1-2自动控制系统举例
自动控制原理课件1
一、开环控制系统、闭环控制系统和复合控制 系统
（一）开环控制系统 例
概念: 如果控制系统的输出量对系统没有 控制作用,这种系统称为开环控制系统.
输入 控制器
被控对象
输出
一、开环控制系统和闭环控制系统 举例：炉温控制系统
uc
特点：
本系统的输入量是自耦变压器的输出电压uc，输 出量是电阻炉的输出温度T； u唯一对应T；
§1-1 控制理论的发展历程
3、本课程与相关课程的关系 现制 代理 控论
过制 程系 控统
后续课程
各业 其 类课 它 专程
自动控制原理 先修课程 大 学 物 理 微 积 分 积 分 变 换 复 变 函 数 电 子 技 术 电 路 理 论 电 机 拖 动
§1-1 控制理论的发展历程
4、课程的理论体系
给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 执行 机构
§1-2 控制系统的基本概念 （三）关于传递方框图的几点说明
执行机构 直接作用于控制对象（调节机构、传 动装置、电机）
给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 执行 机构 被控 对象
§1-2 控制系统的基本概念 （三）关于传递方框图的几点说明
§1-2 控制系统的基本概念 举例: 液位自动控制系统
手臂,手
+
大 脑
M
—
目标液位
放大器
§1-2 控制系统的基本概念 一、基本术语 自动控制：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按一定的规律变化。
如液位，炉温，轧辊辊速，带钢张力等控制。
古代
在二次世界大战期间，由于军事上 的需要，雷达和火力控制系统有了 较大的发展，N.Winner在总结前 人成果的基础上发表了《控制论》 一书，标志着控制理论学科的诞生。
自动控制系统概述ppt课件
号
号
1 就地安 装仪表
2 集中仪 表盘面 安装仪 表
3 就地仪 表盘面 安装仪 表
4
嵌在管道 中
集中仪表 盘后安装 仪表
5 就地仪表 盘后安装 仪表
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同 功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆 与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同 一图纸上），如下图所示。
对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统 ）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时 的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也 经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。
第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标
信号常见形式 斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号、阶跃信号等。
执行器
液位自动控制系统方框图
每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭 头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离 开方框的为环节输出。
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
注意！
方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。 方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联 系，与工艺流程图上的物料线有区别。 “环节”的输入会引起输出的变化，而输出不会反过来直 接引起输入的变化。环节的这一特性称为“单向性” 。 自动控制系统是一个闭环系统
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
用同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统
蒸汽加热器温度控制系统
给定值x
偏差e
控制器输出p
控制器
干扰作用f
操纵变量q 执行器
对 象 被控变量y
自动控制原理及应用教案
第一章自动控制的基本知识⏹ 1.1自动控制的一般概念⏹ 1.2自动控制系统的组成⏹ 1.3自动控制系统的类型⏹ 1.4 对控制系统性能的要求1.1.1自动控制技术⏹自动控制技术被大量应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测、交通管理、科研开发、军事领域、特别是空间技术和核技术。
自动控制技术的广泛应用不仅使各种生产设备、生产过程实现了自动化，提高了生产效率和产品质量，尤其在人类不能直接参与工作的场合，就更离不开自动控制技术了。
自动控制技术还为人类探索大自然、利用大自然提供了可能和帮助。
1.1.2自动控制理论的发展过程⏹1945年之前，属于控制理论的萌芽期。
⏹1945年，美国人伯德（Bode）的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础，至此进入经典控制理论时期，此时已形成完整的自动控制理论体系。
⏹二十世纪六十年代初。
用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”（卡尔曼Kalman）奠定了现代控制理论的基础。
现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统，高精度复杂系统的控制问题，主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态空间法，提出了最优控制等问题。
⏹七十年代以后，各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂，自动控制理论继续发展，进入了大系统和智能控制时期。
例如智能机器人的出现，就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。
1.2自动控制系统的组成1.2.1自动控制系统的结构与反馈控制理论⏹图中为放水阀，为进水阀，水箱希望的液位高度为。
当放水使得水箱液位降低而被人眼看到，人就会打开进水阀，随着液位的上升，人用大脑比较并判断水箱液位达到时，就会关掉。
若判断进水使得实际液位略高于，则需要打开放水而保证液位高度。
⏹在这个过程中，人参与了以下三个方面的工作：⏹用眼睛观察到实际液面的下降（实际液面高度）；⏹用大脑将实际液面与要求液面高度进行比较（与产生偏差）；⏹根据比较的结果（与偏差的正负），用手操作阀的开启或闭合。
《自动控制原理》教学大纲
自动控制原理》教学大纲一、课程的性质、地位与任务本课程是电力系统自动化技术专业的基础课程。
通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力，学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法，如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、状态空间分析法、采样控制系统的分析等基本方本课程系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律，介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法，内容十分丰富。
通过自动控制理论的教学，应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法，以便将来胜任实际工作，具有从事相关工程和技术工作的基本素质，同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。
二、教学基本要求了解自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。
理解典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法，初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法，以串联校正为主的根轨迹综合法，掌握常用校正装置及其作用。
熟悉暂态性能指标、劳思判据、稳态误差、终值定理和稳定性的概念以及利用这些概念对二阶系统性能的分析，初步了解高阶系统分析方法、主导极点的概念，能利用根轨迹对系统性能进行分析，熟悉偶极子的概念以及添加零极点对系统性能的影响。
频率特性的概念、开环系统频率特性Nyquist图和Bode图的画法和奈氏判据，了解绝对稳定系统、条件稳定系统、最小相位系统、非最小相位系统、稳定裕量、频指标的概念，以及频率特性与系统性能的关系。
基本校正方式和反馈校正的作用，掌握复合校正的概念和以串联校正为主的频率响应综合法。
三、教学学时分配表四、教学内容与学时安排第一章自动控制系统的基本知识……4学时本章教学目的和要求：掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。
化工仪表第一、二章讲解
扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控变量 变化的因素
设定值：工艺参数所要求保持的数值
偏差：被控变量设定值与实际值之差
负反馈：将被控变量送回输入端并与输入变量相减
1.4. 闭环控制与开环控制
闭环控制：
在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设 定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量， 这样，整个系统构成了一个闭环。
二、字母
在控制流程图中，用来表示仪表的小圆圈的上半园 内，一般写有两位字母，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 能的字母代号见表1-2
1.4 自动控制系统的组成及方框图
在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示控制 系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般 都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节， 两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方 框的信号为环节输入，离开方框的为环节输出。
t 些；化学反应器的温度控
制要求高，余差就要小一
些。
（4）过渡时间(回复时间) TS
过度时间表示控制系统过渡过程的长短。
定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态 值达到新的稳态值所需要的时间。
y
B
B’
A
0
C t
（1）最大动态偏差（emax）或超调量（ ）
y
B
B’
A
0
控制系统的品 质指标示意图
C
动画链
t 接按钮
最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的 物理量，也是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。
对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变 量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏差就是第 一个波的峰值，为A。
自动控制理论第四版夏德钤翁贻方版
1-1 自动控制的基本原理与方式
1、自动控制技术及应用 （1）什么是自动控制
无人直接参与 利用外加设备或装置（控制器） 使机器、设 备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量） 自动按预定的规律运行
外作用
控制器
被控对象
被控量
（2）自动控制技术的应用
工业、农业、导航、核动力 理和其它许多社会生活领域
（3）智能控制理论 （发展方向） 以控制论、信息论、仿生学为基础
3、反馈控制理论 （1）自动控制系统
被控对象、控制器按一定的方式连接所组成的系统
最基本的连接方式是反馈方式，按该方式连接的系统 称为反馈控制系统
（2）反馈控制原理 控制器对被控对象施加的控制作用取自被控
量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的 偏差，从而对被控对象进行控制。
输入
输出
（电扇调档）
按扰动控制：利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，
（顺馈控制） 以减少或抵消扰动对输出量的影响。
（3） 复合控制方式 按偏差控制与按扰动控制相结合
1-2 自动控制系统举例
飞机示意图
给定电位器
反馈电位器
给 θ0 定
装 置
飞机方块图 扰动
放 大
舵 机
器
反馈电 位器
垂直 陀螺仪
飞 θc 机
f (t) A Sin(t )
第二章 控制系统的数学模型
1、线性连续控制系统 用线性微分方程描述 P11 定常、时变
a0
d nc(t) dt n
a1
d n1c(t) dt n1
an1
dc(t) dt
an c(t )
自动控制基础知识.详解
例2：“是”函数的真值 表
例3：“与”函数的真值 表
例4：“或”函数的真值 表
三、卡诺图
卡诺图：就是按一定规则画出的方块图。
图中一个方块就代表变量的一种取值情况，和真值表类似， 有n个逻辑变量，在卡诺图中就有2n 个格。
0 a1
aa
图1.19 单变量 卡诺图
3 复合控制
计算
给定值
计算
执行
测量
干扰
受控对象
被控量
测量
图1.7 复合控制框图
§1.2 传递函数与环节特性
一、比例环节
其传递函数为：
特点：当输人信号变化时，输出信号会同时以一定的比例 复现输入信号的变化。
x(t)
y(t)
A A
KA A
图1.8 比例环节动态特性
二、一阶环节
其传递函数为： 特点：当输入信号x(t)作阶跃变化后，输出信号y(t)立刻以
“非”函数可用常闭开关符号代表：
“非”函数的基本性质如下：
(2) 双变量(多变量)运算
设变量“a、b、c、d…”，函数S，有如下运算： a．“与”函数
又称“逻辑乘”，表示“同时”、“共同 ” 等价表于达两式个为常：开开关串联：
基本性质： 置换律： 结合律： 几个特殊关系：
当有n个变量时，“与”函数可表示为： 上述性质均成立
（2）过渡过程的5个品质指标
y
图1.13 定值系统的过渡过程
最大偏差A 过渡时间ts 余差C 衰减比ψ 振荡周期Tp
§1.4 自动控制的基本方式
f 被控对象
uห้องสมุดไป่ตู้
控制器
c
c
e
r0
图1.14 控制系统方框图
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。
自动控制原理(1)
四、控制理论发展的历史、现状和前景 控制理论发展的历史、
1 经典控制理论
以单变量控制，随动/ 以单变量控制，随动/调 节为主要内容， 节为主要内容，以微分 方程和传递函数为数学 模型， 模型，以频率响应法为 主要方法。数学工具： 主要方法。数学工具： 微分方程， 微分方程，复变函数
3 后现代控制理论
2.闭环控制系统 2.闭环控制系统
在 控 制器 与 被控 对 象之 间 ， 不 仅 存在 着 正向 作 用 ， 而且存在着反向作用 ， 即系统输出量对控制 而且存在着反向作用， 作用有直接影响 ； 将检测出来的输出量送回到系统的输入端， 将检测出来的输出量送回到系统的输入端 ， 并与 输入信号比较的过程称为反馈；若反馈信号与输 入信号相减， 则称为负反馈， 反之， 若相加， 入信号相减 ， 则称为负反馈 ， 反之 ， 若相加 ， 则 称为正反馈； 称为正反馈； 反馈控制就是指负反馈控制。 反馈控制就是指负反馈控制。 闭环系统必须考虑稳定性问题。 闭环系统必须考虑稳定性问题。
2.系统 2.系统
系统是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件） 系统是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件） 的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定 的任务。
3.自动控制系统 3.自动控制系统
自动控制系统是指能够实现自动控制的系统就可称 自动控制系统是指能够实现自动控制的系统就可称 为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。
大器）。
执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行 执行元件 ：直接改变被控变量的元件称为执行 元件（电机、减速、 元件（电机、减速、调压器）。
测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化 测量元件 ：能够将一种物理量检测出来并转化 成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为 传感器或测量元件（ 传感器或测量元件（热电偶）。 参考输入元件：将指令输入信号变成参考输入 参考输入元件 ：将指令输入信号变成参考输入 信号的元件可称为参考输入元件（ 信号的元件可称为参考输入元件（电位器）。
自动控制原理与应用
r (t )Βιβλιοθήκη e(t )
b(t )
控制器
u (t )
被控对象
c(t )
反馈装置
方框图中信号的常用名称: r(t): 系统的输入信号： 其中使系统具 有预定性能或预定输出的，又可称为给定 输入信号或参考输入信号。如电位器的输 出电压。 c(t): 系统的输出信号或叫输出量：又 常叫做系统对输入的响应。如电动机的转 速。 b(t): 叫反馈信号： 而把系统中输出信号转 换成反馈信号的元件或装置， 称为反馈 元件或反馈装置。如测速发电机。
性。 1932年，Nyquist提出了一种相当简便的方 法，根据对稳态正弦输入的开环响应，确定闭环的 稳定性。1934年，Hezen提出了用于位置控制系 统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的 输入信号的继电式伺服机构。19世纪40年代，频 率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，从 20世纪40年代末到50年代初，伊凡思(Evans)提 出并完善了根轨迹法。频率响应法和根轨迹法是古 典控制理论的核心。由这两种方法设计出来的系统 是稳定的，并且或多或少地满足一些适当的性能要 求。一般来说，这些系统是令人满意的，但它不是 某种意义上的最佳系统。 本书重点讲解经典控制理论的内容。
在图1—1(b)所示的系统中虽然可以实现 自动控制，但由于控制系统结构简单，主要 表现在控制的结果，总存在着一定范围的误 差值。为克服上述不足，可在原控制系统中 增加一些设备而组成较完善的自动控制系统， 如图1—2所示。
二、开环系统与闭环系统 自动控制最常见的控制方式有两种：开环控 制和闭环控制。 1．开环控制系统 控制系统的输入量不受输出量影响的控制系 统称开环控制系统。图l—3(a)所示的他励直 流电动机转速控制系统就是一个开环控制系统。
《自动控制原理》第一章-自动控制原理精选全文完整版
● 执行环节： 其作用是产生控制量，直接推动被控对象的 控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。
常用的名词术语
1.稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正 常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到 原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、 发散振荡或单调增长运动。
2.动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。 当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为 阶跃响应。
时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。
即若系统的输入为 r(t) 时，对应的输出为 y(t)，则
当输入量为 Kr(t)时，输出量为 Ky(t) 。
（2）非线性系统
● 特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 ● 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、
间隙特性等。
图1-5 典型的非线性特性
对被控对象的控制作用，实现控制任务。
图1-3 闭环控制系统原理框图
Hale Waihona Puke (3)复合控制系统 工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系 统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信 号进行补偿，以达到精确的控制效果。
图1-4 复合控制系统原理框图
2.按系统输入信号分类
（1）恒值控制系统 系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服 干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。
举例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制 系统。
自动控制原理：第1章 自动控制的基本概念 (2)
储液量的变化率，为单位时间内液体的流入量与流
出量之差。
若贮槽的横截面A 不变，则有M=Ah。假设在输
, , 入量Qi阶跃变化之前的平衡状态下，液位为h，流人
量和流出量均为QS ，则阶跃变化后这些变量分别为
h h0 h
Q Q Q
i
s
i
Q Q Q
0
s
0
自动控制原理
14
将这些变量代入式（2-1）中，就可得到
此处的加号对应于负反馈；减号对应于正反馈。 增：闭环传递函数=前向传递函数 / 1+ 回路内所有传递函数之积
自动控制原理
29
2.4.3 结构图的等效变换(续)
(2)综合点与引出点的移动 1)综合点的前后移动 a. 综合点前移的 等效变换
b. 综合点后移的 等效变换
2)相邻综合点之 间的移动
自动控制原理
令M L 0
自动控制原理
32
2.4.3 结构图的等效变换(续)
例2 简化结构图，并求系统传递函数C(s)/R(s) 。
C(s)
G1G2G3G4
R(s) 1 G2G3H 2 G3G4H3 G1G2G3G4H1
自动控制原理
33
2.4.3 结构图的等效变换(续)
例3 化简两级RC网络结构图，并求出传递函数Uc(s)/Ur(s)。
i(t)dt
消去中间变量i(t)，得
RC
duc (t) dt
uc
(t)
ur
(t)
对上式进行拉氏变换 RCsUc (s) RCuc (0) Uc (s) Ur (s)
求出Uc(s)的表达式
Uc (s)
1 RCs
U 1
r
自动控制系统的工作原理
自动控制的定义：是指在没有人直接参与的情况下，利用控 制装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象） 的某一工作状态或参数（被控量）自动按照预定的规律运行。
◆ 被控对象：控制系统要进行控制的受控客体 ◆ 被控量：控制对象要实现的物理量 如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态 角、船的航 迹 、电网的电压 、生产过程中的压力、流量 、温度 、 湿度等。
闭环控制系统框图
干扰量
输入量 输出量 被控量
控制器
控制对象
反馈回路
测量元件
21
给定装置
－ ＋
Hale Waihona Puke 给定电压放大器 电机M
减速器
e
－ ＋
热电偶 电阻丝
热电偶 输出电压
调压器 220～
给定电压
e
-
放 大 器
电 动 机
减 速 器
调 压 器
恒 温 炉
期望炉温
热电偶
22
工作原理：
当炉内实际温度与给定电位计表征的希望高度 一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电 动机不转动，系统相对平衡。当炉温因扰动出 现偏差时（如炉温低于希望值），偏差电压经 放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移 动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高， 趋于希望值。
9
1.2 自动控制系统的工作原理
系统：为了达到某一目的，由一些对象相互作用，相互制
约，组成一个具有一 定运动规律的整体。 控制系统：指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系 统，由被控对象和控制器构成的整体。 自动控制系统的性能，在很大程度上取决于系统中的控制器 为了产生控制作用而必须接收的信息，这个信息有两个可能 的来源： 1）来自系统外部，即由系统输入端输入的参考输入信号。 2）来自被控对象的输出端，即反映被控对象的行为或状态 的信息。
自动控制原理--自动控制系统示例
例1-1 烘烤炉温度控制系统
＋ ur uT
热电偶
放大器
T
－
Δu
放大器
ua
工件
煤气
电动机
θ
控制阀
受控对象？被控量？给定装置？ 干扰？ 测量元件？执行机构？
混 合 器
空气
系统的工作原理：
受控对象——烘烤炉；被控量——炉温；给定装置——电位 器；干扰——加热工件、煤气压力波动、环境温度 、电源电 压等 ； 测量元件——热电偶；执行机构——可逆电动机
1.4 自动控制系统示例
函数纪录仪
控制方框图
输入：待记录电压 被控对象：记录笔 被控量：位移 控制任务：控制记录笔位移，在记录纸上描绘 待记录的曲线
飞机-自动驾驶仪系统稳定俯 仰角的原理示意图
给定电位器
反馈电位器
飞机方块图 扰动
给 θ0 定
装 置
放 大
舵 机
器
反馈电 位器
飞 θc 机
垂直 陀螺仪
输入：俯仰角；任务：在任何扰动作用下，始终保持飞机以给定 俯仰角飞行
热力系统的人工反馈控制
希望温度 脑
肌肉、手
阀门
实际温度 水
眼睛
对应的人工控制方框图
热力系统的自动反馈控制
希望温度
控制器
放大元件
气动阀门
气动阀门
控制器 （比较、放大）
注入
Q1
浮子
H
Q2
工件增多（负载增大） T uT u ua T
工件减少（负载减小） T uT u ua T
工件 环境温度
ur
Δu
给定值 －
uT
放大器 ua 电动机 θ
··· 烘炉
自动控制原理实验报告实验一-一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试
分组：成绩：__ _______北京航空航天大学自动控制原理实验报告实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试学院专业方向班级学号学生姓名指导教师2014年11月目录一、实验目的 (1)二、实验内容 (1)三、实验原理 (1)四、实验设备 (2)五、实验步骤 (2)六、实验数据 (3)1.一阶系统实验数据及图形 (3)2.二阶系统实验数据及图形 (4)七、结论和误差分析 (6)结论： (6)误差分析： (7)八、收获与体会 (7)附录 (7)实验时间2014.11.1 同组同学 无一、实验目的1.了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系。
2.学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法。
3.学习阶跃响应的测试方法。
二、实验内容1.建立一阶系统的电子模型，观测并记录在不同时间常数T 时的阶跃响应曲线，并测定其过渡过程时间Ts 。
2.建立二阶系统的电子模型，观测并记录在不同阻尼比ζ时的阶跃响应曲线，并测定其超调量σ％及过渡过程时间Ts 。
三、实验原理1.一阶系统实验原理系统传递函数为：()()()1C S Ks R S TS φ==+模拟运算电路如图1所示：图1212R R Uo(s)K ==Ui(s)CSR +1Ts+1在实验中始终取R2=R1，则K=1，T=R2*C 取不同的时间常数T ，T=0.25s ，T=0.5s ，T=1s记录不同的时间常数下阶跃响应曲线，测量并记录其过渡时间Ts （Ts=3T ）2.二阶系统实验原理 其传递函数为：222()()()(2)n n n C S S R S S S ωζωωΦ==++令1n ω=弧度/秒，二阶系统模拟线路下图2所示：图2取R2*C1=1,R3*C2=1,则R4/R3=R4*C2=1/(2*ζ)及ζ=1/（2*R4*C2）理论值：3(0.05)s nt ζω≈∆=，%σ100%e =⨯四、实验设备1. HHMN-1 型电子模拟机一台2. PC 机一台3. 数字式万用表一块。
自动控制原理的应用举例
自动控制原理的应用举例1. 简介自动控制是指通过控制器和执行器等设备实现对系统或过程的自动化调节和控制的技术。
它在工业生产、交通系统、家庭智能化等各个领域都有广泛应用。
本文将以几个实际例子来说明自动控制原理的应用。
2. 自动智能家居系统2.1 家庭智能化概述随着科技的进步，家庭智能化系统得到了广泛应用。
自动控制原理在家庭智能化系统中起到至关重要的作用。
通过传感器和执行器的配合，实现对家庭环境的智能感知与控制，提高家庭的舒适度和安全性。
2.2 例子：智能灯光系统智能灯光系统可以根据环境亮度和人员活动情况自动调整灯光的亮度和颜色，以提供最佳的照明效果。
系统中的光传感器会感知环境亮度，而红外传感器则可以感知人员的活动。
通过控制灯光控制器调节灯光的亮度和颜色，实现自动化的灯光控制。
2.3 例子：智能温度调节系统智能温度调节系统可以根据室内外温度的变化自动调节空调或暖气的温度，以提供舒适的室内环境。
系统中的温度传感器会感知室内外温度，并将信息传送给温度控制器。
温度控制器根据设定的温度范围和实际温度情况，自动调整空调或暖气的运行状态，实现室温的智能调节。
3. 自动化生产线3.1 生产线自动化概述在工业生产中，自动化生产线被广泛应用，通过自动控制技术实现对生产过程的自动化管理，提高生产效率和产品质量。
3.2 例子：汽车制造自动化汽车制造中的自动化生产线是一个典型例子。
在汽车制造过程中，通过各种传感器和自动控制装置，实现对汽车组装、焊接、喷涂等过程的自动化控制。
这样可以提高生产效率、降低人工成本，并能保证生产的一致性和质量。
3.3 例子：食品加工自动化食品加工行业也广泛应用自动化技术。
在食品加工生产线上，通过自动控制装置和传感器实现对食品的加工、包装、质检等环节的自动化控制。
这不仅提高了生产效率和产品质量，还确保了食品的安全性和一致性。
4. 自动驾驶技术4.1 自动驾驶概述自动驾驶技术是应用自动控制原理在交通运输领域的一个重要应用。
习题集01
2-15 写出题图所示系统的输出表达式 C ( s ) 。
2-16 已知系统在算子域的代数方程组描述如下，试画出系统的结构图，并化简
求取传递函数。
X 1 ( s ) = G1 ( s ) R( s ) − G1 ( s )[G7 ( s ) − G8 ( s )]C ( s ) X 2 ( s ) = G21 ( s )[ X 1 ( s ) − G6 ( s ) X 3 ( s )]
1-7
题图所示的电炉温度控制系统示意图。试分析系统保持电炉温度恒定的工
作过程， 指出系统的被控对象、 被控量以及各不见的作用， 最后绘制系统方块图。
1-8
题图所示的水温控制系统示意图，冷水在热交换器中又通入的蒸汽加热，
从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图，并 说明为了保持热水温度为期望值， 系统是如何工作的？系统的被控对象和控制装 置各是什么？
响应曲线如题图所示，试确定系统的开环传递函数。
3-12 题图所示机械系统，当受到 F ＝4 牛顿力的作用时，位移量 x (t ) 的阶跃响
应如图所示，试确定机械系统的参数 m，k，f 的值。
3-13 试判别题图所示系统的稳定性。
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s 2 + s + 100 s ( s 2 + 100)
3
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s 2 + 3s + 5 s 2 + 2s + 4 1 − e −Ts （3） F ( s ) = s2 1 （4） F ( s ) = 1 − e −ts
（2） F ( s ) =
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1-2自动控制系统举例
一、 位置随动系统
在飞行器的仪表中，为了将陀螺(或其它测量
元件)测得的姿态角的数据，传递到比较远的地方
(如驾驶室的仪表板上)，就要进行转角的远距离传
送，可以利用图1-7所示随动系统来实现上述要
求。
该系统的任务就是保持输出轴始终紧紧跟踪
输入轴变化，又由于输入轴位置是未知的时间函
数，所以该系统是一个位置随动系统。
系统的工作原理如下：利用两个电位器1R 和2R 分别把输入轴和输出轴的转角r θ和c θ变成相应的电压，然后把这两个电压反向串联(相减)即得与角度偏差r c εθθθ=-成比例的电压u ε，该电压经过放大器放大后加到电动机上，电动机的轴经减速器和输出轴相联，并且同时带动电位器2R 的电刷移动，如c r θθ≠，则0u ε≠，放大后的电压u
驱动电动机转动，转动方向最终应使c θ向
r θ接近，使εθ减小。
最后，两者取得一致，
c r θθ=，则0u ε=，电机停止转动，系统
进入平衡状态(假定元件没有死区)。
这样，
就保证了输出轴紧紧地跟随着输入轴的变
化。
二、 函数记录仪
函数记录仪是一种自动记录电压信号
的设备，其原理图如图1-8所示，其中记录笔与电位器m R 的电刷机械连接。
因此，由电位器0R 和m R 组成桥式线路的输出电压p u 与记录笔位移是成正比的。
当有输入信号r u 时，在放大器输出端得到偏差电压r p u u u ε=-，经放大器放大后驱动伺服电动机，并通过减速器及绳轮带动记录笔移动，使偏差电压减小至p r u u =时，电动机停止转动。
这时记录笔的位移L 就代表了输入信号的大小。
若输入信号随时间连续变化，则记录笔便跟随并描绘出信号随时间变化的曲线。
函数记录仪控制系统方框图如图1-9所示。
函数记录仪系统的任务是控制记录笔正确记录输入的电压信号。
而输入信号的变化规律可以是时间的未知函数，因此，这种控制系统也是一个随动系统。
三、速度控制系统
图1-10表示出蒸汽机上瓦特调速器的基本原理。
进入蒸汽缸中的蒸汽量，可根据蒸汽机的希望转速与
实际转速的差值自动地进行调整。
它的工作原理是：
根据希望的转速，设置输入量(控制量)。
如果实际转速
降低到希望的转速值以下，则调速器的离心力下降，
从而使控制阀上升，进入蒸汽机的蒸汽量增加，于是
蒸汽机转速随之增加，直至上升到希望的转速值时为
止。
反之，若蒸汽机的转速增加到超过希望的转速值，
调速器的离心力便会增加，造成控制阀向下移动。
这
样就减少了进入蒸汽机的蒸汽量，蒸汽机的转速也就
随之下降，直到下降至希望的转速时为止。
四、数控机床系统
数控机床系统方框图如图1-11所示，根据对工件P的加工要求，事先编制出控制程序，作为系统的输入量送入计算机。
与工具架连接在一起的传感器，将刀具的位置信息变换为电压信号，再经过模－数转换器变为数字信号，并作为反馈信号送入计算机。
计算机将输入信号与反馈信号比较，得到偏差信号，随后经数－模转换器将数字信号转变为模拟电压信号，经功率放大后驱动电动机，带动刀具按期望的规律运动。
系统中的计算机还要完成指定的数学运算等，使系统有更高的工作质量。
图中的测速电机反馈支路是用来改善系统性能的。
五、 复合控制系统
图1-12为火炮自动控制系统原理方框图。
它是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号的顺向通路，顺向通路由对输入信号的补偿装置组成，因此，它是一个按输入信号补偿的复合控制系统。
火炮对空射击时，要求炮身方位角c θ与指挥仪给定的方位角r θ一致。
为了保证炮身能准确跟随高速飞行的目标，提高跟踪精度，所以，从指挥仪引出方位角的速度信号r θ，通过补偿装置形成开环控制信号，由于方位角速度信号总是超前于方位角信号，所以只要补偿装置选择合适，就能使炮身按照指挥仪的方位角信号以及所要求的角速度准确地跟踪目标。