第五节　自动控制系统

一、自动控制系统基本概念

(一)自动控制系统的组成典型反馈控制系统的原理框图如图8.5.1所示。

(1)被控对象。

(2)控制器。

(3)放大变换环节。

(4)校正装置。

(5)反馈环节。

(6)给定环节。

(二)自动控制系统的常用术语

二、开、闭环及复合控制系统

控制系统按其结构可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。

(一)开环控制系统

开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用，而没有反向联系的控制过程，即需要控制的是被控对象的某一量(被控量)，而测量的只是给定信号，被控量对于控制作用没有任何影响的系统。

开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环系统控制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则采用闭环控制。

(二)闭环控制系统

闭环控制是有被控量反馈的控制系统，从系统中信号流向看，系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端，构成闭合通道，故称闭环控制系统或反馈控制系统。

闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏差，使系统达到较高的控制精度。但与开环控制系统相比，闭环系统的结构和构造比较复杂，如果设计不当将会使系统无法正常和稳定地工作。

(三)复合控制系统

 

三、自动控制系统的性能指标

考虑动态过程在不同阶段中的特点，工程上通常从稳、准、好三个方面来衡量自动控制系统。

1.稳定性(稳)

稳定工作是对所有自动控制系统的基本要求，是一个系统能否工作的前提。不稳定的系统根本无法完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数的变动，可能导致系统不稳定，因此除要求系统稳定外，还要求其具有一定的稳定裕量。

2.稳态精度(准)

稳态精度是指系统过渡到新的平衡状态以后，或系统对抗干扰重新恢复平衡后，最终保持的精度。稳态精度与控制系统的结构、参数及输入信号形式有关。

3.动态过程(好)

动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作用下随时间变化的全过程。衡量动态工程的品质好坏常采用单位阶跃信号作用下过渡过程中的超调量、过渡过程时间等性能指标。

对不同的被控对象，系统对稳、准、好的要求有所侧重。

四、自动控制系统的类型

自动控制系统的种类很多，其结构性能和完成的任务各不相同，因此有多种分类方法，下面介绍几种常见的分类。

(一)按信号流向划分

1.开环控制系统。

2.闭环控制系统。

(二)按系统输入信号划分

1.恒值调节系统

这种系统的特征是输入量为一恒值，通常称为系统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响，使输出量为给定值(期望值)如工业工程中恒温、恒压、快速等控制系统。

2.随动系统

该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意变化量，要求系统的输入量能迅速平稳地复现或跟踪输人信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系统和高炮自动瞄准系统就是典型的随动系统。

3.程序控制系统

系统的控制输入信号不是常值，而是事先确定的运动规律，编成程序装在输入装置中，即控制输入信号的是事先确定的程序信号，控制的目的是被控对象的控制量按照要求的程序动作。如数控机床就属此类系统。

(三)按数学特性划分

(四)按信号连续性划分

五、计算机控制系统

(一)计算机控制系统的一般概念

(二)计算机控制系统的组成

计算机控制系统的组成它由广义对象(被控对象+传感变送器+执行器)和计算机系统两部分组成，而计算机系统又包括硬件和软件两部分。

1.计算机硬件系统

计算机硬件系统主要包括主机、过程输入输出通道和人机联系装置三部分。

(1)主机。主要包括处理器(CPU)和内存(RAM和ROM)两部分。

(2)过程输入输出通道。过程通道又分为模拟过程通道和开关过程通道。

模拟过程通道主要用来传输模拟信号。对象的各种连续变化的物理量经传感器变送器转换成连续的电信号，通过模拟输入通道输入给计算机。而计算机的控制信号需经模拟输出通道传给执行器，以实现对被控对象的控制。

开关过程通道主要用来传送计算机与对象之间的开关信号和数字量。开关过程通道也分为开关量输入通道和开关量输出通道两种。

(3)人机联系装置。主要包括键盘、显示器、打印机、绘图仪、操作台、硬盘、光盘等输入及输出设备。

2.计算机软件系统

软件系统是计算机程序的总和。主要分为以下两种：

(1)系统软件。

(2)应用软件。

(三)计算机控制系统的类型

通常根据计算机参与控制方式、特点以及系统的结构，可以将计算机控制系统分为以下四种类型。

1.数据采集系统

2.直接数字控制系统

3.监督控制系统

4.集散控制系统

集散控制系统(DCS)是根据分散控制、集中操作、分级管理的原则设计的多级控制系统，一般自下而上可分为三级。

DCS以其可靠性、灵活性、人机界面友好性和通信的方便性等特点日益被广泛应用。

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