《自動(dòng)控制原理與應(yīng)用》課件第1章

第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)概論1.1概述

1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

1.5對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.6研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的方法1.7MATLAB軟件及其應(yīng)用簡介1.1概

述

如圖1-1所示為小球離心調(diào)速器的原理圖，此調(diào)速器是利用飛錘、彈簧和杠桿系統(tǒng)來調(diào)節(jié)蒸汽閥門的開度，從而達(dá)到控制蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。其工作原理為：如果負(fù)載增加，蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速下降，則飛錘1下降，滑套2將通過杠桿3使蒸汽閥門開大，蒸汽供給量增加，從而使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速上升。反之若負(fù)載減小，蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速上升，則通過調(diào)節(jié)可使轉(zhuǎn)速下降。這樣，離心調(diào)速器可自動(dòng)地抵制負(fù)載的變化，使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。圖1-1小球離心調(diào)速器原理圖

可以說，現(xiàn)代控制理論已經(jīng)綜合了控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等各方面的成就，達(dá)到或正在進(jìn)行著以下幾個(gè)方面的工作：

(1)最優(yōu)控制對(duì)某種性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最佳控制，即目標(biāo)函數(shù)法；

(2)自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有自適應(yīng)能力，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)本身可適應(yīng)環(huán)境的變化，而使系統(tǒng)保持最優(yōu)；

(3)自學(xué)習(xí)控制這是一種較完善的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)辨識(shí)、判斷、積累經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的功能。

1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語

1.2.1自動(dòng)控制的基本概念與組成所謂自動(dòng)控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對(duì)象(被控量)，使其按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)或變化。被控對(duì)象是控制系統(tǒng)的主體，是在系統(tǒng)中要求對(duì)其參數(shù)進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。如溫度控制系統(tǒng)中的加熱爐，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的拖動(dòng)電機(jī)，過程控制系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)爐等。

控制裝置一般由三部分組成：①自動(dòng)檢測裝置包括測量元件和變送元件，起自動(dòng)檢測被控對(duì)象的作用，如轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的測速發(fā)電機(jī)，溫度控制系統(tǒng)中的熱電偶等。②自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置起綜合、分析、比較、判斷和運(yùn)算的作用，并能按一定的規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)或指令。③執(zhí)行裝置起具體執(zhí)行控制信號(hào)或指令的作用，給被控對(duì)象施加某種作用，使其改變輸出量。

對(duì)控制系統(tǒng)的組成進(jìn)行詳細(xì)分類，其還可以由下列各部分組成：①測量變送元件屬于反饋元件，職能是把被控物理量測量出來；②設(shè)定元件職能是給出被控量應(yīng)取的數(shù)值信號(hào)，即是設(shè)定給定值的元件；③比較元件職能是將測量信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較，并得到差值(偏差信號(hào))，起信號(hào)綜合作用；④放大元件職能是對(duì)差值信號(hào)進(jìn)行放大，使其足以推動(dòng)下一級(jí)工作；⑤執(zhí)行元件職能是直接推動(dòng)被控對(duì)象，改變其被控物理量，使輸出量與希望值趨于一致；⑥校正元件職能是改變由于結(jié)構(gòu)或參數(shù)的原因而引起的性能指標(biāo)的不適應(yīng)；⑦能源元件

職能是為系統(tǒng)提供必要的能源。

1.2.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖表示

在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理時(shí)，為了清楚地表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成，說明各元件間信號(hào)傳遞的因果關(guān)系，我們在分析系統(tǒng)時(shí)常采用方塊圖（框圖）的方式表示。方塊圖的繪制原則是：組成系統(tǒng)的每一環(huán)節(jié)(或元件)用一方框表示，符號(hào)為“

”。環(huán)節(jié)間用帶箭頭的線段“→”聯(lián)接起來，此線段稱為信號(hào)線（或作用線），箭頭的方向表示信號(hào)的傳遞方向，即作用方向，信號(hào)只能單方向傳遞。一個(gè)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)是環(huán)節(jié)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的原因，而其輸出信號(hào)是環(huán)節(jié)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。信號(hào)的比較點(diǎn)用“

”表示，它有對(duì)幾個(gè)信號(hào)進(jìn)行求（代數(shù)）和的功能。一般在多個(gè)輸入信號(hào)的信號(hào)線旁邊標(biāo)以“+”或“-”，

表示各輸入信號(hào)的極性。

圖1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖的舉例

1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)

1.開環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間只有順向作用，而沒有反向聯(lián)系，則該系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，控制信息只能單方向傳遞，沒有反向作用，輸入信號(hào)通過控制裝置作用于被控對(duì)象，

而被控對(duì)象的輸出對(duì)輸入沒有影響。

圖1-3所示為一個(gè)由可控硅供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)由給定電位器、信號(hào)放大器、可控硅觸發(fā)及整流裝置、直流電動(dòng)機(jī)等組成。系統(tǒng)用電位器取出電壓Ug作為系統(tǒng)的給定信號(hào)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n作為系統(tǒng)的被控量（輸出量）。Ug通過放大器、觸發(fā)裝置和可控硅裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的控制。觸發(fā)裝置和可控硅裝置等組成控制器。輸入信號(hào)通過控制器作用于受控對(duì)象以控制輸出，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出則對(duì)控制器不產(chǎn)生影響，這樣的控制系統(tǒng)就屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。按控制的要求，一定的給定電壓Ug對(duì)應(yīng)于一定的轉(zhuǎn)速n。但是由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n要受到軸上負(fù)載、電動(dòng)機(jī)磁場、可控硅裝置的交流電源電壓等的影響，故不可能完全達(dá)到Ug的要求，而這些對(duì)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響的變化量就是系統(tǒng)的干擾量或擾動(dòng)量。圖1-3開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

開環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)維護(hù)方便，但是控制精度差，抗干擾性能差。如全自動(dòng)洗衣機(jī)、計(jì)時(shí)器、

自動(dòng)機(jī)床、

自動(dòng)生產(chǎn)線等均是開環(huán)控制系統(tǒng)。

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)如果改進(jìn)開環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)法把輸出信號(hào)受干擾影響而變化的信息傳遞到控制裝置中去，使控制器根據(jù)這個(gè)信息進(jìn)行控制以消除擾動(dòng)的影響，那么系統(tǒng)就能夠更好地完成自動(dòng)控制的任務(wù)。這種輸入量與輸出量之間不僅有順向作用，而且有反向作用的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖1-4所示就是將上述開環(huán)控制系統(tǒng)的例子加以改進(jìn)而形成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

閉環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)：與開環(huán)控制系統(tǒng)最明顯的不同之處在于系統(tǒng)有測速發(fā)電機(jī)，即檢測變送元件，它可以將系統(tǒng)的輸出情況及時(shí)地反饋到系統(tǒng)的輸入端進(jìn)行比較。這樣就使系統(tǒng)具有控制精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)；但由于系統(tǒng)存在測速發(fā)電機(jī)，因此系統(tǒng)就比開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，設(shè)計(jì)維護(hù)困難。典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)有自動(dòng)火炮系統(tǒng)(雷達(dá)、計(jì)算機(jī)、火炮群)、高級(jí)自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)恒溫箱、隨動(dòng)系統(tǒng)等。1.3.2定值、隨動(dòng)和程序控制系統(tǒng)

1.定值控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值(參考輸入)為恒定的常數(shù)，此種控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可通過反饋控制使系統(tǒng)的被控參數(shù)(輸出)保持恒定的、希望的數(shù)值。如在過程控制系統(tǒng)中，一般都要求將過程參數(shù)(如溫度、壓力、流量、液位和成份等)維持在工藝給定的狀態(tài)。多數(shù)過程控制系統(tǒng)都是定值控制系統(tǒng)。

2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的給定值(參考輸入)隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。也就是說，此類系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律是無法預(yù)先確定的時(shí)間函數(shù)。這種系統(tǒng)的任務(wù)是在各種情況下保證系統(tǒng)的輸出以一定的精度跟隨參考輸入的變化而變化，所以這種系統(tǒng)又稱為跟蹤系統(tǒng)。如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤瞄準(zhǔn)和攔截系統(tǒng)，工業(yè)控制中的位置控制系統(tǒng)，過程控制中的串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路等都屬于此類系統(tǒng)。另外，工業(yè)自動(dòng)化儀表中的位置控制系統(tǒng)、顯示記錄儀表等也是閉環(huán)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。

3.程序控制系統(tǒng)若系統(tǒng)給定值(參考輸入)是隨時(shí)間變化并有一定的規(guī)律，且為事先給定了的時(shí)間函數(shù)，則稱這種系統(tǒng)為程序控制系統(tǒng)。如熱處理爐的溫度調(diào)節(jié)，要求溫度按一定的時(shí)間程序的規(guī)律變化（自動(dòng)升溫、保溫及降溫等）；間隙生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)器溫度控制以及機(jī)械加工中的程序控制機(jī)床等均屬于此類系統(tǒng)。1.3.3線性和非線性控制系統(tǒng)

1.線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)或特性可以用線性微分方程(或差分方程)來描述時(shí)，這種系統(tǒng)就稱為線性控制系統(tǒng)。線性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以使用疊加原理，當(dāng)系統(tǒng)存在幾個(gè)輸入時(shí)，系統(tǒng)的總輸出等于各個(gè)輸入分別作用于系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)的輸出之和，當(dāng)系統(tǒng)輸入增大或減小時(shí)，系統(tǒng)的輸出也按比例增大或減小。如果描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的微分(或差分)方程的系數(shù)是常數(shù)，不隨時(shí)間變化，則這種線性系統(tǒng)稱為線性定常(或時(shí)不變)系統(tǒng)。若微分(或差分)方程的系數(shù)是時(shí)間的函數(shù)，則這種線性系統(tǒng)稱為線性時(shí)變系統(tǒng)。

2.非線性控制系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)中存在有非線性特性的組成環(huán)節(jié)或元件時(shí)，系統(tǒng)的特性就由非線性方程來描述，這樣的系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。對(duì)于非線性控制系統(tǒng)，疊加原理是不適用的。嚴(yán)格地講，實(shí)際的控制系統(tǒng)都不是線性的，各種系統(tǒng)總是不同程度地具有非線性特性，例如系統(tǒng)中應(yīng)用的放大器的飽和特性，運(yùn)動(dòng)部件的間隙、摩擦和死區(qū)，彈性元件的非線性關(guān)系等等。非線性特性根據(jù)其處理方法不同可以分為本質(zhì)非線性和非本質(zhì)非線性兩種。對(duì)于非本質(zhì)的非線性特性，其輸入、輸出關(guān)系曲線沒有間斷點(diǎn)和折斷點(diǎn)，且呈單值關(guān)系，因此當(dāng)系統(tǒng)變量變化范圍不大時(shí)，為便于研究，可簡化為線性關(guān)系處理，這樣可以應(yīng)用相當(dāng)成熟的線性控制理論進(jìn)行分析和討論。對(duì)于本質(zhì)非線性特性，其輸入、輸出關(guān)系或具有間斷點(diǎn)和折斷點(diǎn)，

或具有非單值關(guān)系，

這類系統(tǒng)需要用非線性控制理論來分析研究。

1.3.4連續(xù)和離散控制系統(tǒng)

1.連續(xù)控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)時(shí)，稱此類系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)，亦稱模擬控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或特性一般是用微分方程來描述的。模擬式的工業(yè)自動(dòng)化儀表以及用模擬式儀表來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過程控制的系統(tǒng)都屬于連續(xù)控制系統(tǒng)。

2.離散控制系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)中某些組成環(huán)節(jié)或元件的輸入、輸出信號(hào)在時(shí)間上是離散的，即僅在離散的瞬時(shí)取值時(shí)，稱此類系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別僅在于信號(hào)只是特定的離散瞬時(shí)上的時(shí)間的函數(shù)。離散信號(hào)可由連續(xù)信號(hào)通過采樣開關(guān)獲得，具有采樣功能的控制系統(tǒng)又稱為采樣控制系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或特性一般用差分方程來描述，其分析研究方法也不同于連續(xù)控制系統(tǒng)。

1.3.5單變量和多變量控制系統(tǒng)

1.單變量控制系統(tǒng)在一個(gè)控制系統(tǒng)中，如果只有一個(gè)被控制的參數(shù)和一個(gè)控制作用來控制對(duì)象，則此系統(tǒng)為單變量控制系統(tǒng)，又叫單輸入單輸出系統(tǒng)。

2.多變量控制系統(tǒng)如果一個(gè)控制系統(tǒng)中的被控參數(shù)多于一個(gè)，控制作用也多于一個(gè)，且各控制回路相互之間有耦合關(guān)系，則稱這種系統(tǒng)為多變量控制系統(tǒng)，也叫多輸入多輸出系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法除上述幾種外還有很多，且各種分類方法只是人們站在不同的角度來看問題的一種方法，對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以用不同的方法來分類，但是這并不影響控制系統(tǒng)本身。

1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)示例

要分析一個(gè)實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)，首先要了解它的工作原理，明白系統(tǒng)的組成等，也就是要求我們明白如下一些問題：①系統(tǒng)的被控對(duì)象是什么?哪些狀態(tài)參量要求控制(亦即被控量是什么)?作用在被控對(duì)象上的主要干擾有哪些?②操縱哪個(gè)機(jī)構(gòu)可改變被控量?③系統(tǒng)有哪些檢測元件?檢測的是被控量還是干擾?④系統(tǒng)給定值(參考輸入)或指令由哪個(gè)裝置提供?⑤如何實(shí)現(xiàn)各信號(hào)的偏差計(jì)算和判斷偏差?⑥

控制作用通過什么部件來實(shí)現(xiàn)?

1.4.1溫度控制系統(tǒng)溫度在很多場合是重要的被控參數(shù)之一，它與流量、壓力等均屬于典型的被控參數(shù)。圖1-5所示為烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖。

圖1-5烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)圖1-5可以知道，控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持爐膛溫度的恒定；系統(tǒng)的被控對(duì)象為烘烤爐；系統(tǒng)被控量為烘烤爐的爐膛溫度；干擾量有工件數(shù)量、環(huán)境溫度和煤氣壓力等；調(diào)節(jié)煤氣管道上閥門開度可改變爐溫；系統(tǒng)的檢測元件是熱電偶，它將爐膛溫度轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量Ut；系統(tǒng)的給定裝置為給定電位器，其輸出電壓Ug作為系統(tǒng)的參考輸入，對(duì)應(yīng)于給定的爐膛溫度；系統(tǒng)的偏差為ΔU，為爐溫與給定溫度的偏差，由Ug和Ut計(jì)算得到（ΔU=Ug－Ut），兩電壓極性反接，就可完成減法運(yùn)算；系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置和閥門。爐溫既受工件數(shù)量及環(huán)境溫度的影響，又受由混合器輸出的煤氣流量的影響，因此，調(diào)整煤氣流量便可控制爐溫。烘烤爐溫度控制系統(tǒng)的控制原理如下：假定爐溫恰好等于給定值，這時(shí)Ug=Ut，(即ΔU＝0)，故電動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)閥都靜止不動(dòng)，煤氣流量恒定，烘烤爐處于給定溫度狀態(tài)。

如果增加工件，烘烤爐的負(fù)荷加大，則爐溫下降，溫度下降將導(dǎo)致Ut減小，由于給定值Ug保持不變，則使ΔU>0，產(chǎn)生Ua使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開大煤氣閥門，增加煤氣供給量，從而使?fàn)t溫回升，直至重新等于給定值(即Ug=Ut)為止。這樣在負(fù)荷加大的情況下仍然保持了規(guī)定的溫度。如果負(fù)荷減小或煤氣壓力突然加大，則爐溫升高。Ut隨之加大，ΔU<0，故電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，關(guān)小閥門，減少煤氣量，從而使?fàn)t溫下降，直至等于給定值為止。由此看出，系統(tǒng)通過爐溫與給定值之間的偏差來控制爐溫，所以此控制系統(tǒng)是按偏差調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中除烘烤爐及供氣設(shè)備外，其余統(tǒng)稱溫度控制裝置或溫度調(diào)節(jié)器。

表示系統(tǒng)各功能部件之間相互聯(lián)系的框圖如圖1-6所示。圖中每個(gè)功能部件用一個(gè)方框表示，箭頭表示信號(hào)的輸入、輸出通道。最右邊的方框習(xí)慣于表示被控對(duì)象，其輸出信號(hào)即為被控量，

而系統(tǒng)的總輸入量包括給定值和外部干擾。

圖1-6烘烤爐溫度控制系統(tǒng)方框圖

1.4.2位置隨動(dòng)系統(tǒng)

圖1-7所示為機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖。在圖1-7所示的系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制工作臺(tái)的位置，使之按指令電位器給出的規(guī)律變化；系統(tǒng)的被控對(duì)象為工作臺(tái)；被控量為工作臺(tái)的位置；檢量元件是反饋電位器W2，它將工作臺(tái)的位置xc轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量uc；系統(tǒng)的給定裝置為指令電位器W1，其輸出電壓ur作為系統(tǒng)的參考輸入，以確定工作臺(tái)的希望位置；系統(tǒng)的偏差為Δu，為工作臺(tái)的希望位置與實(shí)際位置之差，由ur和uc計(jì)算得到（Δu=ur－uc）；系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流伺服電動(dòng)機(jī)、齒輪減速器和絲杠副。圖1-7機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖

機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理是：通過指令電位器W1的滑動(dòng)觸點(diǎn)給出工作臺(tái)的位置指令xr，并轉(zhuǎn)換為控制電壓ur。被控制工作臺(tái)的位移xc由反饋電位器W2檢測，并轉(zhuǎn)換為反饋電壓uc，兩電位器接成橋式電路。當(dāng)工作臺(tái)位置xc與給定位置xr有偏差時(shí)，橋式電路的輸出電壓為Δu=ur－uc。設(shè)開始時(shí)指令電位器和反饋電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)都處于左端，即xr=xc=0，則Δu=ur－uc=0，此時(shí)，放大器無輸出，直流伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，工作臺(tái)靜止不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)給出位置指令xr時(shí)，在工作臺(tái)改變位置之前的瞬間，xc=0，uc=0，則電橋輸出為Δu=ur－uc=ur－0=ur，該偏差電壓經(jīng)放大器放大后控制直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直流伺服電動(dòng)機(jī)通過齒輪減速器和絲杠副驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)右移。隨著工作臺(tái)的移動(dòng)，工作臺(tái)實(shí)際位置與給定位置之間的偏差逐漸減小，即偏差電壓Δu逐漸減小。當(dāng)反饋電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置與指令電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的給定位置一致，即輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入時(shí)，電橋平衡，偏差電壓Δu=0，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，工作臺(tái)停止在由指令電位器給定的位置上，系統(tǒng)進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。當(dāng)給出反向指令時(shí)，偏差電壓極性相反，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，工作臺(tái)左移，當(dāng)工作臺(tái)移至給定位置時(shí)，系統(tǒng)再次進(jìn)入平衡狀態(tài)。如果指令電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置不斷改變，則工作臺(tái)位置也跟著不斷變化。圖1-8機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)方框圖

此機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的控制過程可用圖1-8所示方塊圖表示。1.4.3自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)圖1-9所示為自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。由圖可以明確：控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持工作機(jī)械恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行；系統(tǒng)的被控對(duì)象為工作機(jī)械；被控量為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n；系統(tǒng)的檢測元件是測速發(fā)電機(jī)，它能將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量Uf；系統(tǒng)的給定裝置為給定電位器，其輸出電壓Ug作為系統(tǒng)的參考輸入；系統(tǒng)的偏差為ΔU，為系統(tǒng)給定量與反饋量之差，由Ug和Uf計(jì)算得到（ΔU=Ug－Uf）；系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流電動(dòng)機(jī)。圖1-9自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)原理圖

自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理是：測速發(fā)電機(jī)測量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓Uf，與給定電位器的輸出電壓Ug進(jìn)行比較，得到的偏差信號(hào)ΔU經(jīng)放大裝置放大后控制電動(dòng)機(jī)的工作電壓Ud，而電壓Uf即代表了系統(tǒng)所要求的轉(zhuǎn)速。如果工作機(jī)械的負(fù)載增大，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，則測速發(fā)電機(jī)輸出電壓Uf減小，與給定電壓Ug比較后的偏差電壓（ΔU=Ug－Uf）增大，經(jīng)放大后的觸發(fā)控制電壓Uk增大，從而使可控硅整流裝置輸出電壓Ud增大，增大的Ud加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n將提高，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到補(bǔ)償。圖1-10自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

這里是通過測量轉(zhuǎn)速(與給定轉(zhuǎn)速的偏差)來控制轉(zhuǎn)速的，因此，調(diào)速系統(tǒng)亦稱為按偏差調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其功能框圖如圖1-10所示。1.5對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

1.穩(wěn)定性對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的首要要求是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。系統(tǒng)的穩(wěn)定性指的是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受擾后偏離了原來的工作狀態(tài)，而控制裝置再也不能使系統(tǒng)恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)，并且越偏越遠(yuǎn)；或當(dāng)輸入信號(hào)變化以后，控制裝置再也無法使受控對(duì)象跟隨輸入信號(hào)的運(yùn)行，并且是越差越大，這樣的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)，顯然這樣的系統(tǒng)是根本完不成控制任務(wù)的。圖1-11所示為穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)的示意圖。

圖1-11自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性示意圖(a)穩(wěn)定系統(tǒng)；

(b)不穩(wěn)定系統(tǒng)

2.快速性

對(duì)系統(tǒng)快速性的要求，就是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的要求。快速性指的是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行的時(shí)間長短。過程時(shí)間持續(xù)很長，將使系統(tǒng)長久地出現(xiàn)大偏差，同時(shí)也說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以跟蹤（復(fù)現(xiàn)）快速變化的輸入信號(hào)。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間越短，反應(yīng)就越快。圖1-12所示為自動(dòng)控制系統(tǒng)快速性的示意圖。從圖1-12中可以看出，曲線①的快速性顯然沒有曲線②好。

圖1-12自動(dòng)控制系統(tǒng)快速性示意圖

3.準(zhǔn)確性所謂的準(zhǔn)確性，指的是系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后，或系統(tǒng)受擾重新恢復(fù)平衡以后，系統(tǒng)最終保持的精度。準(zhǔn)確性反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程后期的性能。這時(shí)系統(tǒng)的被控量對(duì)給定值的偏差，一般應(yīng)該是很小的。由于被控對(duì)象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性的要求是有所側(cè)重的。例如隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)快速性要求較高，而調(diào)速系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求就嚴(yán)格些。對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)來說，穩(wěn)、快、準(zhǔn)又是相互制約的。提高了系統(tǒng)的快速性，可能會(huì)引起系統(tǒng)強(qiáng)烈的振動(dòng)；而改善了系統(tǒng)的平穩(wěn)性，控制過程又可能變得很遲緩，甚至使精度也很差。1.6研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的方法

對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析，搞清系統(tǒng)中各部分的地位和作用，以及它們之間的相互聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上搞清楚系統(tǒng)的工作原理。然后在定性分析的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，再應(yīng)用自動(dòng)控制理論對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行定量分析。在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上就可以找到改善系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的有效途徑，也就是系統(tǒng)的校正、設(shè)計(jì)和現(xiàn)場調(diào)試。

自動(dòng)控制理論分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。經(jīng)典控制理論是建立在傳遞函數(shù)概念基礎(chǔ)之上的，它對(duì)單輸入-單輸出系統(tǒng)是十分有效的；現(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)變量概念基礎(chǔ)之上的，適用于復(fù)雜的多輸入-多輸出控制系統(tǒng)及變參數(shù)非線性系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制、最佳控制等。這里研究的自動(dòng)控制系統(tǒng)，基本上都是單輸入-單輸出系統(tǒng)，所以應(yīng)用的是經(jīng)典控制理論。在經(jīng)典控制理論中，又有時(shí)域分析法、頻率分析法和根軌跡法等幾種分析方法。由于這幾種方法各有所長，所以長期以來是并行采用的。

近年來，隨著MATLAB軟件的應(yīng)用，使自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究方法發(fā)生了深刻的變革。如今在實(shí)際系統(tǒng)制作出來之前，可以應(yīng)用MATLAB軟件中的Simulink模塊，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析，并根據(jù)仿真結(jié)果，來調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。可以說，現(xiàn)在MATLAB軟件已成為研究與分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的有力工具之一。1.7MATLAB軟件及其應(yīng)用簡介

1.有直觀、簡單的電氣系統(tǒng)SimPowerSystem（實(shí)體圖形化仿真模型）在MATLAB的Simlink里，提供了一個(gè)實(shí)體圖形化仿真模型庫，并與數(shù)學(xué)模型庫相對(duì)應(yīng)。實(shí)體圖形化模型庫中的模塊就是實(shí)際工程里實(shí)物的圖形符號(hào)，例如，代表電阻、電容、電源、電機(jī)、觸發(fā)器與晶閘管整流裝置、電壓表、電流表等實(shí)物的是特有圖形符號(hào)，將這些實(shí)際物體的圖形符號(hào)連接，就能成為一個(gè)電路、一個(gè)裝置或是一個(gè)系統(tǒng)，它不是真實(shí)的物體，而是實(shí)際物體的圖形化模型，這些實(shí)體圖形化模型的仿真（有文獻(xiàn)稱為按系統(tǒng)原理圖進(jìn)行的仿真）更具有實(shí)用價(jià)值且低成本。

2.功能強(qiáng)大，適用范圍廣

MATLAB可用于向量、數(shù)組、矩陣運(yùn)算，復(fù)數(shù)運(yùn)算，高次方程求根，插值與數(shù)值微商運(yùn)算，數(shù)值積分運(yùn)算，常微分方程的數(shù)值積分運(yùn)算，數(shù)值逼近，最優(yōu)化方法等，即差不多所有科學(xué)研究與工程技術(shù)應(yīng)用需要的各方面的計(jì)算，均可用MATLAB來解決。

3.編程效率高

MATLAB語言提供了豐富的庫函數(shù)（稱為M文件），其中既有常用的基本庫函數(shù)，又有種類齊全、功能豐富多樣的工具箱Toolbox函數(shù)，在編制程序時(shí)，這些庫函數(shù)都可以被直接調(diào)用，以大大提高編程效率。

4.界面友好，使用方便首先，MATLAB具有友好的用戶界面與易學(xué)易用的幫助系統(tǒng)，用戶在命令窗里通過help命令可以查詢某個(gè)函數(shù)的功能及用法，命令的格式極為簡單（格式為help+命令或函數(shù)），初學(xué)者也不會(huì)望而生畏。其次，MATLAB程序設(shè)計(jì)語言把編輯、編譯、連接、執(zhí)行、調(diào)試等多個(gè)步驟融為一體，無論直接輸入語句（命令），調(diào)用M文件，還是將MATLAB原程序編輯為M文件，都立即完成編譯、連接和運(yùn)行的全過程。如果運(yùn)行M文件有錯(cuò)，計(jì)算機(jī)屏幕會(huì)給出詳細(xì)的出錯(cuò)紅色信息提示，讓用戶修改，直到正確為止。

再者，在MATLAB中，既可執(zhí)行程序（即M文件），又可通過人機(jī)對(duì)話，調(diào)用不同的庫函數(shù)即子程序，方便快速地達(dá)到用戶自己的目的，以實(shí)現(xiàn)MATLAB的交互功能。最后，MATLAB是演算紙式的科學(xué)工程