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自动控制与自动控制系统
一、
自动控制的根本概念
在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术得到了广泛的应用。
所谓自动控制，是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，使被控量等于给定值或给定信号变化规律去变化的过程。
如图1-1所示。
图中，控制装置和受控对象为物理装置，而给定值和被控量均为一定形式的物理量。
自动控制系统由控制装置和受控对象构成。
对自动控制系统的性能进展分析和设计如此是自动控制原理的主要任务。
给定值
控制装置
受控对象
被控量
图1-1自动控制示意图
二、
自动控制系统的根本构成与控制方式
1.
开环控制
控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为开环控制。
开环控制的特点是系统结构和控制过程很简单，但抗扰能力差、控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。
2.
闭环控制
控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系，既有被控量对控制过程的影响，这种控制称为闭环控制，相应的控制系统称为闭环控制系统。
闭环控制系统又被称为反响控制或按偏差控制。
闭环控制系统是通过给定值与反响量的偏差来实现控制作用的，故这种控制常称为按偏差控制，或称反响控制。
此类系统包括了两种传输信号的通道：
由给定值至被控量的通道称为前向通道；
由被控量至系统输入端的通道称为反响通道。
闭环系统能减小或消除作用，但假如设计调试不当，易产生震荡设置不能正常工作。
自动控制原理中所讨论的系统主要是闭环控制系统。
3.
复合控制
反响控制是在外部的作用下，系统的被控量发生变化后才做出相应调节和控制的，在受控对象具有较大时滞的情况下，其控制作用难以与时影响被控量，进而形成快速有效的反响控制。
前馈补偿控制，如此在测量出外部作用的根底上，形成与外部作用相反的控制量，该控制量与相应的外部作用共同作用的结果，使被控量根本不受影响，即在偏差产生之前就进展了防止偏差产生的控制。
在这种控制方式中，由于被控量对控制过程不产生影响，故它也属于开环控制。
前馈补偿控制与反响控制相结合，就构成了复合控制。
复合控制有两种根本形式：
按输入前馈补偿的复合控制和按扰动前馈补偿控制的复合控制，如图：
控制器
前馈控制
检测元件
给定值被控量
〔a〕
按输入前馈补偿的复合控制
扰动
（b）按扰动前馈补偿的复合控制
自动控制系统的分类
自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种。
2〕线性系统和非线性系统
由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统为线性系统；
由非线性方程所描述的系统称为非线性系统。
3〕定常系统和事变系统
从系统的数学模型来看，假如微分方程的系数不是时间变量的函数如此称此类系统为定常系统。
否如此称为是事变系统。
假如系统既是线性的又是定常的，如此称之为线性定常系统。
4〕连续系统、离散系统和采样系统
从系统中的信号来看，假如系统各局部的信号都是时间的连续函数即模拟量，如此称此系统为连续系统，假如系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号，如此称之为离散系统。
假如系统中既有模拟量也有离散信号，如此又称为采样系统。
5〕恒值系统、随动系统和程序控制系统
假如系统的给定值为一定值，而控制任务就是克制骚动，使被控量保持恒值，此类系统称为恒值系统。
假如系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值的变化，如此此类系统称为随动系统。
假如系统的给定值按照一定时间函数变化，并要求被控量随之变化，如此此类系统称为程序控制系统。
此外，根据组成系统的物理部件的类型，可分为机电控制系统、液压控制系统、气动系统以与生物系统等。
根据系统的的被控量，又可分为位置控制系统、速度系统、温度控制系统等。
对控制系统性能的要求
一个理想的控制系统，在其控制过程中应始终使被控量等于给定值。
但是，由于系统中储能元件的存在以与能源功率的限制，使得运动部件的加速度受到限制，其速度和位置难以瞬时变化。
所以，当给定值变化时，被控量不可能立即等于给定值，而需要经过一个过渡过程，即瞬态过程。
所谓瞬态过程就是指系统受到外加信号作用后，被控量随时间变化的全过程。
瞬态过程可以反映系统内在性能的好坏，而常见的评价系统优劣的性能指标也是从瞬态过程定义出来的。
对系统性能的根本要求有三个方面。
i.
稳定性
稳定性是这样来表述的：
系统受到外作用后，其瞬态过程的震荡倾向和系统恢复平衡的能力。
如果系统受到外作用力后，经过一段时间，其被控量可以达到某一稳定状态，如此称系统是稳定的，否如此不稳定的。
2〕快速性
快速性是通过瞬态过程时间长短来表征的，过渡过程时间
越短，明确快速性越好，反之亦然。
快速明确了系统输出c
（t）对输入r〔t〕响应的快慢程度。
系统响应越快，说明系
统的输出复现输入信号的能力越强。
3〕准确性
准确性是由输入给定值与输出响应的终值之间的差值来表
征的，他反映了系统的稳定精度。
假如系统的最终误差为零，
如此称为无差系统，否如此称为有差系统。
稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。
在设计与调试过程中，假如过分强调系统的稳定性，如此可能会造成系统响应缓慢和控制精度较低的后果；
反之，假如过分强调系统响应的快速性，如此又会使系统的震荡加剧，甚至引起不稳定。
自动控制理论开展简述
自动控制理论研究的是如何承受控制对象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用，使系统在变化或不确定的条件下正常运行并具有预定功能。
它是研究自动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉与受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以与它们之间的相互作用。
具有“自动〞功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上离心调速器是比拟自觉地运用反响原理进展设计并取得成功的首例。
麦克斯韦对它的稳定性进展分析，于1868年发表的论文当属最早的理论工作。
从20世纪20年代到40年代形成了以时域法、频率法和根轨迹法为主要内容的“经典〞控制理论。
60年代以来，随着计算机技术的开展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的“现代〞控制理论。
随着自动化技术的开展，人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标，为了使系统在一定的约束条件喜下，其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。
当对象或环境特性变化时，为了使系统能自行调节，以跟踪这种变化并保持良好的品质，又出现了自适应控制。
虽然现代控制理论的内容很丰富，与经典控制理论相比拟，它能解决更多更复杂的控制问题，但对于单输入、单输出线性定常系统而言，用经典控制理论来分析和设计，仍是最实用最方便的。
真正优良的设计必须允许模型的结构和参数不准确并可能在一定X围内变化，即具有鲁棒性。
这是当前的重要前沿课题之一，。
另外，使理论实用化的一个重要途径就是数学模拟和计算机辅助设计。
前面谈到的主要是针对线性系统的理论。
近年来，在非线性系统理论、离散事件系统、大系统和复杂系统理论等方面均有不同程度的开展。
智能控制在实用方面也得到了很快的开展，它主要包括专家系统、模糊控制和人工神经元网络等内容。
总之，自动控制理论正随着技术和生产的开展而不断开展，而它反过来又成为高新技术开展的重要理论根据和推动力。
它在工程实践中用得最多，也是进一步学习自动控制理论的根底。
第四章自动检测技术
自动检测技术是自动化科学技术的一个重要分支科学，是在仪器仪表的使用、研制、生产、的根底上开展起来的一门综合性技术。
自动检测就是在测量和检验过程中完全不需要或仅需要很少的人工干预而自动进展并完成的。
实现自动检测可以提高自动化水平和程度，减少人为干扰因素和人为过失，可以提高生产过程或设备的可靠性与运行效率。
1.自动检测的任务：
自动检测的任务主要有两种，一是将被测参数直接测量并显示出来，以告诉人们或其他系统有关被测对象的变化情况，即通常而言的自动检测或自动测试；
二是用作自动控制系统的前端系统，以便根据参数的变化情况做出相应的控制决策，实施自动控制。
2.自动检测技术主要的研究内容：
自动检测技术的主要研究内容包括测量原理、测量方法、测量系统、与数据处理。
3.测量系统：
确定了被测量的测量原理和测量方法后，就要设计或选用装置组成测量系统。
目前的测量系统从信息的传输形式看，主要有模拟式和数字式两种。
1〕模拟式测量系统
模拟量测试系统是由传感器，信号调理器，显示、记录装置和〔或〕输出装置组成。
2〕数字式测量系统
数字式测量系统目前主要是带微机的测量系统，是由传感器、信号调理器、输入接口、中央处理器组件、输出接口和显示记录等外围设备组成。
1〕实时性强
2〕准确度高
3〕可靠性高
4〕通道多
5〕功能强
检测技术的根本概念
检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以与信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。
广义的讲，检测技术是自动化技术四个支柱之一，从信息科学角度考察，检测技术任务寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号，以与确定二者间的定性、定量关系；
从反映某一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下最为适宜的表现形式，以与寻求最优采集、变换、处理、传输、存贮、显示等方法和相应的设备。
信息采集是指，自然界诸多被检查与测量量中提取有用信息。
信息变换是将所提取出的有用信息进展电量形式幅值、功率等的转换。
信息处理的任务，视输出环节的需要，可将变换后的电信号进展数字运算、模拟量-数字量变换等吃力。
信息传输的任务是在排除干扰的情况下经济的、准确无误的把信息进展远、近距离的传递。
虽然检测技术服务的领域非常广泛，但是从这门课程的研究内容来看，不外乎是传感器技术、误差理论、测试计量技术、抗干扰技术以与电量间互相转换的技术等。
提高自动检测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠性是本门技术的研究课题和方向。
自动检测技术已成为一些兴旺国家的最重要的热门技术之一，它可以给人们带来巨大的经济效益并促进科学技术飞跃开展，因此在国民经济中占有极其重要的地位和作用。
自动检测系统是自动测量、自动计量、自动保护、自动诊断、自动信号等诸多系统的总称.在上述系统中，都包含有被测量，敏感元件和电子测量电路，它们之间的区别仅在于输出单元。
如果输出单元是显示器或记录器，如此该系统叫做自动测量系统；
如果输出单元是计数器或累加器，如此该系统叫做自动计量系统，如果输出单元是报警器，如此该系统是自动保护系统或自动诊断系统；
如果输出单元是处理电路，如此该系统是局部数据分析系统、自动管理系统或自动控制系统。
2.1传感器与传感器的分类
一、传感器
传感器是一种以一定的准确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。
这一概念包含下面四个方面的含义：
1〕传感器是测量装置，能完成信号获取任务。
2〕它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量。
3〕它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、吃力、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。
4〕输出输入有对应关系，且应有一定的准确程度。
二、传感器的组成
传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。
传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三局部组成。
敏感元件
它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件
敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数量。
转换电路
上述电路参数接入转换电路，便可转换成电路参数量。
实际上，有些传感器很简单，有些如此较复杂，也有些是带反响的闭环系统。
最简单的传感器由一个敏感元件组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。
有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块是敏感元件，压电片是转换元件。
有些传感器转换元件不只一个，要经过假如干次转换。
由于传感器空间限制等其他原因，转换电路常装入电箱中。
然而，因为不少传感器要在通过转换电路之后才能输出电量信号，从而决定了转换电路是传感器的组成局部之一。
三、传感器的分类
目前传感器主要有四种分类方法：
根据传感器工作原理分类方法；
根据传感器能量转换情况分类法；
根据传感器转换原
理分类法和按照传感器的使用分类法。
直接测量
在使用测量仪表进展测量时，对仪表读数不需要经过任何运算，就能直接表示测量的结果，称为直接测量。
这种测量方法。
这种测量方法是工程上广泛采用的方法。
间接测量
在使用仪表进展测量时，首先对与被测物理量有确定函数关系的几个量进展测量，将测量值代入函数关系式，经过计算得到所需结果，这种测量称为间接测量。
间接侧来那个多用于科学实验中的实验室测量，工程测量中亦有应用。
三、
联立测量
在应用仪表进展测量时，假如被测物理量必须经过求解联立方程才能得到最后的结果，如此称这样的测量为联立测量。
在进展联立测量时，一般需要改变测试条件，才能获得一组联立方程所需要的数据。
它只是用于科学实验或特殊场合。
四、
偏差式侧量
在测量过程中，用仪表指针位移决定被测量的测量方法，称为偏差式测量法。
应用这种方法进展测量时，标准量具不装在仪表内，而是事先用标准量具对仪表刻度进展校准；
在测量时，输入被测量，按照仪表指针在标尺上的示值，决定被测量的数值。
采用这种方法进展测量，测量过程比拟简单、迅速。
但是，测量结果的精度低。
这种测量方法广泛适用于工程测量。
五、
零位式测量
在侧来那个过程中，用指零位仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态；
在测量系统达到平衡时，用的基准量决定被测未知量的测量方法，称为零位式测量法。
六、
微差式测量
微差式测量法是综合了偏差式测量法与零位式测量法的优点而提出的测量方法。
微差式测量法的优点是反响快，而且测量精度高，特别适用于在线控制参数的检测。
2.4传感器的根本特性
一、准确度
与准确度有关的指标有三个：
精细度、准确度和准确度。
1〕精细度
它说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测
量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内
连续重复测量屡次，其测量结果的分散程度。
例如，某测温
传感器的精细度为°
C，即表示屡次测量结果的分散程
度不大于°
C。
精细度是随机误差大小的标志，精细度
越高，意味着随机误差小。
但必须注意，精细度与准确度是
两个概念，精细度高不一定准确度高。
2〕准确度
它说明传感器输出值与真值的偏离程度。
例如，某流量传
感器的输出值与真值偏离³
/s。
准确度是系统误差大小
的标志，准确度高意味着系统误差小。
同样，准确度高不一
定精细度高。
3〕准确度
它是精细度和准确度两者的总和，准确度高表示精细度和
准确度都比拟高。
在最简单的情况下，可取两者的代数和。
准确度常以测量误差的相对值表示。
二、稳定性
传感器的稳定性有两个指标。
一是传感器测量输出值在一段时间中变化。
以稳定度表示；
二是传感器外部环境和工作条件变化引起输出值的不稳定，用影响量表示。
1〕
稳定度
指在规定时间内，测量条件不变的情况下，由传感器中随机性变动，周期性变动，漂移等引起输出值的变化。
一般用精细度和观测时间长短表示。
2〕
影响量
测量传感器由外界环境变化引起输出值变化的量。
称为影响量。
它是由温度、湿度、气压、震动、电源电压与电源频率等一些外加环境影响所引起的。
说明影响量时，必须将影响因素与输出值同时表示。
三、传感器的静态输出-输出特性
静态特性是指输入的被测参数不随时间而变化，或随时间变化很缓慢时，传感器的输出量与输入量的关系。
1〕线性度
2〕灵敏度
3〕灵敏度和分辨力
4〕迟滞
5〕重复性
温标与测温方法
温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。
温度单位是国际单位制中七个根本单位之一，从能量角度来看，温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量；
从热平衡观点来看，温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量，；
从分子的物理学的角度来看，温度反映了系统内局部子无规如此运动的剧烈程度。
1〕温标
为了保证温度量值的统一，必须建立一个用来衡量温度上下的标准尺度，这个标准尺度称为温标。
温标又分为三个温标。
温度的上下必须用数字来说明，温标就是温度的一种数值表示方法，并给出了温度数值化的一套规如此和方法，同时明确了温度的测量单位。
人们一般是借助于随温度变化而变化的物理量来定义温度数值，建立温标和制造各种各样的温度检测仪表。
温标分为以下几种：
一、经验温标：
借助某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验的方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。
常有摄氏温标、华氏温标和列氏温标。
摄氏温标：
摄氏温标是把标准大气压下的冰点定为0摄氏度，把水的沸点定为100摄氏度的一种温标。
在0摄氏度到100摄氏度之间进展100等分，每一等分为一摄氏度，单位符号为℃。
华氏温标：
华氏温标是以当地的最低气温为零度〔起点〕，人体温度为100度，中间等分为100等分，每一等分为华氏一度。
每一等分称为一华氏温度。
单位符号为℉。
列氏温标：
列氏温标规定标准大气压下纯水的冰熔点为0度，水沸点为100度。
中间等分为80等分，每一等分为列氏一度。
单位符号为°
R。
二、热力学温标：
1848年威廉.汤姆首先提出以热力学第二定律为根底建立起来的温度仅与热量有关而与物质无关的热力学温标。
因是开尔文总结出来的，故又称为开尔文温标，用符号K表示。
由于热力学中的卡诺热机是一种理想的机器，实际上能够实现卡诺循环的可逆热机是没有的。
所以说，热力学温标是一种理想的温标，但是是不可能实现的温标。
三、国际实用温标：
为了解决国际上温度标准的统一问题与实用方便，国际上协商决定，建立一种既能表现热力学温度，又使用方便、容易实现的温标，这就是国际实用温标，又称为国际温标。
温度检测的主要方法与分类：
温度检测方法一般可以分为两大类，即接触测量法和非接触式测量法。
接触式测量法是测温敏感元件直接与被测介质接触。
是被测介质与测温敏感元件进展充分的热交换，使两者具有同一温度，达到侧来那个的目的。
非接触测量法是利用物质的热辐射原理，测温敏感元件不与被测介质接触。
通过辐射和对流实现热交换。
达到测量目的。
压力检测
一、概述
压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产政党运行，必须对压力进展监测和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。
在压力测量中，常用绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。
所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号pj表示。
用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。
地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用符号pq表示。
用来测量大气气压力的仪表叫气压表。
绝对压力与大气压力之差。
称为表压力，用符号pb表示。
即pb=pj-pq。
当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值〔即负压力〕，此负压力值的绝对值，称为真空度，用符号pz表示。
用来测量真空度的仪表称为真空表。
既能测量压力值又能测量真空度的仪表叫压力真空表。
二、压力的测量与压力计的选择
压力测量原理可分为液柱式、弹性式、电阻式、电容式、电感式和振频式等等。
压力计测量压力X围宽广可以从超真空如133×
10-13Pa直到超高压280MPa。
压力计从结构上可分为实验室型和工业应用型。
压力计的品种繁多。
因此根据被测压力对象很好地选用压力计就显得十分重要。
1．就地压力指示
当压力在2.6Kpa时,可采用膜片式压力表、波纹管压力表和波登管压力表。
如接近大气压的低压检测时，可用膜片式压力表或
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