第七章 过程自动控制系统的基本概念
化工仪表及自动化第四版答案(终极版)
工仪表及自动化 (自制课后答案终极版)1.什么是化工仪表与自动化？它有什么重要意义？答： 化工自动化是化工、 炼油、 食品、 轻工等化工类型生产过程自动化的简称。
在化工设备上， 配备上一些自动化装置， 代替操作人员的部份直接劳动， 使生产在不同程度上自动地进行， 这 种用自动化装置来管理化工生产过程的方法，称为化工自动化。
它的重要意义如下加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量。
减轻劳动强度、改善劳动条件。
能够保证生产安全，防止事故发生或者扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用率、保障人 身安全的目的。
生产过程自动化的实现， 能根本改变劳动方式， 提高工人文化技术水平， 以适应当代信息技术 革命和信息产业革命的需要。
2.化工自动化主要包括哪些内容？答： ①自动检测系统， 利用各种仪表对生产过程中主要工艺参数进行测量、 指示或者记录的部份 ②自动信号和联锁保护系统， 对某些关键性参数设有自动信号联锁保护装置， 是生产过程中的 一种安全装置③自动控制及自动开停车系统 自动控制系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行 某种周期性操作。
自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤,将生产过程自动地投入运行或者 自动停车。
④自动控制系统 对生产中某些关键性参数进行自动控制 ,使它们在受到外界干扰的影响而偏 离正常状态时,能自动地调回到规定的数值范围内。
3.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？答；开环控制系统不能自动地觉察被控变量的变化情况， 也不能判断控制变量的校正作用是否 适合实际需要。
也就是最本质的区别是闭环控制系统有负反馈。
开环系统中， 被控变量是不反 馈到输入端的。
闭环控制系统可以及时了解被控对象的情况， 有针对性的根据被控变量的变化 情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或者接近与所希翼的状态。
4. 自动控制系统主要由哪些环节组成？ 答：主要由测量与变送器 、自动控制器、执行器、被控对象组成。
《自动控制原理》名词解释
第一章：1、自动控制: 指在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控制对象或过程自动地按照预定的要求运行。
2、人工控制：在人直接参与的情况下，利用控制装置使被控制对象和过程按预定规律变化的过程，(1)线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。
(2)非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。
（1）连续系统:当系统中各元件的输入量和输出量均是连续量或模拟量时，就称此类系统是连续系统（2）离散系统：当系统中某处或多处信号是脉冲序列或数字形式时，就称这类系统是离散系统。
（1）恒值控制系统：控制系统在运行中被控量的给定值保持不变（2）随动控制系统：控制系统被控量的值不是预先设定的，而是受外来的某些随机因素影响而变化，其变化规律是未知的时间函数（3）程序控制系统：控制系统被控量的给定值是预定的时间函数，并要求被控量随之变化。
（三）按控制方式分：开环控制、反馈控制、复合控制（四）按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统（五）按系统共用：温度控制、压力控制、位置控制1)输入量（激励）作用于一个元件、装置或系统输入端的量，可以是电量，也可以是非电量，一般是时间的函数（确定函数或随机函数），如给定电压。
2）输出量（响应）指确定被控对象运动状态的量，它是输出端出现的量，可以是电量或非电量，它是系统初始状态和输入量的函数。
3）被控制量制被控对象所要求自动控制的量。
它通常是决定被控对象工作状态的重要变量。
当被控对象只要求实现自动调节，即要求某些参数保持给定数值或按一定规律变化时，被控制量就是被调节量（被调量）。
4）控制量（控制作用）指控制器的输出量。
当把控制器看成调节器时，控制量即调节量（调节作用）。
5）反馈把系统的输出送回到输入，以增强或减弱输入信号的效应称为反馈。
使输入信号增强者为正反馈，使输入信号减弱者称为负反馈。
反馈信号与系统输出量成比例者称为硬反馈或刚性反馈（比例反馈），反馈信号为输出量的导数者称为软反馈或柔性反馈。
化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第7章自动控制系统概述
第一位字母 被测变量
分析 电导率 密度 电压 流量 电流 时间或时间程序 物位 水分或湿度 压力或真空 数量或件数 放射性 速度或频率 温度 黏度 力 供选用 位置
后继字母 修饰词 功能
报警 控制（调节）
差 检测元件 比（分数） 指示 自动-手动操作器
积分、累积 安全
积分、累积 记录或打印 开关、联锁 传送 阀、挡板、百叶窗 套管 继动器或计算器 驱动、执行或未分类的终端执行机构
静态——被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率 为0，不是静止）。
19
第三节 过渡过程和品质指标
当一个自动控制系统的输入（给定和干扰）和输出均 恒定不变时，整个系统就处于一种相对稳定的平衡状态， 系统的各个组成环节如变送器、控制器、控制阀都不改变 其原先的状态，它们的输出信号也都处于相对静止状态， 这种状态就是静态。
9
第二节 自动控制系统的方块图
方块图中， x 指设定值；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。当x 取正值，z取负值，e= x- z， 负反馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反馈。
图7-6 自动控制系统方块图
10
第二节 自动控制系统的方块图
31
第三节 过渡过程和品质指标
五种重要品质指标之五
（5）震荡周期或频率
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振 荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同 的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短 一些为好。
32
第三节 过渡过程和品质指标
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。试分别求出最大偏差、余差、 衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200℃）。
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。
《过程控制系统》课程介绍与教学大纲
《过程控制系统》课程简介课程编号：06024012课程名称：过程控制系统/ Process Control System学分：2.5学时：40 （课内实验：4 上机：课外实践：）适用专业：自动化专业建议修读学期：7开课单位：测控技术与仪器系先修课程：《自动控制原理》《自动检测技术》等考核方式与成绩评定标准：考试，成绩=期末成绩（70%） +平时成绩（30%）教材与主要参考书目：《过程控制系统》（第二版）方康玲主编武汉理工大学出版社2007.2《过程控制工程》，蒋慰孙、俞金寿编著，中国石化出版社，1999《过程控制系统及工程》，翁维勤、周庆海编，化学工业出版社，1996《过程控制工程》，孙洪程等编，高等教育出版社，2006《工业生产过程控制》，何衍庆等编，化学工业出版社，2004内容概述：中文：过程控制和运动控制是自动控制技术的两个重要分支。
本课程主要介绍了过程控制的基本概念、组成以及简单过程控制、复杂过程控制系统的基本原理、系统设计技术以及应用技术等。
在介绍每一种控制策略的同时，都给出了其在不同实际场合下的具体应用实例。
英文：Process control and motion control are the two important branch of automation control technology. This course mainly introduce the basic concept of process control, constitution and the basic principle, system design technology, and application technology of process control. At the same time, concrete examples are given to introduce the different control strategy applied in practice.《过程控制系统》教学大纲课程编号：06024012课程名称：过程控制系统/ Process Control System学分：2.5学时：40 (课内实验：4 上机：课外实践： )适用专业：自动化专业建议修读学期：7一、课程性质、目的与任务本课程是自动化专业必修课。
自动控制原理胡寿松笔记
自动控制原理胡寿松笔记自动控制原理是电气工程领域的重要课程，胡寿松教授的笔记是该领域学习的重要参考资料。
本文将按照章节顺序，对胡寿松教授的笔记进行梳理和总结，帮助读者更好地理解和掌握自动控制原理。
第一章自动控制的基本概念1. 自动控制的基本组成：控制器、传感器、执行器、被控对象。
2. 自动控制的目的：实现对系统的稳态和动态性能的优化。
3. 自动控制的基本术语：控制量、受控量、干扰、传递、转换等。
4. 自动控制系统的分类：开环控制系统和闭环控制系统。
第二章自动控制系统的数学模型1. 微分方程：描述系统动态特性的基本数学工具。
2. 传递函数：描述控制系统动态特性的重要数学模型。
3. 动态结构图：描述控制系统动态特性的图形工具。
4. 信号流图：描述控制系统内部信息传递方式的图形工具。
5. 梅逊公式：用于将微分方程转化为传递函数的公式。
第三章线性定常系统的时域分析法1. 控制系统性能的评价指标：稳态误差、超调量、调节时间等。
2. 系统的稳定性分析：稳定性定义、代数稳定判据、李亚普诺夫直接法。
3. 系统性能的改善：放大缩小法、超前滞后补偿法、PID控制器等。
4. 一系列具体分析方法的介绍：单位阶跃响应、斜坡响应、李亚普诺夫直接法等。
第四章线性定常系统的根轨迹法1. 根轨迹的基本概念和性质：幅值-相位特性、零点-极点关系、渐近线等。
2. 绘制根轨迹的基本规则和步骤：参数方程、几何意义、注意事项等。
3. 根轨迹图的特征分析：闭环零点、极点与系统性能的关系等。
4. 基于根轨迹法的系统优化设计：稳定化控制器设计、增益调度等。
第五章线性系统的频域分析法1. 频率域的基本概念和性质：频率特性、频率响应、频域分析方法等。
2. 频率域分析方法的应用：稳定性分析、系统性能评估、频率特性设计等。
3. 对数频率特性曲线及其应用：增益边界和相位边界的意义、系统性能的评估等。
4. 基于频率域分析法的系统优化设计：频率相关控制器设计、频率调制等。
自动控制系统名词
自动控制系统名词
自动控制系统是一种能够自动调节和控制设备、过程或系统的机制。
它使用各种传感器、控制器和执行器来实现对被控对象的监测、分析和操作。
在自动控制系统中，传感器用于检测被控对象的状态或参数，如温度、压力、流量等，并将其转换为电信号或数字信号。
控制器接收这些信号，并使用预定的控制算法进行处理，以确定所需的控制动作。
执行器则根据控制器的指令，对被控对象进行实际的操作，如调节阀门开度、改变电机转速等。
自动控制系统的目标是实现被控对象的稳定运行、精确控制和优化性能。
它可以应用于各种领域，如工业生产、航空航天、交通运输、能源管理、环境保护等。
常见的自动控制系统包括反馈控制系统、前馈控制系统、比例积分微分（PID）控制系统等。
它们的设计和实现需要考虑到被控对象的特性、控制要求、传感器和执行器的性能以及控制算法的选择。
自动控制系统的优点包括提高生产效率、降低劳动强度、提高产品质量、增强安全性和可靠性等。
它的发展和应用对于现代工业和社会的进步起到了重要的推动作用。
第七章 控制
三、控制的作用
3.控制是管理创新的催化剂 在具有良好反馈机制的控制系统中，通过反馈，施控者不仅可以
及时掌握计划的执行情况，纠正所发生的偏差，还可以从反馈中受到 启发，激发管理方法、手段的创新。
三、控制的作用
4.控制是使组织适应环境的重要保障 一个组织只有不断适应变化着的环境，才能更好地生存和发展。
情景导入——为什么又没有做好?
就在陈立君认为一切都已经安排就绪，这一次一定能很好地完成大 赛，从而大大提高社团的影响力时，各种问题开始不断出现：实践部部 长是个急性子，办事风风火火，在许多具体的比赛规则还没有通过集体 讨论、向学工部汇报的情况下，就擅自拍板将比赛规则发送给了各参赛 队；外联部邀请企业家遇到了困难，却一直没有及时向上反映，导致宣 传海报迟迟不能定稿；而办公室，对各个部门花钱根本没加以控制，预 算完全成了一张废纸。
2.外部控制 外部控制是一种强制性控制，它是通过行政权力系统实现的， 要求严格执行各种标准和各种规章制度。
（二）按时间划分
控制活动可以按控制点处于事物发展进程的哪一阶段，而划分 为前馈控制、过程控制和反馈控制三种类型。
（三）按控制对象划分
1.产出控制
产出控制是为了监督产出或业绩。管理者用来监督产出的重要 手段有业绩的财务标准、组织目标和运营预算等。
（二）控制与其他管理职能的关系
3.控制与领导的关系 领导职能的发挥影响到组织控制系统的建立和控制工作的质量。
同时，控制职能的发挥又有利于改进领导者的领导工作，提高领导 者的工作效率。
二、控制的特点
1.整体性 从控制主体看，完成计划和实现目标是组织全体成员的共同责
自动控制原理第七章
条件下的时间响应曲线如图所示。
四、非线性控制系统的特点
3.稳定性 3.稳定性 从曲线及方程中可以看出， 系统有两个平衡状态，即 x=0和 x=1 。 按稳定性的定义对平衡状 态 x=1来说，系统只要有一 个很小的偏离，就再也不会 回到这一平衡状态上来。 因此，x=1的平衡状态是一个不稳定的平衡状态。
第七章 非线性系统的分析
§7
非线性系统的分析
教学内容：
§7-1 非线性控制系统概述 §7-2 描述函数法 §7-3 相平面法
§7-1 非线性控制系统概述
一、引言 二、研究非线性系统的一般方法 三、典型非线性特性 四、非线性控制系统的特点
一、引言
包含一个或一个以上非线性元件或环节的系统为非线性系 统。 实际上自动控制系统的各个环节不可避免的带有某种程度 的非线性，线性系统只是非线性系统的近似。 非线性系统程度不严重时，在一定范围内或特定条件下， 可采用微偏法进行线性化，这种非线性称为非本质非线性。 如果系统的非线性具有间断点、折断点，称为本质非线性。 这时采用线性系统分析方法去研究会引起很大的误差甚至导 致错误的结论。
四、非线性控制系统的特点
3.稳定性 3.稳定性
线性系统的稳定性取决于系统的结构与参数，与起始 状态无关。 非线性系统的稳定性不仅仅和系统的结构与参数有关， 还和起始状态有直接关系。 一个非线性系统，他的某些平衡状态可能是稳定的， 某些平衡状态可能是不稳定的。因此对于非线性系统， 不存在系统是否稳定的笼统概念，要研究的是非线性系 统平衡状态的稳定性。
2 n
A +B
2 n
An ϕn = arctan Bn
一 描述函数的基本概念
非线性特性为奇对称，则直流分量 A0= 0； 同时，各谐波分量的幅值与基波相比一般都比较小； 因此，可以忽略式中的高次谐波分量，只考虑基波分量， 这种近似也称为谐波线性化。则
自动控制原理(第三版)第七章线性离散系统分析与设计
要点二
离散系统稳态误差的计算方法
离散系统稳态误差的计算方法包括解析法和仿真法，其中 解析法是通过求解差分方程得到稳态误差，仿真法则是通 过模拟系统的动态过程得到稳态误差。
05
线性离散系统的控制器设计
离散系统的状态反馈控制
01
状态反馈控制
通过测量系统的状态变量，并利 用这些信息来产生控制输入，以 实现系统的期望性能。
THANKS
感谢观看
01
离散系统响应的分类
离散系统的响应可以根据不同的标准进行分类，如根据时间响应可以分
为瞬态响应和稳态响应，根据系统参数可分为超调和调节时间等。
02
离散系统响应的数学模型
离散系统的数学模型通常采用差分方程或状态方程表示，通过求解这些
方程可以得到系统的响应。
03
离散系统响应的分析方法
离散系统响应的分析方法包括时域分析和频域分析，其中时域分析主要
基于系统的输出方程和性能指标，通过设计适当的观测器来估计状 态变量，并利用这些估计值来设计输出反馈控制器。
输出反馈控制的局限性
对于非线性系统和不确定性可能存在较大的误差，并且对于状态变 量的测量可能存在噪声和延迟。
离散系统的最优控制
最优控制
01
通过优化性能指标来选择控制策略，以实现系统性能的最优化。
自动控制原理(第三版)第七章 线性离散系统分析与设计
• 线性离散系统概述 • 线性离散系统的数学模型 • 线性离散系统的稳定性分析 • 线性离散系统的动态性能分析
• 线性离散系统的控制器设计 • 线性离散系统设计案例分析
01
线性离散系统概述
定义与特点
《初级工》第七章 自动调节系统的基本知识及应用
当t=３Ｔ时，
h(3T ) KA(1 e ) 0.95KA 0.95h()
从加入输入作用以后，经过3T时间，h已经变化了全部变 化范围的95%，这时，可近似认为动态过程基本结束。
3
c、时间常数τ对控制系统的影响
对控制通道的影响： 在相同的控制作用下，时间常数大，被控变量的变化 比较缓慢，则过程比较平稳，容易进行控制，但过渡 过程时间较长；若时间常数小，被控变量的变化速度 快，则控制过程比较灵敏，不易控制。时间常数太大 或太小，对控制都不利。
Kp ——比例调节器的放大倍数
只需改变支点o的位置就可以改变放大倍数Kp 的大小。工业中所用的调节器都用比例度来表 示比例调节的强弱。
其中（xmax-xmin）为仪表量程，（ymax-ymin）为调 节器输出量的范围 但比例调节不能使被调量恢 复到给定值而存在余差，因而调 节准确度不高。当调节质量要求 较高时，需要加上积分调节来消 除余差。
mD—扰动作用；μ—执行机构位移；D—软化水流量； W—生水流量；h—软化水箱水位；h0—水位给定值； i1—水位偏差信号；i2—调节信号
三、自动调节系统的特征分类
1、按给定值信号的特征分类
①定值调节系统
②随动调节系统
③程序调节系统
2、按工作原理分类 ①反馈调节系统 ②前馈调节系统
③前馈-反馈调节系统
对上式求导：
当t=0时，
h
dh KA t T e dt T dh KA h() dt T T
当对象受到阶跃输入作用 后，被控变量如果保持初 始速度变化，达到新的稳 态值所需要的时间就是时 间常数。
h(∞)
0.632h(∞)
0
T
自动控制理论第七章
n
z
n
F(z) r
k 1
e [F(ss)zeTS ]SP Kk 1R k
z Rkre[F s(s)zeTS]SPK
为
F(s)
z
z eTS
在 S P K 上的留数：
若F (s)含有 S P 的一阶极点时，对应的留数为： Rls ipm [s(p)F(s)zzeTS]
若F (s)含有 S P 的q阶重极点时，对应的留数为：
图7-4
2020/3/20
第七章 离散化控制系统
4
自动控制理论
计算机控制系统的优点
1）有利于系统实现高精度 2）有效地抑制噪声，提高了系统抗扰动的能力 3）不仅能完成复杂的控制任务，而且易于实现修改控制器的参数 4）有显示、报警等多种功能
分析离散系统的常用方法有两种：Z变换法和状态空间分析法。
2020/3/20
例7-4 求 解：
Z(sinat)
1 1
F(s)s2
a a2
2j 2j sja sja
1
1
F(z)
1 e
2j z jaT 1
1
e
2j z jaT 1
(sinaT)z1 1(2cosaT)z1 z2
2020/3/20
第七章 离散化控制系统
20
自动控制理论
2、留数计算法
设 f (t)的拉氏变换为F (s) ，且其为真有理式，PK 为F (s)的极点，
k 0
如果 eaTz1 1,则： F(z)1e 1aT z1zzeaT
2020/3/20
第七章 离散化控制系统
19
自动控制理论
2、部分分式法
例7-3
自动控制理论 第七章
x a( x ， x)x b( x ， x)x 0
相轨迹的斜率方程为
x)x b( x ， x)x 令 dx dx a( x ， dx x dx
2016/11/12
上式可改写成
a ( x ， x ) x b ( x ， x ) x x b ( x ， x ) x x a( x ， x)
0.5
0
2016/11/12
1
0.7 0.4
x ( x2 1)x x 0
2 0 1
x 0 2 5 6
3
x
3
0
5 2 0
2016/11/12
6
1 0 2
2016/11/12
j
s1
x
j
s1
x
0
0
x
0
0
x
s2
稳定焦点
s2
不稳定焦点
j
x
j
x
s2
s1
0
0
x
0
s1
s2
0
x
稳定节点
不稳定节点
2016/11/12
j
s1
x
0
0
x
s2
中心点
j
斜率 k s 2
x
s1
0 s2
0
x
斜率 k s 1
2016/11/12
鞍点
§7.3
x
解：原方程可写为：dx ( x x) ， dx ( x x)
dx
x
dx
得等倾线方程为：
自动控制原理第七章
基本思想
ɺ x
x
相平面分析法是分析非线性系统性能的一种图 示方法。 示方法。而相轨迹和相平面图的绘制为该分析方法的前提 条件。 条件。
x 1 (t), 2 (t) x
相平面定义：由两个线性无关的状态变量 作为坐标的平面称 为相平面。通常采用位移和位移的变化率作为状态变量用于描述一、二 阶系统的运动特性。
ɺɺ = -f(x, x ) ɺ x ⇒ ɺ ɺɺ = d x x = − f(x, x ) ɺ ɺ x dx ⇒ ɺ ɺ dx f(x, x ) = − ɺ dx x
ɺ x
x
相轨迹的绘制方法
解析法
消除变量法 直接积分法
等倾线法绘制相轨迹思 ɺɺ + f(x,ɺ ) = 0 x x 令： ⇒ 路： ɺ dx f(x,ɺ ) x =− ɺ x dx
E 0
Im
∞
Re
死区继电器的负倒描述函数曲线
Im
N(E) N(E)
4M = πE = 0
Δ2 1− E 2 (E ≤ Δ )
(E
≥ Δ)
∆ ∞
E Re
−
1 N(E)
= − 4M
πE
Δ2 1− E 2
(E
≥ Δ)
拐点参数：
E = 2 Δ 1 − N(E) E =
Y ϕ 非线性环节的描述函数 ：N = 1 e j 1 = E
2 2 − A 1 + B 1 jtg 1 B 1 B A = 1+j 1 e E E E
A1
描述函数的自变量为输入正弦信号的幅值
求取描述函数应用举例
化工仪表与自动化7-1(自动控制系统基本概念)
化工仪表及自动化》教案课题第七章自动控制系统概述（1）授课教师授课日期授课班级课时2学时课程类型新课教学方法教学设备过程控制实训室教学目标知识与技能1．了解人工控制组成及过程2．熟悉自动控制系统组成3．掌握自动控制系统方块图画法及负反馈概念过程与方法实训；讲解；多媒体展示。
情感与态度创设问题情境，激发学生探索，求知欲望，使学生积极观察、分析，主动参与，强化学生主体地位。
教学重点1．自动控制系统组成2．自动控制系统方块图画法及负反馈概念教学难点1．自动控制系统组成2．掌握自动控制系统方块图画法及负反馈概念重、难点解决措施教学过程教师活动学生活动时间分配教学步骤教学内容实训一、熟悉CS2000组成二、液位的控制操作1．人工控制水箱水位操作2．液位的自动控制操作三、观察并记录自动控制系统组成观摩听课45分种理论教学（讲解）第一节自动控制系统的组成化工生产自动化场景一、人工操作30分钟重点：理解人工控制组成及过程重点：自动控制系统组成图7-1 人工操作图1．人工控制目的控制水箱水位为希望的值2．人工控制过程人和被控制水箱组成人工控制系统操作员对水位进行控制进行了三个方面工作：（1）检测眼睛观察水位（2）运算大脑将水位与希望的水位值相比较，得出偏差大小和正负，然后发出指令（3）执行根据大脑发出指令，通过手开动阀门（开大还是并小，以用动作幅度），改变出水流量Q0,从而使水位保持在所需的高度上。
3．人工控制缺点：眼、脑、手担负了检测，运算、执行，由于受到人的生理的限制。
控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要二、自动控制1．自动控制装置组成为了实现自动控制，用自动化装置实现水位的自动控制。
听课重点：自动控制系统方块图画法自动控制装置一般至少包括三个部分：（1）测量元件与变送器测量水位，并输出统一信号（2）控制器接受奕送器信号，并与水位给定值相比较得出偏差，按某种运算规则处出结果，输出信号（气压或电流信号）（3）执行器一般是控制阀，用来接受控制器信号，根据控制器输出信号改变阀门开度，从而实现对水位的控制。
自动控制原理第七章
0
0
• 这个过程实际上是一个线性化过程，经 过线性化输出的信号与输入信号同频率， 只是在幅值和相位上有差异；
• 经过线性化之后的输入输出关系 Y1 A1 2 2 N ( A) 1 A1 B1 A arctg B1 A Y1 Y1 B1 A1 cos 1 j sin 1 j A A A A • N ( A) 被称为非线性特性的描述函数。 • 一般情况下，描述函数 N ( A) 为入幅值 A 的函数，而与频率无关。当非线性特 性为单值时，相应的描述函数为一实 数，表示输入与输出是同相的。
A1 0
B1
KA sin t 2. 饱和特性 y (t ) Kc
2
0 t
t
4
2
0
1
y (t )sin t d t
0
4
KA sin 2 t d t
2 Kc sin t d t
一.实际系统中的非线性因素
图7-1 一些常见的非线性特性
除上述实际系统中部件的不可避免的非线性因 素外，有时为了改善系统的性能
或者简化系统的结构，人们还常常在系统中引 入非线性部件或者更复杂的非线性控制器。 通常，在自动控制系统中采用的非线性部件， 最简单和最普遍的就是继电器。
图7-2 电磁继电器的工作原理和输入-输出特性
7.3 描述函数法
一、描述函数的基本概念
R
G1
x1
非线性
x2
G2
Y
H
当非线性元件输入一个正弦信号 x A sin t 输出是一个含有高次谐波的周期函数：
自动控制原理第四版刘文定
自动控制原理第四版刘文定介绍《自动控制原理第四版刘文定》是一本经典的自动控制原理教材。
本书由刘文定教授编著，是自动控制领域的权威人物。
本书深入浅出地介绍了自动控制的基本原理和方法，适合作为自动化、电气工程、机械工程等专业的教材。
内容概述本书共分为十个章节，下面简要概括每个章节的内容：第一章：引言本章介绍了自动控制的基本概念和发展历史，以及自动控制在工程和科学研究中的重要性。
同时还介绍了本书的组织结构和学习方法。
第二章：数学建模与系统辨识本章介绍了自动控制系统的数学建模方法，包括微分方程建模、传递函数建模和状态空间建模。
同时还介绍了系统辨识的基本概念和方法。
第三章：传递函数与频域分析本章介绍了传递函数的概念以及传递函数的常见性质。
同时还介绍了频域分析的基本方法，包括频率响应和极坐标图。
第四章：控制系统的稳定性分析本章介绍了控制系统稳定性的概念和判据。
主要包括Routh-Hurwitz稳定性判据、Nyquist稳定性判据和Bode稳定性判据。
第五章：时域分析与设计方法本章介绍了控制系统的时域分析方法，包括单位脉冲响应、单位斜坡响应和阶跃响应。
同时还介绍了控制系统的根轨迹和根轨迹设计方法。
第六章：根轨迹与频率响应方法本章继续介绍了根轨迹方法和频率响应方法。
主要包括极点配置法、根轨迹分析法和频率响应设计法。
第七章：PID控制器本章介绍了最常用和实用的控制器——PID控制器。
内容包括PID控制器的基本原理、参数调节方法和在实际应用中的设计。
第八章：校正器和灵敏度本章介绍了校正器和灵敏度的概念及其在控制系统中的作用。
内容包括校正器的设计方法和对灵敏度的调节。
第九章：状态空间分析与设计本章介绍了状态空间分析和设计方法。
内容包括状态空间模型、状态转移矩阵和状态观测器设计。
第十章：现代控制理论本章介绍了现代控制理论中的一些重要概念和方法，包括模糊控制、自适应控制和神经网络控制等。
总结《自动控制原理第四版刘文定》是一本很好的自动控制原理教材，涵盖了自动控制的基本原理和方法，并介绍了一些现代控制理论的概念。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
14
P 压力或真空 R 放射性 记录或打印 T 温度 传送
14
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
3. 仪表位号
仪表位号是由字母代号组合和阿拉伯数字编号两 部分组成。阿拉伯数字编号写在圆圈的下半部， 其第一位数字表示工段号，后续数字(二位或三位 数字)表示仪表序号。 总之，通过控制流程图，可看到每台仪表的测 量点位置、被测变量、仪表功能、工段号、仪表 序号、安装位置等。
第七章 过程自动控制系统基本概念
主要内容： 生产自动化的主要内容 自动控制系统的组成 工艺管道及控制流程图 自动控制系统方框图 自动控制系统的分类 自动控制系统的过渡过程和品质指标
1
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
1
第一节 生产自动化的主要内容
一、自动检测系统
利用检测元件对生产过程的参数如温度、流量等 进行测量并将其转化成标准统一信号进行输出的 装置。如温度的检测用热电偶和电动温度变送 器。 热交换器自动检测系统示意图
17
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
17
二、方框图中所涉及的概念
调节参数—对被调对象的被调参数具有较强的直 接影响并便于调节的变量 偏差—测量值与给定值之间的差异 给定值—工艺过程中，被控变量的期望值，可以 固定，也可按程序变化 输入—自动调节系统方框图中，指向该环节的信 息称该环节的输入 输出—自动调节系统方框图中，背离该环节的信 息称该环节的输出
23
负反馈系统
以液位控制为例子分析其控制过程：当液位y由于某 种干扰而上升时，其测量值z升高，偏差（e=x-z） 降低，这时，调节器应发出调节信号使e变小直至为 0，从而y下降，抑制了干扰的影响。
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
23
第五节 自动调节系统的分类
各种分类方法
24
按被控量分：如温度、压力、液位等控制系统。 按控制系统中控制仪表及装置所用的动力和传递信号的介质分： 如气动、电动、液动、机械式等控制系统。 按被控对象分：流体输送、设备传热、化学反应器等控制系统。 按调节器的控制规律分：比例控制、积分控制、微分控制、比例 积分控制、比例微分控制、比例积分微分控制等。 按系统功能与结构分：单回路简单控制系统；串级、比值、选择 性、分程、前馈和均匀等常规复杂控制系统；解耦、预测、推断 等先进控制系统和程序控制系统。 按给定值的变化情况分：定值控制系统如温度、液位等的控制； 随动控制系统如雷达系统、火炮系统；程序控制系统如生物反 应、金属热处理炉。
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
24
思考题：
试画出该温度控制系统的方框图,指出该系统中 的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响 被控变量的干扰是什么？
25
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
25
26
解： 1）被控对象:反应器; 2）被控变量:温度; 3）操纵变量:冷却水的流量; 4）干扰:进料的流量和温度变化、传热系 数、冷却水温度变化、保温情况等。
反馈就是把系统的输出信号直接或经过一些 环节后回送到系统的输入端并加入到输入信 号中的作法。 如果由于反馈的存在使系统的输出信号增 强，称为正反馈； 如果由于反馈的存在使系统的输出信号趋于 稳定在原来的水平上，或者使输出信号与给 定值的偏差趋于减小，称之为负反馈。
2009-9-24
21
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
32
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
32
四、阶跃干扰作用下衰减振荡过程的品质指标
33
最大偏差（A）：在过渡过程中，被控量偏离给定 值的最大量。最大偏差越小越好。 超调量（最大超调量B）：在过渡过程中，每一个 波峰值减去新的稳态值称为超调量。有一个波峰 就有一个超调量。 衰减比（n）：第一个超调量与第二个超调量的比 值。控制实践表明：n处于4~10之间较合适。
2009-9-24
12
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
12
13
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
13
2. 字母代号
表示仪表的小圆圈的 上半圆内，一般写有 两位或两位以上字 母，第一位字母表示 被测变量，后继字母 表示仪表的功能。常 用被测变量和仪表功 能的字母代号见右 表。
字 母 A C F I L 第一字母 被测变量 分析 电导率 流量 电流 物位 后续字母 功能 报警 控制 指示
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
30
三、阶跃干扰作用下自动调节系统的过渡过程
31
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；非振荡发散过程
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
31
四、阶跃干扰作用下衰减振荡过程的品质指标
横坐标t为时间,纵坐标y为被控变量离给定值的变化量。 t=0时，系统稳定，y(0)=0；t→∞时,系统也达到新的稳 态，y(∞)=C
2
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
2
第一节 生产自动化的主要内容
二、自动信号和联锁保护系统
3
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。
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
21
四、反馈原理
22
干扰因素 设定液位 x z e LC P 调节阀 Q 水槽 实际液位 y
测量液位
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意LT
22
四、反馈原理
正反馈系统
当偏差e=x+z时，控制系统称正反馈系统。当液位y 由于某种干扰而上升时，其测量值z升高，偏差增 大，这时，调节器应发出调节信号使e变大，从而y进 一步上升，增强了受干扰后的变化趋势，导致系统崩 溃或达到极限值，从而使系统不稳定。 例如炸弹的爆炸、电子振荡器中振荡过程的产生等都 是正反馈系统。
8
自动化装置
测量元件及变送器、调节器、执行器。
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
8
二、自动化装置
测量元件及变送器——检测参数并将检测结果变成 标准统一信号进行输出，如液位的测量及变送。
9
自动调节器——接受变送器送来的信号，与工艺 需要保持的参数值进行比较得出偏差，并按某种 运算规律算出结果，然后将此结果以特定信号 （如电压、电流）发送出去。 执行器——通常指调节阀，它自动地根据调节器 发出的信号值经过放大后改变阀门的开启度，从 而改变操纵量，给对象施加调节作用。
15
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
15
第四节 自动调节系统方框图
一、方框图
用方框表示自动调节系统各环节的内容，用箭头 表示自动调节系统各个组成环节之间的相互影响 和信号联系的图形。
16
二、方框图中所涉及的概念
调节对象——在生产过程中需要保持其工艺参数 稳定的设备或装置，冶金炉，加热炉等，可以是 一台具体的设备或设备的某一部分，如一段管道
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
29
三、阶跃干扰作用下自动调节系统的过渡过程
自动控制系统的过渡过程
系统受输入信号的作用从一个静态到另一个 静态之间的变化过程称为过渡过程，是被控 量在干扰信号或控制信号的作用下随时间不 断变化的过程，其变化规律与信号的形式有 关。
30
2009-9-24
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
26
第六节 自动调节系统的过渡过程和品质指标
27
一、调节系统的静态
静态：被控变量不随时间变化、自动化装置 保持原状的平衡状态。
当一个自控系统的输入(给定和干扰)和输出 均衡不变时，整个系统就处于一种相对稳定 的平衡状态，即指系统中各信号的变化率为 零，信号保持在某一常数不变化，而不是指 物料不流动或能量不交换。因为自动控制系 统在静态时，生产还在进行，物料和能量仍 有进有出，只是平稳进行没有改变。
液位控制：人工→自动；温度控制等。
Qi 眼 看 脑 想 手 动 Qo
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
6
7
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
7
一、自动调节系统的基本组成
调节对象
要对其工艺参数进行控制的机器或设备，它可以是一 段管道、一台设备或设备的某一部分，如各种反应 器、换热器等
3
第一节 生产自动化的主要内容
三、自动操纵及自动开停车系统
4
自动操纵系统可以按照预先规定 的步骤自动地对生产设备进行某 种周期性的操作。自动开停车系 统可以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。
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
4
第一节 生产自动化的主要内容 四、自动调节系统
18
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
18
三、调节系统方框图示例：
19
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
19
20
思考题： 请画出液位控制系统方框图并指明调节对 象、被调参数、可能出现的干扰因素、调节 参数。
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
20
四、反馈原理
反馈
注：通常用小圆圈表示自动化装置，第一个字母表 示被测变量，后继字母表示仪表的功能，如图中所 示。
2009-9-24
热工仪表及自动化讲义-朱诚意
9
第三节 工艺管道及控制流程图