計算機控製係統是本書研究的對象,而自動控製係統又是建立計算機控製係統的基礎,所以本章先給出自動控製係統的有關概念,對讀者理解後續各章關於計算機控製的內容將會有很大幫助。
第一節 自動控製係統的組成
在現代的工業、農業、國防和科學技術領域中.自動控製技術都得到極為廣泛的應用。所謂自動控製,就是采用控製裝置使被控對象(如機器設備或生產過程)自動地按照給定的規律運行,使被控對象的一個或數個物理量(如電壓、電流、速度、位移、流量等)能夠在精度範圍內按照給定的規律變化。
將自動控製技術用於生產,可提高勞動生產率、改進產品質量、降低生產成本、改善勞動條件和加強企業管理。將自動控製技術用於國防領域,可以提髙部隊的戰鬥力,促進國防現代化。自動控製技術在探索新能源、發展空間技術和改善人民生活等方麵都起著日益重要的作用。為完成一定任務的一些部件按一定的規律組合成一個有機的整體,稱之為係統。能夠對被控對象的工作狀態進行自動控製的係統稱為自動控製係統,它一般由控製裝置(控製器)和被控對象所組成。
自動控製係統有兩種最基本的組成方式,即開環控製和閉環控製方式。開環控製是一種最簡單的控製方式,其特點是在控製器與被控製對象之間隻有正向作用而沒有反饋作用,即係統的輸出量對控製量沒有影響。
在開環控製係統中,對於每一個參考輸入量,就有一個與之相應的工作狀態和輸出量。係統的精度取決於元、部件的精度。當係統的內擾和外擾釤響不大並且控製穡度要求不髙時,可以考慮采用開環控製方式。
閉環控製的特點是,在控製器和被控對象之間不僅存在正向作用,而且存在著反饋作用,即係統的輸出量對控製量也發生直接影響。輸入信號和反饋信號之差,稱為偏差信號。偏差信號作用於控製器上使係統的輸出量趨於給定的數值。閉環拴製的實質,就是利用負反饋的作用來減少係統的誤差,因此又稱閉環控製為反饋控製。
反饋控製是一種基本的控製規律,它具有自動修正被控製量偏離給定值的作用,因此可以抑製內擾和外擾所引起的誤差。在組成係統的元、器件精度相對不高的條件下,采用反饋控製也可以達到較高的控製精度,因此應用很廣。
在有些情況下,適當地把開環控製與閉環控製結合起來,組成複合控製係統,往往能取得較好的效果。
第二節 自動控製係統的類型
根據不同的分類方法,自動控製係統的II型可以概括如下:
一、線性和非線性係統
(1)線性係統組成係統的組件的特性均為線性的,其輸出輸入關係都用線性微分方程描述。
如果線性微分方程各項的係數都是與時間無關的常數,則稱此種係統為定常線性係統,或稱時不變線性係統。
(2)非線性係統——在組成係統的組件中隻要有一個組件的特性是用非線性方程描述的,這表現在描述係統的微分方程中輸出量及其各階導數不都是一次的,或者有的項的係數是輸入量的函數。
二、連續數據係統和離散數據係統
(1)連續數據係統——是指係統各部分的信號都是連續函數形式的模擬量。
(2)離散數據係統——離散數據係統是某一處或數處的信號以脈衝列或數碼的形式傳遞的係統。
如果在係統中使用采樣開關,將連續函數形式的信號轉變為離散的脈衝列形式的信號去進行控製,這樣的係統,通常稱為采樣控製係統。
在采樣控製係統中,如果控製器使用了數字計算機,其離散信號以數碼形式傳遞,這樣的係統稱為采樣數據控製係統。在工程上,多數情況下,計算機控製係統都屬於這一類型。
習題與思考題
1-1什麼是自動控製?什麼是自動控製係統?
1-2什麼是開環控製?什麼是閉環控製?
1-3什麼是線性係統?什麼是非線性係統?
1-4什麼是連續數據係統?什麼是離散數據係統?