自动控制原理之自动控制的基本概念
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前言
自动控制
所谓自动控制，就是在没有人的直接参与下，利用外加的装置（控制装置）使机器、生产设备或生产过程（被控对象）的某个或某些工作状态或物理量（被控量）自动地按照预定的规律变化。
自动控制系统
自动控制系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。
自动控制系统方块图
在研究控制系统时，为了能够更清楚的表达出控制系统中各个组成部分之间的相互影响和信息联系，一般用方块图来表示控制系统的组成和作用。
方块图四要素
- 控制器
- 执行机构
- 被控对象
- 检测元件
以上所提到的四要素都是硬件。
一、基本控制方式
自动控制系统有各种各样的具体形式，但是按基本控制方式来分，可以分为开环控制方式和闭环控制方式，还有一种是复合控制。
开环控制系统
开环控制系统是指系统的输出量对控制作用不产生影响的系统。
最典型的例子就是洗衣机：
- 洗衣机只负责洗，但不保证能否把衣物洗干净。
开环控制系统方块图
开环控制系统的结构很简单，给定一个输入，便有一个相应的输出，但是输出的精度不高，这也是开环控制系统的一个缺陷。
为了提高开环控制系统的精度，就必须采用较精密的元件，但元件越精密，投资也就越大。
闭环控制系统
为了提高开环控制系统的精度，闭环控制系统就出现了。
闭环控制也叫做反馈控制或偏差控制，这三者表达的都是同一个概念
闭环控制系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与输入量进行比较，并利用比较后的偏差信号，经过控制器对控制对象进行控制，以抑制内部或外部扰动对输出量的影响，减少输出量的误差。
闭环控制系统方块图
反馈是自动控制系统中一个很重要的概念，控制系统中，99%都是负反馈。
在负反馈系统中，因为硬件的原因，系统的输出往往是震荡的，也就出现了稳定性问题，增加了问题的复杂性。
复合控制系统
复合控制系统同时包含按偏差的闭环控制和按扰动或输入的开环控制的控制系统。
但带有负反馈的闭环控制起主要的调节作用。
可以把复合控制系统理解为前馈加反馈，前馈的前提是干扰已知。
二、自动控制系统的基本组成
目前大部分系统都是闭环控制系统，虽然每一个系统的组成元件不同，但都有类似的结构。
1.给定装置
给出与期望的被控量相对应的系统输入量即给定值。
2.比较元件
将测量元件检测到的被控量实际值与给定装置给出的给定值进行比较，求出它们之间的偏差。
3.放大元件
对微弱的偏差信号进行放大和变换，输出足够功率或执行机构要求的物理量驱动被控对象。
4.执行机构
根据放大器的输出信号，直接驱动被控对象，执行控制任务，使被控制量与期望值趋于一致。
5.检测元件
对被控量进行测量，并将测量值反馈到系统的输入端。
6.校正装置
参数或结构便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。
三、根据系统工作原理图画系统方块图
步骤
- 分析控制系统的工作原理，找出被控对象。
- 分清系统的输入量、输出量。
- 按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个环节。
- 按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连线连接起来。
例题
用方块图表示驾驶员沿给定路线行驶时观察道路正确驾驶的反馈过程。
自动热水器系统
水箱中的水位有冷水入口调节阀保证，温度由加热器维持。试分析水位和温度控制系统的工作原理，并以热水出口流量的变化为扰动，画出温度控制系统的原理方块图。
解题思路
在热水电加热器系统中：
- 控制对象：水箱
- 输入量：水箱里水的期望温度（给定值），设为
- 输出量（被控量）：水箱实际水温，设为
- 扰动信号：由于放出热水并注入冷水而产生的降温作用。
当水箱实际温度等于水箱期望水温时，温控开关断开，电加热器不工作，此时水箱中水温保持在期望水温上。
当使用热水时，由于扰动作用使实际水温下降，温控开关打开，电加热器开始工作，水箱中的水温上升，直到水箱实际温度等于水箱期望水温为止。
画出方块图
仓库大门自动开闭系统
试说明自动控制大门开闭的工作原理并画出原理方块图。
解题思路
在仓库大门自动开闭系统中：
- 控制对象：仓库大门
- 输入量：桥式测量电路的电压
- 输出量（被控量）：大门的开或关
- 扰动信号：开门或关门开关
当合上开门开关时，电位器桥式测量电路的偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起，与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门到达开启位置。
当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而实现了大门关闭。
画出方块图
液位自动控制系统
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。
解题思路
在液位自动控制系统中：
- 控制对象：水箱
- 输入量：给定液位高度
- 输出量（被控量）：液位高度
- 扰动信号：用水开关
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。从而液面保持在期望高度。
当液面升高时，浮子位置也相应升高，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，使进入水箱的液体流量减少。这时，水箱液面下降，浮子位置相应下降，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。
当水箱液位下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定液位高度。
画出方块图
总结与扩展
自动控制系统的基础理论提到了反馈，这很像马尔可夫决策过程：
- 根据某一状态，执行某一动作，某一动作执行后，状态改变
如果对神经网络有所了解，就会发现自动控制理论与神经网络的理论也有相通之处：
- 神经网络分为学习和预测，学习就像闭环控制，预测就像开环控制
另外，控制装置主要是一块控制芯片，其中的核心是软件，即控制算法，最典型的就是PID，当前比较流行的是神经网络。
个人介绍
北京联合大学 机器人学院 自动化专业 2018级 本科生 郑博培
百度飞桨开发者技术专家 PPDE
深圳柴火创客空间 认证会员
百度大脑 智能对话训练师
来AI Studio主页链接：https://aistudio.baidu.com/aistudio/personalcenter/thirdview/147378
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