第五節 自動控制系統
一、自動控制系統基本概念
（一）自動控制系統的組成典型反饋控制系統的原理框圖如圖8.5.1所示。
（1）被控對象。
（2）控制器。
（3）放大變換環節。
（4）校正裝置。
（5）反饋環節。
（6）給定環節。
（二）自動控制系統的常用術語
二、開、閉環及復合控制系統
控制系統按其結構可分為開環控制系統、閉環控制系統和復合控制系統。
（一）開環控制系統
開環控制是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用，而沒有反向聯系的控制過程，即需要控制的是被控對象的某一量（被控量），而測量的只是給定信號，被控量對于控制作用沒有任何影響的系統。
開環控制系統結構簡單、穩定性好，但不能自動補償擾動對輸出量的影響。當系統擾動量產生的偏差可以預先進行補償或影響不大時，采用開環系統控制是有利的。當擾動量無法預計或控制系統的精度達不到預期要求時，則采用閉環控制。
（二）閉環控制系統
閉環控制是有被控量反饋的控制系統，從系統中信號流向看，系統的輸出信號沿反饋通道又回到系統的輸入端，構成閉合通道，故稱閉環控制系統或反饋控制系統。
閉環控制系統的突出優點是利用偏差來糾正偏差，使系統達到較高的控制精度。但與開環控制系統相比，閉環系統的結構和構造比較復雜，如果設計不當將會使系統無法正常和穩定地工作。
（三）復合控制系統
三、自動控制系統的性能指標
考慮動態過程在不同階段中的特點，工程上通常從穩、準、好三個方面來衡量自動控制系統。
1.穩定性（穩）
穩定工作是對所有自動控制系統的基本要求，是一個系統能否工作的前提。不穩定的系統根本無法完成控制任務。考慮到實際系統工作環境或參數的變動，可能導致系統不穩定，因此除要求系統穩定外，還要求其具有一定的穩定裕量。
2.穩態精度（準）
穩態精度是指系統過渡到新的平衡狀態以后，或系統對抗干擾重新恢復平衡后，最終保持的精度。穩態精度與控制系統的結構、參數及輸入信號形式有關。
3.動態過程（好）
動態過程是指控制系統的被控量在輸入信號作用下隨時間變化的全過程。衡量動態工程的品質好壞常采用單位階躍信號作用下過渡過程中的超調量、過渡過程時間等性能指標。
對不同的被控對象，系統對穩、準、好的要求有所側重。
四、自動控制系統的類型
自動控制系統的種類很多，其結構性能和完成的任務各不相同，因此有多種分類方法，下面介紹幾種常見的分類。
（一）按信號流向劃分
1.開環控制系統。
2.閉環控制系統。
（二）按系統輸入信號劃分
1.恒值調節系統
這種系統的特征是輸入量為一恒值，通常稱為系統的給定值。控制系統的任務是盡量排除各種干擾因素的影響，使輸出量為給定值（期望值）如工業工程中恒溫、恒壓、快速等控制系統。
2.隨動系統
該系統的控制輸入量是一個事先無法確定的任意變化量，要求系統的輸入量能迅速平穩地復現或跟蹤輸人信號的變化。如雷達天線的自動跟蹤系統和高炮自動瞄準系統就是典型的隨動系統。
3.程序控制系統
系統的控制輸入信號不是常值，而是事先確定的運動規律，編成程序裝在輸入裝置中，即控制輸入信號的是事先確定的程序信號，控制的目的是被控對象的控制量按照要求的程序動作。如數控機床就屬此類系統。
（三）按數學特性劃分
（四）按信號連續性劃分
五、計算機控制系統
（一）計算機控制系統的一般概念
（二）計算機控制系統的組成
計算機控制系統的組成它由廣義對象（被控對象+傳感變送器+執行器）和計算機系統兩部分組成，而計算機系統又包括硬件和軟件兩部分。
1.計算機硬件系統
計算機硬件系統主要包括主機、過程輸入輸出通道和人機聯系裝置三部分。
（1）主機。主要包括處理器（CPU）和內存（RAM和ROM）兩部分。
（2）過程輸入輸出通道。過程通道又分為模擬過程通道和開關過程通道。
模擬過程通道主要用來傳輸模擬信號。對象的各種連續變化的物理量經傳感器變送器轉換成連續的電信號，通過模擬輸入通道輸入給計算機。而計算機的控制信號需經模擬輸出通道傳給執行器，以實現對被控對象的控制。
開關過程通道主要用來傳送計算機與對象之間的開關信號和數字量。開關過程通道也分為開關量輸入通道和開關量輸出通道兩種。
（3）人機聯系裝置。主要包括鍵盤、顯示器、打印機、繪圖儀、操作臺、硬盤、光盤等輸入及輸出設備。
2.計算機軟件系統
軟件系統是計算機程序的總和。主要分為以下兩種：
（1）系統軟件。
（2）應用軟件。
（三）計算機控制系統的類型
通常根據計算機參與控制方式、特點以及系統的結構，可以將計算機控制系統分為以下四種類型。
1.數據采集系統
2.直接數字控制系統
3.監督控制系統
4.集散控制系統
集散控制系統（DCS）是根據分散控制、集中操作、分級管理的原則設計的多級控制系統，一般自下而上可分為三級。
DCS以其可靠性、靈活性、人機界面友好性和通信的方便性等特點日益被廣泛應用。
