自动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）……
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的基本概念自动控制系统是指能够接受输入信号，并对输出信号进行调节以控制设备或进程的一种系统。
它在工业、交通、军事、医疗等许多领域中得到广泛应用。
本文将以自动控制系统的基本概念为主题，介绍其定义、组成要素以及工作原理。
一、定义自动控制系统是根据设定的目标和规则，通过测量和比较反馈信号与目标信号的差异，以闭环控制模式下进行调节的系统。
它的目标是使输出信号尽量接近设定值，从而实现对被控对象的稳定控制。
二、组成要素1. 输入信号：输入信号来源于外界环境或人为设定，作为系统的参考，用于与反馈信号进行比较分析。
2. 反馈信号：反馈信号是根据被控对象的输出结果，通过传感器测量得到的实际信号，用于对输入信号进行调节。
3. 控制器：控制器是自动控制系统的核心部件，负责根据输入信号和反馈信号进行计算和逻辑判断，并输出控制信号。
4. 执行机构：执行机构接收控制信号，根据信号调节设备或进程的运行状态，将输入信号转化为输出信号。
5. 被控对象：被控对象是自动控制系统中需要调节或控制的设备、过程或系统。
三、工作原理自动控制系统的工作原理可以分为开环控制和闭环控制两种模式。
1. 开环控制开环控制是指控制器仅根据输入信号进行调节，不考虑反馈信号的影响。
它的工作模式简单，但对外界干扰和被控对象的变化敏感。
开环控制常用于对被控对象的要求较低或误差可以容忍的场景下。
2. 闭环控制闭环控制是指控制器根据输入信号和反馈信号进行比较分析后进行调节。
它能够实时捕捉到被控对象的实际状态，并根据误差进行修正，使输出信号更加接近设定值。
闭环控制具有稳定性强、适应性好的特点，广泛应用于需要高精度控制的场景。
在闭环控制中，控制器会根据输入信号和反馈信号之间的差异进行计算和判断，输出相应的控制信号，通过执行机构对被控对象进行调节。
这个过程是一个持续反馈、修正的过程，直至输出信号接近设定值为止。
通过不断的比较和调节，自动控制系统能够实现对被控对象的准确控制。
自动控制原理概述
自自自动动动控控制制原给得理定特值得征主:要任务:
被控量
控制分通析过和对设各计类自机控动器制器控、制各系种受统物控对得理象性参能量。、工
自业动示生图控下意产制面过系通程统过等得一得基些控本实制概例直念来接检说造测明福元自于件 动社控会制。和
第一节 自动控制与自动控制系统
例 水温人工控制系统 系工统作得过构程成: : 受控手蒸对动汽象调通:水箱 节被过阀控热门制传得导量开器:水温 度件,把从热而阀量调门传节 蒸递热汽给传得水导流,水器量得件, 来温控度显制与示水蒸仪得汽表 温得蒸度流汽、量成排正水 比冷、水但人工热难水以实现稳定得高质量控制、
第二节 自动控制系统得分类
三、连续系统和离散系统
连续系统:
系统中各部分得信号都就是时间得连 续函数即模拟量。
离散系统: 系统中有一处或多处信号为时间得离 散函数,如脉冲或数码信号。 若系统中既有模拟量也有离散信号, 则又可称之为采样系统。
第二节 自动控制系统得分类
四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统
前馈补偿控制
前馈通道
主通道
给定值 _ 控制器
被控 制量
受控对象
检测元件
反馈控制
第一节 自动控制与自动控制系统
(b) 按扰动前馈补偿得复合控制
前馈补偿控制
扰动
主通道
前馈通道
被控
制量
给定值 _ 控制器
受控对象
检测元件
反馈控制
第一章 概 述
第二节 自动控制系统得分类
自动控制系统得分类方法较多,常见 得有以下几种
自动控制原理概述
第一章 概述
第一节 自动控制与自动控制系统
一、自动控制得基本概念 二、控制系统得基本构成
自动控制原理基本概念知识点总结
自动控制原理基本概念知识点总结自动控制原理是现代控制工程的基础理论，研究自动控制系统的建模、分析与设计方法。
掌握自动控制原理的基本概念对于理解和应用控制技术起着重要的作用。
本文将对自动控制原理的基本概念知识点进行总结。
一、控制系统基本概念1.1 控制系统的定义控制系统是通过对被控制对象施加命令，以达到预期目标的系统。
它由输入信号、输出信号、被控制对象和控制器等组成。
1.2 开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统是指控制器的输出不受被控制对象的反馈信号影响的控制系统。
闭环控制系统是指控制器的输出受到被控制对象的反馈信号影响的控制系统。
1.3 正反馈与负反馈正反馈是指系统的输出信号与输入信号同方向，有放大的作用；负反馈是指系统的输出信号与输入信号反向，有稳定的作用。
二、控制系统的数学描述2.1 传递函数传递函数是用来描述控制系统输入与输出之间的关系的数学模型。
它通常由拉普拉斯变换或者Z变换得到。
2.2 系统的稳定性系统的稳定性是指当系统受到扰动或者参数变化时，输出信号是否趋于有限，并且不出现无穷大的情况。
2.3 时域指标时域指标包括超调量、调节时间、上升时间等，用来衡量系统的动态性能。
三、控制系统的设计方法3.1 PID控制器PID控制器是最常用的一种控制器，它由比例项、积分项和微分项组成，可用于调节系统的稳态误差、快速响应和抑制振荡。
3.2 稳态误差补偿稳态误差补偿方法用于减小系统在达到稳态时的误差，例如使用积分控制器。
3.3 根轨迹法根轨迹法是一种用于分析系统稳定性和性能的图形法，它通过在复平面上绘制传递函数的极点和零点来描述系统的特性。
四、控制系统的稳定性分析4.1 极点配置法极点配置法是一种通过调整系统的极点位置来改变系统的动态响应，从而实现稳定性分析和改进的方法。
4.2 Nyquist准则Nyquist准则是一种通过绘制传递函数的频率响应曲线，并通过判断曲线与负实轴交点的数量来判断系统稳定性的方法。
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的基本概念一、调节对象、被调参数、调节参数、调节通道。
1什么是调节对象？在生产过程中被控制的设备或机器。
2.什么是被调参数？指调节对象中的应保持在预定化幅度内并把它进行调节的参数。
3.什么是调节参数？指作用于调节对象并使被调参数趋于稳定的参数。
4.什么是干扰？是指破坏系统平衡状态而引起被调参数变化的外界因素。
5.什么是干扰通道？是由干扰产生点到被调参数之间的所有环节称干扰通道。
二、调节规律、变送器、调节器、执行器。
1什么是调节规律？就是指调节器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律。
在研究调节器的调节规律时，将调节器从系统中断开，单独研究调节器的输出信号与输入信号的关系。
在分析调节器的调节规律时，通常在调节器的输入端加入一个阶跃信号，即突然出现某一偏偏差时，输出信号随阶跃输入信号的变化规律。
调节器的调节规律实际上表征调节器的动态特性，可以用传递函数的形式来描述。
调节器的基本调节规律是比例(P)、积分(I)、微分(D)及其组合。
6.什么是变送器？变送器在自动检测和调节系统中的作用，是将各种工艺参数，如压力、差压、温度、流量、液位、成分等物理量变换成相应的统一标准信号，再传送到指示记录仪、运算器和调节器，供指示、记录、调节。
按照被测参数分类，变送器主要有：差压变送器、压力变送器、温度变送器、流量变送器等。
构成：通常由输入转换部分、放大器和反馈部分组成。
输入转换部分包括敏感元件，他的作用是感测被测参数，并把被测参数转换成某一中间模拟量。
中间量可以是电压、电流、位移和作用力等物理量。
反馈部分把变送器的输出信号转换成反馈信号。
放大器把中间模拟量和反馈量的差值放大，并转换成标准输出信号。
3.什么是调节器？调节器通常是对输入信号与给定信号之偏差进行PID运算，并把运算结果以统一信号送到执行器，实现自动调节。
调节器必须有检测偏差和进行PID运算的两个关键部分。
偏差检测电路一般称为输入电路。
偏差信号通常采用电压形式，所以输入信号和给定信号在输入电路内都以电压形式进行比较。
自动控制原理
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1. 2自动控制系统的组成与系统原理 框图
• 把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节又送回到 输入端的做法叫做反馈。如图1一3所示，把系统的输出信 号通过检测变送装置送回到系统输入端的就是反馈。当系 统反馈信号取负值，并与给定值相加时，属于负反馈;当 反馈信号取正值，与给定值相加时，属于正反馈。自动控 制系统的主反馈一般是负反馈。 • 从系统的输入量r(t)沿着箭头方向到系统的输出量c(t)，称 该信号通道为前向通道。而从系统的输出量沿着箭头方向 到系统的输入端，则称该信号通道为反馈通道。
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1. 4对自动控制系统
• • • • 1.4.2对自动控制系统的基本要求 对一个自动控制系统的基本要求为稳定性、快速性和准确性。 1.稳定性 对任何自动控制系统，首要条件是系统必须稳定。只有系统稳定，才 能正常工作。 • 稳定性是指系统受到扰动作用或给定值发生变化时，其动态过程的振 荡倾向和重新恢复状态的能力。 • 当系统受到扰动作用或给定值发生变化时，被控量就会偏离给定值， 如果经过系统的自身调节，系统能回到或接近原来的给定值，这样的 系统就是稳定的系统;否则，系统不能回到或接近原来的给定值，这 样的系统就是不稳定的系统。
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1. 4对自动控制系统
• 2.快速性 • 快速性是通过动态过渡过程时间的长短来表示的，如图1一11所示。 过渡过程时间越短，则快速性就越好;反之，过渡过程时间越长，则 快速性就越不好。 • 3.准确性 • 准确性是由系统达到稳态时，给定值与实际值之差来体现的，如图1 一12所示。它反映了系统的稳态精度。 稳定性、快速性和准确性往 往是互相制约的。在设计与调试的过程中，若过分强调某方面的性能， 则可能会使其他方面的性能受到影响。
自动控制系统基本概念
热工自动控制系统基本概念1．自动控制的组成调节器，执行机构，测量变送器，被控对象调节器的作用接受主信号和测量信号之间的偏差信号，进行一定规律的运算后产生一个调节信号送给执行机构执行机构通常包括执行器和阀门，它能接受执行机构送来的信号去完成被控对象的控制任务测量变送器由测量元件和变送器组成，是把非电量信号转成能进行控制的电量信号被控对象指需要进行控制的设备或生产过程，被控对象需要进行控制的物理量就叫被控量2．被控对象的动态特性被控对象的动态特性根据热工对象分：有自平衡和无自平衡有自平衡：给某热工对象加一扰动，不需外加调节凭自己的特性就能恢复到一个新的稳态无自平衡：给某热工对象加一扰动，不需外加调节凭自己的特性就能恢复到一个新的稳态y(∞x(t)YY(τ动态特性的描述：放大倍数：（K）为对象阶跃响应的终值Y（∞）除以阶跃扰动幅值ΔZ自平衡率：（ρ）为放大倍数的倒数迟延时间：（τ）时间常数：（Tc）飞升速度：（ε）K/Tc有自平衡能力的对象数学描述：Wd（s）=K/（1+Ts）nK为放大倍数，T为时间常数，n为阶数。
n≈[1.075t1/(t2-t1)+0.5]2T≈(t1+t2)/2.16nt1为0.4Y(∞)时对应的时间t2为0.8Y(∞)时对应的时间无自平衡能力的对象数学描述:Wd(s)=ε/s(1+Ts)n=1/Tas(1+Ts)nTa为飞升时间，Ta与ε互为倒数n≈1/12л*（Y0/Yτ）2Ta=1/ε=ΔZ*Tτ/ Y0 T= Tτ/n自动控制的基本方式1.开环控制被控量不影响系统控制的控制方式2.闭环控制被控量参与系统的空制方式，又称反馈控制热工对象的动态特性分类热工对象的动态特性分为两大类。
1．有自平衡能力对象。
其特点为：阶跃输入时，其输出（被控量）从零开始变化，变化速度越来越快，至最大变化速度（响应曲线有拐点），然后变化速度逐渐减慢，直至趋于某一常数（速度为零），即稳定到新的平衡值。
第一章 自动控制理论概述
第一章 自动控制基本概念
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4 引言 自动控制的基本概念 自动控制系统的组成和分类 自动控制系统的基本要求
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
本章重点
1. 自动控制的含义； 自动控制的含义； 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。 控制系统的组成和分类和特点。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
• 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等 各个领域中起着重要的作用！ • 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医 学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。 • 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。
• 《自动控制理论》是自动控制技术的基础理论，是 一门理论性较强的工程科学。 现代的工程技术人员和科学工作者， 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备 一定的自动控制理论基础知识！ 一定的自动控制理论基础知识！
输入r(t) 输出c(t) 实际 1 2 1 0 t 0 t 控制工程基础 理想的 调节过程
本章难点
1. 深刻理解反馈的概念和思想； 深刻理解反馈的概念和思想； 2. 确定控制系统的被控对象、被控量、给定量 确定控制系统的被控对象、被控量、 等等，绘制方块图， 等等，绘制方块图，分析实际控制系统的基 本原理。 本原理。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
§1－1 引言 －
以系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 为代表的科学方法论 是一门新兴的学科， 是一门新兴的学科，为人类认识世界和改造世界提 供了强有力的武器。 供了强有力的武器。 关于控制论的几种说法 说法一： 控制论”是关于机器的理论。 说法一：“控制论”是关于机器的理论。 说法二： 控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法三： 控制论”是类似于数学的一门学科。 说法三：“控制论”是类似于数学的一门学科。 说法四： 控制论” 说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通 信的科学。（维纳定义） 。（维纳定义 信的科学。（维纳定义）
自动控制 基本原理和基本概念概要
第一篇基本原理和基本概念概要第一章绪论一、自动控制和自动控制系统基本概念1.自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制设备或装置，使被控对象的被控量自动的按预定的规律变化。
2.自动控制系统：能自动对被控对象的被控量（或工作状态）进行控制的系统。
3.被控对象（又称受控对象）：指工作状态需要加以控制的机械、装置或过程。
4.被控量：表征被控对象工作状态且需要加以控制的物理量，也是自动控制系统的输出量。
5.给定值（又称为参考输入）：希望被控量趋近的数值。
又称为规定值。
6.扰动量（又分为内扰和外扰）：引起被控量发生不期望的变化的各种内部或外部的变量。
7.控制器（又称调节器）：组成控制系统的两大要素之一（另一大要素即为被控对象），是起控制作用的设备或装置。
8.负反馈控制原理：将系统的输出信号反馈至输入端，与给定的输入信号相减，所产生的偏差信号通过控制器变成控制变量去调节被控对象，达到减小偏差或消除偏差的目的。
二、自动控制原理的组成和方框图典型的自动控制系统的基本组成可用图1.1-1的方框图来表示。
其中的基本环节有：1)受控对象：需要控制的装置、设备及过程。
2)测量变送元件：测量被控量的变化,并使之变换成控制器可处理的信号(一般是电信号)。
3)执行机构：将控制器发来的控制信号变换成操作调节机构的动作。
4)调节机构：可改变受控对象的被控量, 使之趋向给定值。
5)控制器：按照预定控制规律将偏差值变换成控制量。
自动控制装置图 1.1-1三、自动控制系统的基本控制方式：自动控制系统的基本控制方式有开环控制、闭环控制和复合控制三种。
开环控制适用于控制任务要求不高的场合。
工程上绝大部分的自动控制系统为闭环控制。
对控制任务要求较高，且扰动量可测量的场合，常采用复合控制系统（又称前馈——反馈复合控制系统）。
四、自动控制系统的分类1.按给定输入的形式分类：恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
2.按元件的静态特性分类：线性控制系统、非线性控制系统。
自动控制系统概念
许多自动控制系统在关键任务中起到重要作用，如何保证 系统的可靠性和稳定性，防止因故障导致生产事故或安全 事故，也是一个重要的技的行业和应用领域具有 各自的特点和需求，如何根 据具体需求定制和优化自动 控制系统是一个挑战。
人员培训
自动控制系统的应用需要对 操作人员进行专业培训，以 确保他们能够正确地使用和 维护系统。
物联网和通信技术的进步将推动自动控制 系统向网络化方向发展，实现远程监控和 控制。
模块化
安全性
模块化设计将有助于提高自动控制系统的 可维护性和可扩展性，方便系统升级和功 能扩展。
随着网络安全问题的日益突出，自动控制 系统的安全性将受到更多关注，将会有更 多的安全防护措施被应用到系统中。
技术挑战
数据处理
和稳定性。
反馈回路
反馈回路是自动控制系统中不可或缺 的部分，它能够将受控对象的输出信 号反馈给控制器，形成一个闭环控制 系统。
通过反馈回路，控制器可以实时地了 解受控对象的当前状态，并根据需要 调整控制动作，以达到更好的控制效 果。
03
自动控制系统类型
开环控制系统
开环控制系统是指系统中各个环节之 间没有反馈，只将系统输出量直接反 馈到输入端，通过输入端控制输出量 。
系统集成
将自动控制系统与其他设备 和系统集成时，需要解决不 同设备和系统之间的通信和 接口问题。
成本效益
自动控制系统的建设和运行 需要投入大量的资金和技术 支持，如何平衡成本和效益 的关系是一个挑战。
THANKS
感谢观看
传感器的种类和规格非常多，需根据具体的控制 要求进行选择和配置。
传感器的精度和稳定性对整个控制系统的性能有 着至关重要的影响。
受控对象
自动控制系统基本概念
7
五、自动控制分类 1. 自动检测系统：P、Q、T、H检测 2. 自动保护系统：对参数的保护控制 3. 定值控制系统：将参数稳定在一定范围,
又称自动调节系统 4. 自动操纵系统：程序控制 5. 随动控制系统：自动跟踪系统
8
六、自动控制系统的方框图 1、方框图：反映系统各组成部分之间的相
4
二、自动控制系统的定义 • 自动控制是在人不直接参与的情况下,利
用外加的设备或装置,使整个生产过程或 工作机械被控对象自动地按预定规律运 行,或使某个参数被控参数按预定要求变 化.
• 自动调节系统是利用自动化装置克服干 扰,把偏离给定值的被调参数调回到给定 值上的系统.
5
三、自动控制系统的组成
31
四微分控制D控制
• 控制器的输出变化量与偏差变化速度成 正比.
P
TD
de dt
• 对变化速度快的偏差,微分调节输出变化 值也大,有超前调节功能.
• 对不变化的偏差,微分控制不起作用,也不 能消除余差.
32
阶跃输入时微分调节器特性
33
微分时间对过渡过程的影响
34
五比例积分微分PID控制系统 1. 控制器的输出为三部分输出之和. 2. 当偏差刚出现时,微分作用立即变化因
•
它根据偏差是否存在来动作.它的输出与偏差对时间的
积分成比例,只有当余差完全消失,积分作用才停止.其实质就是消
除余差.但积分作用缓慢,使最大动偏差增大,延长了控制时间.用
积分时间TI表示其作用的强弱,TI越小,积分作用越强,积分作用太
强时,也易引起振荡.
• 微分控制
.它的输出与输入偏差变化
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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y
测量值
测量元件 变送器
输入信号
由外部加到系统中的变量，它不受系统中其他变量的影响和控制。
输出信号
由系统或元件产生的变量，其中最受关注的输出信号又称为被控变 量。 。
输入信号的响应 由某一个输入信号产生的输出信号又称为该输入信
号的响应。
反馈信号
是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端的信 号，一般与被控变量成正比。
热处理炉的温控系统、机床的数码加工系统和仿 形控制系统。
三、连续控制系统和离散控制系统
连续控制系统
控制系统中各部分的信号都是时间的连续函数。
离散控制系统
在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间 的离散信号。
离散模型是计算机控制的最主要模型
第五节 自动控制系统的过渡过程及性能 指标
一、控制系统的静态和动态
自动信号和联锁保 护系统
自动信号系统 当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号
联锁保护系统 达到危险状态， 打开安全阀或切 断某些通路，必 要时紧急停车
液位自动报警系统示意图
自动操纵及自动开 停车系统
自动操纵系统 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 按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入运
一般的阶跃信号：突然、危险、对被控参数影响很大。 其它形式的干扰可用多个阶跃信号代替
被控对象
系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。了解过 渡过程中被控变量的变化规律对于研究自动控制系统是十 分重要的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于 系统的干扰形式。
常见典型信号
阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。
被测变量和仪表功能的字母代号
字
第一位字母
后继字
母
字
第一位字母
后继字母
母
母
被测变量 修饰词 功能
被测变量 修饰词 功能
A
分析
报警 P
压力
C 电导率
控制 Q
数量
积分
累积
D
密度
差
R 放射性
记录
E
电压
S
速度
安全
开关
F
流量
比
T
温度
传送
I
电流
指示 V
粘度
阀
K
时间
W
力
L
物位
Y
M
水分
Z
位置
执行机构
第四节 自动控制系统分类
闭环控制
结构
简单、成本低
复杂、成本高
精度 精度低、对元器件要 精度高、对元器件要求
求高
低
稳定性
通常不考虑
必须考虑
二、定值控制系统、自动控制系统和程序 控制系统
按照输入信号分类，自动控制系统可分为定值控 制系统、随动控制系统和程序控制系统。
定值控制系统
❖输入信号是恒值，要求被控变量保持相对应的 数值不变
四、影响过渡过程品质的主要因素
自动调节系统由两大部分组成: 1. 工艺过程部分：只与自动控制相关的 工艺部分。 2. 自动化装置部分：实现自动控制必备 的自动化设备。
对一个自动控制系统来说，过度过程品质的 好坏，很大程度上决定于对象的性质。自动控制 装置应按对象的性质合理的选配控制系统。
或外来扰动的变化都比较小，或这些扰动因素可以事先确定并 能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果； 对扰动没有抑制能力。
给定值
（控制装置）
计算
执行
干扰
被控量 控制对象
按给定值操纵的开环控制系统
计算
测 量
执行
干扰
被控量 控制对象
按干扰补偿的开环控制系统
•开环控制系统的方框图
扰动
输入量 控制装置
装置.
●执行器
作用是接受控制器的控制
要求 观察
显示 记录仪 记录 显示器
变变换送器
检测 仪表
信号，直接推动被控对象，使 被控变量发生变化
思考 调节
给定值
执行
执行机器构
调控节制器
调节器
第三节 自动控制系统的表示方法
方块图表示方式
f 干扰作用
给定值 x
偏差
控制器输出
操纵变量
_ e 控制器
p
控制阀 q
阶跃信号 特点
数学表达式为：
r(t) A t≥0
0 t<0
当A=1时称为单位阶跃信号。
易产生 对系统输出影响大 便于分析和计算
斜坡信号
加速度信号
脉冲信号
自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有非周
期衰减过程 、衰减振荡过程、 等副振荡过程 、发散振
荡过程 等四种。
y
y
0
t0
t
1. 非周期衰减过程
一、开环控制和闭环控制
按照控制方式和策略，系统可分为开环控制系统和 闭环控制系统两大类。
输入量
控制器
控制量
输出量控制系统
控制器
控制量
控制对象
输出量
反馈装置
闭环控制系统
开环控制系统
控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的输出量不会对 控制器产生任何影响；
结构简单，成本低，容易控制，但控制精度低 ； 一般适合于干扰不强或可预测的、控制精度要求不高的场合； 如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内部参数
f 干扰作用
给定值 x
偏差 _e
z
控制器输出
控制器
p
操纵变量
控制阀 q
被控变量
对象
y
测量值
测量元件 变送器
操纵变量
受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变 量保持设定值的物料量或能量。
干扰量
除操纵变量以外，作用于被控对象并引起被控变量变
化的因数。
f 干扰作用
给定值 x
偏差 _e
z
控制器输出
控制器
静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态。 动态：被控变量随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。
被控对象
平衡（静态）是暂时的、相对的、有条件的， 不平衡（动态）才是普遍的、绝对的、无条件的
研究自动控制系统的重点是研究系统的动态。
被控对象
。
二、控制系统的过渡过程
被控对象
自动控制系统的过渡过程是控制作用不断克服干扰作用 影响的过程。系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的过 度过程中，被控变量随时间变化的规律首先取决于干扰作 用的形式。
蒸汽 凝液
TC TT
出料
测量点
包括检出元件、取样点。是 由工艺设备轮廓线或工艺管线引 到仪表圆圈的连接线的起点。
连接线
通用的仪表信号线和能源线的符号是细实线。 连接线表示相连及交叉时，可采用图（a）（b） 形式。在复杂系统中，当有必要表明信息流动方 向时，应在信号线符号上加箭头,如图(c)所示。
(a)
绘制方框图注意事项
● 方框图中每一个方框都代表一个具体的装置。 ● 方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联 系，并不代表物料联系。
● 箭头也只是代表信号作用的方向，与工艺流程图 上的物料线是不同的。 ● 各个组成部分在信号传递关系上都形成一个闭合 环路。
进料
蒸汽 凝液
TC TT
出料
①指出此控制系统中被控对象、被控变量和操纵变量。 ②试画出此自动控制系统的方框图。
坏； 通常而言，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
干扰
给定值
比较、计算
－
执行
被控量 控制对象
测量
按偏差调节的闭环控制系统
闭环系统与开环系统 的区别
与开环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点是检测偏差、纠正 偏差 ；
从系统结构上看，闭环系统具有反向通道； 从功能上看，闭环系统具有如下特点：
❖ 由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，若采用开环 控制，要达到同样的精度，则需要高精度的控制器，从而大大增 加了成本；
❖ 由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各环节中可能存在的 扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性；
❖ 反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。
开环控制
p
操纵变量
控制阀 q
被控变量
对象
y
测量值
测量元件 变送器
给定值
被控变量的设定值。
偏差
被控变量的给定值与实际值之差。
f 干扰作用
给定值 x
偏差 _e
z
控制器输出
控制器
p
操纵变量
控制阀 q
被控变量
对象
y
测量值
测量元件 变送器
f 干扰作用
给定值 x
偏差 _e
z
控制器输出
控制器
p
操纵变量
控制阀 q
被控变量
f 干扰作用
给定值 x
偏差 _e
z
控制器输出
控制器
p
控制阀
操纵变量
被控变量
加热器
q
T
测量值
温度测量 变送器
①指出此控制系统中被控对象、被控变量和操纵变量。 ②试画出此自动控制系统的方框图。 ③试分析出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制？
反馈
f 干扰作用
给定值 x
偏差 _e
z
控制器输出
控制器
p
操纵变量
控制阀 q
被控变量
对象
y
测量值
测量元件 变送器
通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的 输入端。
负反馈
反馈