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自动控制原理 (一): 基础概念


自动控制系统, 是指能够完成自动控制任务的设备; 而自动控制任务是指在没有人的参与下, 利用控制装置操纵被控对象, 使被控量等于给定值。 一个自控系统一般包括被控对象和控制器。

1 自动控制系统

有如下概念:

  • 控制: 指利用 控制装置 来操纵 被控对象, 使 被控量 按指定的规律变化
    • 控制装置: 产生控制信号的物理装置
    • 被控对象: 在自动控制技术中, 把工作的机器设备称为被控对象
    • 被控量: 把表征这些机器设备工作状态的物理量称为被控量
  • 系统: 由互相关联的部件按一定的次序构成的结构, 能够提供预期的输出。

直观上来说, 所谓自动控制系统, 就是在没有人参与的情况下, 利用一定的方式让机器能按照我们想要的样子去运作。 而自动控制原理也就是研究自动控制系统的理论。

2 控制系统的性能要求

对于自动控制系统性能的评判, 讲究三个字: 。 以下面四个系统为例:

不同性能的系统

根据其单位阶跃响应可以看出, 系统2动态过程振荡的振幅和频率都比系统1大, 因此说它不如系统1 “稳” ; 对于系统3来说, 其动态过程持续时间比系统1要长, 所以说明它的快速性没有系统1好, 也就是不够 “快”; 系统4在稳定后与设定值1相差较大, 所以它不如其他3个系统 “准”。

具体表述如下:

  • 稳: 系统的稳定性与平稳性;
  • 快: 系统的快速性, 也就是动态过程持续时间长短;
  • 准: 系统的静差, 也就是稳态误差。

3 控制的基本方式

一般来说, 自动控制可分为如下几种:

  • 开环控制

    • 按给定值操纵:

      按给定值操纵的开环控制系统原理方框图

      控制系统结构简单, 成本低, 但抗干扰能力差, 控制精度不高, 对偏差无修正能力。

    • 按干扰补偿:

      按干扰补偿的开环控制系统原理方框图

      对于可测的干扰, 这种方式可以对干扰进行全补偿, 但对于不可测的干扰以及系统内部参数的变化就无能为力。

  • 按偏差调节的闭环控制 (闭环控制或反馈控制)

    按偏差调节的闭环控制系统原理方框图

    这种控制方式控制精度较高, 因为无论是干扰的作用, 还是系统结构参数的变化, 只要被控量偏离给定值, 系统就会自动纠偏

  • 复合控制

    • 按输入作用补偿:

      按输入作用补偿的复合控制

    • 按扰动作用补偿:

      按扰动作用补偿的复合控制

      复合控制其实就是开环和闭环的结合。

4 相关数学知识

常见 Laplace 变换:


文章作者: Mond
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