第1章 控制系统的基本概念
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）……
自动控制原理范文
自动控制原理范文自动控制原理是指通过采集和反馈系统的状态信息，根据一定的规则和算法实现对系统的自动调整和控制的一种技术。
它是现代工业自动化和信息技术的基础，广泛应用于电力、化工、石油、冶金、机械、交通运输和航空航天等各个领域。
自动控制原理的核心思想是通过测量系统的输出信号，与期望的参考信号进行比较，然后根据误差信息去调整系统的输入信号，使系统能在预期的性能要求下工作。
本文将从控制系统的基本概念、自动控制系统的组成、控制系统的闭环和开环两种结构、PID控制器等方面进行详细讲解。
一、控制系统的基本概念1.控制系统：由被控对象、控制器、传感器和执行器等组成，用于实现对被控对象状态或行为的调节。
2.被控对象：指需要被调节或控制的对象，也称作控制对象或物理对象。
3.反馈系统：通过传感器采集被控对象的状态信息，并将其送回控制器进行处理，然后生成相应的控制信号输入到执行器中。
4.开环系统：指没有反馈链路的控制系统，控制器的输出仅与被控对象相关，而不与被控对象的状态信息有关。
5.闭环系统：指具有反馈链路的控制系统，通过采集被控对象的状态信息，与期望的参考信号进行比较，产生误差信号，然后经过控制器进行处理生成控制信号，调整系统的输入信号。
二、自动控制系统的组成自动控制系统主要由四部分组成：被控对象、传感器、控制器和执行器。
被控对象接受控制器输出的控制信号，并给传感器提供输入信号，传感器采集被控对象的状态信息，将其转换成电信号送回控制器进行处理，控制器对传感器采集的信息进行比较并生成控制信号，最后控制器的输出信号通过执行器对被控对象进行调节。
三、控制系统的闭环和开环两种结构1.开环控制系统：开环系统的特点是系统的输出不受外界干扰和错误影响，控制器的输出仅与输入信号有关。
开环系统无法动态调整，当系统受到外界扰动时无法及时做出调整。
2.闭环控制系统：闭环系统引入了稳定反馈机制，通过比较控制器输出信号与期望参考信号之间的误差，调整输入信号，实现系统的自动调整和稳定。
1—控制系统的基本概念1
分类法小结（补充28、29）
• 开环与闭环(Open-loop / Closed-loop)系统 • 线性与非线性 (Linear/Nonlinear)系统 • 集中参数与分布参数 (Lumped / Distributed Parameter)系统 • 时变与时不变 (Time-variant / Time-invariant or Stationary / Non-stationary)系统 • 确定性与随机(Deterministic / Random)系统 • 单变量与多变量 (Single variable / Multivariable or SISO / MIMO)系统 • 连续与离散(Continuous / Discrete)系统
§1-4 控制工程发展概况
控制工程是一门新型的技术科学，也是一 门边缘科学。它的理论基础是工程控制论。 早在一千多年以前，我国就先后发明了铜 壶滴漏计时器、指南针以及天文仪器等多种自 动控制装置，这些发明促进了当时社 会经济的发展。即使从1788年瓦特（J.Watt） 发明蒸汽机飞球调速器算起，控制工程也已有 了二百多年的历史。然而，控制工程作为一门 学科，它的形成并迅速发展却是最近五六十年 的事。
1.1.3 闭环控制系统的组成
§1-2 控制系统的基本类型
一、按输入量的特征分类 1.恒值控制系统 生产中温度、压力、流量、液面控制； 原动机速度控制、机床位置控制； 电力系统电网电压、频率控制 2. 程序控制系统
液位控制系统
§1-2 控制系统的基本类型
2. 程序控制系统（数字控制、计算机控制） 变化规律预知
不连续系统 (Discontinuous Variable System)
离散系统(Discrete Variable System)
第一章控制系统的基本概念
1．给定元件 主要用于产生给定信号或输入信号。例如，图1.2中电位计 里的可变电阻。 2．反馈元件 它测量被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便 于传输，主反馈信号多为电信号。因此，反馈元件通常是一些用 电量来测量非电量的元件。 必须指出，在机械、液压、气动、机电、电机等系统中存在 着内在反馈。这是一种没有专设反馈元件的信息反馈，是系统内 部各参数相互作用而产生的反馈信息流，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。内在反馈回路由系统动力学特性确定，它所 构成的闭环系统是一个动力学系统。 3．比较元件 用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差 值的偏差信号。例如，图1.2中的电位计。
准确地复现控制信号
的变化规律（此即伺
服的含义）。控制指
令可以由操作者根据
需要随时发出，也可
以由目标物或相应的 测量装置发出。
图1.7 液压仿形车床工作原理图
图1.7所示为液压仿形车床工作原理图。当阀心8处于图示中 间位置时，没有压力油进入液压缸前后两腔，液压缸不动。当阀 心偏离中位，例如向前伸出时，节流口2、4保持关闭，节流口1、 3打开，压力油经节流口3进入液压缸前腔，而其后腔的油液经 节流口1流回油箱，缸体带动刀具向前运动；同样，当阀心偏离 中位向后收缩时，节流口1、3关闭，2、4打开，压力油经节流 口2进入液压缸后腔，而缸前腔的油液则经节流口4流回油箱， 缸体带动刀具向后运动。图中，液压缸缸体和控制阀阀体连成一 体，形成液压缸运动的负反馈，使液压缸缸体与阀心的运动距离 和方向始终保持一致，所以液压缸缸体（刀具）完全跟随阀心 （触销8）运动。因此，这是一个随动（伺服）系统。
若参数配置不当，很容易引起振荡， 由11台小型电动机驱动
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
工程控制原理 章云
工程控制原理- 章云
一、控制系统的基本概念
1.1 控制系统的定义与分类
1.2 控制系统的发展历程与重要性
二、控制系统的数学模型
2.1 线性微分方程
2.2 传递函数与方块图
2.3 状态空间模型
三、控制系统的时域分析
3.1 稳定性分析
3.2 动态响应分析
3.3 稳态误差分析
四、控制系统的频域分析
4.1 频率特性
4.2 Nyquist图与Bode图
4.3 稳定性分析
4.4 性能指标估算
五、控制系统的稳定性分析
5.1 稳定性定义与条件
5.2 稳定性判据
5.3 不稳定性的影响与处理方法
六、控制系统的误差分析
6.1 误差定义与分类
6.2 误差传递与控制精度分析6.3 减小误差的方法与途径
七、控制系统的优化设计
7.1 最优控制问题概述
7.2 线性二次型最优控制问题7.3 极小值原理及其应用
7.4 动态规划及其应用
八、控制系统的工程实现
8.1 控制系统的硬件实现8.2 控制系统的软件实现8.3 控制系统的调试与维护。
1 控制系统的基本概念解析
xo (t ) 是否收敛。 右边 为零时（即齐次方程），
d n xo (t ) d ( n1) xo (t ) dxo (t ) an a a a0 xo (t ) 0 n 1 1 n n 1 dt dt dt
HG/T 20505-2000 《过程测量与控制仪表的功 能标志及图形符号》适用于化工自控专业的初步 设计/基础设计、工程设计/施工图设计中仪表位号 编制，监控系统原理图等设计工作。
（一）仪表位号
工艺管道及仪表流程图中每个系统、每台仪表都
有一个唯一的标识，这个标识叫作位号。
仪表位号由仪表功能标志与仪表回路编号两部
操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置。
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4、自动控制系统
作用：利用一些自动控制仪表及装置，对生
产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节，
使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，
能够自动地重新回复到规定的范围之内，从
而保证生产的正常进行。
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二、过程装备控制的任务和要求
i 1
i t
e it ( Ai cosi t Bi sin i t )
i 1
x o (t ) 0 ， 只有当实数根λ i，复数根的实部 σi 为负值时，有 lim t
系统稳定。否则系统是不稳定的。
控制系统稳定的充要条件
线性系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根均 具有负实部；或者说，闭环传递函数的极点均位于s平面的左
PID
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§1-4 控制系统的分类
按给定值的 不同特点
定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统 闭环控制系统 开环控制系统
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。
第1章 计算机控制系统概述
与RS232相比：速度快、传输距离远。
3.MODBUS总线
是MODICON公司为生产的PLC与外界通信而设计的一种通信协议。
（可通过24总线命令实现）
特点（3） ： 1）应用广泛：凡具有RS232/485接口的MODBUS协议设备都可以使 用本产品实现与过程现场总线（PROFIBUS）的互连。
监督计算机控制系统（Supervisory Computer Control, SCC）有两种不 同的结构形式：一种是SCC＋模拟调节器，另一种是SCC＋DDC控制系统。 1.SCC＋模拟调节器 如图1-6（a）所示，在该系统中，计算机对工业对象的各个物理量进行巡 回检测，并按生产过程的数学模型计算出最佳给定值，送给模拟调节器。 检测元件获得的测量值与该给定值进行比较后，得到的偏差经模拟调节器 分析计算后输出至执行机构，从而实现控制生产过程的目的。 2.SCC＋DDC控制系统 如图1-6（b）所示，该系统可看成是一种二级控制系统，SCC监督级的作 用是计算最佳给定值，送给DDC直接控制生产过程，它与DDC级计算机之 间通过接口进行信息交换。当DDC级计算出现故障时，可由SCC级计算代 替，因此，大大提高了系统的可靠性。
2）应用简单：用户不必了解PROFIBUS和MODBUS技术细节以及复 杂编程，用户只需参考本手册及提供的应用实例，根据要求完成配置， 即可在短时间内实现连接通信。 3）透明通信：用户可以依照PROFIBUS通信数据区和MODBUS通信 数据区的映射关系，实现PROFIBUS到MODBUS之间的数据透明通 信。
(4) 通信网络为开放式互连网络，可极其方便地实现数据共享；
(5) 技术和标准实现了全开放，面向任何一个制造商和用户。
1.4 计算机控制系统的控制规律
孙炳达版 《自动控制原理》第1章 自动控制系统的基本概念-1
1.1 自动控制的基本方式
3、复合控制方式 开环控制+闭环控制 两种结构：按输入信号补偿 按扰动信号补偿
1.1 自动控制的基本方式
4、控制方式比较 (1) 从系统组成结构看，开环控制方式简单，复 合控制方式复杂，闭环控制方式介于两者间； (2) 从性能看，开环控制方式较差，闭环控制方 式较好；复合控制方式最好；
+ 5 ΔU -5 功 率 放 大 器
1.1 自动控制的基本方式
方法一：人工控制 眼（观察） 脑（判断） 手（操作） 目的：减少或消除Δh
1.1 自动控制的基本方式
方法二：自动控制 受控对象：水池； 输出量：实际水位（h实）； 输入量：要求水位（h要）； 浮子——检测装置； 控制电源——检测Δh，转变为电信号； 电动机——执行机构； 干扰输入量：对系统输出起反作用的输入量， 例如功率放大器信号的飘移。
开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统 输出量即电动机转速并转换为电压。 反馈电压与给定电压比较 (相减)后，产生一偏差电压， 经电压和功率放大器放大后去控制电动机的转速。 当系统处于稳定运行状态时，电动机就以电位器滑动 端给出的电压值所对应的希望转速运行。 当系统受到某种干扰时(例如负载变大)，电动机的转速 会发生变化(下降)，测速反馈电压跟着变化(变小)，由于 给定电压值未变，偏差电压值发生变化(变大)，经放大后 使电动机电枢电压变化(提高)，从而电动机转速也变化(上 升)，以减小或消除由于干扰引起的转速偏差。
1.1 自动控制的基本方式
基本名词：
1 控制器：实现控制功能的装置； 2 被控对象：被控制的设备或机械； 3 被控量（输出量）：被控对象内要求自动控 制的物理量； 4 输入量：影响系统输出量的外界输入，包括 给定输入量和扰动输入量。
过程控制第1章_绪论
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§1-3 方块图与流程图
反馈： 闭环控制系统中，输出变量（或信号）沿着回路中的 信号流动方向总会返回到系统的输入端，与给定值进 行比较。这种把系统（或方块）的输出信号引回到系 统输入端的做法叫做反馈。
若反馈信号（被控变量测量值z）与给定值信号的方 向相反，即反馈信号z 取负值，则叫做负反馈。 测量信号与给定值信号方向相同，则叫做正反馈。 闭环控制系统是靠负反馈来达到控制的目的。 例：储槽液位控制系统；炉温控制系统
1
一、生产过程及其特点 连续生产过程主要有以下几种形式： 1 ．传热过程 通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温 度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换 热器 2 ．燃烧过程 通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力 和热源。典型设备：加热炉
2
一、生产过程及其特点 3 ．化学过程 由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的 产品的反应过程。典型设备：反应器
按被控变量的名称分类 温度，压力，流量，液位，成分等控制系统
按被控变量的数量分类 单变量控制系统，多变量控制系统
按控制器的控制规律分类 比例P控制系统，比例积分PI控制系统，比例微积分PID 控制系统 按控制系统的结构分类 反馈控制系统，前馈控制系统，前馈-反馈控制系统，
21
二、过程控制系统的分类
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§1-3 方块图与流程图
图1-7 液体贮槽的工艺控制流程图
图中所示，工艺控制流程图主要是由工艺设备、 管道、元件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等 图形符号组成。
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§1-3 方块图与流程图 仪表图形符号： 仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所 处理的被测变量和功能，还可以表示仪表或元件 的名称。 仪表图形符号是直径为12mm的细实圆圈， 并在其中标有仪表位号。 仪表位号由字母代号和数字编号组成，如下例所示：
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。
国家开放大学 机电控制工程基础 第1章 控制系统的基本概念自测解析
一、单项选择题（共20道题，每题3分，共60分）题目1:产生与被控制量有一定函数关系的反馈信号的是（）选择一项：a. 校正元件b. 比较元件c. 控制元件d. 反馈元件正确答案是：反馈元件题目2:产生控制信号的是（）选择一项：a. 反馈元件b. 校正元件c. 控制元件d. 比较元件正确答案是：控制元件题目3:以下（）是随动系统的特点。
选择一项：a. 输出量不能够迅速的复现给定量的变化b. 输出量不能够准确复现给定量的变化c. 给定量的变化规律是事先确定的d. 输出量能够迅速的复现给定量的变化正确答案是：输出量能够迅速的复现给定量的变化题目4:以下（）的给定量是一个恒值。
选择一项：a. 无静差系统b. 脉冲控制系统c. 恒值控制系统d. 有静差系统正确答案是：恒值控制系统题目5:反馈控制系统通常是指（）选择一项：a. 负反馈b. 混合反馈c. 干扰反馈d. 正反馈正确答案是：负反馈题目6:如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，这样的系统一定是（）选择一项：a. 正反馈环控制系统b. 复合反馈系统c. 开环控制系统d. 闭环控制系统正确答案是：开环控制系统题目7:开环控制系统的精度主要取决于（）选择一项：a. 系统的校准精度b. 校正元件c. 反馈元件d. 放大元件正确答案是：系统的校准精度题目8:数控机床系统是由程序输入设备、运算控制器和执行机构等组成，它属于以下（）选择一项：a. 随动控制系统b. 程序控制系统c. 开环系统d. 恒值控制系统正确答案是：程序控制系统题目9:根据控制信号的运动规律直接对控制对象进行操作的元件是（）选择一项：a. 校正元件b. 反馈元件c. 比较元件d. 执行元件正确答案是：执行元件题目10:没有偏差便没有调节过程，通常在自动控制系统中，偏差是通过（）建立起来的。
选择一项：a. 校正元件b. 放大元件c. 反馈d. 控制器正确答案是：反馈题目11:用来比较控制信号和反馈信号并产生反映两者差值的偏差信号的元件是（）选择一项：a. 比较元件b. 校正元件c. 反馈元件d. 控制元件正确答案是：比较元件题目12:输入量为已知给定值的时间函数的控制系统被称为（）选择一项：a. 恒值控制系统b. 有静差系统c. 程序控制系统d. 脉冲控制系统正确答案是：程序控制系统题目13:输入量为已知给定值的时间函数的控制系统被称为（）选择一项：a. 有静差系统b. 程序控制系统c. 随动系统d. 恒值控制系统正确答案是：随动系统题目14:输出端与输入端间存在反馈回路的系统一定是（）选择一项：a. 有差控制系统b. 闭环控制系统c. 开环控制系统d. 正反馈环控制系统正确答案是：闭环控制系统题目15:（）是指系统输出量的实际值与希望值之差。
第一章 控制系统的基本概念
而能够直接获取的信息是被控变量的测量值。因此，通常把给定 值与测量值的差作为偏差，即 e = y s－y m。在反馈控制系统中， 调节器根据偏差信号的大小去控制操纵变量。 控制信号 u 控制器将偏差按一定规律计算得到的量。
1.4 控制系统系统的分类
自动控制系统的分类方法有很多。例如，按被控变量的不同， 可以分为温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统、液位控制 系统、成分控制系统等。按调节器的控制规律来分类，可分为比例 控制系统、比例积分控制系统、比例微分控制系统、比例微分积分 控制系统等。但是，在分析自动控制系统的特性时，常常采用下述 几种分类方法。
（3）自动操纵系统 ： 这是一种根据预先规定的程序， 自动的对生产设备进行某种周期性操作，极大地减轻操 作人员的繁重或重复性体力劳动的装备。例如，合成氨 造气车间煤气发生炉的操作就是按照程序自动地进行的， 如自动进行吹气、上吹、下吹制气、吹净等步骤，周期 性地接通空气与水蒸气实现自动操纵。 （4）自动控制系统： 利用一些自动控制仪表及装 置，对生产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节， 使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，能够自动 地重新回复到规定的范围内，从而保证生产的正常进行。
过程装备控制技术 及应用
过控教研室
前
言
《过程装备控制技术及应用》课程是经全国高等学校化工类及 相关专业教学指导委员会化工装备教学指导组讨论决定，确定为 “过程装备与控制工程”专业的核心课程之一。本专业学生通过该 课程的学习，可以将过程机械、计算机自动测试、控制、自动化等 方面的知识有机地结合在一起，培养学生成为掌握多学科知识与技 能的复合型人才。
比较自动控制与人工控制：在自动控制系统中，测量仪表,控制 仪表，自动调节阀分别代表了人工控制中人的观察，思考和手动操 作，因而大大降低了人的劳动强度；同时由于仪表的信号测量、运 算、传输、动作速度远远高于人的观察，思考和操作过程，因此自 动控制可以满足信号变化速度快，控制要求高的场合 。 1.2.2 控制系统的组成 从上面锅炉汽包水位的自动控制系统中可以看出，一个自动控 制系统主要由两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制 系统，它包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部 分是自动控制装置下的生产设备，即被控对象如锅炉、反应器、换 热器等。图1－1（b）中，锅炉、差压便送器、调节器、执行器等 构成了一个完整的自动控制系统。系统各部分的作用如下。 被控对象 ：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备 或机器称为被控对象，简称对象。在化工生产中，各种塔器、反应 器、泵、压缩机以及各种容器。贮罐、贮槽、甚至一段输送流体的 管道或复杂塔器（如精馏塔）的某一部分都可以是被控对象。图1 －1的锅炉即为汽包水位控制系统中的被控对象。
自动控制原理第一章绪论控制系统的一般概念
模糊控制 神经网络
智能控制理论
遗传算法
温度计
炉子 电热丝
调压器 220
自动控制
炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
u
ub
ur
电压 放大器
电动机
功率 +
放大器 _E
减速器 调压器
220
二.自动控制要解决的基本问题
自动控制是使一个或一些被控制 的物理量按照另一个物理量即控制量 的变化而变化或保持恒定，一般地说 如何使控制量按照给定量的变化规律 变化，就是一个控制系统要解决的基 本问题。
缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
适用场合：系统元件参数变化和扰动无法预计的场合。
§3 反馈控制系统的组成
校正元件：基于偏差信号按一定函数规律产生供执行元件执行的 控制命令对系统进行校正以改善系统的动态和静态性能
如：由放大器、电阻、电容组成的具有预定传递函数的电路。 执行元件：也称执行器。用来执行校正元件产生的控制命令，以便
• 闭环控制(closed-loop control)
闭环控制工作原理： 外部作用：
给定量：使 c跟踪r 干扰量：使 c偏离r
控制目的：排除干扰因素、影响、使被控量随给定量变化。
1)、有反馈，能够成闭回路 是按偏差控制的、
2)、偏差信号起控制作用
具有负反馈的闭环系统
优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修 正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精 度高。
• 被控变量：简称被控量，指被控对象输出需按控制要 求变化的物理量，在单输出系统中，也就是系统得输 出量。
• 控制通道：控制变量通过被控对象（被控过程）到控 制系统输出的通道。
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
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第1章 控制系统的基本概念
1.2 控制系统的基本类型
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
1.3 对控制系统的基本要求
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
1.4 控制工程的发展
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
反馈控制系统至少应具备检测、比较和执行三个基本功能
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
1.5 控制工程理论在现代制造业中的应用
制造业是“永远不落的太阳”
是现代文明的支柱之一，既古老，又年轻。 “劳动创造了人类”，而劳动是从制造工具开始的。 “人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。”
同信息技术的交融是现代制造业的发展方向
第1章 控制系统的基本概念
课程内容
第1章 控制系统的基本概念 第2章 数学模型
第3章 时域瞬态响应分析
第4章 控制系统的频域特性
第5章 控制系统的稳定性分析
第6章 控制系统的设计和校正
第1章 控制系统的基本概念
1.1 控制系统的工作原理及其组成 1.2 控制系统的基本类型
1.3 对控制系统的基本要求
1.4 控制工程的发展
1.5 控制理论在机械制造工业中的应用
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
1.1 控制系统的工作原理及其组成
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念
第1章 控制系统的基本概念