統中，水池的進(jìn)水量Q1來(lái)自電動(dòng)機控制開(kāi)度的進(jìn)水閥門(mén)，出水量Q2。在用戶(hù)用水量Q2隨意變化的情況下，保持水箱水位在希望的高度不變。

希望水位高度由電位器觸頭A設定，浮子測出實(shí)際水位高度。由浮子帶動(dòng)的電位計觸頭B的位置反映實(shí)際水位高度。A,B兩點(diǎn)的電位差 反映希望水位與實(shí)際水位的偏差。當實(shí)際水位低于希望水位時(shí)， >0，通過(guò)放大器驅使電動(dòng)機轉動(dòng)，開(kāi)大進(jìn)水閥門(mén)，使進(jìn)水量Q1增加，從而使水位上升。當實(shí)際水位上升到希望值時(shí)，A、B兩個(gè)觸頭在同一位置， =0，電動(dòng)機停轉，進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)度不變，這時(shí)進(jìn)水量Q1和出水量Q2達到了新的平衡。若實(shí)際水位高于希望水位， 0，則電動(dòng)機使進(jìn)水閥門(mén)關(guān)小，進(jìn)水量減少，實(shí)際水位下降。

這個(gè)系統是個(gè)典型的鎮定系統, 在該系統中:
控制量 希望水位的設定值
被控制量 實(shí)際水位
擾動(dòng)量 出水量Q2
被控對象 水池
測量元件 浮子
比較元件 電位器
放大元件 放大器
執行元件 電動(dòng)機,減速器,進(jìn)水閥門(mén)

系統的方框圖如1-6所示?？刂葡到y中各元件的分類(lèi)和方框圖的繪制不是唯一的，只要能正確反映其功能和運動(dòng)規律即可。

一個(gè)位置自動(dòng)控制系統如圖1-7所示，該系統的作用是使負載L(工作機械)的角位移隨給定的角度的變化而變化，即要求被控量復現控制量 。

指令電位器和反饋電位器組成的橋式電路是測量比較環(huán)節，其作用就是測量控制量－輸入角度和被控制量--－輸出角度，變成電壓信號和并相減，產(chǎn)生偏差電壓 。

當負載的實(shí)際位置 與給定位置 相符時(shí)，則 ,電動(dòng)機不轉動(dòng)。當負載的實(shí)際位置與給定位置不相符時(shí)， 和也不相等，偏差電壓 。偏差電壓經(jīng)過(guò)放大器放大，使電動(dòng)機轉動(dòng)，通過(guò)減速器移動(dòng)負載L，使負載L和反饋電位器向減少偏差的方向轉動(dòng)。

一個(gè)位置隨動(dòng)系統，系統的方框圖如圖1-8所