自动控制原理与应用韩全立第1章
自控第一章习题答案.doc
i -1水箱液im高度控制系统的3种原理方案如图2-i-i所示。
在运行中，希望液面高度H维持不变。
M w W解：(a) ⑶工作原理：当电位器电刷位于中点(对应电压为零)时，电动机静止不动，控制阀门有一定的开度，流入水量与流出水量相等，从而使液面保持给定高度H。
当液面升高时(H>Ho),浮子也相应升高，通过杠杆作用，使电位器电刷由中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机，通过减速器带动进水阀门向减小开度的方向转动，从而减少流入的水量，使液面逐渐降低，浮子位置也相应下降，直到液面恢复给定高度Ho(H=Ho),电动机的停止转动。
反之，若液面降低(H〈H°),则通过自动控制作用，增大进水阀门开度，加大流入水量，直到液面恢复给定高度Ho(H=Ho) o被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位H；给定量:液位的希望值H。
；干扰量：用水量系统是按偏差调节的闭环控制系统。
系统方块图如图所示：工作原理：当流出水量匾变小时，液面的实际水位H升高(H>Ho),浮子也相应升高，通过杠杆调节阀门从而减小流入的水量Q.使液面逐渐降低，浮子位置也相应下降，直到液面恢复给定高度Ho(H=Ho)o反之，当流出水量Q2变大时，液面的实际水位H降低(IKHo),浮子也相应降低，通过杠杆调节阀门L,从而增大流入的水量Q,使液面逐渐升高，浮子位置也相应升高，直到液面恢复给定高度Ho(H=Ho)o被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位H；给定量:液位的希望值H。
；手排曷.田永昼m系统是按偏差调节的闭环控制系统。
系统方块图如图所示：（c）工作原理：当输出阀门12改变时，通过杠杆调节输入阀门L,改变输入流量Q,使液面高度维持不变（H=H。
）。
被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位H；给定量:液位的希望值H。
；干扰量：输出阀门b系统是按干扰补偿的开环控制系统。
系统方块图如图所示：I - 2仓库大门|'|动控制系统的原理如图 2 - I - 5所示。
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。
自动控制原理第一章
随动控制系统（又称伺服系统）:随动控制系统的 给定输入量可以按事先未知的规律变化，要求被 控制的输出量能够迅速准确地跟随输入量而变。
自动火炮方位控制系统,导弹制导系统
2012年12月
自动控制原理
按信号传输过程是否连续分类： 连续数据系统和离散数据系统
连续控制系统：系统中各处传输的信号均是时间t的连续 函数，描述连续控制系统的动态方程是微分方程。 炉温控制或空调控制等 离散控制系统：信号传输过程中存在间歇采样、脉冲序列 等离散信号的系统。描述离散控制系统的动态方程是差分 方程。 计算机深冷控制系统
反馈环节
反馈环节
r(t)是它的输入量(不标正负号的指正号)，反馈量须注明正负号。 系统信号在各环节间的传输是有方向的，它指明了系统内各环节 间物理量的控制与被控制关系，其间有能量的传递，但传递的能量 只起控制作用而并非能量的完全传输。 前向通道:从输入信号→控制器→放大环节→执行机构→控制对象 →输出信号的信号传输路径； 反馈环节所在路径称为反馈通道，图中有两个反馈通道，内环的 称局部反馈，是正反馈；外环的称闭环主反馈，是负反馈。 2012年12月 自动控制原理
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机电 伺服机构。
自动控制原理
2012年12月
20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，Evans提出并完善了根轨迹法。
20世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计 许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义 上的最佳系统。
20世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基 于时域分析的现代控制理论提供了可能。
自动控制原理第一章自动控制原理
如图1－5所示。
给定量 控制器
干扰量
被控量 受控对象
自控系统
图1－5 自动控制系统
第一章 自动控制概论
• 如水位自动控制系统：
比较元件
进 水 + 连 杆
测量 元件
实 际 水 位 浮 子
输出量
M 电 机
干扰 信号
出 水
<
受控对象
图1－3 水位自动控制系统原理图
第一章 自动控制概论
1.2.2 自动控制系统的基本组成
基 本 要 求
通过学习本课程，获得自动控制
系统的基本概念和基本理论；掌握分 析自动控制系统或过程控制系统的基 本方法。
自动控制理论
经典控制理论 线性控制系统
连续控制系统
第 二 章 第 三 章 第 四 章 第 五 章
现代控制理论 非线性控制系统
离散控制系统
第 六 章
第 七 章
第 八 章
第一章 自动控制概论
控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制
系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可 以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，
由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武
器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统
自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其
被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被
控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满 足c(t) ≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。
输入量 输出量
串 联 校 正
放 大
执 行
受 控 对 象
自动控制原理 第一章 绪论
2020/9/6
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经典控制理论的基本特征
（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性 微分方程描述的系统的分析与综合；
（2）多用于单输入，单输出的反馈控制系统； （3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽略系统的
内部状态，是一种对系统的外部描述方法。
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应当指出，反馈控制是一种最基本最重 要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自 内部和外部干扰的响应变得十分“迟钝”，从 而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此 同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正 是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发 了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情， 推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某 种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制 技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。
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第二章 控制系统的数学模型
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第三章 线性系统的时域分析
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第四章 线性系统的根轨迹法
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第五章 线性系统的频域分析法 14
第六章 线性系统的校正方法
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第一章 绪论
➢ 1.1 引言 ➢ 1.2 控制系统的一般概念 ➢ 1.3 控制系统示例 ➢ 1.4 控制系统分类 ➢ 1.5 控制系统的性能指标 ➢ 1.6 控制系统的计算机辅助设计
➢ 1868年，Maxwell提出了低阶系统的稳定性代数判据 。
➢ 1895年，数学家Routh和Hurwitz分别独立地提出了高阶系统 的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。
➢ 二战期间（1938-1945年）Nyquist提出了频率响应理论； 1948 年，Evans提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段 基本完成，形成了以时域法、频率法和根轨迹法为主要方法的
《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。
精品文档-自动控制原理及其应用(第二版)温希东-第1章
液位控制系统的工作原理如图 1-12 所示。
图 1-12 液位控制系统的原理图
第1章 自动控制系统概述
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液位控制系统的原理方框图如图 1-13 所示。
图 1-13 液位控制系统的原理方框图
第1章 自动控制系统概述
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4. 转速、电流双闭环直流调速系统 转速、电流双闭环直流调速系统原理图如图 1-14 所示。
炉温自动调节过程如图 1-6 所示。
第1章 自动控制系统概述
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图 1-6 炉温自动调节过程
第1章 自动控制系统概述
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1.3 自动控制系统的组成
现以图 1-4 和图 1-5 所示的恒温控制系统来说明自动控 制系统的组成和有关术语。为了表明自动控制系统的组成以及 信号的传递情况，通常把系统各个环节用框图表示，并 用箭头标明各作用量的传递情况，图 1-7 便是图 1-4 所示系 统的方框图。方框图可以把系统的组成简单明了地表达出来， 而不必画出具体线路。
随动控制系统的特点是：输入量是随机变化着的，并且要 求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。
5. 对自动控制系统的性能指标的要求主要是稳、准、快。 6. 自动控制系统的研究方法，包括理论分析和实践探索。 我们主要研究线性定常单输入单输出系统，应用频域分析法来 进行分析设计。即 系统工作原理→传递函数→系统方框图→对数频率特性→ 工程计算法
第1章 自动控制系统概述
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图 1-7 自动控制系统的方框图
第1章 自动控制系统概述
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由图 1-7 可以看出，一般自动控制系统包括： (1) 给定元件(Command Element) (2) 检测元件(Detecting Element) (3) 比较环节(Comparing Element) (4) 放大元件(Amplifying Element) (5) 执行元件(Executive Element) (6) 控制对象(Controlled Plant) (7) 反馈环节(Feedback Element)
自动控制原理及其应用第一章
第一节 自动控制与自动控制系统
例 直流调速系统
系统组成： 输入 电枢电压 输出 反馈电压
e=un-uf ud=Ke
系统闭环调整过程：
控制装置 un 电机 发电机
uf ud
n 负载
n uf
e ud n
un
系统结构图：
e -
放大器
ud 电动机
n
uf
测速机
第一节 自动控制与自动控制系统
3．复合控制
复合控制= 反馈控制 + 前馈补偿控制
1959年创建了卡尔曼滤波理 论；在控制系统的研究中首次成 功地应用了状态空间法，并提出 了可控性和可观测性的新概念。
庞 特 里 亚
1961年提出了极 小（大）值原理。 发展了最优化理论。金Fra bibliotek卡尔曼
在自适应控制理论和应用方
面作出了贡献。
朗道
第四节 自动控制理论发展简述
20世纪70年代末，控制理论向着“大 系统理论”、 “智能控制理论”和“复杂 系统理论”的方向发展。
三、准确性
由输入给定值与输出响应的终值之
间的差值ess大小表征。
反映了系统的稳态精度。
若系统最终的
r(t)
误差为零，称为 无差系统。
c(t) c(t)
ess
r(t)
否则为有差
系统。
0
t
第三节 对控制系统性能的要求
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.
示意图
被控量 被控对象
自动控制系统
检测元件
被控对象: 机器、设备、生产过程等 控制装置: 控制器、检测元件等
自动控制原理上第1章自动控制原理上
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二. 线性系统和非线性系统
如果组成系统的各个环节或元件的输入和输出关系至少存 在一个非线性特性，则这类系统称为非线性控制系统（简称 非线性系统）。非线性系统不具有叠加性和齐次性，因此也 可以说,凡是不同时满足叠加性和齐次性的系统均为非线性 系统。
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若描述系统（环节）输入与输出关系的微分方程:
一个稳定系统当受到干扰的作 用能恢复到原来的工作状态，其 被控量的变化将呈现衰减振荡或 非周期过程。
图1-15 稳定系统的输出曲线
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二.平稳性与快速性
稳定系统受到干扰的作用或给定输入发生变化时，被控量都要 发生变化而偏离期望值。由于控制系统中一般都存在储能元件或 惯性元件，被控量不能马上跟随输入信号的变化并达到期望值， 控制系统总要经历一个反复调整的过程，才能到达一个新的平衡 状态，使被控量跟随给定输入的变化并达到期望值。这个调整过 程称为动态过程（过渡过程），而把被控量达到的新的平衡状态 称为稳态。
为人工控制（或手动控制）。
若用自动控制装置代替人来完成控制任务，称为自动控制。 自动控制定义：自动控制就是在无人直接参与的情况下（即 不需要人的交互作用），利用控制装置对被控对象进行合理的 控制，使被控量自动地按预期的规律变化。
为完成预期的自动控制任务，而将被控对象与其他装置以某种 方式相连的集合就构成了自动控制系统。
图1-10自动控制系统的职能方框图
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1.3 自动控制系统的基本类型
一.恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统 二.线性系统和非线性系统 三.连续系统和离散系统
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一.恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统
恒值控制系统的特点是:系统的给定值为某个恒定不变的 常数，控制目的强调的是抑制各种干扰影响，使系统的被控 量尽可能保持在期望值的附近。 【例1-6】 水箱水位自动控制系统。
自动控制原理第一章
自动控制原理第一章一、自动控制系统的概念自动控制系统是指通过测量被控对象的状态或输出，并根据一定规律进行比较、判断及输出控制量的系统。
该系统可以根据实际需要分为闭环控制和开环控制两种方式。
闭环控制系统通过比较实际输出量和期望输出量之间的差异，自动调整控制量以使实际输出量达到期望值。
开环控制系统不考虑实际输出量与期望值之间的差异，只根据一定规律输出控制量。
二、自动控制系统的组成自动控制系统主要由被控对象、传感器、执行器、控制器和控制对象组成。
被控对象是需要被控制系统改变状态或输出的物理元件或过程。
传感器用于将被控对象的状态或输出转换为电信号。
执行器接收控制器输出的信号，并将其转换为被控对象状态或输出的改变。
控制器接收传感器输出的信号，并根据一定的算法对其进行处理和判断，然后输出控制信号。
控制对象是指需要控制的系统或过程。
三、自动控制系统的特点自动控制系统具有以下几个基本特点：1.反馈调节：通过传感器和执行器之间的反馈回路来实现系统的调节和稳定。
2.误差纠正：系统的输出与期望输出之间的差异会被控制器捕捉到，从而对控制信号进行修正。
3.自适应性：系统能够根据外部环境变化自动调整控制参数以适应不同工况要求。
4.稳定性：系统能够稳定工作，在一定误差范围内输出可控的状态或输出。
5.灵敏性：系统对输入信号的变化有较强的响应能力，能够及时调整控制量以保持系统稳定。
6.自动化程度高：系统能够自动地完成输入参量的检测、判决和输出控制信号的过程。
总结起来，自动控制原理第一章详细介绍了自动控制系统的概念、组成和基本特点。
了解自动控制系统的概念和特点对于深入理解后续章节的内容非常重要，为后续学习打下了良好的基础。
了解了自动控制系统的组成，可以更好地理解控制系统中各个组成部分的功能和相互关系。
同时，该章节还介绍了自动控制系统的特点，使我们对自动控制系统的工作原理和优势有了更深入的认识。
教学课件 自动控制原理与应用(第二版)(韩全立)
炉温既受工件数量及环境温度的影响，又受由混合器输出的煤气流量的影响， 因此，调整煤气流量便可控制炉温。
烘烤炉温度控制系统的控制原理如下：
假定炉温恰好等于给定值，这时Ug=Ut，(即ΔU＝0)，故电动机和调节阀都静止 不动，煤气流量恒定，烘烤炉处于给定温度状态。
如果增加工件，烘烤炉的负荷加大，则炉温下降，温度下降将导致Ut减小，由 于给定值Ug保持不变，则使ΔU>0，产生Ua使电动机转动，开大煤气阀门，增加煤气 供给量，从而使炉温回升，直至重新等于给定值(即Ug=Ut)为止。这样在负荷加大的 情况下仍然保持了规定的温度。
图1-2 自动控制系统方框图的举例
1.3 自动控制系统的分类
1.3.1 开环控制系统和闭环控制系统 1. 开环控制系统 若系统的输入量与输出量之间只有顺向作用，而没有反向联系，则该系统称为
开环控制系统。在开环控制系统中，控制信息只能单方向传递，没有反向作用，输 入信号通过控制装置作用于被控对象， 而被控对象的输出对输入没有影响。
③ 执行装置 起具体执行控制信号或指令的作用，给被控对象施加某种作用， 使其改变输出量。
对控制系统的组成进行详细分类， 其还可以由下列各部分组成： ①测量变送元件 属于反馈元件， 职能是把被控物理量测量出来； ②设定元件 职能是给出被控量应取的数值信号，即是设定给定值的元件； ③比较元件 职能是将测量信号与给定信号进行比较，并得到差值(偏差信号)， 起信号综合作用；
如温度控制系统中的加热炉，转速控制系统中的拖动电机，过程控制系统中的化学 反应炉等。
控制装置一般由三部分组成：
① 自动检测装置 包括测量元件和变送元件，起自动检测被控对象的作用，如 转速控制系统中的测速发电机，温度控制系统中的热电偶等。
自动控制原理第1章课后习题及解答
一、习题解答第1章习题及解答1-1 根据图1-15所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成：(1) 将a ，b 与c ，d 用线连接成负反馈状态；(2) 画出系统方框图。
图1-15速度控制系统原理图解 （1）负反馈连接方式为 d a ↔，c b ↔；（2）系统方框图如图解1-1 所示。
1-2 图1-16是仓库大门自动控制系统原理示意图。
试说明系统自动控制大门开、闭的工作原理，并画出系统方框图。
图1-16 仓库大门自动开闭控制系统解 当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。
与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。
反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。
系统方框图如图解1-2所示。
1-3 图1-17为工业炉温自动控制系统的工作原理图。
分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。
图1-17 炉温自动控制系统原理图解 加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆直流电动机驱动。
炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。
f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。
在正常情况下，炉温等于某个期望值T ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。
此时，0=−=f r e u u u ，故0a u =，可逆电动机不转动，输出转角0θ=，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。
这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
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定规律变化的物理量。通常它是决定被控对象工作状态或产
品产量、质量的主要变量。如加热炉的温度，电动机的转速， 流体的流量、压力等。被控量一般是输出量，是时间的函数。
② 给定信号(参考输入信号) 控制系统的输入信号， 是
时间的函数。
③ 偏差信号 是比较元件的输出信号， 即给定信号与反馈
（测量）信号之差。
系统本身可适应环境的变化，而使系统保持最优；
③ 自学习控制 这是一种较完善的自适应控制系统，具有
系统辨识、判断、积累经验和学习的功能。
第1章 自动控制系统概论
1.2 自动控制系统的组成和术语
1.2.1 自动控制的基本概念与组成 所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用控 制装置操纵被控对象 (被控量)，使其按照预定的规律运动或变 化。
第1章 自动控制系统概论 放大元件 职能是对差值信号进行放大，使其足以推动下 一级工作；
执行元件 职能是直接推动被控对象，改变其被控物理量，
校正元件 职能是改变由于结构或参数的原因而引起的性 能指标的不适应； 能源元件 职能是为系统提供必要的能源。
第1章 自动控制系统概论 1.2.2 系统术语 ① 被控量 ( 被控参数 ) 要求被控对象保持恒定或为按一
均是闭环控制系统。
第1章 自动控制系统概论 1.3.2 定值、 1. 定值控制系统 系统的给定值(参考输入)为恒定的常数，此种控制系统称 为定值控制系统。这种系统可通过反馈控制使系统的被控参数
(输出)保持恒定的、希望的数值。如在过程控制系统中，一般
都要求将过程参数(如温度、压力、流量、液位和成份等)维持 在工艺给定的状态，所以，多数过程控制系统都是定值控制系
信号的比较点用“ ”表示，它有对几个信号进行求（代 数）和的功能。一般在多个输入信号的信号线旁边标以“+” 或“-”， 表示各输入信号的极性。
第1章 自动控制系统概论
图1-2 自动控制系统方框图的举例
第1章 自动控制系统概论
1.3 自动控制系统的分类
1.3.1 开环控制系统和闭环控制系统 1. 开环控制系统 若系统的输入量与输出量之间只有顺向作用，而没有反向 联系，则该系统称为开环控制系统。在开环控制系统中，控制 信息只能单方向传递，没有反向作用，输入信号通过控制装置 作用于被控对象， 而被控对象的输出对输入没有影响。
回路等都属于此类系统。另外，工业自动化仪表中的位置控制
系统、显示记录仪表等也是闭环随动控制系统。
第1章 自动控制系统概论 3. 程序控制系统 若系统给定值(参考输入)是随时间变化并有一定的规律，
且为事先给定了的时间函数，则称这种系统为程序控制系统。
如热处理炉的温度调节，要求温度按一定的时间程序的规律变 化（自动升温、保温及降温等）；间隙生产的化学反应器温度 控制以及机械加工中的程序控制机床等均属于此类系统。也可 以说，程序控制系统是随动控制系统的一种特殊情况，其分析
第1章 自动控制系统概论 ④ 误差信号 系统被控量的希望值与实际值之差。在单位 反馈系统中偏差信号等于误差信号，在非单位反馈系统中， 两者虽然都反映了系统被控量的希望值与实际值之差，但它们 的信号类型与量纲是不同的，这一点一定要引起重视。 ⑤ 干扰信号 破坏系统平衡，导致系统的被控量偏离其给 定值的因素，称为干扰信号。干扰信号是系统不希望的信号， 它可能来自系统的内部或系统的外部，它们进入系统的作用点 也可能不同，但都是影响系统控制质量的不利因素。 ⑥ 反馈信号 从系统的输出端引出，经过变换(或直接)回 送至输入端与给定信号进行比较的信号，称为反馈信号。此信 号是为了达到控制目的而有意识地从输出端回送到输入端的信 号。
开环控制系统的例子加以改进而形成的闭环控制系统。
第1章 自动控制系统概论
图1-4 闭环控制系统原理图
第1章 自动控制系统概论 闭环系统特点：与开环控制系统最明显的不同之处在于 系统有检测变送元件 ( 此例中为测速发电机 ) ，它可以将系统
的输出情况及时地反馈到系统的输入端进行比较，这样就使
系统具有控制精度高，适应性强，抗干扰性好等优点；但由 于系统存在检测变送元件，因此系统就比开环控制系统的结 构复杂，价格高，设计维护困难。如自动火炮系统 ( 雷达、 计算机、火炮群)、高级自动机床、自动恒温箱、随动系统等
统。
第1章 自动控制系统概论 2. 随动控制系统 系统的给定值(参考输入)随时间任意变化的控制系统称为 随动控制系统。也就是说，此类系统输入量的变化规律是无法 预先确定的时间函数。这种系统的任务是在各种情况下保证系
统的输出以一定的精度跟随参考输入的变化而变化，所以这种
系统又称为跟踪系统。如运动目标的自动跟踪瞄准和拦截系统， 工业控制中的位置控制系统，过程控制中的串级控制系统的副
，实际的控制系统都不是线性的，各种系统总是不 同程度地具有非线性特性，例如系统中应用的放大器的饱和特性， 运动部件的间隙、摩擦和死区，弹性元件的非线性关系等等。非 线性特性根据其处理方法不同可以分为本质非线性和非本质非线 性两种。对于非本质的非线性特性，其输入、输出关系曲线没有 间断点和折断点，且呈单值关系，因此当系统变量变化范围不大 时，为便于研究，可简化为线性关系处理， 这样可以应用相当 成熟的线性控制理论进行分析和讨论。对于本质非线性特性，其 输入、输出关系或具有间断点和折断点， 或具有非单值关系， 这类系统需要用非线性控制理论来分析研究。
如果描述系统运动状态的微分 ( 或差分 ) 方程的系数是常 数，不随时间变化，则这种线性系统称为线性定常(或时不变) 系统。若微分 ( 或差分 ) 方程的系数是时间的函数，则这种线 性系统称为线性时变系统。
第1章 自动控制系统概论 2. 非线性控制系统 当系统中存在有非线性特性的组成环节或元件时，系统的特 性就由非线性方程来描述，这样的系统就称为非线性控制系统。 对于非线性控制系统，叠加原理是不适用的。
第1章 自动控制系统概论 2. 离散控制系统 当系统中某些组成环节或元件的输入、输出信号在时间上
是离散的，即仅在离散的瞬时取值时，称此类系统为离散控制
系统。离散系统与连续系统的区别仅在于信号只是特定的离散 瞬时上的时间的函数。离散信号可由连续信号通过采样开关获
得，具有采样功能的控制系统又称为采样控制系统。
第1章 自动控制系统概论
图1-3 开环控制系统原理图
第1章 自动控制系统概论
图1-3所示为一个由可控硅供电的直流电动机调速系统。 该
系统由给定电位器、信号放大器、可控硅触发及整流装置、 直 流电动机等组成。系统用电位器取出电压 Ug作为系统的给定信 号，电动机的转速n作为系统的被控量（输出量）。Ug通过放大 器、触发装置和可控硅装置实现对电动机转速n的控制。触发装 置和可控硅装置等组成控制器。输入信号通过控制器作用于受 控对象以控制输出，而电动机的转速输出则对控制器不产生影 响，这样的控制系统就属于开环控制系统。按控制的要求， 一 定的给定电压Ug对应于一定的转速n。但是由于电动机的转速 n 要受到轴上负载、电动机磁场、可控硅装置的交流电源电压等 的影响， 故不可能完全达到Ug的要求，而这些对转速产生影响
的变化量就是系统的干扰量或扰动量。
第1章 自动控制系统概论 开环系统特点：控制系统结构简单，设计维护方便，但 是控制精度差，抗干扰性能差。如全自动洗衣机、计时器、
自动机床、 自动生产线等均是开环控制系统。
第1章 自动控制系统概论 2. 闭环控制系统 如果改进开环控制系统，设法把输出信号受干扰影响而变 化的信息传递到控制装置中去，使控制器根据这个信息进行控 制以消除扰动的影响，那么系统就能够更好地完成自动控制的 任务。这种输入量与输出量之间不仅有顺向作用，而且有反向 作用的控制系统，称为闭环控制系统。如图1-4所示就是将上述
被控对象是控制系统的主体，是在系统中要求对其参数进
行控制的设备或过程。如温度控制系统中的加热炉，转速控制 系统中的拖动电机，过程控制系统中的化学反应炉等。
第1章 自动控制系统概论 控制装置一般由三部分组成： ① 自动检测装置 包括测量元件和变送元件，起自动检测
被控对象的作用，如转速控制系统中的测速发电机，温度控制
第1章 自动控制系统概论
1.1 概 述
图1-1 所示为小球离心调速器的原理图，此调速器是利用 飞锤、弹簧和杠杆系统来调节阀门的开度，从而达到控制蒸汽
机转速的目的的。 其工作原理为：如果负载增加， 则蒸汽机
转速下降，飞锤(1)下降，滑套(2)将通过杠杆(3)使蒸汽阀门开 大，蒸汽供给量增加，从而使蒸汽机转速上升。反之若负载减 小， 蒸汽机转速上升，则通过调节可使转速下降。这样， 离 心调速器可自动地抵制负载的变化，使蒸汽机转速保持稳定。
研究方法也和随动控制系统相同。
第1章 自动控制系统概论
1.3.3
1. 线性控制系统 系统中各组成环节或元件的状态或特性可以用线性微分 方程 ( 或差分方程 ) 来描述时，这种系统就称为线性控制系统。 线性控制系统的特点是可以使用叠加原理，当系统存在几个 输入时，系统的总输出等于各个输入分别作用于系统时系统 的输出之和，当系统输入增大或减小时，系统的输出也按比 例增大或减小。
第1章 自动控制系统概论
图1-1 小球离心调速器原理图
第1章 自动控制系统概论 可以说，现代控制理论已经综合了控制技术、通信技术和
计算机技术等各方面的成就，达到或正在进行着以下几个方面
的工作： ① 最优控制 对某种性能指标实现最佳控制，即目标函数 法； ② 自适应控制 系统具有自适应能力，当环境发生变化时，
第1章 自动控制系统概论
1.4 自动控制系统示例
要分析一个实际的自动控制系统， 首先要了解它的工作原理，明白系 统的组成等，也就是要求我们明白如下一些问题： ① 系统的被控对象是什么 ? 哪些状态参量要求控制 ( 亦即被控量是什 么)? 作用在被控对象上的主要干扰有哪些? ② 操纵哪个机构可改变被控量? ③ 系统有哪些检测元件? 检测的是被控量还是干扰?