毛绒玩具制作1.1 基本概念
自动控制：在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预订的规律运行。
自动控制系统：将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，构成一个具有特定功能的有机整体，以实现自动控制的目的，即构成自动控制系统。 被控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。
被控量： 被控对象的输出量，要求加以控制的物理量c。
控制量： 作用于被控对象，能够影响输出量，使之按照要求变化的物理量u。
输入量： 作用于控制系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量r。
控制器： 对控制对象起控制作用的控制装置总体，根据被控量和输入量计算控制量。
扰 动： 破坏系统输入量和输出量之间预定规律的信号。
1.2 自动控制系统的分类
1、按结构分类
开环控制
图1-1 开环控制结构
闭环控制
图1-2 闭环控制结构
复合控制
图1-3 按扰动的前馈开环控制
阳光天井
图1-4 按扰动的前馈闭环控制
图1-5 按设定值的前馈闭环控制
2、按系统功用分类
镇定系统：又称调节器。系统输入量为常值，或者随时间缓慢地变化。系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出量保持为恒定的希望值。如水位控制系统，恒压调节系统等。
随动系统：又称跟踪系统。系统的输入量随时间任意变化。系统的基本任务是使系统输出量以要求的精度跟随输入量变化。系统的输出量常是机械位置、速度或加速度。火炮控制系统、自动化仪表系统等属于这一类。
程序控制系统：系统输入量按既定规律变化，系统的控制过程按预定的程序进行。系统的输出量常为温度、压力、流量等物理量。如石油化学工业中的反应塔，加热炉的自动温度控制等，均采用程序控制系统。
3、按系统性能分类
线性与非线性系统：可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线性系统。如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线性定常系统；否则为线性时变系统。用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。
连续与离散系统：若输入量和输山量都是时间连续函数的系统，称为连续系统。在连续系统中，信号在全部时间上都是已知的。若系统中信号有一处或一处以上为离散时间函数，称为离散系统。在离散系统中，信号仅定义在离散时间上。
确定性与不确定性系统：系统的结构、参数和输入量都是确定的、已知的系统，称为确定性系统。反之，当系统本身的结构或参数以及作用于该系统的信号有不确定性或模糊性时，则系统为不确定性系统。现实的工程系统，多为不确定性系统。
1.3 对自动控制系统的性能要求
稳定性：系统能够工作的首要条件。
快速性：指系统的响应速度应尽可能快；
准确性：指过渡过程结束后，被控量应尽可能准确地达到希望值。
陶瓷灯座总之，系统应能达到稳、快、准的要求，实际上它们相互之间会产生矛盾因此要研究怎样兼顾这三方面的性能，以满足实际系统的需求。
思考题
1.何谓控制？何谓自动控制？
2.何谓开环控制与闭环控制，其优缺点如何？
4.系统的分类方式有哪些，都有哪些类型。
5.经典控制理论，系统性能分析主要包括三方面内容。
习题解答
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1-1设热水电加热器如图1-6所示。为了保持希望的温度，由温控开关接通或断开电加热器电源，在使用热水时，水箱中流出热水并补充冷水。试说明系统工作原理并画出系统原理方框图。
图1-6 电加热器系统
解
在热水电加热器系统中，输入量为预置的希望温度(给定值)，设为T可调步进衰减器
r (℃)；输出量为水箱的实际水温，设为T(℃)；被控对象为水箱，扰动信号主要是由于放出热水并注入冷水而产生的降温作用。当T(℃)＝Tr (℃)时，电加热器不工作，此时水箱中水温保持在希望温度上。当使用热水时，由于扰动作用使实际水温下降，测温元件感受T(℃)<Tr (℃)的变化，并把这一温度变化转换为电信号使温控开关工作，温控开关接通电源，使水箱中水升温，直到T(℃)＝Tr (℃)为止。系统原理方框图如图1-7所示。 图1-7 电加热器系统方框图
1-2洗衣机的控制系统框图如图1-8所示，试设计一个闭环控制的洗衣机系统框图。
图1-8 洗衣机的控制系统框图
解
在图1-8所示的洗衣机开环控制系统中，完全依赖经验设定洗衣时间，对实际的清洁度没有检测，结构虽然简单，但是最终的洗衣效果得不到保证。设计洗衣机闭环控制系统，原理
方框图如图1-9所示。输入量为预置的希望清洁度(给定值)；被控量为衣物的实际清洁度，通过检测装置检测实际的衣物清洁度，根据实际清洁度是否达到设为要求，决定开关的状态即电动机的控制量u，直到实际的清洁度达到设定值电动机停止工作。
图1-9洗衣机闭环控制系统框图
1-3图1-10所示为导弹发射架的自动定位系统。指出参考输入、被控变量、执行元件、测量元件和反馈补偿元件，并绘出系统元件框图。该系统是定值控制系统、随动系统还是程序控制系统？
图1-10 导弹发射架定位系统
解
在图1-10所示的导弹发射架的自动定位系统中，u1为参考输入，导弹发射架的倾角θ为被控变量，执行元件是发射架底部的电机，测量元件包括测量角速度和角位移的测速发电机和电位器，反馈补偿元件是两个放大器，系统框图如图1-11所示，由于发射架角度的设定值对应敌机的飞行位置，是一个不可预知的变化量，所以系统属于随动系统。
图1-11 导弹发射架定位系统框图
1-4图1-12所示为直流电动机双闭环调速系统的原理图。试画出该系统的方框图，并分析哪些装置起测量、比较、执行和校正等作用。
图1-12 直流电动机双闭环调速系统
解
该系统除具有速度反馈（通常称主反馈）之外，还具有电流反馈（通常称为局部反馈）。可控硅电路的电流输出经电流互感器局部反馈，可控硅电路的电压输出加在直流电动机的电枢上，使电动机旋转，电动机输出转速经测速发电机形成主反馈。电位器A输出作为系统给定量；电流互感器是电流反馈的检测元件，积分器是校正元件，电流调节器在电流反馈中起比较、放大作用；测速发电机是速度反馈的测量元件，它将电动机的转速转换为电
压信号反馈到输入端，速度调节器起比较、放大作用。可控硅电路和直流电动机是执行机构。其方框图如图1-13所示。
图1-13 直流电动机双闭环调速系统框图
水平测试题
A1-1炉温控制系统原理如图1-14所示。画出系统方框图，说明各元器件的作用。
图1-14
A1-2电冰箱原理如图1-15所示，绘制电冰箱工作原理方框图，说明各元器件的作用。
图1-15
A1-3图1-16是仓库大门自动开闭原理示意图。画出系统原理方框图，说明歌元器件的作用。
图1-16
A1-4图1-17为液位自动控制系统原理示意图。在任何情况下，希望液面高度c维持不变，试说明系统工作原理，并画出系统原理方框图。
图1-17
A1-5图1-18是一种用电流控制的气动调节阀，用来控制液体的流量。图中，与杆固连的线圈内有—块永久磁铁，当电流通过线圈时，便产生使杆绕支点转动的力矩，从而带动挡板关闭或打开喷嘴。当喷嘴被关闭时，进入膜片上腔的空气压力将增大，从而将膜片下压，并带动弹簧、阀杆一起下移；反之，当喷嘴被打开时，由于空气从喷嘴跑出，进入膜片上腔的空气压力将减小，膜片连同弹簧、阀杆便一起上升。此外，阀杆上下移动的同时，通过反馈联动机构将阀杆位移反馈回去，并由与杆相连的弹簧产生一个平衡力矩。通过电流控制阀杆位移，从而改变阀门开度，达到控制液体流量的目的。
(1)确定该控制装置的输入量、输出量、控制对象和扰动量；
(2)绘出共原理方框图；
(3)指出该装置属于何种类型的系统?
图1-18
A1-6图1-19为水温控制系统，冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量的变化可用流量计测得。
(1)说明为了保持热水温度为给定值，系统是如何工作的?
(2)指出系统的控制对象及控制器；
(3)绘制系统的原理方框图；
(4)指出系统属于何种类型?
图1-19
测试题答案
A1-1
图1-20炉温控制系统方框图
A1-2
磁悬浮鼠标
图1-21电冰箱控制系统方框图
A1-3
图1-22仓库大门开闭系统方框图
A1-4
解 当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度c上。一旦流入水量或流出水量发生变化，水箱液面高度便相应变化。例如，当液面升高时，浮子位置亦相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的流量减少。此时，水箱液面下降，浮子位量相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度。反之，若水箱液面下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量。使液位升到给定高度c。液位自动控制系统原理方框图如图1—23所示。
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