第一章 反馈控制系统实例
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
《反馈控制原理》课件
系统复杂性与可维护性
总结词
随着反馈控制系统变得越来越复杂，系统的可维护性和可靠性成为亟待解决的问题。
详细描述
随着系统规模的扩大和组件的增多，反馈控制系统的复杂性也随之增加，这给系统的维护和故障排查 带来了挑战。为了提高系统的可靠性和稳定性，需要加强系统的可维护性和故障预防措施，同时优化 系统架构和组件之间的交互方式。
STEP 02
STEP 01
稳定性的分类
稳定性的定义
如果一个系统受到扰动后 能够回到原来的平衡状态 ，则称该系统是稳定的。
STEP 03
稳定性判据
常用的稳定性判据有劳斯 判据、赫尔维茨判据和奈 奎斯特判据等。
根据系统响应的不同，稳 定性可以分为线性稳定性 和非线性稳定性。
动态响应分析
动态响应的定义
系统在输入信号的作用下，从初始状态变化到最终状 态的过程称为动态响应。
动态响应的分类
根据系统响应的快慢，动态响应可以分为瞬态响应和 稳态响应。
动态响应的性能指标
常用的性能指标有超调量、调节时间和稳态误差等。
误差分析
01
02
03
误差的定义
实际输出与期望输出之间 的差值称为误差。
误差的分类
根据误差的性质，误差可 以分为随机误差和系统误 差。
反馈控制概念
反馈控制原理的核心在于通过不断获取系统的状态信息，与期望状态进行比较，并采取 相应的调整措施，以实现系统的稳定和性能优化。
反馈控制的重要性
提高系统稳定性
通过反馈控制，系统能够 及时发现并纠正偏差，提 高系统的稳定性和可靠性 。
优化系统性能
通过反馈控制，系统能够 不断调整自身状态，以适 应外部环境变化，提高系 统性能和效率。
第一章 反馈控制原理
第一章 反馈控制原理
+ + E + _
+
电位器
电 压 _ 放大器
功 率 放大器
n
Mc
_
电动机
+
负载
_
测速发电机
设上述系统原已在某个给定电压 ug 相对于的转速 n 状态下运 行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速 下降时，系统就会自动地产生调整过程
第一章 反馈控制原理
闭环控制的优点——抑制扰动能力强，与开环控制 相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和 控制精度。 闭环控制的缺点——但是引入反馈增加了系统的复 杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产 生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制 理论和系统设计必须解决的重要问题。
奠定基础20世纪经典控制论3040年代奈奎斯特提出系统稳定性的频率判据奈氏图奈氏判据从时域分析转到频域分析1940年伯德在频率法中引入对数坐标系伯德图1942年哈里斯引入传递函数概念1948年伊万恩提出根轨迹分析方法1949年英国人维纳在火炮控制中发现了反馈的概念出版了控制关于在动物和机器中控制和通讯的科学发现了控制论是信息反馈与控制三个基本要素奠定了控制论的基础50年代中期添加了非线性系统理论和离散控制理论形成了完整的理论体系
自动控制理论主要研究闭环控制系统
第一章 反馈控制原理
三、自动控制系统的基本组成
1、组成
r (t )
扰动 给定 元件
＋
比较 环节 偏差 信号e
参考输入
－
串联 校正元件
＋ －
放大 元件
执行 元件
被控 对象
c(t )
输出量
主 反 馈 信 号
单回路反馈控制系统
第一篇过程控制系统第一章单回路反馈控制系统简称：单回路控制系统、简单控制系统在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。
在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能解决大量控制问题的系统（70%）。
研究单回路系统的分析和设计方法，是研究复杂控制系统的基础。
1.1 单回路系统的结构组成一、系统的组成举例：如图所示的水槽，流入量F1、流出量F2,为了控制水槽的液位1不变，选择相应的变送器、控制器、控制阀，并按左图组成单回反馈控制系统。
图1-1水槽图1-2水槽液位控制系统注：LC表示液位控制器，sp代表控制器的给定值。
假定控制阀为气闭，控制器为反作用。
偏差：测量信号与给定值之差。
当测量值大于给定值时，偏差为正，反之为负。
第一种情况（初始状态：平衡状态F1=F2 ）入口阀突然开大一F1>F2 f Lf -正偏差f 输出减小f 控制阀t f F2 ff L |fF1=F2 f系统达到新的平衡入口阀突然开小f F1<F2 fL | f负偏差f输出增大f控制阀I f F2 1f L f f F1=F2 f系统达到新的平衡第二种情况初始状态:平衡状态F1=F2 ）出口阀突然开大fF2>F1fL |f 负偏差f 输出增大f控制阀IfF2 1f Lff F1=F2 f系统达到新的平衡出口阀突然关小f F1>F2 f L f -正偏差f 输出减小f 控制阀t f F2 f f L | f F1=F2 f 系统达到新的平衡几点说明：(1)图中的各个信号值都是增量初始状态为零；图中箭头表示的是信号流向，而 不是物料或能量的流向。
(2)各环节的增益有正、负之别：控制器：正作用时增益为负”反作用时增益为正” 控制阀：气开阀增益为正” 气闭阀增益为负”变送器：一般为正”控制对象：根据操纵变量Q(S)的变化引起被控变量丫 (S)的变化来确定Q(S) ffY(S) f 增益为正”反之为负，上例中当控制阀装在出口处时，对象增益为 负”； 当控制阀装在人口处时，对象增益为正整个系统必须是一个负反馈系统，因此自R(S) 至X(S)的各个环节增益的乘积必须是正值。
第一章船舶反馈控制系统基础课件
执行机构（执行器）：接受控制器送来的控制信号，作用 于被控对象，实现实际控制作用。
气动系统：气动薄膜调节阀、气动活塞式调节阀
电动系统：采用伺服电机
第一章船舶反馈控制系统基础
1.反馈控制系统的组成
• 反馈控制系统
• 用自动化仪表代替人的感知器官 • 调节器代替人的大脑 • 执行机构代替人的双手操作
第一章船舶反馈控制系统基础
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主 机
淡水泵
眼
温度变送器
脑 调节器
三通阀
海水出口
冷却器
海水入口
柴油机气缸冷却水温度自动控制过程 第一章船舶反馈控制系统基础
手 执行机构
1.反馈控制系统的组成
§1-1
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
• 系统的输入与输出：将各个基本环节看作一个整 体 ，如下图，虚框外具有两个输入、一个输出。
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
• 反馈：系统输出的变化经测量单元送回到系统的输入 端，这个过程叫反馈。符号“”是一个比较算子，得 到偏差值。
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
基本扰动 外部扰动
• 扰动：引起被控量变化的因素统称为扰动。
• 基本扰动：来自控制系统内部控制通道（调节通道）的扰 动。如：给水调节阀开度的改变、三通调节阀开度的改变 将等
• 外部扰动：来自系统外部环境的扰动。如：锅炉负荷（外 部用汽量）的变化将引起水位的变化；柴油机负荷的变化、 海水温度的变化；淡水冷却器中水管结垢的多少等都会引 起冷却水温度的变化
仪控-1自控基本知识
液位和流量之差作为设定值
均匀控制系统液位和流量变化过程
3）比值控制系统 控制两个变量的比值，通常为两个流量
单闭环比值控制系统：只有一个控制回路：随动系统和比值系统
单闭环比值控制系统
双闭环比值控制系统：两个控制回路：随动系统和比值系统
双闭环比值控制系统
变比值控制系统：一个控制器给出，通常也只有一个控制回路
输入量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速 准确地加以复现。 自动生产流水线； 时间控制的滤池冲洗过程：
（9）简单控制系统 单输入单输出SISO控制系统 温度变化：
流量变化、入口温度、 蒸气温度、蒸气压力
对控制器： 单输入温度信号； 单输出控制阀开度
温度控制系统
（10）复杂控制系统
1）串级控制系统
反馈控制系统实例
（2）开环控制系统－按给定值控制：受控对象是被控量，但 控制装置仅接受给定值，信号只有倾向作用，无反向联系。
开环控制系统方块图
（2）开环控制系统－按干扰补偿（前馈控制）：直接根据扰 动进行工作，扰动是控制的依据，没有被控量的反馈，不构成 闭合环路，属开环控制，优点是能针对扰动迅速改变被控量。
水处理仪表与控制
杨殿海
yangdianhai@
为什么修这门课？
丝 状 菌 与 污 泥 絮 体 的 自 动 鉴 别
武汉水专项试验装置及仪表控制系统
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
污泥中回收磷
为什么修这门课？
1. 1914年活性污泥法发明以来，水处理工艺实质上变化不大， 但电子、电器、仪表和自动化专业发展迅猛； 2.有利于探索水处理过程的本质，深入进行基础研究； 3.有利于新工艺的研究开发； 4. 有利于实现水处理过程的模拟和自动控制，提高水处理系 统的管理水平； 5. 有利于减轻工人劳动强度，提高出水品质。
生理学 (3)
第三讲机体生理功能的调节一、生理功能的调节方式（一）神经调节●概念：通过神经系统的活动对机体功能进行调节。
基本方式：反射(reflex)。
●反射：在中枢神经系统的参与下，机体对刺激产生的规律性反应。
结构基础：反射弧(reflex arc)；组成：感受器、传入神经、中枢、传出神经和效应器；类型：非条件反射和条件反射。
●神经调节的特点：迅速、精确、时间短暂。
例：颈动脉窦和主动脉弓压力感受性反射（负反馈调节）例：脊柱的神经传导活动（二）体液调节●概念：体内的一些细胞能生成并分泌某些特殊的化学物质，后者经由体液运输，到达全身的组织细胞或某些特殊的组织细胞，通过作用于细胞上相应的受体(receptor)，对这些细胞的活动进行调节。
●类型：全身性体液调节、局部性体液调节、神经-体液调节●特点：缓慢、弥散、持久神经-体液调节神经细胞直接或间接地调节一些内分泌细胞的作用，使这些内分泌细胞成了反射弧的传出纤维的延长部分，以这种方式发挥的调节作用称为神经-体液调节。
（三）自身调节●概念：环境变化时，器官、组织、细胞不依赖神经或体液调节而产生的适应性反应。
肾血流自身调节：动脉血压在80-180mmHg范围内变动时，肾血流量能保持相对稳定。
脑血流自身调节：动脉血压在60-140mmHg范围内变动时，脑血流量能保持相对稳定。
●特点：调节幅度小，不灵敏，局限。
二、体内的控制系统●人体功能调节过程和工程控制有许多共同的规律。
●从控制论的角度来看，人体内存在数以千计的各种控制系统(control system)；甚至在一个细胞内也存在着许多极其精细复杂的控制系统，对细胞的各种功能进行调节。
因此，学者们也应用控制论的概念、原理和方法来认识和分析机体各种功能的调节。
●从控制论的观念来分析，任何控制系统都由控制部分和受控部分组成。
控制系统可分为三大类：非自动控制系统反馈控制系统前馈控制系统（一）非自动控制系统●非自动控制系统是一种“开环”系统。
自控习题1
图 1-14 扰动控制系统原理图
解：图 1-14 给出的系统是反馈控制系统，是在负载引起转速变化，导致电流 i 变化后产生控制作用。当 i 保持不变，激磁电压变化也能引起转速变化；因 i 保持不变，不会调整功率放大器的输出。 习题 1-4 给出的系统是复合控制系统，既有按输出温度变化的反馈控制又有按负载扰动(用水流量)的开环 控制。按扰动控制的开环控制系统中，补偿装置是针对特指的扰动因素设计的。用水流量的变化能够及时地调 整温度控制器的输出；而冷水温度的变化对出口热水温度的影响，只能由反馈控制来抑制。 1-8 谷物湿度控制系统意如图 1-14 所示。在谷物磨粉的生产过程中，在最佳湿度条件下，出粉率最高。 因此，磨粉之前要给谷物加水以达到期望的湿度。图中，谷物被传送装置按一定流量通过加水点，加水量由电 动阀门控制。加水过程中，谷物流量、加水前谷物湿度以及水压都是对谷物湿度控制的扰动作用。为了提高控 制精度，系统中采用了谷物湿度的顺馈控制，试画出系统的方框图。 电动阀门 水源 →谷物流 输入谷物→ 湿度测量 传送装置 顺馈 调节器 反馈 →输出谷物 湿度测量
⑷
c cos t r 5 ；
；
⑹
c r2；
解：线性方程中，只有变量间的加减运算；定常系统的系数都是常数。 ⑴ 方程中，有变量的平方项，最右边一项的系数是时间函数 t ，系统是非线性时变系统。 ⑵ 方程是线性常微分方程，系统是线性定常系统。 ⑶ 方程中，最左边一项的系数是时间函数 t ，系统是线性时变系统。 ⑷ 方程中，等号右边第一项的系数是时间函数 cos t ，系统是非线性时变系统。 ⑸ 等式两边求导一次，方程是线性常微分方程，系统是线性定常系统。 ⑹ 方程中，右边有变量平方运算，系统是非线性定常系统。 ⑺ 方程中，右边的系数与时间函数 t 有关，线性时变系统；或称为分段线性时不变系统。
控制工程基础(王建平)章 (1)
第1章 绪论 图1-8 典型反馈控制系统方框图
第1章 绪论
(1) 给定元件——主要用于产生给定信号或输入信号的 元件，用于确定被控对象的给定量。
(2) 测量元件——或称为反馈元件，主要用于测量被控 变量或输出量，并将其转换为便于传送的另一物理量。 例如 炉温控制系统中的热电偶。
(3) 比较元件——用于比较输入信号和测量环节所测得 的反馈信号，并产生一个小功率的偏差信号，用于对被控对象 进行控制。
第1章 绪论
自动控制技术的应用， 不仅使生产过程实现了自动化， 极大地提高了劳动生产率和产品质量， 改善了劳动条件， 而且在人类征服自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民 物质生活等方面起着极为重要的作用。
自动控制的概念和分析问题的方法正向其他领域渗透， 其应用范围逐步扩展到交通管理、生物医学、生态环境、经济 管理、社会科学和其他许多社会生活领域， 并为各学科之间 的相互交流与渗透起到了促进作用。
第1章 绪论 图1-4 电炉炉温控制系统
第1章 绪论
假设系统已调好，处于平衡状态，即u1=u2，Δu=0，电动 机不动，此时炉温T=T0=680℃。 若因某种原因使炉温T高于要 求的炉温T0，即T>T0，则有u1<u2，使得偏差Δu=u1－u2<0。 经 放大后使ud≠0， ud的极性决定直流电动机通过减速器带动调 压器手柄朝减小加热电流的方向转动，使炉温T 及反馈信号u2下降，进而使Δu与ud下降，直到u1=u2，Δu=0时， 电动机才停止转动，电炉的温度恢复到要求的数值。 此时系 统达到新的平衡状态。 炉温控制系统方框图如图1-5所示。
第1章 绪论
到20世纪50年代，经典控制理论已发展的相当成熟，形成 了相对完整的理论体系，并且在工程实践中得到广泛的应用。 经典控制理论主要以传递函数为基础，以时域分析法、根轨迹 法和频域分析法为核心，研究单输入、单输出线性定常系统的 分析和设计问题。 随着生产和科学技术的发展，具有多输入、 多输出的现代设备变得愈来愈复杂，所以需要大量方程来描述 现代控制系统。
过程控制主要习题参考答案
第一章思考题与习题1－2 图为温度控制系统，试画出系统的框图，简述其工作原理；指出被控过程、被控参数和控制参数。
解：乙炔发生器中电石与冷水相遇产生乙炔气体并释放出热量。
当电石加入时，内部温度上升，温度检测器检测温度变化与给定值比较，偏差信号送到控制器对偏差信号进行运算，将控制作用于调节阀，调节冷水的流量，使乙炔发生器中的温度到达给定值。
系统框图如下：被控过程：乙炔发生器被控参数：乙炔发生器内温度控制参数：冷水流量1－3 常用过程控制系统可分为哪几类?答：过程控制系统主要分为三类：1.反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。
它是最常用、最基本的过程控制系统。
2 ．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据。
由于没有被控量的反馈，所以是一种开环控制系统。
由于是开环系统，无法检查控制效果，故不能单独应用。
3. 前馈－反馈控制系统：前馈控制的主要优点是能够迅速及时的克服主要扰动对被控量的影响，而前馈—反馈控制利用反馈控制克服其他扰动，能够是被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。
3－4 过程控制系统过渡过程的质量指标包括哪些内容？它们的定义是什么？哪些是静态指标？哪些是动态质量指标？答：1.余差(静态偏差)e：余差是指系统过渡过程结束以后，被控参数新的稳定值y( g)与给定值c之差。
它是一个静态指标，对定值控制系统。
希望余差越小越好。
2.衰减比n:衰减比是衡量过渡过程稳定性的一个动态质量指标，它等于振荡过程的第一个波的振幅与第二个波的振幅之比，即： Bn —Bn v 1系统是不稳定的，是发散振荡；n=1,系统也是不稳定的，是等幅振荡；n> 1, 系统是稳定的，若n=4,系统为4：1的衰减振荡，是比较理想的。
衡量系统稳定性也可以用衰减率© B BB4 .最大偏差A:对定值系统，最大偏差是指被控参数第一个波峰值与给定值C之差, 它衡量被控参数偏离给定值的程度。
热工B-热工控制系统第一章
能源与动力工程学院第一章热工自动控制概论主讲：赵建立主讲赵建立能源与动力工程学院第一节热工自动控制的发展概况电能的“发输供用”必须同时进行并保持瞬时的平控制对象特征电能的发、输、供、用必须同时进行，并保持瞬时的平衡。
与此同时，参与“发、输、供、用”的所有设备构成了部件众多、结构复杂、分布广阔的动态大系统。
在这个系统中发电机组处于系统的最底层机组处于系统的最底层。
电力生产过程分为发电侧与输配电侧，相应地，从实现自动化的角度，可分为电站自动化和电力系统自动化。
能源与动力工程学院一、电厂热工控制技术的发展1、目前机组特点个随着发电机（1）监视点多(600MW机组I/O点多达3000～5000个，随着发电机-变压器组和厂用电源等电气部分监视纳入DCS之后，I/O点已超过7000个)（2）参数变化速度快和控制对象数量大(600MW机组超过1300个)，而各个控制对象又相互关联所以操作稍失误所引起的后果十分严而各个控制对象又相互关联，所以操作稍一失误，所引起的后果十分严重。
大机组的监视与控制操作任务也不能交运行人员去完成(体力、脑力体力脑力劳动强度，及时、人为操作失误），因此必须由高度计算机化的机组集控取而代之。
控取代之能源与动力工程学院随着计算机技术的迅速发展，电厂热工过程控制又经历了以下几个计算机控制过程:(1) 集中型计算机控制：用一台计算机对整个生产过程进行整体控制因此对计算机的可靠性要求很高旦计算机出现事整体控制，因此对计算机的可靠性要求很高，一旦计算机出现事故，将使整个生产受到影响。
()分散计算机控制随着微机的大批产成本的不(2) 分散型计算机控制：随着微机的大批生产，成本的不断降低，逐渐把集中控制改为用微机进行局部控制，克服了集中控制的一些缺点，但此时各系统之间很难协调起来。
(3) 计算机分散控制：它把各系统之间、厂级管理、调度(3)计算机分散控制它把各系统之间厂级管理调度等用一台功能很强的计算机进行上位管理；而把各子系统用微机控制，充分发挥了集中控制和分散控制各自的优点，是一种比较合理的控制方法。
第一章单回路反馈控制系统
过程控制系统及工程
第1章 单回路反馈控制系统
从上页图反应曲线可以看出，对象受到阶跃作用后，被 控变量就发生变化，当 t→∞时，被控变量不再变化而达到 了新的稳态值h（∞），这时上式可得：
h KQ1 或
h K Q1
（1-10）
对于简单水槽对象， K=RS，即放大系数只与出水阀的阻 力有关，当阀的开度一定时，放大系数就是一个常数。
过程控制系统及工程
第1章 单回路反馈控制系统
1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择
●对象特性分析
对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个， 因此，实际上都是多输入系统（MIMO)
F1 F2 Fn Y
精馏塔: 影响塔顶成分的有：温度、压力、
进料流量、进料成分等
过程控制系统及工程
第1章 单回路反馈控制系统
第1章 单回路反馈控制系统
第 1章
单回路反馈控制系统
1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择
1.7 系统的关联及其消除方法
质量指标：塔顶产品的纯度 xD 1、直接测量：选择合适的成分分析仪表 2、间接测量：用间接控制参数进行控制 原因：（1）没有合适的仪表 （2）测量滞后打，控制效果差，达不到质量要求
P
T一定
T
P一定
X D f T , P
0 50 100%
XD 0
50
100%
XD
苯、甲苯百分含量（%）
过程控制系统及工程
过程控制系统及工程
反馈控制系统实例
反馈控制系统实例1. 引言反馈控制系统是指通过从系统输出中获取信息，将其与期望的参考信号进行比较，并据此调整系统的输入，以使系统输出尽可能地接近期望信号。
本文将介绍一个反馈控制系统的实例，包括系统的结构、控制器的设计和实际应用。
2. 系统结构反馈控制系统由三个基本组件组成：传感器、控制器和执行器。
传感器用于测量系统的输出，并将其转换为电信号。
控制器根据传感器的反馈信息和期望的参考信号，计算出一个控制信号。
执行器将控制信号转换为系统的输入，从而实现对系统的控制。
例如，考虑一个温度控制系统，其中需要将房间的温度控制在一个设定的目标温度范围内。
系统的结构如下所示：传感器 -> 控制器 -> 执行器传感器测量房间的温度，并将其转换为电信号。
控制器根据传感器反馈的温度信息和设定的目标温度，计算出一个控制信号。
执行器将控制信号转换为加热或制冷设备的输入，从而控制房间的温度。
3. 控制器设计控制器的设计是反馈控制系统的关键部分。
在温度控制系统中，一个常用的控制器类型是比例积分（PI）控制器。
PI控制器根据系统的偏差信号和偏差信号积分的结果，计算出一个控制信号。
具体地，PI控制器的输出可以通过以下公式计算得到：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t) dt其中，u(t)表示控制信号，Kp和Ki分别是比例系数和积分系数，e(t)是系统的偏差信号。
比例系数决定了控制信号对偏差信号的响应速度，而积分系数可以消除系统的稳态误差。
在温度控制系统中，偏差信号可以通过计算实际温度与设定温度之差得到。
根据偏差信号和PI控制器的参数，可以计算出一个控制信号，进而控制加热或制冷设备的输入，使得房间的温度接近设定温度。
4. 实际应用反馈控制系统在现实生活中有广泛的应用。
除了温度控制系统，它还可以应用于机械控制、电力系统、自动驾驶等领域。
以自动驾驶汽车为例，反馈控制系统可以通过传感器测量汽车的位置、速度和方向，并根据期望的路径和速度计算出一个控制信号。
《控制理论CAI教程》答案
k
Pk Δk
而信号流程图的特征式Δ Δ=1-（所有不同回路的增益之和）
+（每两个互不接触回路增益乘积之和）
-（每三个互不接触回路增益乘积之和）
第二章 控制系统的数学模型
2.7
1.初始条件为0时，H
(s)
=
s2
1 + 3s
+1
=
C(s) R(s)
现s2c(s) − sc(0) − c' (0) + 3sc(s) − 3c(0) + c(s) = R(s)
5−3 5 2
2.ess = 6
第二章 控制系统的数学模型
习题练习
Z1
Uc1
C1
+
Ui
R1
_
L
+ i
R2 Uo Z2
Uc2
C2 _
(1) 列出系统的微分方程； (2) 确定其传递函数 (系统初值为零)
解：由基尔霍夫电压、电流 定律的系统微分方程：
ui
=
uc1
+
L
di dt
+
R2i
+ uc2
i
=
C1
第二章 控制系统的数学模型
2－2 （a） C
R
-
R
+ ui
R uo
ui + ui − uo = 0 R R+ 1
Cs
传递函数G = uo 而非 ui
ui
uo
第二章 控制系统的数学模型
2－2 （b）
2R u3 2R
R ui R
C -
+
uo
ui + u3 = 0 R 2R
第一章题解
第一章导论A 基本题A 1-1 什么是反馈？什么是正反馈和负反馈？为消除系统误差,为什么工程上反馈控制必须是负反馈？解：根据结果来改变控制的称为反馈。
反馈的特点是存在从结果（输出）到原因（输入）的信息通道，测量装置通过信息通道将测量的输出量信号的全部或一部分返回输入端。
在工程控制系统中，由测量装置量测输出情况，将它与理想目标进行比较，产生偏差，利用偏差来消除偏差。
正反馈，负反馈：反馈元件的输出叫反馈信号。
根据反馈信号的极性，又把反馈信号与输入信号同极性的反馈叫正反馈，反极性的反馈叫负反馈。
社会系统经常采用正反馈，如果一项政策、措施产生的效果好，就加强，效果不好就取消，这就是正反馈。
工程系统通常采用负反馈。
这是因为工程上的控制装置常常是用来保障被控对象按照预定的规律运行的。
由于外界扰动和系统参数变化等因素会导致对象输出与目标值之间产生误差，工程控制的目标就是克服这种偏差，因此工程上反馈控制必须是负反馈。
A 1-2 人在平时生活中做的许多事情，比如走路、取物、吃食物、阅读、清扫等都带有反馈控制作用，试举例，并用框图说明其反馈工作原理。
解：日常生活中，人们朝一个预定目标的行走便带有负反馈控制作用。
首先，人会根据自己的目的地设定一条行走的路线，然后沿着设定的路线行走，但在行走的过程中可能会受到一些干扰（如路线中某一段路上有障碍物挡住了路线）而偏离了设定的路线，人通过感官感觉偏离了预定路线，就将偏差送给人的大脑，大脑会控制人的脚朝着减小偏差的方向行走。
这便是一个典型的负反馈控制系统。
其框图如下。
A 1-3 现在家电设备在人们日常生活中已经十分普遍。
试从家电中举几个开环和闭环控制系统的例子，说明它们的工作原理，并画出其框图。
解：开环控制系统：电视机的频道控制是一个开环控制系统。
人根据自己的喜好通过电视机的遥控器（或电视机面板上的控制器）选择对应的频道，控制器发出控制命令使电视机切换到对应的频道。
其框图如下：闭环控制系统：家用空调的温度控制是一个闭环控制系统。
第一章反馈控制系统的基础知识
第七页，编辑于星期三：十六点 八分。
以上四个基本单元在组成反馈控制系统中是缺一不 可的。但对于一个完整的反馈控制系统，一般还设有显 示单元，用来指示被控量的给定值和测量值。同时，对 气动控制系统来说，应设有气源装置和定值器；对电动 控制系统尚需设稳压电源等辅助装置
第三十九页，编辑于星期三：十六点 八分。
四、比例微分作用规律（PD作用规律） 1、微分作用规律（D作用规律）
调节器的输出量与输入偏差的变化速度成比例
第四十页，编辑于星期三：十六点 八分。
2、微分作用的特点： 具有超前控制作用，能及时克服扰动，被控量
不会出现较大的偏差，可以提高系统的稳定性，缩 短过渡过程时间，改善系统的动态性能但不能消除 系统的静态偏差。
把它转换成标准的统一信号，该信号叫被控量的 测量值。
在气动控制系统中，其统一的标准气压信号 是0.02～0.lMPa；在电动控制系统中，其统一的 标准电流信号是0～10 mA或4～20mA。
在温度自动控制系统中，测量单元采用温度 传感器和温度变送器；在压力自动控制系统中， 测量单元采用压力传感器和压力变送器；在锅炉 水位自动控制系统中，测量单元采用水位发讯器 （参考水位罐）和差压变送器。
并与被控量的给定值相比较得到偏差信号，再根据偏差 信号的大小和方向（正偏差还是负偏差），依据某种调
节作用规律输出一个控制信号，对被控量施加控制作用， 直到偏差等于零或接近零为止。
第六页，编辑于星期三：十六点 八分。
（4）执行机构 执行机构的输入量是调节单元输出的控
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R10 T2 R11 D3 D7 降温
D6
增温 D2 D4 R9 D5 T1 R12 D8 R13
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管理要点
1.面板功能 2.投入使用 3.故障排除通则 4.参数调整
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第二节 VAF型燃油粘度控制系统 型
船舶柴油机，尤其是主机，通常燃用重油。 重油的粘度较大，为便于燃油的输送和雾化， 必须对燃油进行加热，并使其粘度值维持在设 定范围内。 目标：控制柴油机燃油的粘度，使之保 持在最佳喷射粘度值上。 原理：燃油的粘度随温度增加而下降。 方法：改变燃油的加热程度。
△p → q测＝ △p ·F膜
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1.气动差压变送器的结构和工作原理 气动差压变送器的结构和工作原理
Fig.1-4-4
（2）气动转换部分 —把测量部分输出的轴向推 力转换成标准的气压信号作为差压变送器的输出。 力转换成标准的气压信号作为差压变送器的输出。 M测＝△p ·F膜·l1 △ M测＝ M反 Fig.1-4-7
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1.气动差压变送器的结构和工作原理 Fig.1-4-5 气动差压变送器的结构和工作原理 Fig.1-4-8 （2）气动转换部分（双杠杆） ）气动转换部分（双杠杆） M测＝ M反 q'反 ·l4 = p出·F波·l3 △p ·F膜·l1＝q反 ·l2
p出 ＝
F膜 ⋅ l1 ⋅ l4 F波 ⋅ l2 ⋅ l3
⋅ ∆p = K双 ⋅ ∆p
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1.气动差压变送器的结构和工作原理 气动差压变送器的结构和工作原理 （3）差压变送器调零和调量程 假定⊿p的最大变化范围是0～1000mmH20
Fig.1-4-4
1.让正负压室均通大气，使⊿p=0，观察变送 器输出压 力是否为0.02MPa，若不是，拧动迁 移（调零）弹簧， 使p出=0.02MPa。 2.逐渐增大正压室压力，使p出=0.1MPa，观察正压室压 力是否为1000mmH20，若小于它，说明量程小了，则 松开量程支点的锁紧螺母，上移支点，反之亦然。 3.重新调零、调量程，直到零点和量程准确为止。
三、VCU-160粘度控制器
1.控制方式和过程 控制方式：温度程序控制、温度定值控 制、粘度定值控制 作用规律：PI控制（由单片机程序实现） 控制方式选择开关：DO、STOP、HFO
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第三节 VISCOCHIEF型燃油粘度控制系统 型燃油粘度控制系统
三、VCU-160粘度控制器
1.控制方式和过程 控制过程： STOP→DO 程序加温，直到DO Tset±3℃,进 入温度定值控制。 DO指示灯亮，粘度报警关
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三、变送器
Fig.1-4-4
作用：测量被控量， 作用：测量被控量，并把被控量的变化量按比例 的转变成标准信号，输出至调节器和显示仪表。 的转变成标准信号，输出至调节器和显示仪表。 气动标准信号：19.6 KPa ~ 98.1 Kpa 气动标准信号： 0.02MPa ~ 0.1 Mpa 0.2kg/cm ~1.0kg/cm
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第三节 VISCOCHIEF型燃油粘度控制系统 型燃油粘度控制系统
三、VCU-160粘度控制器
1.控制方式和过程 控制过程： STOP→HFO 程序加温，直到HFO Tset±3℃, 或DO→HFO 进入粘度定值控制。稳定后，改 为粘度/温度定值控制。 DO指示灯熄灭， HFO指示灯亮
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主 机
调 节 器
主 机
调 节 器
三通调节阀
三通调节阀
M
执行电机
M
执行电机
冷却器
冷却器
图1-1-1 汽缸冷却水温度控制原理
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直接作用式冷却水温度控制
膨胀水柜
冷却器
泵
主 机
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MR-Ⅱ型电动冷却水温度控制系统
一、控制系统的组成及工作过程
图1-1-2
二、电源电路及继电器开关电路 图1-1-3d 三、输入电路和指示电路 图1-1-3a 四、PD控制电路 图1-1-3b 控制电路 五、脉冲宽度调制电路 图1-1-3c 六、管理要点
（1）水位控制回路 （2）给水压差控制回路 2 fig.1-4-2
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第四节 大型油轮辅锅炉水位自动控制
二、某轮辅锅炉水位自动控制系统的组成
fig.1-4-3
P = B + K( A − C)
P—气动计算器的气压输出 A—水位调节器的气压输出 B—蒸汽流量变送器的气压输出 K—系统常数，此处K＝2 C—仪表制造常数，本仪表为50% （0.6MPa）
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第二节 VAF型燃油粘度控制系统 型
四、调节器 立体图 fig.1-2-4 简图 杆系 表盘 PB和Ti的调整 正作用式与反作用式 调节器与调节阀作用形式的配合 手－自动切换
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第二节 VAF型燃油粘度控制系统 型
比例带调整方法： 比例带调整盘上M点的位置 逆时针→负反馈↑ → 比例带↑ 顺时针→负反馈↓ → 比例带↓ 积分时间调整方法：积分阀开大→Ti ↓ 积分阀关小→Ti ↑
2 2
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三、变送器
1.气动差压变送器的结构和工作原理 气动差压变送器的结构和工作原理
2.迁移原理 迁移原理
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1.气动差压变送器的结构和工作原理 Fig.1-4-4 气动差压变送器的结构和工作原理 把被控量变化转换为轴向推力。 （1）测量部分—把被控量变化转换为轴向推力。
Fig.1-4-6
第三节 VISCOCHIEF型燃油粘度控制系统 型燃油粘度控制系统
三、VCU-160粘度控制器
1.控制方式和过程 控制过程： HFO → DO 粘度定值控制，降温，直到DO Tset±3℃,进入温度定值控制。 DO指示灯亮， HFO指示灯熄灭
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第三节 VISCOCHIEF型燃油粘度控制系统 型燃油粘度控制系统
R10 T2 R11 D3 D7 降温
D6
增温 D2 D4 R9 D5 T1 R12 D8 R13
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5
板 图1-1-3c MRD板，脉冲宽度调制电路 _ R8 +16V TU1 R2 R1 + R6 R3 C3 W1 W2 _ TU2 + C1 R4 C2 -16V -16V R7 R5 D1
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第四节 大型油轮辅锅炉水位自动控制
一、锅炉水位控制的特点
1. 双冲量水位控制 （1）单冲量：水位 （2）双冲量：水位＋蒸汽流量 fig.1-4-1 （3）三冲量：水位＋蒸汽流量＋给水量
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第四节 大型油轮辅锅炉水位自动控制
一、锅炉水位控制的特点
2. 双回路水位控制
G = µF ∆p
电 路
R5
10
图1-1-3a C7
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5
板 图1-1-3c MRD板，脉冲宽度调制电路 _ R8 +16V TU1 R2 R1 + R6 R3 C3 W1 W2 _ TU2 + C1 R4 C2 -16V -16V R7 R5 D1
R10 T2 R11 D3 D7 降温
D6
增温 D2 D4 R9 D5 T1 R12 D8 R13
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调节器杆系
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调节器表盘
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正作用与反作用
正作用式调节器：当测量输入增加时，输出也增加 反作用式调节器：当测量输入增加时，输出减少。
正作用式→反作用式： （1）喷嘴旋转90℃ （2）M点由左上角→右上角
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调节器与调节阀作用形式的配合
正作用式调节器与气开式调节阀 反作用式调节器与气关式调节阀（优选）
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第二节 VAF型燃油粘度控制系统
常用燃油粘度控制系统： （1）VAF型燃油粘度控制系统； （2）NAKAKITA型燃油粘度控制 系统； （3）VISCOCHIEF型燃油粘度控 制系统（单片机控制）。
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第二节 VAF型燃油粘度控制系统 型
一、VAF型燃油粘度控制系统的组成 fig.1-2-1 二、测粘计 fig.1-2-2 三、差压变送器 fig.1-2-3 四、调节器 五、气动调节阀 fig.1-2-6 六、控制系统常见故障分析及管理要点
控制盒的组成： 控制盒的组成：
图1-1-4
1. MRB板，输入与指示电路 板 2. MRV板，比例微分控制电路 板 3. MRD板，脉冲宽度调制电路 板 4. MRK板，继电器和开并装置 板 5. MRP板，主电源电路 板 6. MRS板，稳压电源电路 板
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图1-1-4
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220V 增温 图1-1-3d C1 R1 L1 R3 Re2 D2 +16V 增温 Re1 D1 Sr2 -16V MRP板，主电源电路 板
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降温 R2 C2 R4 L2 F1 D1 SW F2 +16V C1
降温
SW1 Sr1
SW2
0V
+16V +16V R1 R2 R4
T802 MRB R7 R3 SW1 R6 +16V R10 R11 SW2 C1 C2 _ C4
板 ， 输 入 与 指 示
A
W1
15
B
TU1 + R8 W3 R12 W2 _ TU R9 + 2 T1 G -16V R13
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14 15 R1 R14 C1 R3 R4 C2 R2
R5 _ C3 TU1 + R6 _ C4 TU2 + R7 W1
R8 W2 R10 R9 R11
R13
_ C4 TU3 + 5
图1-1-3b
MRV板，比例微分控制电路 板