1.2 基本控制方式

1.2.1 基本概念

控制：使某些物理量按指定的规律变化（包括保持恒定），以保证生产的安全性、经济性及产品质量等要求的技术手段。

自动控制：指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为自动控制装置或控制器），使生产过程（称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律（给定量）变化。

系统：即为达到某一目的，由相互制约的各个部分按一定规律组成的，具有一定功能的整体。

自动控制系统：指能够对被控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对象所组成。

控制装置：指对被控对象起控制作用的设备总体，亦称为控制器。

被控对象：指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。例如，汽车、飞机、炼钢和化工生产的锅炉等。

被控量：表征被控对象工作状态的物理参量，也叫输出量。

给定量：作用于系统的输入端，是系统被控量所应保持的数值，也叫输入量。

干扰量：系统不希望的外作用，也叫扰动输入或扰动量。

将系统的输出量通过中间环节（即反馈装置或测量装置）送回到控制器的输入端的信号称为反馈信号，反馈就是将反馈信号与输入信号进行比较的过程，若输入信号与反馈的信号相减则称为负反馈；反之，则称为正反馈。两者比较后的信号，称为偏差信号。是否采用反馈，对控制系统的各个指标（即稳定性、快速性和准确性）影响很大。因此系统的基本控制方式也按有无反馈分为三大类：开环控制、闭环控制和复合控制。

1.2.2 开环控制

开环控制是指控制器与被控对象之间只有正向作用而没有反向作用的控制方式，按此控制方式构成的系统称为开环控制系统。开环控制系统的框图如图1-1所示。开环控制的主要特点是系统的输出量不会对系统的控制作用产生影响。开环控制系统无反向作用，因此开环控制系统主要依照系统给定量或施加于系统的扰动量进行控制工作。常见开环控制系统如电加热炉炉温控制、自动洗衣机、十字路口交通灯和产品自动生产的流水线等。

【例1-1】 电加热炉在工业领域中应用较为普遍，它使用电力作为能源加热炉中的载体，具有无污染、热效率高等特点。一个典型的电加热炉的炉温开环控制系统示意图如图1-2a所示，其控制任务是保持炉温恒定，通过调压器调节电压，电路电流增加使电加热丝发热，从而使电加热炉温度升高，并保持到恒定的给定温度。该系统的框图如图1-2b所示，其中调压器和电加热丝构成系统的控制器，电加热炉为被控对象，其输出量为炉温。

【例1-2】 自动洗衣机是家家户户必不可少的家用电器，其自动洗衣控制系统示意图如图1-3a所示，由电动机通过皮带减速驱动洗衣筒内部的波轮旋转，按照给定的洗涤时间由定时电路通过驱动电动机的转动来控制洗涤的启停。洗涤时间就是系统的给定量，定时电路和电动机构成系统的控制器，洗衣筒为被控对象。自动洗衣机的控制系统框图如图1-3b所示。

【例1-3】 冷轧带钢是轧钢企业的重要生产工艺，它是以热轧带钢和钢板为原料，在常温下经冷轧机轧制成带钢和薄板。图1-4a是冷轧带钢平直度控制系统示意图，轧机出口带材的平直度受入口来料条件波动的影响，因此采用断面仪测量来料凸度，通过控制器改变轧机轧制力，保持轧机出口带材平直度。系统框图如图1-4b所示，控制器接收入口来料的扰动信息，按此扰动量执行控制。

开环控制系统的优点是结构简单，系统稳定性好，成本低。因此，在输入量与输出量之间关系固定，且内、外扰动因素较小或可测量的情况下，应尽量采用开环控制系统。开环控制系统的缺点是系统控制过程中受到来自内部扰动因素（如元件参数变化等），以及来自外部扰动因素（如负载变化等）的影响，均无法自动进行补偿。

1.2.3 闭环控制

闭环控制（又称反馈控制）是指控制装置与被控对象之间既有正向作用又有反向作用的控制方式，即控制器的信息来源中包含来自被控对象输出的反馈信息。闭环控制是按偏差进行控制的，当系统的内、外干扰使被控量（即输出量）偏离期望值（即输入量或给定量）时，系统会通过控制器产生一个控制作用来消除此偏差，使被控量与期望值趋于一致。在闭环控制系统中，其控制作用的基础是被控量与给定量之间的偏差，这个偏差是由各种实际扰动所导致的，无须区分其中的个别原因。这种闭环系统往往同时能够抵制多种扰动，而且对系统自身元部件参数的波动也不甚敏感。鉴于闭环控制系统具有较高的控制精度和较强的抑制干扰的能力，其已被广泛地应用于各个领域。典型闭环控制系统的框图如图1-5所示。

闭环控制系统是由各种系统部件组成的，在不同控制系统中，结构完全不同的元部件都可以具有相同的功能。一个典型的闭环控制系统基本组成如图1-6所示。

图中各组成元件的含义如下。

1）给定元件：给出与被控量相对应的系统输入量（即给定值）。

2）测量元件：检测被控量，并将检测结果转换为电信号输出。

3）比较元件：将被控量的测量值和系统的给定值进行比较，得到两者间的偏差。

4）放大元件：将比较后的偏差信号放大，用以驱动执行机构动作。

5）执行机构：通过自身的动作使被控量发生改变。

6）反馈校正元件：亦称补偿元件，以串联或反馈的方式接入系统，用作系统结构或参数调整，进而改善系统性能。

在图1-6中，用“×”号代表比较元件，它将测量元件检测到的被控量与参考量进行比较，“-”号代表两者符号相反，即负反馈；“+”号（可省略）代表两者符号相同，即正反馈。输入信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。

【例1-4】 锅炉是常见的生产蒸汽的设备，锅炉在运行过程中需要控制炉内液位正常。如液位过低，易发生干烧事故；液位过高，易出现溢出危险。锅炉液位控制系统的示意图如图1-7a所示。当蒸汽的耗气量与锅炉进水量相等时，锅炉液位保持在标准值。当给水量不变，而蒸汽负荷发生变化时，锅炉液位随之发生改变。一旦实际锅炉液位与给定液位之间出现偏差，调节器（即控制器）会立即控制，使锅炉液位恢复标准值。图1-7b是锅炉液位控制系统的框图。图中，给定元件为定值器，调节器为此系统的控制器，调节阀为执行机构，锅炉为被控对象，液位为输出量。

【例1-5】 飞机自动驾驶仪是一种能保持或改变飞机飞行状态的自动装置。自动驾驶仪控制飞机飞行是通过控制飞机的三个操纵面（升降舵、方向舵和副翼）的偏转，改变舵面的空气动力特性，形成围绕飞机质心的旋转转矩，从而改变飞机的飞行姿态和轨迹。图1-8a为飞机自动驾驶俯仰角控制系统的示意图。如果飞机受到干扰偏离给定飞行俯仰角时，陀螺仪电位器输出与俯仰角偏差成正比的信号，经放大器放大后驱动舵机：一方面推动升降舵面向上偏转，产生使飞机抬头的转矩，以减小俯仰角偏差；另一方面带动反馈电位器滑臂，输出与偏角成正比的电压并反馈到输入端。随着俯仰角偏差的减小，陀螺仪电位器输出信号越来越小，舵偏角随之减小，直到俯仰角回到给定值。图1-8b所示为飞机自动驾驶俯仰角控制系统的框图。图中，垂直陀螺仪作为测量元件用以测量飞机的俯仰角，舵机为执行机构，飞机为被控对象，俯仰角为输出量。

闭环控制系统的优点是控制精度高，抗干扰能力强，适用范围广；缺点是结构复杂，元件数目较多，成本较高。

1.2.4 复合控制

复合控制是开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式，它是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动作用的前馈通路，来提高系统的控制精度。复合控制系统分按输入信号补偿和按扰动作用补偿两种，其框图如图1-9所示。复合控制将按偏差原则控制和按扰动原则控制相结合，使得同时具备开环控制和闭环控制的优点，因此可构成精度很高的复合控制系统。