自动控制系统类型和组成
自动控制原理与系统
二、系统的稳态性能： 系统从一个稳定状态过渡到新的稳定状态后，会 出现偏差，称为稳态误差ess。ess=0,系统称为无静差 系统。否则称为有静差系统。稳态误差的大小反映了 系统的稳态精度，表征系统的准确程度。
t
0
1
输入r(t)
t
0
1
输入c(t)
1
2
理想的
实际
ess
01
任何实际系统从原平衡状态到达新的平衡状
03
入端，以增强或减弱输入信号的效应。
04
闭环控制系统：
例2.引入闭环控制后的直流电机转速控制系统
电
压
放
大
器
可
控
硅
功
放
负载
△u
k
u
a
u
n
+
M
R
Us
uf
G
方框图
电位器
电压 放大器
可控硅 放大器
直流 电动机
测速机
us
uf
uk
-
n
扰动
ua
转速负反馈的作用：引入测速发电机后，当外来 的电网电压波动使电机的转速发生变化时，测速发电 机会将变化的情况反馈到比较环节，系统作出相应调 节，最终控制转速稳定。
振荡次数 N：指在调整时间内，输出量在稳
性能指标是衡量自动控制系统技术品质的客
01
观标准，也是定货、验收的基本依据。对性能指
02
标的要求，在同一系统中往往相互矛盾；性能指
03
标要求过高，成本会大幅增加；因此要统筹兼顾。
04
建立数学模型
定性分析：弄清工作原理
1-6 研究自动控制系统的方法
定量分析：静、动态指标
自动控制系统的组成、工作原理、品质指标
过渡过程的品质指标
1、稳定性——是指控制系统在动态变化过程中振荡 的剧烈程度和被调量变化幅值的大小，可以用被调 量的最大动态偏差（或超调量）、衰减比（或衰减 率）来衡量。下图为过渡过程的品质指标示意图。
1）最大动态偏差ymax：整个调节过程中被调量偏离给 定值的最大暂时偏差。
2）超调量：第一个波峰幅值A与被调量最终新的稳态 值之比，即
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（四）按调节作用的形式分类
1．连续调节系(continuous regulation system) 2．离散调节系统(discrete regulation system)
（五）按系统的特性分类
1．线性调节系统 (linear regulation system) 2．非线性调节系统(nonlinear regulation system)
调量等于给定值。 前 馈 调 节 系 统 由 于 无 闭 合 环 路 存 在 ， 亦 称 为 开 环 (open
loop)调节系统。
3.复合调节系统(compounding regulation system)
（三）按调节系统闭环回路的数目分类
1．单回路调节系统(single loop regulation system) 2．多回路节系统(multiple loop regulation system)
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2．前馈调节系统(feedforward regulation system)：前 馈调节系统是依据扰动进行调节的，见下图。
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前馈调节系统特点： (1)由于扰动影响被调量的同时，调节器的调节作用已产
生，所以调节速度相对比较快； (2)由于没有被调量的反馈，所以调节结束时不能保证被
自动控制系统简介
自动控制系统简介一、自动控制系统的组成1、看以下框图2、被控对象：需要实现控制的设备、机械或生产过程成为对象，如下塔、主冷、空冷塔、粗氩冷凝器。
3、被控变量：对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控变量。
如下塔液空液位、空冷塔液位、粗氩冷凝器液位。
4、控制变量（操作变量）：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料或能量称为控制变量。
如由下塔进入上塔经过液空节流阀（LV1）的液空。
5、干扰：除控制变量外作用于对象并能引起被控变量变化的一切因素。
比如进下塔空气量改变，影响液空产量，对下塔液空液位有影响。
6、给定值：工艺规定被控变量要保持的数值。
7、偏差：设定值与测量值之差。
8、控制器：对来自变送器的测量信号与给定值相比较所产生的偏差，并根据一定的规律进行运算（PID运算），并输出控制信号给执行器。
9、检测与变送装置：它测量被控变量，并将被控变量转换为特定的信号送给控制器的比较环节。
10、执行器：它根据控制器送来的信号相应地改变控制变量，以达到控制被控变量的目的。
如LV1根据控制器送来的信号，可以改变进入上塔的液空量（操作变量），从而控制了被控变量下塔液空液位。
11、正作用环节：输出信号随输入信号增加而增加的环节称为正作用，输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节。
12、执行器、变送器、被控对象三个环节组成广义对象，当广义对象为正作用时，控制器为反作用特性。
13、选择控制器的正反作用：13.1判断被控对象的正反作用方向。
当控制变量增加时，被控对象的输出（被控变量）也增加，控制变量减小时，被控对象的输出（被控变量）也减小，则被控对象为正作用方向。
如果被控变量与控制变量的变化方向相反，则被控对象为反作用方向。
13.2确定执行器的正、反作用方向。
气开阀为正作用，气闭阀为反作用。
执行器气开、气闭是根据工艺安全角度考虑。
13.3确定广义对象的正、反作用，一般变送器为正作用，只需根据被控对象和执行器的作用方向判断广义对象的作用方向，这两个环节同向，则广义对象为正作用，反之为反作用。
自动控制的原理、系统构成及应用
系统可靠性
在许多关键领域，如航空航天、核能等，自动控制系统的可靠性至关重要。如何提高系 统的可靠性，降低故障概率，是自动控制领域的重要研究课题。
人工智能与自动控制的融合发展
深度学习
深度学习是人工智能领域的重要分支，其在 自动控制领域的应用也日益广泛。如何利用 深度学习技术优化控制策略，提高控制精度 和稳定性，是当前研究的热点问题。
Байду номын сангаас
强化学习
强化学习是人工智能领域的另一重要分支， 其与自动控制的结合也具有广阔的应用前景 。如何利用强化学习技术实现智能控制，提 高系统的自适应性和鲁棒性，是未来研究的
重点方向。
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感谢您的观看
详细描述
智能家居系统通过集成各种家居设备，如照明、空调、门窗等，实现集中控制 和远程控制。用户可以通过手机、平板电脑等终端设备随时随地控制家居设备， 实现智能化管理，提高生活品质和舒适度。
交通运
总结词
交通运输领域中，自动控制系统用于提 高交通工具的安全性、效率和可靠性。
VS
详细描述
在交通运输领域，自动控制系统广泛应用 于航空、铁路、公路和航运等交通工具中 。例如，飞机自动驾驶系统能够自动控制 飞行姿态、速度和高度等参数，提高飞行 安全性和效率；智能交通系统能够实时监 测交通状况、优化信号灯控制和路线规划 ，提高道路通行效率和减少交通拥堵。
随着人工智能技术的发展，智能控制在自动 控制领域的应用越来越广泛。如何将智能控 制与其他控制策略相结合，实现更高效、更 智能的控制，是当前研究的热点问题。
控制系统的安全性问题
网络安全
随着网络技术的发展，自动控制系统与网络的结合越来越紧密，网络安全问题也日益突 出。如何保证自动控制系统的网络安全，防止黑客攻击和数据泄露，是当前亟待解决的
§1[1].2_自动控制系统的组成
![§1[1].2_自动控制系统的组成](https://img.taocdn.com/s3/m/44f58f1352d380eb62946da4.png)
自动控制系统的组成
–有两大组成部分，即被控对象和自动控制装置 –自动控制装置又可分为下列几个部分：
• 测量元件（或测量装置）：用于测量被控量的实际值或对被控量 进行物理量变换的装置 • 比较元件（或比较器）：它将被控量的实际值（常取负号）与被 控量的要求值（常取正号）相比较，得到偏差的大小 • 调节元件：通常包括放大器和校正装置，它能将偏差信号放大， 并使输出控制信号与偏差信号之间具有一定的数值运算关系（也 称为调节规律或控制算法） • 执行元件：接受调节元件的输出控制信号，产生具体的控制效果， 使被控制量产生预期的改变
俯仰角控制系统方块图
–几个术语
• 被控对象 • 被控参数（被控量） • 给定值（期望值） • 干扰
–两个实例
• 液位控制系统 • 飞机控制系统
液位控制系统
Q1 浮子
控制器
电位器
c
用水开关 SM
减速器 电动机
Q2
i器
飞机方块图
θ0
扰动
给 定 装 置
放 大 器
舵 机
飞 机
θc
反馈电 位器 垂直 陀螺仪
自动控制系统主要有哪些环节组成
1.自动控制系统主要有哪些环节组成？各环节的作用是什么？a测量变送器：测量被控变量，并将其转化为标准，统一的输出信号。
b控制器：接收变送器送来的信号，与希望保持的给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用标准，统一的信号发送出去。
c执行器：自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。
d被控对象：控制装备所控制的生产设备。
2.被控变量：需要控制器工艺参数的设备或装置；被控变量：工艺上希望保持稳定的变量；操作变量：克服其他干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。
给定值：工艺上希望保持的被控变量的数值；干扰变量：造成被控变量波动的变量。
3.自动控制系统按信号的传递路径分：闭环控制系统，开环~（控制系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统），复合~4.按给定值的不同分：定值控制系统，随动控制系统（随机变化），程序控制系统（给定值按预先设定好的规律变化）5.自动控制系统的基本要求：稳定性：保证控制系统正常工作的必要条件快速性：反应系统在控制过程中的性能准确性：衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。
提高动态过程的快速性，可能会引起系统的剧烈振荡；改善系统的平稳性，控制进程又可能很迟缓，甚至使系统稳态精度变差。
6.控制系统的静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态。
7.自动系统的控过渡过程及其形式控制系统在动态过程中，被控变量从一个稳态到达另一个稳态随时间变化的过程称为~形式：非周期衰减过程，衰减振荡过程，等幅振荡过程，发散振荡过程8.衰减振荡过渡过程的性能指标衰减比：表振荡过程中的衰减程度，衡量过渡过程稳定性的动态指标。
（以新稳态值为标准计算）最大偏差：被控变量偏离给定值的最大值余差：系统的最终稳态误差，终了时，被控变量达到的新稳态值与设定值之差。
调节时间:从过渡过程开始到结束所需的时间振荡周期：曲线从第一个波峰到同一方向第二个波峰之间的时间9.对象的数学模型：用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系，这种对象特性的数学描述叫~动态数学模型：表示输出变量与输入变量之间随时间而变化的动态关系的数字描述10.描述对象特性的参数放大系数K：数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。
自动控制系统的组成及术语
(3)反馈信号:将系统(或环节)的输出信号经变换、处 理送到系统(或环节)的输入端的信号,称为反馈信号。 若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端,这种 反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部反馈信号。
(4)偏差信号:控制输入信号与主反馈信号之差。
(1)被控对象:它是控制系统所控制和操纵的对象, 它接受控制量并输出被控制量。
(2)控制器:接收变换和放大后的偏差信号,转换为 对被控对象进行操作的控制信号。
(3)放大变换环节:将偏差信号变换为适合控制器执 行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来动态和静态特性而附加 的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中, 称为串联校正装置;如果校正装置接成反馈形式, 称为并联校正装置,又称局部反馈校正。
(5)反馈环节:它用来测量被控量的实际值,并经过 信号处理,转换为与被控制量有一定函数关系,且 与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般也 称为测量变送环节。
(6)给定环节:产生输入控制信号的装置。
控制系统中常用的名词术语 ：
(1)输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外 界输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其中 控制信号又称控制量、参考输入、或给定值。
(5)误差信号:它指系统输出量的实际值与希望值 之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际 上并不存在,它只能用与控制输入信号具有一定 比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下,希 望值就是系统的输入信号,误差信号等于偏差信 号。
(6)扰动信号:除控制信号以外,对系统的输出有 影响的信号。
自动控制系统教程
定义与特点
特点
定义
自动控制系统能够实现生产过程的自动化，提高生产效率，降低人工成本。
提高生产效率
保证产品质量
安全生产保障
自动控制系统能够精确控制生产过程中的各项参数，保证产品质量和稳定性。
自动控制系统能够在危险或恶劣环境下代替人工操作，保障生产安全。
03
02
01
自动控制系统的重要性
历史
自动控制系统的发展可以追溯到20世纪初，随着科技的不断进步，自动控制系统的应用范围越来越广泛。
稳定性分析方法
稳定性
准确性的定义
准确性是自动控制系统的另一重要性能指标，它表示系统输出与期望输出之间的误差大小和误差变化趋势。
误差的表示方法
误差通常用偏差、跟踪误差、稳态误差等来表示，这些误差越小，说明系统的准确性越高。
提高准确性的方法
为了提高系统的准确性，可以采用多种方法，如调整控制参数、优化系统结构、增加反馈环节等。
04
缺点在于设计过程中需要丰富的工程经验和系统性能指标的准确性，对于复杂系统设计难度较大。
最优设计法是一种基于数学优化理论进行系统设计的方法。
最优设计法的优点在于可以获得系统设计的最优解，适用于对系统性能要求高的场合。
缺点在于优化算法的复杂度和计算量较大，对于大规模系统设计难度较高，同时需要准确的系统模型和性能指标。
发展
现代自动控制系统正朝着智能化、网络化、集成化的方向发展，未来将会有更多的应用领域和场景。
自动控制系统的历史与发展
02
CHAPTER
自动控制系统基本组成
控制器是自动控制系统的核心部分，负责接收来自传感器的信号，并根据设定值与实际值的偏差，通过一定的控制算法计算出控制量，输出给执行器。
自动控制系统的类型与组成
对象施加控制作用，如电动机。 ⑦ 被控对象：控制系统所要控制的设备或生产过程，它的
输出就是被控量。
5
自动控制系统的框图(不同阶段的学习行为)
扰
动
给定环节
给定输 入
+
误差 _
控制器
放大环 节
执行环 节
输 被控对 出 象
反馈信 号
反馈环节
图3.4 自动控制系统框图（反馈控制系统）
6
3.5 自动化仪表
4
3.4 自动控制系统的组成
① 给定环节：产生给定的输入信号。 ② 反馈环节：对系统输出（被控制量）进行测量，将它转
换成反馈信号。 ③ 比较环节：将给定的输入信号和反馈信号加以比较，产
生“误差”信号。 ④ 控制器（调节器）：根据误差信号，按一定规律产生相
应的控制指令。 ⑤ 放大环节：将控制信号进行功率放大。 ⑥ 执行环节（执行机构）：接受控制器来的信息并对被控
12
3.8 线性和非线性控制系统
线性元件：输入输出成正比
a 极化继电器
输 出
Hale Waihona Puke Vb 串激直流电动机
0
输入(误差)mV
图4.20 电子放大器的静特性
图4.21 极化继电器带动直流电动机
13
非线性元件：输入输出之间不再是正比关系
输 出 (V)
0 不灵敏0 区
输入(误差)mV
图4.22 极化继电器的静特性
① 传感器：实现对信号的检测并将被测的物理量变换为另一 个物理量 (通常是电量) ，例如热电偶；见图片
② 变送器：与传感器配套，使输出成为标准信号。例如DDZ Ⅲ 电动单元组合仪表，标准信号为4 –20mA；见图片
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的基本概念第一节自动控制系统的组成及分类一、自动控制系统的组成在工业生产中，各种生产工艺过程都必须在规定的工况条件下进行。
如精馏塔的塔顶温度或塔底温度要保持在期望值，化学反应器内的反应温度要保持稳定，锅炉汽包水位要维持在规定范围内，调和作业时的配比关系要达到规定的比值范围等。
这些生产过程中的工艺变量，需要根据工艺要求严格控制。
控制分人工控制和自动控制两种。
在绪论中以储罐液位系统为例介绍了人工控制和自动控制的基本概念。
自动控制是在人工控制约基础上发展起来的，它是在生产设备上配备一些自动控制装置，对生产过程中重要的工艺变量进行控制，使生产过程自动地维持预定工况。
自动控制装置和被控对象组成了自动控制系统。
为进一步了解自动控制系统，再来分析一个实例。
图13-1和13-2所示为一蒸汽加热器的温度人工和自动控制系统。
生产中利用蒸汽作为载热体对温度较低的进料进行加热，工艺上希望保持出料温度t在一个恒定的数值。
在这里，蒸汽加热器是被控对象，t是所要控制的变量，即被控变量，工艺上期望的t的数值是给定值。
蒸汽流量、进料流量、进料温度等发生变化时，都会使出料温度发生变化，即系统的干扰。
此处，采用的控制手段是调整加热蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，来维持出料温度的恒定。
蒸汽流量是操纵变量。
若采用人工控制，当流体流量、进料温度等干扰使出料温度偏离工艺期望值时，操作工的调节过程是这样的：(1)用眼睛观察加热器出口温度指示仪表；(2)通过大脑计算出温度指示值与工艺期望值之间的差值，即偏差，根据偏差大小及方向发出相应操作命令；(3)根据大脑的操作命令，通过手去改变蒸汽阀门开度；(4)反复执行上述过程，直到出口温度回到期望值。
操作工通过眼、脑、手相互配合，灾现了检测偏差，然脱纠正偏差的控制过程，自动控制实际上是用自动控制装置来实现上述过程。
为了实现这一过程，用测量变送器、控制器和执行器去代替操作工的眼、脑、手，将它们按功能连接在一起与被控对象组成了一个自动控制系统。
自动化控制系统的组成部分及作用(一)
自动化控制系统的组成部分及作用(一)自动化控制系统的组成部分及作用概述自动化控制系统是由多个组成部分组成的复杂系统，这些部分协同工作，以实现对某个设备或过程的自动控制。
本文将介绍自动化控制系统的主要组成部分及其作用。
主要组成部分一个典型的自动化控制系统包括以下几个主要组成部分：1.传感器：用于采集设备或过程的各种信号，并将其转换为电信号。
传感器的作用是将物理量转换为可测量和可处理的信号，比如温度传感器、压力传感器等。
2.执行器：根据来自控制器的指令，对设备或过程进行操作，完成所需的动作。
执行器的作用是控制设备的某种机械运动或操作，如电动阀门、电动马达等。
3.控制器：接收来自传感器的信号，并根据预设的控制策略，产生相应的控制信号发送给执行器。
控制器的作用是根据输入信号进行决策，并生成输出信号来实现控制。
4.通信网络：用于传输传感器和控制器之间的信号。
通信网络的作用是确保传感器和控制器之间的数据传输的可靠性和及时性。
5.人机界面：提供给操作员与自动化控制系统进行交互的界面。
人机界面的作用是显示系统运行状态、接受操作员的控制指令，并向操作员提供实时的反馈信息。
各部分的作用各个组成部分在自动化控制系统中发挥着不同的作用：•传感器通过采集设备或过程的相关信号，将其转换为可处理的电信号，为控制器提供准确的输入信号。
•执行器根据控制器的指令，对设备或过程进行操作，实现所需的动作，如开关、调节、控制等。
•控制器基于传感器提供的信号，根据预设的控制策略进行决策，并向执行器发送相应的控制信号，以达到控制设备或过程的目的。
•通信网络确保传感器和控制器之间的数据传输的可靠性和及时性。
它将传感器采集到的信号传输给控制器，同时将控制器生成的指令传输给执行器。
•人机界面将自动化控制系统的运行状态、控制命令等信息展示给操作员，使其能够对系统进行监控和控制。
综上所述，传感器、执行器、控制器、通信网络和人机界面是自动化控制系统中不可或缺的组成部分，它们各自承担着重要的作用，共同实现对设备或过程的自动控制。
自动控制系统的组成及分类
自动控制系统的组成及分类
一、系统组成
自动控制系统主要由控制器、受控对象、执行机构和反馈通路组成。
1. 控制器：控制器的功能是接受操作人员的指令，以及对由检测装置得到的被控量进行一定的处理，以控制受控对象的控制量的大小，以满足系统的性能要求。
控制器有多种分类，按能量关系可分为电动、气动、液压、机械和混合型等；按信息传递方式可分为开环和闭环等。
2. 受控对象：受控对象又称被控对象，是指在自动化系统中需要控制的设备或装置。
受控对象根据不同的要求和控制方案，可以是一个单台设备、一条生产线或一个系统。
3. 执行机构：执行机构是自动控制系统中的重要组成部分，它的作用是根据控制器的输出信号，产生相应的动作，驱动被控对象，以改变受控量的状态。
常见的执行机构有伺服电动机、步进电机等。
4. 反馈通路：反馈通路是指把被控量的变化通过传感器和转换装置变成电信号，再传输给控制器，以实现系统的闭环控制。
反馈通路由传感器、转换装置和控制器等组成。
二、分类方式
自动控制系统有多种分类方式，以下列举几种常见的分类方式：
1. 按控制系统类型分类：可分为开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统是指系统的输出只受输入的控制，与系统的过去状态无关；而闭环控制系统是指系统的输出不仅受输入的控制，还与系统的过去状态有关。
2. 按控制方式分类：可分为程序控制和随动控制。
程序控制是指系统按照预定的程序进行控制；随动控制是指系统根据被控量的变化实时调整控制参数。
3. 按控制变量的数量分类：可分为单变量控制系统和多变量控制系统。
单变量控制系统是指系统只有一个被控量；多变量控制系统是指系统有多个被控量。
第1章 自动控制系统简介
微积分（含微分方程）
课程学习要面临
数学基础宽而深 控制原理抽象 计算复杂且繁琐 绘图困难
ax bx c d
2
计算机数学语言 MATLAB 数值解/解析解（数学运算）
控制理论的内容
二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论 控制论：
经典控制理论 现代控制理论（智能控制理论）
1.1.2 自动控制系统举例
一个自动运行的系统，就是指它的运行不需要人为的干预。
令人的体温保持在37℃的自动温控系统 心跳控制系统 眼球聚焦系统 温控系统 汽车自动导航控制系统 电梯调度系统自动发送电梯搭载乘客
空调—自动调节房间温度：
以取暖为例，空调通过温度传 感器检测房间的温度高低，空调控 制器将检测的温度与设定值进行比 较，若温度低于设定值的下限，则 使压缩机运行，温度上升，温度上 升到设定值的上限时则停止运行。 空调运行基于反馈信息（温度 测量值），属于 “反馈控制”，最 为常见。
• 由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解 释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大 约一个世纪之久。
自动控制理论的开端
• 1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出： • 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控 制的不稳定。 • 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从 而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控 制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征 根的实部的正、负号问题。
1.2.3 闭环控制系统（核心）
把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成 闭环，参与控制，称为闭环控制系统。
前/正向通道
反/负向通道
闭环控制系统的优缺点
自动控制系统的基本组成与分类
自动控制系统的基本组成与分类自动控制系统的基本组成如前所述，自动控制系统(即反馈控制系统)由被控对象和控制装置两大部分组成，根据其功能，后者又是由具有不同职能的基本元部件组成的。
图1．12是一个典型的自动控制系统的基本组成示意图，图中组成系统的各基本环节及其功能如下。
1．被控对象如前所述，被控对象是指对其莱个特定物理量进行控制的设备或过程出即为系统的输出员，即被控量，通常以c(r)(或y(f))表示。
2．阁量元件测量元件用于对输出量进行测量，并将其反馈至输入端。
如果输出量与输入量的物理单位不同，有时还要进行相应的量纲转换*例如，温度测量装置(热电偶)用于团量湿度并转换为电压(见固1．2)，测速发电机用于测量电动机轴转速井转换为电压(见田1．9)。
3．给定元件根据控制日的，给定元件将给定量转换为与期望输出相对应的系统治入量(通常以r(‘)表示)，作为系统的控制依据。
例如，图1．9中，给定电压M2的电位器即为给定元件。
4．比较元件比较元件对输入量与测量元件测得的输出量进行比较，并产生偏差信号中的电压比较电路。
通常，比较元件输出的偏差信号以‘(2)表示。
5．放大元件放大元件是特比较元件结出的(檄弱的)偏差信号进行放大(必要时还要进行物理量的转换)。
例如，图1．9中的ATMEL代理放大器和晶闸管整流装置等。
6．执行元件执行元件的功能是，根据放大元件放大后的偏差信号，推动执行元件去控制被控对象，使其被控量按照设定的要求变化。
通常，电动机、液压马达等都可作为执行元件。
7．校正元件校正元件又称补偿元件，用于改善系统的性能，通常以串联或反馈的方式连接在系统中。
在图1．12中，作用信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称为前向通路；系统治出量经测旦元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路；前向通路和主反馈通路构成的回路称为主反馈回路，简称主回路。
除此之外，还有局部反馈通路以及局部反馈回路等*将只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，将包含两个或两个以上反馈通路的系统称为多回路系统。
自动控制系统
第一章1.自动控制系统一般由控制器和被控对象组成2.控制系统按照基本控制方式分为开环控制和闭环控制3.开环控制系统：①从输入到输出无反馈单向传递②优点：结构简单成本低工作稳定性好缺点：无法抑制扰动系统精度低③多用于系统结构参数稳定和扰动信号可测量的场合4.闭环控制系统（反馈控制、按偏差控制）：①反馈：输出量送回到输入端并与输入信号比较的过程②负反馈：反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小③闭环控制系统中，真正对输入信号起控制作用的是偏差信号④控制系统引入反馈之后，能够使系统对参数变化不敏感，有效地抑制了系统灵敏度的影响，提高了系统的控制精度，但同时也降低了系统的稳定性⑤优点：具有自动修正输出量的能力有较高控制精度缺点：使用元件多结构复杂稳定性差可能出现超调、振荡5.自动控制系统构成：测量元件：检测被控制的物理量整定元件：给出代表被控制量的整定值的信号比较元件：对测量元件和整定元件给出的信号进行比较，给出二者差值放大元件：将比较元件给出的误差信号放大，来驱动控制量的变化执行元件：直接推动被控制对象或其中某一部件，使被控制量发生变化（电动阀门等）校正元件：校正控制器动态性质，与被控制对象的动态性质相适应能源元件：提供能源典型反馈控制系统的基本组成框图（及其对应元件）6.分类7.对自动控制系统的基本要求主要包括稳定性、快速性、精确度第二章1.列写微分方程：与输入有关的量放在右边，与输出有关的量放在左边，降幂排序2.传递函数只取决于系统的结构、元件参数，与输入信号的形式无关3.传递函数有量纲4.结构图等效变换时：①反馈等效优先②引出点移向引出点，综合点移向综合点③相邻引出点/综合点可以互换位置，也可以合并5.开环传递函数：当闭环打开时，主反馈量还让参考输入的拉普拉斯变换象函数之比（组成闭环的各串联框的传递函数相乘，反号）6.闭环传递函数：当闭环闭合时，以外部加到闭环上的某变量为输入，以闭环内的某受控量为输出的传递函数（①把A→B的传递函数作为分子②把组成闭环的各串联框的传递函数相乘，反号加1，作为分母）闭环传递函数的分母＝开环传递函数+1第三章1.典型输入信号①阶跃函数②斜坡函数（等速度函数）③抛物线函数（等加速度函数）④单位脉冲函数⑤正弦函数2.动态性能指标①上升时间tr：响应由零值上升到第一次到达稳态值所需的时间。
典型自动控制系统的组成和工作原理
自动控制系统是一种利用传感器、控制器和执行器来感知、判断和控制环境 的系统。了解其组成和工作原理，可以更好地应用于实际工程领域。
自动控制系统的定义
自动控制系统是一种利用传感器、控制器和执行器对环境变量进行感知、判断和控制的系统。它能够以 反馈的方式实时调整控制策略，以实现预期的目标。
现系统的控制目标。
系统反馈信息通过传感器反馈给控制 器，形成一个闭环控制回路，实时调
整控制策略以适应环境的变化。
自动控系统的应用领域
• 工业自动化：在生产线上用于控制和监测机械设备的运行。 • 交通运输：用于自动驾驶、智能交通信号灯等领域。 • 建筑环境：用于自动调节室内温度、湿度、光线等参数。 • 能源管理：用于控制电网、发电机组、智能电表等领域。
总结
自动控制系统是一种利用传感器、控制器和执行器对环境进行感知、判断和控制的系统，具有广泛的应 用领域和重要的优势。了解其组成和工作原理对于实际应用具有重要意义。
自动控制系统的组成要素
传感器
传感器用于感知环境变量，如温度、湿度、压力等，并将其转化为可供控制器处理的电信号。
控制器
控制器根据设定值和传感器的反馈信号进行计算和控制，并生成控制信号发送给执行器。
执行器
执行器根据控制信号对系统进行操作，如调节阀门、开关电机等，以实现系统的控制目标。
自动控制系统的工作原理
1
传感器感知环境变量
传感器监测环境变量并将其转化为电
控制器根据设定值和反馈信号
2
信号，为控制器提供反馈数据。
进行控制
控制器根据预设的目标设定值以及传
感器反馈的数据，计算并生成相应的
3
执行器执行控制信号
第1章 自动控制系统概述
第1章 自动控制系统概述
智能控制系统是指具有某些仿人智能的工程控制 与信息处理系统， 其中最典型的就是智能机器人。 对自动控制理论的具体描述可表示为图1-1。
第1章 自动控制系统概述
图1-1 对自动控制理论的具体描述
第1章 自动控制系统概述
1.2 开环控制和闭环控制
1. 开环控制系统(Openloop Control System) 若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产 生影响， 则这样的系统称为开环控制系统。
减转器
调电器
电炉
过电热
图 1 - 5 电炉箱自动控制方框图
第1章 自动控制系统概述
T
UfT
∆U＝(UsT －UfT ) (>0)
Ua (>0)
电机电转
UR
T
自自自自，直直＝给定定， ＝0时时 T ∆U
图 1 - 6 炉温自动调节过程
第1章 自动控制系统概述
1.3 自动控制系统的组成
现以图 1 - 4 和图 1 - 5 所示的恒温控制系统来说 明自动控制系统的组成和有关术语。
要分析一个实际的自动控制系统， 首先要了解它 的工作原理， 然后画出组成系统的方框图。 在画方框 图之前， 必须明确以下问题： (1) 哪个是控制对象？被控量是什么？影响被控量 的主扰动量是什么？ (2) 哪个是执行元件？
第1章 自动控制系统概述
(3) 测量被控量的元件有哪些？ 有哪些反馈环节？ (4) 输入量由哪个元件给定？ 反馈量与给定量如何 进行比较？ (5) 此外还有哪些元件（环节）? 它们在系统中处 于什么地位？ 起什么作用？
第1章 自动控制系统概述
(5) 执行元件（Executive Element）： 驱动被控制 对象的环节。 (6) 控制对象（Controlled Plant）： 亦称被调对象。 (7) 反馈环节（Feedback Element）： 由它将输出 量引出， 再回送到控制部分。
自动控制系统概述
各个元件的排列，通常将给定元件放 在最左端，控制对象排在最右端。即输 入量在最左端，输出量在最右端。 从左至右(即从输入至输出)的通道称 为顺馈通道（Feed forward Path)或 前向通路(Forward Path)。 将输出信号引回输入端的通道称为反 馈通道或反馈回路(Feedback Path)。
例1-1 水位控制系统
通过对工作 原理进行分 析，可以得 到该系统的 系统框图。
自动调节过程：
Q ,H H , U U , U 0 直至 Q 时， 1 2 0 B A 电动机停转为止。
1.4 自动控制系统的分类
按输入量变化的规律分类
恒值控制系统（Fixed Set-Point Control System） 恒值系统的特点是：控制系统的输入量是 恒量，并且要求系统的输出量相应地保持 恒定。 恒值控制系统是最常见的一类控制系统。
按输出量和输入量间的关系分类
线性控制系统（Linear Control System） 线性系统的特点是系统全部由线性元件组成，它 的输出量与输入量间的关系用线性微分方程来描 述。线性系统的最重要的特性，是可以应用叠加 原理。叠加原理说明，两个不同的作用量，同时 作用于系统时的响应，等于两个作用量单独作用 的响应的叠加。 非线性控制系统（Nonlinear Control System） 非线性系统的特点是系统中存在有非线性元件(如 具有死区、出现饱和、含有库伦摩擦等非线性特 性的元件)，要用非线性微分方程来描述。非线性 系统不能应用叠加原理。
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元
接收端
a
10
远距离控制(遥控)系统
遥发
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
控 指
生
令器
指
调
发
信
接
解
译
执
被
令
编
制
射
码
行
控
收
调
码
机
对
器
器
机
道
机
器
器
构
象
反馈环节
a
11
4. 放大器 用以增加信号的幅度或(和)功率，如如晶体管放大器， 也可以由电信号放大到气动信号（如电-气转换器）；
5. 执行机构 接受控制器来的信息并对被控对象施加控制作用，如 电动机。工业控制常用的执行机构是气动薄膜调节阀、液压伺服 马达、电动调节阀等。
a
7
计算机控制
输入 给定值
+
连续 偏差
_
离散 偏差
控量变化 • 被控对象 控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出就是被控量
a
5
自动控制系统的框图
扰 动
给定环节
给定输 入
+
误差 _
控制器
放大环 节
执行环 节
输 被控对 出 象
反馈信 号
反馈环节
a
6
自动化仪表
1. 传感器 实现对信号的检测并将被测的物理量变换为另一个物理 量 (通常是电量) ，例如热电偶；
2. 变送器 与传感器配套，使输出成为标准信号。例如对DDZ Ⅲ 电 动单元组合仪表，标准信号为4 –20ma ；
3. 控制器（调节器） 采用模拟信号的调节器使用较多，它接受来 自被控对象的测量值和给定值或它们的误差，并根据一定的控制 （调节）规律产生输出信号以推动执行机构（执行器）。 控制器 起了图3.4中给定环节、比较环节和控制器三者的作用；
自动控制系统的类型和组成
© 西安交通大学电子与信息工程学院 蔡远利 教授
a
1
3.1 恒值自动调节系统
a
2
3.2 程序自动控制系统
a
3
3.3 随动系统（伺服系统）
a
4
自动控制系统的组成
• 给定环节 产生给定的输入信号 • 反馈环节 对系统输出（被控制量）进行测量，将它转换成反馈信号 • 比较环节 将给定的输入信号和反馈信号加以比较，产生“误差”信号 • 控制器（调节器） 根据误差信号，按一定规律产生相应的控制指令 • 执行环节（执行机构） 将控制信号进行功率放大，并能使 被控对象的被
模-数 转换器
数字 偏差
数字
离散
控制量 数-模 控制量
连续 控制量
连续 输出
计算机中 央处理器
转换器
保持器
被控对象
a
8
生产过程控制
a
9
远距离测量（遥测）系统
来
自
传
被
感
测
单
对 元
象
数
变
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换
采
单
编
元
单
元
发送端
存
发
接
解
储 纪
送 有线 收
编
录 重 放 单 元
单
无线 单
单
元
元
元
纪
数
录
单
据
元
处
显
理
示 单
单
元