1.2 自动控制方式

所谓自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用外加设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例如无人驾驶的飞机按预定轨迹飞行，人造地球卫星可以准确地进入预定轨道运行并回收。能自动地实现生产或生活所需的某一功能的所有物理部件的集合，称为自动控制系统，其中，被控制的机器、设备或生产过程被称为被控对象，被控制的某一个工作状态或参数称为被控制量或输出量，要实现的控制目标用一个物理量传达给系统，称为给定量或输入量，自动控制系统的结构如图1-1所示。

自动控制的方式有闭环控制方式、开环控制方式和复合控制方式。

1.2.1 闭环控制方式

闭环控制（又称反馈控制）是应用最广泛的一种控制方式，是自然界所遵循的基本工作方式，控制装置与被控对象之间，不但有顺向作用，而且有反向作用，其结构如图1-2所示。

从信号的流动方向来看，系统不仅存在从输入量向输出量的正向信号流动，还存在从输出量向输入量的反向信号流动，信号可形成一个闭合回路。系统工作时，当前的输出量由检测装置感知，形成反馈量，并传递给控制装置；控制装置将反馈量与代表控制目标的输入量进行比较，找到差距，并据此运算出控制指令；被控对象接收到控制装置的控制指令后进行响应，输出量朝着减小差距的方向发展；只要差距存在，系统就会自动地进行调节，直到差距消失或小于某一设定值为止。因此，闭环控制的控制机理是检测偏差，纠正偏差。

例如，人取桌上书的过程就是一个闭环控制的自动控制过程，如图1-3所示。

书的位置是整个自动控制过程要达到的目标，是系统的输入量，手是整个自动控制过程要控制的对象，是被控对象，而手的位置是被控制量（又称输出量）。取书时，眼睛作为检测装置，首先判断出书的位置与手的位置之间的差距，这个差距称为偏差，大脑是控制装置，根据偏差的大小，经过运算发出指令，控制手臂向着减小偏差的方向移动，直到手到达书的位置时，偏差消除，取书过程结束。

又例如，直流电动机转速控制系统，如图1-4所示。

在直流电动机转速控制系统中，想要达到的转速用电位器Rr的输出电压Ur给出，并作为系统的输入量，送到电压放大器输入端，直流电动机的转速是系统的输出量，由检测装置直流测速发电机TG及分压电位器Rf获得，生成与电机转速呈线性关系的反馈电压Uf，送到电压放大器的输入端，由于Ur和Uf是反极性连接的，Δu=Ur－Uf，经电压放大、功率放大之后生成Ua，作为直流电动机的电枢电压，直流电动机在电枢电压的作用下转动。这是一个有差系统，电枢电压Ua的大小与Δu呈线性关系，只有当Δu不为零时，Ua才能不为零，电机才能转动。图1-5是直流电动机转速控制系统的方框图。

闭环控制系统由于设置了检测装置，将输出量的当前值及时地反馈给控制器，控制器可以根据输出量与输入量之间的偏差随时调整控制量，以实现减小偏差的目的，因此，闭环控制系统的控制精度较高，抗干扰的能力较强；但检测装置的使用，增加了系统结构的复杂度和经济成本，同时由于系统中信号形成了闭合回路，易造成系统的不稳定。因此，当控制系统的控制精度要求不是很高的时候，可以采用开环控制方式。

1.2.2 开环控制方式

开环控制是指系统的控制装置与被控对象之间，只有顺向作用，没有反向作用的控制过程，所以又称顺馈控制。开环控制系统由于未使用检测装置，而使其结构简单，易于稳定，成本大大降低，但相对于闭环系统而言，其控制精度和抗干扰性能要差一些。基于以上特点，开环控制方式适用于系统各组成部件性能及相互关系稳定、控制精度要求不高、工作过程中干扰小或可以预先补偿的系统。开环控制有两种模式，一种是按给定值控制模式，另一种是按扰动控制模式。两种模式也可以结合起来在一个系统中同时使用。

图1-6所示是按给定值控制的开环控制系统，控制器直接根据给定量（又称输入量）的大小，向被控对象发出指令，被控对象进行响应，形成一个与输入量相对应的输出量，控制精度完全取决于所使用的各元部件的精度。在实际的生产和生活中，存在很多使用按给定值控制模式的开环控制系统，例如，常用的洗衣机就是一个开环控制系统，在洗涤程序中，只是对洗衣过程的每个步骤，如浸泡、洗涤、漂洗、甩干等，做出了定时控制，但对最后的洗衣效果如衣服的清洁程度、甩干程度等并没有进行检测与控制。

又例如，经济型数控车床的进给系统就是一个开环控制系统，其结构如图1-7所示。

在加工过程中，加工程序作为指令送入数控系统（一般是一个专用的计算机系统，也可以用PC替代），数控系统对指令进行解码和运算，形成x轴或y轴的控制脉冲序列，经相应轴的步进电机驱动器进行功率放大后，控制对应轴的步进电机运转，再通过精密传动机构（将角位移转化为直线位移的机构），带动工作台进行加工。从控制信号的传递来看，只有顺向的，没有反向的，数控系统只发布控制脉冲，不检测步进电机的转速，系统采用了开环控制方式，但由于采用了精密传动机构（如滚珠丝杠），就能保证在工作过程中不丢失脉冲，同时仍能达到比较高的加工精度。

按扰动控制是开环控制的另一种模式，其结构如图1-8所示。

系统的外部作用量是扰动量，系统根据扰动量的大小进行补偿，以减小扰动量对输出的影响，但前提是扰动量要能够直接或间接地被测量。这种控制方式一般不单独使用，经常作为系统抗干扰能力提高的一种手段，用在闭环控制系统或按给定值控制的开环控制系统中。

1.2.3 复合控制方式

将开环控制和闭环控制有机地结合起来的一种控制方式就是复合控制方式，因开环控制有两种模式，复合控制也有两种模式，结构如图1-9和图1-10所示。

图1-9所示的复合控制系统是将按给定值控制的开环控制与闭环控制相结合，图1-10所示的复合控制系统是将按扰动控制的开环控制与闭环控制相结合，其优点是系统各项性能都好于闭环控制系统，但因结构比闭环系统更加复杂，其设计难度以及成本都将增加。