控制技术与系统

1、自动控制系统的工作原理如下：检测输出量的实际值;将实际值与给定值（输入量）进行
比较得出偏差值；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。

作为反馈控制系统至少应具备测量、比较（或计算）和执行三个基本功能。

2、自动控制系统是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。

3、实际的控制系统，根据有无反馈作用可以分为开环控制系统与闭环控制系统以及他们两
者的结合——复合控制系统.
4、开环控制系统是由前馈通路构成，用一定的输入量产生一定的输出量，控制系统的输出
量是被控制量。

开环控制系统精度较低，系统简单，成本廉价，一般都能稳定可靠地工作，因此对于要求不高的系统可以采用。

5、闭环控制系统是由前馈通路和反馈通路构成，反馈控制系统必是闭环控制系统。

其特点
是：控制精度高，抗干扰能力强，由于原件的惯性，若参数配置不当，很容易引起震荡，使系统不稳定，而无法工作.闭环控制系统由给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件、校正元件这几部分组成.
6、复合控制系统实质上是在闭环控制系统的基础上，附加一个输入量或干扰作用的前馈通
路来提高控制精度。

前馈通路通常由对输入量的补偿装置或对干扰作用的补偿装置组成，分别称为按输入量补偿和按干扰作用补偿的复合控制系统。

此外,前馈通路的引入，对闭环系统的性能影响不大,但却可以大大提高系统的控制精度。

7、控制系统按输入量特征分：恒值控制系统、程序控制系统和随动系统；按系统中传递信
号的性质分：连续控制系统、离散控制系统。

8、控制系统的控制方法：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、智能控制、计算机控制。

9、控制系统的要求：稳定性、精确性、快速性、安全性.
10、对系统的分析可以采用时域分析法或频域响应法，典型的输入信号:阶跃函数、脉冲函
数、斜坡函数和正弦函数。

控制系统从开始有输入信号起到系统输出量达到稳定之前的响应过程称为过渡过程，也叫动态过程,其系统的动态性能指标有：延迟时间、上升时间、峰值时间、调节时间、超调量、振荡次数、峰值百分比超调量.稳态误差不仅反映了控制系统稳态性能的好坏，而且是表征控制系统精度的重要技术指标。

11、低压电器通常指工作在交、直流电压1200v以下电路中的电气设备。

常用低压电器：接
触器、继电器、固态继电器、接近开关.
12、接触器是在正常条件下，主要用作频繁地接通或分断交、直流主电路，且可远距离控制
的电器。

其主要控制对象是电动机,也可以用于控制其他电力负载，如电热器、电焊机、电容器和照明器件
13、继电器是一种根据特定形式的输入信号而动作的可控电器，它与接触器不同，主要用于
反应控制信号，其触点通常接在控制电路中,它广泛用于自动装置、遥控、遥测、通信设备及电力系统的继电保护电路。

14、固态继电器是用半导体构成的无触点继电器,比一般的有触点电磁继电器具有很有优点：
寿命长、工作频率高、可靠性高、使用安全、对外电磁干扰小.
15、当运动物体靠近开关到一定位置时,开关发出信号，达到行程控制或计数控制作用。

16、控制执行电动机常用的有交流伺服电动机,直流伺服电动机、测速发电动机、步进电动
机、力矩电动机等
17、伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，把输入的电压信号（控制信号）变换成为
转轴的角位移或角速度的输出。

改变控制电压可以变更伺服电动机的转速及转向。

18、伺服电动机可以分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。

其基本要求：宽广的调
速范围、机械特性和调节特性均为线性（有利于提高自动控制系统的动态精度)、无“自转"现象、快速响应。

19、直流伺服电动机(他励式）有传统式结构和低惯量两大类。

20、电枢控制直流伺服电动机工作原理：当励磁电压恒定，负载转矩一定时，升高电枢电压，
电动机的转速随之增高.若电枢电压为零，电动机停转。

当电枢电压
极性改变后，电动机的旋转方向也随之改变。

因此把电枢电压作为
控制信号，就可以对电动机转速进行控制，电枢绕组称为控制绕组。

对于电磁式直流伺服电动机,采用电枢控制时，其励磁绕组由外施恒
压的直流电源励磁；而永磁式直流伺服电动机则由电磁磁极励磁。

21、机械特性是控制电压恒定时,电动机转速随转矩变化的关系，调节特性是指转矩恒定时，电动机的转速随控制电压的关系。

22、直流伺服电动机的动态特性是指在电动机的电枢上外施阶跃电压时，电动机转速的增长过程。

23、在电动机磁路为不饱和和略去负载时电枢反应磁通势的影响,电枢控制时直流伺服电动机的机械特性和调节特性是一组平行直线,而交流伺服电动机所不及。

交流伺服电动机实际上是一种小型的两相交流异步电动机，在小功率随动系统中得到广泛应用。

24、步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。

25、步进电动机的步距角和转速不受电压波动和负载变化影响,也不受环境条件影响，仅与脉冲频率有关。

它每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下，其步距误差不会长期累积.它适合在数字控制的开环系统中驱动电机，并使系统极大简化。

26、步进电动机按运动形式分为旋转式步进电动机和直线步进电动机.通常使用的有反应式、永磁式和永磁感应子式旋转型步进电动机三种。

27、步进电机与伺服电机在控制上，前者是电脉冲信号控制,后者是电压控制;在应用上，前者适合在数字控制的开环控制系统，后者适合闭环控制系统.在结构上，前者多相结构，后者是由励磁，控制绕组组成。

28、定子上有六个极，每极上装有控制绕组，每两个相对的极组成一相。

转子是四个均匀分
布的齿，上面没有绕组。

（控制绕组通电时，磁通总是要沿着磁阻最小
的路径闭合，因此会在电磁吸力的作用下驱动转子的某个齿与定子极
对齐），A-B —C-A 循环通断电，电动机便按一定方向转动。

电动机的转
速直接取决于控制绕组与电源接通或开端的变化频率。

定子控制绕组
每改变一次通电方式，称为一拍，此时，电动机转子所转过的空间角
度称为步距角。

29、步进电动机通电方式有三相单三拍（步距角为30度），三相双三拍（步距角为30度），三相单、双六拍（步距角为15度），其通电方式:A —AB —B —BC —C-CA
30、步进电机的步距角的大小是由转子的齿数、控制绕组的相数（即控制绕组的极对数）和通电方式所决定的。

其关系为:0360s r mz C
θ=（C 为状态系数，单三拍或双三拍时C=1；单、双六拍时C=2）；若步进电动机通电的脉冲频率为f ，则步进电动机的转速为:60r f n mz C
=。

31、电动调节阀是电动执行机构和调节阀固定连接在一起的成套执行机构，它以调节仪表的输出作为输入信号，通过执行机构的动作，改变调节阀的开度，调节管道内的流量，达到自动控制。

360
s r mz C θ=
32、调节阀通过改变阀芯的行程来改变阀的阻力系数，从而达到调节流量的目的。

33、电动调节阀的工作原理：电动执行机构输出推力,推动阀杆部件移动,带动与阀杆连接在一起的阀芯移动,从而改变阀芯与阀座之间的流通面积，最终改变阀的阻力系数及流量。

34、电磁阀是用电磁铁来推动阀门的开启与关闭动作的电动执行器件.执行机构（电磁铁）和阀体是电磁阀不可分割的组成部分。

电磁阀的特点：结构紧凑、体积小、重量轻、动作可靠、维护方便、价格便宜等特点。

电磁阀一般只作开闭两位控制，不能满足较高的调节精度要求，通常适宜用在精度要求较低的调节系统与运控装置中。

35、电磁阀在液路系统中用来实现液路的通断或液流方向的改变，它一般具有一个可以在电磁力驱动下滑动的阀芯，阀芯在不同的位置时，电磁阀的通路也就不同。

阀芯的工作位置有几个，该电磁阀就叫几位电磁阀。

阀体上有几个接口(通路口），该电磁阀就叫几通电磁阀。

36、控制器输出与偏差信号之间的函数关系称为控制规律.在控制器输出稳定之前，偏差e ∆与输出P ∆之间的相互关系，称为控制器的动态特性。

在控制器上施加恒定的偏差，经过一段时间,控制器的输出达到稳定，偏差e ∆与输出P ∆的相互关系称为控制器的静态特性.
37、常用的控制规律有比例控制规律（P ）、积分控制规律（I)、比例积分控制规律（PI)、比例微分控制规律（PD ）、比例积分微分控制规律（PID ）等.
38、比例控制规律(P ）：比例控制是按被控参量偏差方向及其大小成比例地改变控制机构，即偏差大，控制量也大；偏差小,控制量也小。

其特点:作用快（无滞后)，有静差（扰动出现后，比例控制的结果使被控参量不能回到给定值，而只能恢复到给定值附近,控制器已不再动作,但偏差还没有完全消除，因而造成了系统的静态偏差，简称静差），比例带(来表示比例控制器比例作用的强弱，对于某一给定系统，当负荷变化时，静态偏差的大小与比例带δ有关，δ愈大，静差愈大;δ愈小,静差也小）
39、积分控制规律（I):积分控制规律就是控制器的输出变化量与输入偏差随时间的积分成正比的控制规律，即控制器输出的变化速度与输入偏差的大小成正比。

所以只要有偏差，控制器输出的变化速度就不等于零，当偏差为零时，输出就保持不变,可见,积分作用能消除静差（001t t I I
P K edt edt T ∆=∆=∆⎰⎰）（I K 积分增益，I T 积分时间常数） 40、积分时间常数I T 表示积分速度的快慢.当输入偏差信号e ∆作阶跃变化时：
00111t t I I I
P edt Adt A t T T T ∆=∆==⨯⨯⎰⎰（A 为阶跃变化幅度） 41、积分控制的特点：能消除静差(积分控制输出的控制信号和输入偏差之间没有一一对应关系），控制动作相对缓慢(积分控制对扰动具有较强的抗干扰能力).
42、微分控制规律：比例控制规律和积分控制规律都是根据被控参量与给定值的偏差动作的，而微分控制规律则是根据偏差的变化趋势来动作的。

微分控制规律可以在偏差的变化前面采取措施,当发现偏差有迅速发展的趋势，即施加一个较大的控制作用予以抑制，以减小偏差的变化幅度，改善控制品质.（D d e P T dt
∆∆=，D T 为微分时间） 43、微分控制的特点：微分控制作用是根据偏差的变化速度来控制的，所以它的输出快.纯微分作用还达不到消除偏差的目的。

44、比例积分控制(PI ）：比例积分控制规律即具有比例控制动作，又具有积分控制动作。

比例作用快，但不能消除静差.积分作用稍慢于比例作用,但最终可以消除静差。

积分作用就相
当于在比例控制之后，再自动进行调整。

（01
()t
P I P I P P P K e edt T =+=∆+∆⎰) 45、比例积分控制的特点:能消除静差（由于积分作用，只要有偏差存在,控制器就能使输出朝着减小偏差的方向，以一定的速度增加或减小），积分作用强弱,用积分时间I T 来衡量(积分时间愈小,积分作用越强。

组成系统之后，消除静差的速度也就越快，但越容易产生振荡），系统若进入稳定状态，输出可能不稳定，这时输出的变化仅仅取决于外界条件的影响.
46、比例微分控制（PD)：比例微分控制器的控制动作时比例控制与微分控制二者之和（()P D P D d e P P P K e T dt
∆=+=∆+（微分控制的超前作用,总是阻止被控参量偏差的增长)。

47、比例积分微分（PDI ）控制：具有比例(P)、积分（I ）、微分（D)三种控制规律的控制器，简称PID 控制器（01
()t P I D P D I d e P P P P K e edt T T dt
∆=++=∆+∆+⎰）。

48、PID 控制器在控制开始时,微分先起作用,使输出信号发生突然的大幅度变化，同时，比例也起作用进行控制，使偏差幅度减小,，接着积分起作用，慢慢地把静差消除。

49、控制器的选用根据两个方面：一是控制对象特性；二是生产过程对控制系统的要求。

50、DDC （Direct Digital Control ）控制的主要任务就是设计一数字控制器()D z ，其方法通常有两种：用经典控制理论设计模拟控制器()D s ，然后在DDC 系统中.用数字方法对()D s 进行数字模拟；用采样控制理论进行数字直接分析和设计。

51、增量式控制的优点:计算机只输出增量,误差动作影响小；算式中不需要累加，增量只与最近几次采样值有关；任何故障，或者切换时，冲击小。

52、所谓模糊控制，就是在被控制对象的模糊模型的基础上,运用模糊控制器的近似推理等手段，实现系统控制的一种方法。

模糊模型是用模糊语言和规则描述的一个系统的动态特性及性能指标。

53、模糊控制具有以下几个特点：不需要知道被控对象(或过程）的数学模型;易于实现对具有不确定性的对象和具有强非线性的对象进行控制;对被控制对象特性参数的变化具有较强的鲁棒性；对于控制系统的干扰具有较强的抑制能力。

54、集合是具有共同特征的群体的称谓。

设U 表示被研究对象的全体，称之为论域，又称为全域或全集。

U 中的每个对象称之为个体，用变量u 表示。

对于U 中的一个子集A ，可用它的特征函数来表示：u A ∈时，()1A X u =,u 不属于A 时，()0A X u =。

55、模糊集合定义为：给定论域U 中的一个模糊集A ，是指任意u U ∈，都为其指定一个数
[]()0,1A u μ∈与之对应，这个数叫做u 对A 的隶属度。

56、模糊控制的基本思想是计算机或其他装置模拟人对系统的控制过程。

模糊控制的步骤：
(1）输入的模糊化：将系统中得到的精确值转化成模糊集;(2）模糊决策：利用一定的控制规则进行推理，得到控制作用的模糊集。

（3）输出的清晰化：将控制作用的模糊集按一定的规则转化成精确值，最终作用于被控对象。

57、自动控制系统按被控变量的时间特性可以分为两大类型.一类是连续量的控制系统,这类
控制系统在时间特性上表现为连续量，反馈控制为这类控制系统的主流，包括定值控制系统、随动控制系统等。

另一类是断续量的控制系统,这类控制系统在时间特性上表示离散量，这类控制系统以顺序控制为主流，包括时间顺序控制系统、逻辑顺序控制系统和条件顺序控制系统等。

58、时间顺序控制系统是固定时间程序的控制系统它以执行时间为依据，每个设备的运行或停止与时间有关。

其特点：各设备运行时间是事先已确定的,一旦顺序执行，按预定的时间执行操作指令。

59、逻辑顺序控制系统按照逻辑先后顺序执行操作指令，它与时间并无严格关系。

在这类控制系统中，执行操作指令的逻辑顺序关系不变，因此，称这类控制系统是逻辑顺序控制系统。

60、条件顺序控制是以执行操作指令的条件是否满足为依据，当条件满足时,相应的操作就被执行，不满足时,将执行另外的操作。

61、顺序控制系统由五部分组成:输入接口（实现输入信号电平转换）、控制器（具有记忆功能，能实现所需的控制运算功能）、输出接口（实现输出信号的功率转换）、检出检测器(检出或检测被控对象的状态信息）、显示报警装置。

62、顺序控制实现的方案有采用继电器组成逻辑控制系统：其控制功能全部由硬件完成,即通过普通继电器、时间继电器、接触器等的触点的开闭实现顺序逻辑功能。

这类系统使用故障较多，使用寿命较短，噪音大，频率低，功耗大，有电磁干扰。

晶体管的无触点逻辑控制系统：用晶体管的通断代替继电器触点的开闭,避免了机械运动，可靠性大大提高.同时晶体管、晶闸管等器件的使用寿命较继电器的触点使用寿命长，因此控制系统寿命更长。

也是用硬件组成顺序逻辑功能，更改也不很方便.采用功能模块的结构，部件的更换和维修较继电器顺序逻辑控制系统要方便.
可编程序控制器的逻辑控制系统：它用软件完成顺序逻辑功能，用计算机执行操作命令，实施操作。

由于逻辑功能由计算机软件实现，因此的更改十分方便,并具有更高可靠性和运算速度。

计算机组成的逻辑控制系统：指在集散控制系统或工控机中实现顺序逻辑控制功能的控制系统,多用于顺序逻辑控制和连续控制相结合的复杂项目。

在这类控制系统中，包括连续量和开关量的控制，信息可在上位机和现场控制器、执行机构之间相互传送。

63、可编程控制器（PLC）是一种计算机化的自动控制装置,其优点：可靠性高；适应性强，应用灵活；编程简单，容易掌握；控制系统设计、安装、调试方便、工作量少；维修方便，维修工作量小；体积小,能耗低。

64、PLC采用循环扫描工作方式（PLC中，用户程序按先后顺序存放,CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。

如此周而复始不断循环。

），而微机一般采用等待命令的工作方式.PLC运行时,顺次扫描各输入点的状态,按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。

整个工作过程可分为五个阶段：自诊断,与编程器、计算机等通信,输入采样，用户程序执行，输出刷新.
65、PLC与计算机的区别:PLC是针对工业环境的控制而设计的;PLC比CPU更侧重于逻辑运算；PLC的输入输出接口与计算机不同.
66、对工业连续生产过程的自动控制，称为过程系统。

被控量主要是温度、压力、流量、料位和成分等。

过程控制系统通常要求保持被控参数为某一确定值或按照某一定规律而变化。

67、过程控制系统的特点：被控参数受外界条件及各参数间相互影响；输入、输出一般有惯性滞后；被控对象往往存在非线性特性.
68、过程控制系统的设计工作的实质：依据不同的对象特性及控制系统的性能指标，确定控制方案，并设计控制器.利用常规模拟仪表来实现自动控制功能,称其为常规过程控制.随着计算机技术的发展,已将计算机用于过程控制系统,称之为计算机过程控制系统.
69、过程控制系统由被控对象、传感器、变送器、控制器和执行机构组成。

过程控制系统按定值的形式分类：定值控制系统（要求被控参量保持在规定小范围不表，取设定值为固定值）、随动控制系统（要求被控参数跟随某一无规律变化的参量而变化，设定值为无规律变化值）、程序控制系统（若要求被控参数依照工艺需要按一定规律变化,则设定值是有规律变化的）。

70、过程控制系统按被控参数分类：温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等。

按控制装置结构类型分类：仪表装置型控制系统、集散控制型控制系统、工业控制机型控制系统、远程I／O 型控制系统、现场总线型控制系统.
71、集散型控制系统DCS也称为分散控制系统，它综合了计算机技术、通信技术、CRT显示技术和过程控制技术，合理地吸取了常规仪表控制系统和计算机直接数字控制系统的优点,有效地克服了两者的不足，实现了操作、监视、管理的纵向分级集中以及控制,危险横向分散。

72、集散控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种控制系统。

73、集散控制系统一般由集中管理部分、分散控制部分和通信部分组成。

74、集散控制系统基本结构主要包括：基本控制单元、CRT操作站、高速数据公路、监控计算机等.
75、集散控制系统的特点:可靠性高、控制功能完善、具有管理功能、构成系统方便灵活、高度集中的操作显示功能、性能价格比高、实现了分散控制、实现了集中监视与操作、系统扩展方便、。