自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

因此，為完成控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，首先必須對(duì)控制對(duì)象、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有個(gè)明確的了解。一般，可將控制系統(tǒng)分為兩種基本形式：開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)。

開環(huán)控制系統(tǒng)是一種最簡單的控制方式，在控制器和控制對(duì)象間只有正向控制作用，系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)控制器產(chǎn)生任何影響，如圖1-1所示。在該系統(tǒng)中，對(duì)于每一個(gè)輸入量，就有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)和輸出量，系統(tǒng)的精度僅取決于元器件的精度和特性調(diào)整的精度。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易控制，但是控制精度低，因?yàn)槿绻诳刂破骰蚩刂茖?duì)象上存在干擾，或者由于控制器元器件老化，控制對(duì)象結(jié)構(gòu)或參數(shù)發(fā)生變化，均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出的不穩(wěn)定，使輸出值偏離預(yù)期值。正因?yàn)槿绱?，開環(huán)控制系統(tǒng)一般適用于干擾不強(qiáng)或可預(yù)測(cè)，控制精度要求不高的場合。

圖1-2所示為一簡單貯槽液面控制系統(tǒng)，這是一個(gè)典型的開環(huán)系統(tǒng)，要求貯槽的液面H能保持在允許的偏差范內(nèi)。V1是液體流出閥，V2是液體流入閥。首先根據(jù)要求，液面的高度H及V1閥在單位時(shí)間內(nèi)液體的流出量，整定好V2閥的開啟程度，以達(dá)到預(yù)定的目的。但這是個(gè)不精確的控制系統(tǒng)，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(biāo)定的H值，而超過了允許的偏差，系統(tǒng)無法糾正偏差。

圖1-3所示為數(shù)控機(jī)床中廣泛應(yīng)用的定位系統(tǒng)的框圖。這也是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，工作臺(tái)的位移是該系統(tǒng)的被控制量，它是跟隨著控制信號(hào)（控制脈沖）而變化的。顯然，這個(gè)系統(tǒng)沒有抗擾動(dòng)的功能。

如果系統(tǒng)的給定輸入與被控量之間的關(guān)系固定，且其內(nèi)部參數(shù)或外來擾動(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(bǔ)償，則采用開環(huán)控制也能取得較為滿意的控制效果。

1.2.2.閉環(huán)控制系統(tǒng)

如果在控制器和被控對(duì)象之間，不僅存在正向作用，而且存在著反向的作用，即系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制量具有直接的影響，那么這類控制稱為閉環(huán)控制, 將檢測(cè)出來的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號(hào)比較，稱為反饋。因此，閉環(huán)控制又稱為反饋控制，其控制結(jié)構(gòu)如圖1-4。在這樣的結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)的控制器和控制對(duì)象共同構(gòu)成了前向通道，而反饋裝置構(gòu)成了系統(tǒng)的反饋通道。

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

在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中，具有正反饋形式的系統(tǒng)一般是不能改進(jìn)系統(tǒng)性能的，而且容易使系統(tǒng)的性能變壞，因此不被采用。而且有負(fù)反饋形式的系統(tǒng)，它通過自動(dòng)修正偏離量，使系統(tǒng)趨向于給定值，并抑制系統(tǒng)回路中存在的內(nèi)擾和外擾的影響，最終達(dá)到自動(dòng)控制的目的。通常，反饋控制就是指負(fù)反饋控制。 與開環(huán)系統(tǒng)比較，閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是檢測(cè)偏差，糾正偏差。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，閉環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)的控制精度得到了提高，若采用開環(huán)控制，要達(dá)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(tǒng)的反饋，可以較好地抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中可能存在的擾動(dòng)和由于器件的老化而引起的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不穩(wěn)定性；3) 反饋環(huán)節(jié)的存在，同時(shí)可較好地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)然，如果引入不適當(dāng)?shù)姆答?，如正反饋，或者參?shù)選擇不恰當(dāng)，不僅達(dá)不到改善系統(tǒng)性能的目的，甚至?xí)?dǎo)致一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定的系統(tǒng)。

在現(xiàn)實(shí)世界中，反饋控制系統(tǒng)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(tǒng)如圖1-5所示。在這個(gè)水位控制系統(tǒng)中，水池的進(jìn)水量Q1來自電動(dòng)機(jī)控制開度的進(jìn)水閥門，出水量Q2。在用戶用水量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(shè)定，浮子測(cè)出實(shí)際水位高度。由浮子帶動(dòng)的電位計(jì)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(dāng)實(shí)際水位低于希望水位時(shí)， >0，通過放大器驅(qū)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開大進(jìn)水閥門，使進(jìn)水量Q1增加，從而使水位上升。當(dāng)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(jī)停轉(zhuǎn)，進(jìn)水閥門開度不變，這時(shí)進(jìn)水量Q1和出水量Q2達(dá)到了新的平衡。若實(shí)際水位高于希望水位， 0，則電動(dòng)機(jī)使進(jìn)水閥門關(guān)小，進(jìn)水量減少，實(shí)際水位下降。

這個(gè)系統(tǒng)是個(gè)典型的鎮(zhèn)定系統(tǒng), 在該系統(tǒng)中:
控制量 希望水位的設(shè)定值
被控制量 實(shí)際水位
擾動(dòng)量 出水量Q2
被控對(duì)象 水池
測(cè)量元件 浮子
比較元件 電位器
放大元件 放大器
執(zhí)行元件 電動(dòng)機(jī),減速器,進(jìn)水閥門

系統(tǒng)的方框圖如1-6所示。控制系統(tǒng)中各元件的分類和方框圖的繪制不是唯一的，只要能正確反映其功能和運(yùn)動(dòng)規(guī)律即可。

一個(gè)位置自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1-7所示，該系統(tǒng)的作用是使負(fù)載L(工作機(jī)械)的角位移隨給定的角度的變化而變化，即要求被控量復(fù)現(xiàn)控制量 。

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

當(dāng)負(fù)載的實(shí)際位置 與給定位置 相符時(shí)，則 ,電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)負(fù)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)過放大器放大，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速器移動(dòng)負(fù)載L，使負(fù)載L和反饋電位器向減少偏差的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的方框圖如圖1-8所