自动控制系统的原理

    自动控制在工业、农业、国防等方面的现代化中起着相当重要的作用，并在国民经济和国防建设的各个领域中得到了广泛应用。目前，随着生活生产和科学技术的不断发展，特别是数字计算机的迅速发展和普及应用，自动控制技术已经显示出越来越重要的作用和广阔的应用前景。

    自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控制的对象自动地按照预设的规律运行。所以，自动化技术就是探索和研究实现自动化过程的方法和技术。它是涉及机械、微电子、计算机等技术领域的一门综合性技术。例如，RTO废气燃烧炉控制系统中的压力和温度及热量回收的再利用；化工生产中胶水原料供应系统的温度和压力能够自动维持恒定不变；数控机床能够按预先排定的工艺程序自动地进行车、铣、钻、切、削、磨和刨等，加工出预期的几何形状，并自动装料和卸料；机场跟踪雷达和指挥仪所组成的飞机导航系统；运载人造地球卫星的火箭发射自动控制系统，将火箭发射到预定轨道并能准确回收等，这些都是自动控制技术的典型应用。

    自动控制系统(Automatic Control Systems)是指在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按照期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制的对象是系统．而系统是由相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体。例如，我们人类吃进去的食物在各种酶的作业下转化成的能量等就是一个生物系统；自动化生产线自动生产出的产品就是一个工程系统；在电脑屏幕上显示的股票实时行情就是一个股票交易系统等，这些都是一个系统。通常情况下，我们把能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统，称为自动控制系统。

    一个自动控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口等几部分。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器，这就是一个典型的自动控制系统的控制过程。

    不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器，电加热控制系统采用温度传感器等，这些控制系统的电气控制元件和设备将在附录中予以介绍。

    自动控制系统按控制原理的不同，分为开环控制系统和闭环控制系统。

    1．开环控制系统

    在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象组成。在开环控制系统中，被控量不需要反送回来以形成任何闭环回路。

    开环控制系统主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。

    2．闭环控制系统

    闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。

    闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号极性相反，则称为负反馈；若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。例如，在水产养殖的应用中养殖槽的水位自动控制系统，通过安装在养殖槽中的浮球阀的反馈和预先在控制器中设定的水位进行比较，从而自动控制输出来调整水位达到期望值。在农业生产的茵类种植密闭环境的恒温恒湿自动控制系统中，通过温度和湿度传感器反馈的信号与控制器中的设定值进行比较，来改变控制器的输出，使执行机构动作而控制了温度和湿度的大小达到预期效果，这些自动控制技术有着实际的应用，它们都是一个闭环控制系统。

    3．阶跃响应

    阶跃响应是指将一个阶跃输入( Step Function)加到系统上时系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。“稳”是指系统的稳定性( Stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；“准”是指控制系统的准确性和控制精度，通常用稳态误差( Steady-state Error)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；“快”是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。