第1章 自动控制系统的基本概念
《计算机控制技术》复习思考题 第1章 第2章
《计算机控制技术》复习思考题第一章自动控制系统基本概念1.自动控制系统的组成一个简单的自动控制系统，均可概括成两大部分：一部分是自动化装置控制下的生产设备，称为被控对象；另一部分是为实现自动控制所必须的自动化仪表设备，简称为自动化装置，它包括测量变送器、调节器和执行器等。
简单的自动控制系统由被控对象、测量变送器、调节器及执行器四大部分组成。
2.术语a)被控对象？调节器？执行器？测量变送器？b)被控变量，y？设定值，g？测量值，z？偏差，e？干扰，f？调节参数？在被控对象中，需要控制一定数值的工艺参数叫做被控变量，用字母y表示。
被控变量的测量值用字母：表示，按生产工艺的要求，被控变量希望保持的具体数值称为设定值，用字母譬表示。
被控变量的测量值与设定值之间的差值叫做偏差，用字母e表示，e=g-z。
在生产过程中，凡能影响被控变量偏离设定值的种种因素称为干扰，用字母，表示。
用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的参数叫做调节参数。
c)反馈？负反馈、正反馈？把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端的做法叫做反馈。
如果反馈信号能够使原来的信号减弱，也就是反馈信号取负值，那么就叫做负反馈。
如果反馈信号取正值，反馈信号使原来的信号加强，那么就叫做正反馈。
自动控制系统绝对不能单独采用正反馈。
d)闭环系统？一个一个信号沿着箭头的方向传送，最后又回到原来的起点，形成一个闭合的回路，如此循环往复，直到被控对象的被控变量值达到或接近设定值为止，所以这种自动控制系统是闭环系统。
自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。
3.自动控制系统方框图?4.自动控制系统的分类？按照工艺过程需要控制的参数值即设定值是否变化和如何变化来分类，而将闭环自动控制系统分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统三大类。
按调节器具有的控制规律来分类，如位式、比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统。
定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统？5.过渡过程a)静态、动态？自动控制系统的平衡（静态）是暂时的、相对的和有条件的，不平衡（动态）才是普遍的、绝对的、无条件的。
第01章 自动控制系统基本概念
闭环与开环
闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较 的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测 量值的偏差进行控制，直至消除偏差。
+ SP － 测量变送装置 调节器 执行器 被控对象
开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根 据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时 系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。 要实现自动控制，系统必须闭环。
解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃ 2、余差C＝205—200＝5℃ 3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃ 第二个波峰值B’＝210—205＝5℃ 衰减比n＝25：5＝5：l。 4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20—5＝15(min) 5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2％， 就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×(±2％)＝±4℃，这时，可在 新稳态值(205℃)两侧以宽度为±4℃画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只 要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图 上可以看出，过渡时间为22min。 6、超调量 (230-205)/205×100%=12.2%
几种典型的过渡过程：
16
几种典型的过渡过程：
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
？ X
一般是不允许的 除开关量控制回路
单调发散过程
X 17
（3）过渡过程的品质指标
通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：
· 以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括： 最大偏差（超调量）、 衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（振荡频率）……
自动控制原理_第一章
（b）只有有限个极值点。 满足狄利赫里条件的函数 fT (t ) 在 叶级数。
T T ， 2 2
上可展成傅里
在 fT (t ) 的连续点处，级数的三角形式为
a0 fT (t ) (an cos n0t bn sin n0t ) 2 n 1
（1－1）
其中：0
《现代控制工程》（第四版）
E-mail: goulinfeng @
第一章 概 论
主要问题：
（1） 自动控制系统的基本概念
（2） 自动控制系统的分类
（3） 自动控制系统的性能指标
（4） 拉普拉斯变换简介
（5） 典型输入信号
一、自动控制系统的基本概念
瓦特(James Watt)
2
3s 4 2 3s 2 4 s 2 y( s) 2 2 s 3s 2 s ( s 3s 2) s ( s 1)( s 2) 1 1 3 s s 1 s 2
y (t ) L [ y( s)] 1 e 3e
1
t
d 2 y (t ) dy (t ) x(t ) 2, 3 2 y (t ) x(t ), 例1: 2 dt dt y(0) 5 y(0) 3, 求响应 y (t )
解：对方程两边做拉氏变换：
2 s y( s) sy(0) y(0) 3[sy (s) y (0)] 2 y (s) s y(0) 5 可得: 代入 y(0) 3,
3 傅立叶变换：
e jx e jx e jx e jx 利用欧拉公式：cos x , sin x 2 2j
代入式（1-1）可得可积周期函数连续点处的傅里叶三角级 数表达式 化简后： fT (t ) 其中
自动控制原理基本知识点和重点难点-第1章
《自动控制原理》课程基本知识点及重点难点分析2011年9月第1章自动控制系统的基本概念1、内容提要基本术语：反馈量，扰动量，输入量，输出量，被控对象；基本结构：开环，闭环，复合；基本类型：线性和非线性，连续和离散，程序控制与随动；基本要求：暂态，稳态，稳定性。
本章要解决的问题，是在自动控制系统的基本概念基础上，能够针对一个实际的控制系统，找出其被控对象、输入量、输出量，并分析其结构、类型和工作原理。
2、基本内容（1）开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。
当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。
当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。
（2）闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。
闭环控制极大地提高了系统的精度。
但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。
（3）自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较环节、放大元件、被控对象和反馈环节等部件组成。
系统的作用量和被控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。
结构图（又简称框图）可直观地表达系统各环节（或各部件）间因果关系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和信号传递情况以及它们对输出量的影响。
（4）在不同输入量作用下，对系统的输出量的要求，揭示出反馈控制系统的本质特征——输出跟随输入。
（5）对自动控制系统的性能指标要求有：稳定性——系统能工作的首要条件；快速性——用系统在暂态过程中的响应速度和被控量的波动程度描述；准确性——用稳态误差来衡量。
3、基本知识模块（1）自动控制系统的基本工作原理（2）自动控制系统的结构及特点、组成和基本环节（3）自动控制系统的性能指标（4）自动控制系统的类型本章从生活实例出发，引出自动控制系统的基本概念、专业术语；从开环系统和闭环系统的结构、特点和工作原理分析入手，重点介绍闭环控制系统的组成、性能指标要求和系统类型的划分原则，进一步揭示对自动控制的本质要求——两个能力：跟踪能力和抗干扰能力——输出跟随输入。
自动控制系统概述
自动控制原理：经典控制理论，即研究反馈控制。 自动化 自动控制（视频资料） 在没有人参与的情况下，通过控制器或控制装置来控制机器或者设备等物理装置，使
得机器设备的受控物理量按照希望的规律变化，达到控制目的。 是研究控制系统的一般规律，不是讲具体的控制对象、系统、元件。 对象：如炼钢、化工反应，航空航天，机械汽车加工。 系统：运动过程，力学、电学、光学、生物等 元件：控制器、执行（电机），传感器
2021/3/27
2
CHENLI
第一章 自动控制系统概述
自动化的发展过程回顾： ①设备自动化 本世纪50年代开始发展起来，由最初的机器、设备的控制问题，引出了机床、轧钢机等设备 的自动化。主要特点：自动调节系统的出现及其大量应用。 ②生产过程自动化 生产过程自动化需要考虑生产过程的协调、优化、计划与调度等问题。它是生产车间级的自动 化。 离散型生产过程的自动化 机械制造自动化，电子制造自动化，…… 连续型生产过程的自动化 化工自动化，冶金自动化，…… ③工厂自动化 工厂是由若干个生产车间组成的、能够完成一定的产品生产任务的实体，工厂自动化实现了产 品加工生产的自动化，工厂自动化=生产过程自动化+管理自动化。 ④企业自动化 企业自动化包括企业的生产加工、企业管理、产品（设计/开发）、市场、销售、计划等方面 的综合自动化，企业自动化的支撑技术包括：制造资源管理MRP-II，企业资源计划ERP，计 算机辅助设计/制造CAD/CAM，计算机集成制造CIM，并行工程CE，产品数据管理PDM，… 计算机集成制造CIM将制造视为一个信息处理、信息转换的过程，将制造过程视为一个集成的 过程，多种计算机技术与工具的综合应用。
自动控制原理
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1. 2自动控制系统的组成与系统原理 框图
• 把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节又送回到 输入端的做法叫做反馈。如图1一3所示，把系统的输出信 号通过检测变送装置送回到系统输入端的就是反馈。当系 统反馈信号取负值，并与给定值相加时，属于负反馈;当 反馈信号取正值，与给定值相加时，属于正反馈。自动控 制系统的主反馈一般是负反馈。 • 从系统的输入量r(t)沿着箭头方向到系统的输出量c(t)，称 该信号通道为前向通道。而从系统的输出量沿着箭头方向 到系统的输入端，则称该信号通道为反馈通道。
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1. 4对自动控制系统
• • • • 1.4.2对自动控制系统的基本要求 对一个自动控制系统的基本要求为稳定性、快速性和准确性。 1.稳定性 对任何自动控制系统，首要条件是系统必须稳定。只有系统稳定，才 能正常工作。 • 稳定性是指系统受到扰动作用或给定值发生变化时，其动态过程的振 荡倾向和重新恢复状态的能力。 • 当系统受到扰动作用或给定值发生变化时，被控量就会偏离给定值， 如果经过系统的自身调节，系统能回到或接近原来的给定值，这样的 系统就是稳定的系统;否则，系统不能回到或接近原来的给定值，这 样的系统就是不稳定的系统。
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1. 4对自动控制系统
• 2.快速性 • 快速性是通过动态过渡过程时间的长短来表示的，如图1一11所示。 过渡过程时间越短，则快速性就越好;反之，过渡过程时间越长，则 快速性就越不好。 • 3.准确性 • 准确性是由系统达到稳态时，给定值与实际值之差来体现的，如图1 一12所示。它反映了系统的稳态精度。 稳定性、快速性和准确性往 往是互相制约的。在设计与调试的过程中，若过分强调某方面的性能， 则可能会使其他方面的性能受到影响。
化工仪表及自动化复习
第一章自动控制系统基本概念第一节自动控制系统的基本组成及表示形式液位自动控制的方框图方框图中， x 指给定值；z 指输出信号；e 指偏差信号；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用（主要是进料量的变化，注意：此为对液位控制而言）。
当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反馈。
其他控制系统用同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器TC。
温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽量来维持出口物料的温度不变。
小结:自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。
举例：乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图第二节自动控制系统的基本组成及表示形式T 温度，P 压力（真空度），L 物位，F 流量I 指示，R 记录，A 报警，C 控制（调节）塔顶的压力控制系统中的PIC-207，PIC的组合就表示一台具有指示功能的压力控制器。
LIC-201是一台具有指示功能的液位控制器。
FRC-210表示一台具有记录功能的温度控制器。
PIC-207表示压力指示调节仪表，该仪表为就地安装，工段号为2，仪表序号为07。
第三节自动控制系统的分类1.定值控制系统：被控变量的给定值不变2.随动控制系统（自动跟踪系统）：给定值随机变化第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标控制系统的过渡过程：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。
当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。
常用的是阶跃干扰。
采用阶跃干扰的优点：这种形式的干扰比较突然、危险，且对被控变量的影响也最大。
如果一个控制系统能够有效地克服这种类型的干扰，那么一定能很好地克服比较缓和的干扰。
这种干扰的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。
举例：某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图所示。
第一章 自动控制系统的基本概念(修改) (2)
上篇自动控制原理第一章自动控制系统概述本章要点本章简要介绍有关自动控制的基本概念、开环控制和闭环控制的特点、自动控制系统的基本组成和分类以及对自动控制系统的基本要求。
第一节自动控制的基本概念自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。
自动控制系统则是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。
在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。
扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。
给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。
通常情况下，系统有两种外作用信号：一是有效输入信号（以下简称输入信号），二是有害干扰信号（以下简称干扰信号）。
输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值，并作用于系统的输入端。
干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号，它不但可以作用于系统的任何部位，而且可能不止一个。
由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制，严重时必须加以抑制或补偿。
第二节开环控制和闭环控制自动控制有两种基本的控制方式：开环控制和闭环控制。
与这两种控制方式对应的系统分别称之为开环控制系统和闭环控制系统。
一、开环控制系统开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。
这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。
电加热系统的控制目标是，通过改变自耦变压器滑动端的位置，来改变电阻炉的温度，并使其恒定不变。
因为被控制的设备是电阻炉，被控量是电阻炉的温度，所以该系统可称为温度控制系统，如图1-1所示。
开环控制系统的优点是系统结构和控制过程简单，稳定性好，调试方便，成本低。
第一章 自动控制理论概述
第一章 自动控制基本概念
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4 引言 自动控制的基本概念 自动控制系统的组成和分类 自动控制系统的基本要求
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
本章重点
1. 自动控制的含义； 自动控制的含义； 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。 控制系统的组成和分类和特点。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
• 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等 各个领域中起着重要的作用！ • 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医 学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。 • 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。
• 《自动控制理论》是自动控制技术的基础理论，是 一门理论性较强的工程科学。 现代的工程技术人员和科学工作者， 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备 一定的自动控制理论基础知识！ 一定的自动控制理论基础知识！
输入r(t) 输出c(t) 实际 1 2 1 0 t 0 t 控制工程基础 理想的 调节过程
本章难点
1. 深刻理解反馈的概念和思想； 深刻理解反馈的概念和思想； 2. 确定控制系统的被控对象、被控量、给定量 确定控制系统的被控对象、被控量、 等等，绘制方块图， 等等，绘制方块图，分析实际控制系统的基 本原理。 本原理。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
§1－1 引言 －
以系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 为代表的科学方法论 是一门新兴的学科， 是一门新兴的学科，为人类认识世界和改造世界提 供了强有力的武器。 供了强有力的武器。 关于控制论的几种说法 说法一： 控制论”是关于机器的理论。 说法一：“控制论”是关于机器的理论。 说法二： 控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法三： 控制论”是类似于数学的一门学科。 说法三：“控制论”是类似于数学的一门学科。 说法四： 控制论” 说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通 信的科学。（维纳定义） 。（维纳定义 信的科学。（维纳定义）
自控原理课件 第1章-自动控制系统概
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第1章 自动控制系统概述
第1章 自动控制系统概述
1.1自动控制系统基础知识
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第1章 自动控制系统概述
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第1章 自动控制系统概述
开环控制系统是一种最简单的控制系统。下面举例 说明其结构特点和工作原理。 图1.1所示是一个电阻炉温度控制系统，希望电阻炉 的温度T c保持在允许范围内。在该系统中，可以通过调 整自耦变压器滑动端的位置来改变电阻炉的温度，并使 其保持在允许范围内。因而被控对象就是电阻炉，被控 量就是电阻炉的温度。自耦变压器滑动端的位置对应了 一个电压值uc，也就对应了一个电阻炉的温度Tc，改变 M c也就改变了T”在这个控制系统中，没有对电阻炉的实 际温度进行测量，就是说，实际温度Tc是多少不得而知 。当系统中出现外部扰动(如炉门开关频繁变化)或内部 扰动(如电源电压波动)时，了c将偏离“c所对应的数值， 5 结果温度可能比希望值偏高或偏低。
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第1章 自动控制系统概述
而放大器的输入电压为给定电压与反馈电压比 较后的偏差电压ΔU=Ug-Ufn, 其中Ug是由给定电 位器给定的，Ufn是由测速发电机TG输出电压 经电位器分压获得的。 Ufn的大小取决于转速 的高低。因此,测速发电机和电位器构成检测元 件和反馈单元；由于Ug和Ufn极性相反，所以构 成负反馈。
第1章 自动控制系统概述
6．检测元件 该装置用来检测被控制量，并将其转换成与 给定量相同的物理量。检测元件的精度和特性逐 渐影响控制系统的控制品质，它是构成自动控制 系统的关键部件。在此系统中是热电耦。
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第1章 自动控制系统概述
由图1.6可见．系统中作用量的被控制量如
下： 给定量：又称为控制量或参考输入量。它通 常由给定信号电压构成，或通过检测元件将非电 量转换成电压信号。如图1.6中的给定电压UsT。 输出量：又称为被控制量。它是控制对象的 输出，是自动控制的目标。如图1.6中的炉温T 。 反馈量：是通过检测元件将输出量转换成与 给定量性质相同且数量级相同的信号。图1.6中 的反馈量是由热电偶将炉温转换来的信号电压 UfT。
自动控制系统基本概念
0 y
t
B 扰动通道 扰动通道存在纯滞后，对 控制系统的品质无影响；扰动通道 存在容量滞后，对系统是有利的。
y
τ0
t
B 0
t
第三节 对象数学模型的建立 1 一、有自衡对象的数学模型 q =q
㈠ 一阶对象（单容对象） 根据平衡关系有：对象物料储存 h=h0 +△h 量的变化率 = 单位时间流入对 象的物料变化量—单位时间流出 对象的物料变化量
1
0
+△ q1
2 q2=q0 +△q2
d M d h =Δq -Δq ① A 1 2 dt dt
d h RA h Rq1 dt 其中T=RA，K=R
d h T h k q1 dt
h q2 R
②
dy T y K x （t-τ) dt
㈡ 二阶对象（双容对象）
二阶对象
二、无自衡对象的数学模型
q1
h q2
d 2 h2 d h2 T1Ta Ta qi (t 0 ) 2 dt dt K 0 s G( S ) e Ta S (T1S 1)
第四节
对象特性的实验测取
所谓对象特性的实验测取，就是在我们所要研究的被控 对象上，人为的施加一个干扰作用(输入量)，然后用仪 表测量和记录对象的输出量随时间而变化的规律，可得 到表征对象特性的一些数据和曲线，而后对这些数据或 曲线进行分析整理，可得描述对象特性的数学表达式。
qi
K 0 s G (s) e TS 1
① ②
h1
Ⅰ R1 q1 h2 Ⅱ R2
d h1 A1 qi q1 dt d h2 A2 q1 q2 dt
q1
q2
化工仪表及自动化总复习及答案(吉珠专用)
化工仪表及自动化总复习第一章自动控制系统基本概念一、基本要求1. 掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用以及相互影响和联系；2. 掌握自动控制系统中常用术语，了解方块图的意义及画法；3. 掌握管道及控制流程图上常用符号的意义；4. 了解控制系统的分类形式，掌握系统的动态特性和静态特性的意义；5. 掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下，过渡过程的形式和过渡过程的品质指标。
二、常用概念1. 化工自动化的主要内容:自动检测，自动保护，自动操纵，自动控制系统2. 自动控制系统的基本组成: 被控对象和自动化装置（测量元件与变送器、控制器、执行器）。
3. 被控对象：对其工艺参数进行控制的机器或设备4. 被控变量：生产过程需保持恒定的变量5. 操纵变量：具体实现控制作用的变量6. 干扰作用：在生产过程中引起被控变量偏离给定值的外来因素7. 设定值：被控变量的期望值，可固定也可以按程序变化8. 偏差：给定值与测量值之间的差值9. 闭环系统：系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统10.开环系统：系统的输出被反馈到输入端，执行器只根据输入信号进行控制的系统11. 控制系统的过渡过程:系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程12. 反馈:把系统的输出直接或经过一些环节后送到输入端，并加入到输入信号中的方法13. 负反馈：反馈信号的作用方向与给定信号相反，即偏差信号为两者之差（e=x—z）14. 正反馈：反馈信号的作用方向与原来的信号相同，使信号增强（e=x+z）三、问答题1. 控制系统按被调参数的变化规律可分为哪几类？简述每种形式的基本含义。
答：定值控制系统：给定值为常数随动控制系统：给定值随机变化程序控制系统：给定值按一定时间程序变化2.在阶跃扰动作用下，控制系统的过渡过程有哪几种形式? 其中哪些形式能基本满足控制要求？答：1.非周期衰减过程2.衰减振荡过程3.等幅振荡过程4.分散振荡过程1,2能基本满足控制要求，但1进程缓慢，只用于系统不允许震振荡时3. 试述控制系统衰减振荡过程的品质指标及其含义。
第一章 自动控制系统基本概念(化工工艺)
眼 看 脑 想 手 动
Qo
一.自动控制系统的基本组成
Qi
眼 看 脑 想 手 动
Qo
人工操作进行工作的三个方面: (1).检测:用眼睛看液位的高低。 (2).运算、命令:大脑根据眼睛看到液位的高低,加以思考 和比较得出偏差,发出命令。 (3).执行:根据大脑发出命令,改变阀门开度,以改变出口流 量Qo,保持液位的高低在规定位置。
四、现代自动化技术特点
• 已发展为综合自动化,其应用的领域和规模越来越大, 控制与管理一体化的系统已提到日程,因此,其社会、 经济效益也越来越大。 • 显示了知识密集化、 高技术集成化的特点,它是信息技 术、自动化技术、管理科学等相结合的现代高技术。 • 自动化过程中的智能化程度日益增加,各种智能仪表不 断出现,控制的精度越来越高,控制的方式日益多样化, 它不仅减轻和代替了人们的体力劳动,而且也在很大程 度上代替了人们的脑力劳动。
自动控制系统方框图
自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统
反馈:把系统的输出信号直接或经过一些环节后送回到系 统的输入端,并加入到输入信号中的作法。 负反馈:反馈信号使原来的输入信号减弱(e=x-z)。 正反馈:反馈信号使原来的输入信号增强(e=x+z)。 负反馈系统
给定值 偏差
↓
控制器
x
z ↑
e
测量值
第一节 生产自动化的主要内容
生产自动化,一般包括自动检测、自动保护、自动操纵、 自动控制系统。 1.自动检测系统 ׃利用各种检测仪表对生产过程的主要 工艺参数(如温度、流量等)进行测量、指示或记录的。
压力 流量 温度
第一节 生产自动化的主要内容
2.自动信号和联锁保护系统(自动保护) 当生产过程出现危险时,自动信号系统发出声、光等报警 信号,自动联锁保护系统立即作出反应,通过改变阀门的开 启度或切断某些通路,或进行紧急停车,以防止事故的发生 或扩大。它是生产过程中的一种安全装置。 3.自动操纵及自动开停车系统(自动操纵) 自动操纵系统:按照预先规定的步骤自动地对生产设备进 行某种周期性的操作。可减轻工人的重复性体力劳动。 自动开停车系统:按照预先规定的步骤自动地将生产过程 投入运行或自动停车。
自动控制原理 第一章 自动控制系统的基本概念(2011-1)
现代控制理论
•以状态空间为基础； 研究多输入-多输出、 时变、非线性一类控 制系统的分析与设计 问题。 •具有高精度和高效能 的特点。
1.2 自动控制系统基本概念
自动控制 控制对象 控制量 给定 扰动 自动控制系统 反馈 反馈控制系统 随动系统 过程控制系统
○自动控制 在没有人直接参与的情况下，通过控制器 使被控对象的某些物理量自动地按照预定 规律进行。 控制器 控制对象 控制量
控制系统动态过程曲线
如上图，系统在外作用作用下，输出逐渐与期望值一 致，则系统稳定的，如曲线１所示； 反之，输出如曲线２所示，则系统是不稳定的。
快速性： 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般 称为动态性能。 □形式 □快慢
◆快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明
系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝。如曲线２所示。
○随动系统 □ 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，
输出量是机械位移、速度或者加速度。
□ 随动系统这个术语，与位置（速度或加速度）控
制系统是同义语。
□ 在现代工业中，广泛采用着随动系统。
○过程控制
在工业生产过程中，对诸如压力、温度、湿度、流 量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制， 称为过程控制。
自动控制原理
Automatic Control Principle
Version 2011
中国矿业大学（北京）
自动控制原理
第一章 自动控制系统的基本概念
第一章 自动控制系统的基本概念
1.1 引言 1.2 自动控制系统的基本概念 1.3 闭环控制和开环控制 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的基本要求
◆稳和快反映了系统过渡过程的性能的好坏。既快又稳，表明
化工仪表及自动化
第一章自动控制系统基本概念9、试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、控制变量？被控对象：在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或者机器叫做被控对象。
被控变量：被控对象内要求保持给定值的工艺参数。
给定值：被控变量的预定值。
控制变量：受控制阀控制的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持给定值的物料量或者能量。
12、什么是负反馈？负反馈在自动控制系统中有什么重要意义？答： (1)系统的输出变量是被控变量，但是它经过测量元件和变送器后，又返回到系统的输入端，能够使原来的信号减弱的做法叫做负反馈。
(2)负反馈在自动控制系统中的重要意义是当被控变量， y 受到干扰的影响而升高时，惟独负反馈才干使反馈信号升高，经过比较到控制器去的偏差信号将降低，此时控制器将发出信号而使控制阀的开度发生变化，变化的方向为负，从而使被控变量下降回到给定值，这样就达到了控制的目的。
16、什么是控制系统的静态与动态？为什么说研究控制系统的动态比研究其静态更为重要？答： (1)在自动化领域中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，把被控变量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。
(2)因为干扰是客观存在的，是不可避免的。
一个自动控制系统投入运行时，时时刻刻都受到干扰作用，破坏正常的工艺生产状态。
这就需要通过自动化装置不断施加控制作用去对抗或者抵消干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺所要求的技术指标上。
一个正常工作的自动控制系统，总受到频繁的干扰作用，总处在频繁的动态过程中。
所以了解系统动态更为重要。
第二章过程特性及其数学模型9、为什么说放大系数 K 是对象的静态特性？而时间常数 T 和滞后时间τ 是对象的动态特征？答：在稳定状态时，对象一定的输入就对应着一定的输出。
这种特性称为对象的静态特征，而K 在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，所以放大系数是对象静态特性。
时间常数 T 和滞后时间τ 都描述的是达到稳态值前的过程，故是对象的动态特性。
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自动控制中的常用术语(2)
控制装置 这种能代替人对生产设备和工艺过程施加控制作 用的装置，称为自动控制装置或控制器。 受控对象 被控制的机器、设备或过程称为受控对象、被控 对象或对象。如提升机、回转窑、加热炉等等。 被控量 被控制的物理量称为被控量或输出量。 被控量是表征受控对象工作状态的物理量，即速 度、湿度、浓度、炉温、电压等。
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教材及主要参考书
《自动控制原理 》李玉惠 晋帆主编 向凤红主审 清华大学出 版社 2008
参考书 《自动控制原理 》陈玉宏 向凤红主编 重庆大学出版社 2002 《自动控制原理 》王建辉 主编 清华大学出版社 2006 《自动控制理论与设计》 上海交大出版社 徐薇莉等 《Automatic Control System》Benjamin C. Kuo （高教 出版社 ） 《现代控制工程》第四版。 美Katsuhiko Ogata著，卢伯英、 于海勋等译，电子工业出版社，2003.7
火炮随动控制
教育的目的应该使每个人都充 满梦想！
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高炮的控制系统（1945年）
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到了二十世纪40年代，尼可尔斯深入研究了PID （Proportion, Integral, Differential）调节问题。 他在MIT仅有的一台模拟机（又叫微分分析仪） 上做了大量的仿真实验，最后列出来了PID的 整定表。控制工程中，有一项工作历经60多 年，至今还在使用的，就是尼可尔斯编排的 这个PID整定表。
课程任务 任务：
1. 2.
掌握控制系统的基本理论 掌握控制系统的分析和设计方法
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课程基本内容
控制系统基本概念
物理系统建模方法
时域分析方法
复域分析方法
频域分析方法
系统校正
其他
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公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车
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V1 1787年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的 V2 离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。
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但瓦特离心调速器在调速过程中存在不稳定现象 （“设备变得发狂！”），当时并没有理论指导， 所有的努力都集中在改进调速器本身（重量、弹簧、 摩擦）。 J.C.Maxwell把调节器跟调节对象合在一 起，看作一个系统，1868年在论文“论调节器”中 首先解释了Watt速度控制系统中出现的不稳定问题， 通过线性常微分方程的建立和分析，指出了振荡现 象的出现与从系统导出的一个代数方程根的分布有 密切的关系，开辟了用数学方法研究控制系统运动 特性的途径。
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经典控制理论与现代控制理论比较
项目
研究对象
经典控制理论
线性定常系统 （单输入、单输出）
现代控制理论
线性、非线性、定常、 时变系统 （多输入、多输出）
描述方法
传递函数 （输入、输出描述） 根轨迹法和频率法
向量空间 （状态空间描述） 状态空间法
研究办法
中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。
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经典控制理论 现代控制理论 大系统理论 智能控制理论
线性控制理论 非线性控制理论 采样控制理论
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经典控制理论 以传递函数为基础,研究单输入—单输出一类定常 控制系统的分析与设计问题。 如：调节电压改变电机的速度； 调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。 这些理论发展较早，现已臻成熟。 现代控制理论 以状态空间法为基础，研究多输入—多输出、时变、 非线性一类控制系统的分析与设计问题。 如：汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏 板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。 计算机科学的发展，极大地促进了控制科学的发展。
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被控对象举例：
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自动控制中的常用术语(3)
给定量 决定被控量的物理量称为给定量或参考输入。给 定量表征被控量的期望值或受控对象的期望状态。 扰动量 妨碍给定量对被控量进行正常控制的所有因素称 为扰动量。 如果扰动量产生在系统内部称为内扰；扰动量产 生在系统外部称为外扰。给定量和扰动量都是自动 控制系统的输入量。
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1925年英国电气工程师O.亥维赛把拉普拉斯变换应用 到求解电路网络的问题上，创立了运算微积分，随后 被应用到分析自动控制系统的问题上，并取得了显著 的成就。 早期的载波电话失真严重，解决放大器的非线性累积 和无序振荡，成为电话远程传输的关键。1927年8月， 贝尔实验室的电气工程师布莱克(H.S.Black)在轮渡上 的灵光一现，催生了最实用的负反馈控制装置。负反 馈信号放大器获得了极好的线性度，解决电子管放大 器失真问题和自激振荡问题，极大地促进了电话的广 泛应用。
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信息化战争： 夺取信息优势是战争胜负的决定因素
重要原则：发现即摧毁
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控制发现即摧毁
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控制：通俗地说，控制就是使被 控对象按照我们预定的方式工作
灵感来自于长期的思考!
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1932年，Nyquist提出了一种根据系统的
开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭 环系统稳定性的方法。随后,H.W.Bode 和N.B.Nichols等在20世纪30年代末和40 年代初进一步发展了频率响应法。
1934年，Hezen提出了用于位置控制系统
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第1章 自动控制系统的基本概念
引言 1.2 开环控制系统和闭环控制系统 1.3 自动控制系统的基本构成 1.4 自动控制系统的分类和应用 1.5 对自动控制系统的基本要求
1.1
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1.1 引言
自动控制的自然系统和人造系统 自动控制理论发展简史 自动控制中的常用术语
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自动控制的自然系统和人造系统
人体自然系统
体温控制系统 心跳控制系统 眼球聚焦系统 新陈代谢系统 血液系统 呼吸系统 肾肝肺系统
这些系统持续的自动控制 是我们保持健康的基本条件。 这些系统是在人们非有意 识干预的情况下自动运行的。
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19世纪60年代，数字计算机的出现为复
杂系统的基于时域分析的现代控制理论 提供了可能。
从1960年到1980，确定性系统、随机系
统的最佳控制，及复杂系统的自适应和 学习控制，都得到充分的研究。
从1980年到现在，现信息工程与自动化学院自动化系
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自动控制中的常用术语(1)
控制 对于人-机系统，为使某一机器、设备或过 程处于希望的状态而对其进行的操作，称为控制。 人工控制 在人直接参与下完成的控制，称为人 工控制。 自动控制 指在无人直接干预下，利用物理装置使 被控对象或生产过程的某一物理量（如温度、压力、 pH值等）按照预期的规律运行。 例如矿井提升机速度的控制、水泥回转窑湿度 的控制、造纸厂纸浆浓度的控制、轧钢厂加热炉温 度的控制、物料传输机速度的控制、火炮和导弹的 自动跟踪与自动发射等等。
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智能控制 这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在 控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处 理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的 复杂的控制问题。 学派：结构派和功能派 它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然而 由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许多以 往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到 了人们极大的重视。
的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟 踪变化的输入信号的机电伺服机构。
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早期的防空火炮控制，一般需要 3 个 人来实施伺服控制， （一个方位角， 一个高低角，还有一个引信）。 1940年，同样来自贝尔实验室的年 轻的工程师帕金森用反馈控制方法， 解决了这个问题。当时，他是一个 低职位的工程师，让他承担的任务 是绕电位计，就在1940年春天的一 个晚上，他做了一个梦。他梦到既 然用电位计可以控制电压记录笔， 那么，它也应该可以控制火炮的发 射。他的这个梦，同样促进了自动 控制技术的发展。
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