第六章 自动控制基本原理
自动控制原理胡寿松第六章PID
j
若设 T1 T2,
则
T1
T1
T2
T2
即 p1z1z2p2
1 1 1 T2 T2 T1 T1
p 2 z2 z1 p1
0
1、幅相特性：
§6—2 常用校正装置及其特性
G cj
1 1 22 T 2 1 T 2 1 2 1 1 2 2 T T 2 2 2 2 2 t g 1T 1 t g 1
使 Lcm10lg1 与 Lc' 之和为 0，即可求得 。
b)若对
' c
未提出要求，则由 m0（裕量
510），求得
m
。则有
1 1
s i nm s i nm
在
L上查出其幅值为
10
lg
1
，所对应的
就是
' c
，且 m c'。
§6—3 串联校正
4）1T 1， m 1T， 21 T,
1 m c',
相位超前，故称滞后—超前网络。当
1 T1
和
1 T2
相差
足够大（如几十倍以上），则可利用滞后网络和超
前网络的计算公式计算 m1和m2。
3、实用形式：
此网络无衰减，两边对称，直接使用即可。
二、有源校正网络：
§6—2 常用校正装置及其特性
1、P调节器：
Gc
Kp
R2 R1
2、D调节器： GcRCT sds
R1
Ur
Uc
R2
GcsZ1Z2Z2
R2 R R1
R1Cs1
R 2R 1Cs1 R 2 R 1Cs1
R 1R 2C sR 1R 2 R 1R 2R 1R 2R 2R 1Cs1
《自动控制原理》第6章_自动控制系统的校正
改善系统瞬态响应。
校正装置分类
校正装置按 控制规律分
超前校正（PD） 滞后校正（PI）
滞后超前校正（PID)
校正装置按 实现方式分
有源校正装置（网络） 无源校正装置（网络）
有源超前校正装置
R2
u r (t)
i 2 (t)
R1
i1(t)
(aTa s
1)(Tb a
s
1)
滞后--超前网络
L'()
20db / dec
20 lg K c
1 1/ T1 2 1/ T2
设相角为零时的角频率
1
()
a)
20db / dec
5
1 T1T2
90
5 校正网络具有相
5
位滞后特性。
90
b)
5 校正网络具有相位
超前特性。
G( j)
Kc
( jT1
G1 (s)
N (s) C(s)
G2 (s)
性能指标
时域：
超调量 σ%
调节时间 ts
上升时间 tr 稳态误差 ess
开环增益 K
常用频域指标:
开环频域 指标
截止频率: 相角裕度:
c
幅值裕度:
h
闭环频域 指标
峰值 : M p
峰值频率: r
带宽: B
复数域指标 是以系统的闭环极点在复平面
上的分布区域来定义的。
解：由稳态速度误差系数 k v 1应00 有
G( j)
100
j( j0.1 1)( j0.01 1)
100 A()
1 0.012 1 0.00012
自动控制的基本原理
自动控制的基本原理自动控制的基本原理基于对外部条件和变量的监测及调节。
它是一种用于管理和操作系统的技术，旨在减少或消除人工干预，自动实现系统的稳定性和优化性能。
在自动控制系统中，有三个基本组成部分：传感器、控制器和执行器。
传感器负责感知系统的环境和状态，并将信息转化为可处理的信号。
控制器接收和分析传感器的反馈信号，然后根据预定的指令制定相应的控制策略。
最后，执行器根据控制器发送的信号，实现对系统的调节和控制。
自动控制系统的基本原理是负反馈控制。
这种控制方式通过比较实际输出与期望输出的差异，以负反馈的形式对系统进行调节。
当实际输出与期望输出存在差异时，控制器会相应地调整输出信号，以尽可能减小误差并使系统达到期望状态。
在自动控制中，重要的概念是控制算法和控制策略。
控制算法是根据系统的数学模型和控制要求开发的数学方程。
控制策略则是指控制算法的实际应用，以实现系统的控制目标。
常用的控制策略包括比例-积分-微分（PID）控制、模糊控制和模型预测控制等。
自动控制的基本原理在各个领域都有广泛应用。
例如，在工业制造中，自动控制系统可以控制机械臂、生产线和机械设备，提高生产效率和质量。
在交通运输中，自动控制系统可以实现汽车的自动驾驶和交通信号的优化调节。
在能源管理中，自动控制系统可以对发电机组和电力网进行实时监测和调节，以提高能源利用效率。
综上所述，自动控制的基本原理包括传感器、控制器和执行器三个组成部分。
它采用负反馈控制的方式，通过控制算法和控制策略实现对系统的稳定和优化控制。
自动控制技术在各个领域都有广泛的应用，为提升生产效率和优化系统性能发挥着重要作用。
自动控制基本原理
自动控制基本原理自动控制是一种通过使用控制系统，以实现对某个过程或系统的稳定性、准确性和效率的控制的技术和方法。
在许多行业中，自动控制起着至关重要的作用，包括工业生产、交通运输、航天航空等领域。
本文将介绍自动控制的基本原理，包括反馈控制、开环控制、控制系统组成及其应用。
首先，了解反馈控制是理解自动控制基本原理的第一步。
反馈控制是一种基于系统输出与期望输出之间差异的控制方法。
控制系统通过测量系统输出，并将其与期望输出进行比较，然后通过调整输入来减小这个差异。
这样的反馈控制循环可以确保系统能够自动调整以实现所需的目标。
其次，开环控制是另一种常见的自动控制方式。
开环控制是在没有测量和反馈系统输出的情况下直接将输入应用到系统的控制方式。
尽管开环控制的实现相对简单，但它通常无法对系统的扰动和变化做出及时的调整。
因此，开环控制在一些确定性要求较低的简单应用中使用较多。
一个典型的控制系统可以由几个基本组成部分构成。
首先是传感器，用于测量系统的输出或影响系统的输入。
传感器将所测量的信号转换为电信号，并将其传送给控制器。
控制器接收传感器的输入信号，与期望输出进行比较，并产生相应的控制信号。
控制信号进一步传递给执行器，执行器改变系统的输入以实现所需输出。
自动控制的应用广泛。
在工业生产中，自动控制可以用来控制流程，如化工生产中的温度、压力和液位等。
在交通运输领域，自动控制可以用于车辆行驶控制系统，以实现自动驾驶和车辆稳定性控制。
在航天航空领域，自动控制可以保证航天器或飞机的稳定性和导航精度。
除此之外，自动控制还可以用于家居自动化、医疗设备、能源系统等领域。
自动控制基本原理的研究与应用对于提高生产效率、减少人力资源的浪费以及降低事故风险具有重要意义。
通过引入自动控制系统，可以大大提高系统的稳定性、精确性和可靠性。
然而，自动控制也面临一些挑战，如控制算法的设计、系统建模的复杂性以及对外部环境变化的鲁棒性等。
总结而言，自动控制基本原理包括反馈控制和开环控制两种方法。
第六章动车组空调系统运行控制
包括被控制的设备和被控制的参数，如风量、阀门、 电热器及温度、湿度、压力等。
4
一、自动控制原理
（二）自动控制的基本类型
双位控制即在控制机构
中 有 两 个 固 定 位 置 —— 开启或关闭的控制。
7
二、客车空调系统的基本电气控制原则
（一）运行控制原则
1. 通风与制冷及制暖正联锁； 2. 冷凝风机与压缩机正联锁； 3. 制冷与制暖反联锁； 4. 控制通风机低速与高速运行的电路反联锁； 5.为防止压缩机频繁起动及多台压缩机同时起动，在每台压 缩机的控制电路中均设时间继电器，控制每台压缩机在冷 凝风机起动后延时起动，并使多台压缩机间隔顺序起动。
15
三、制冷自动控制元件
（二）电磁阀 电磁阀是一种开关式的常闭自控阀门。阀门
的打开是依靠线圈在通电以后所产生的电磁力， 而阀门的关闭是依靠复位弹簧及阀芯的重量。
电磁阀串联在制冷系统的管路中，用以控制 系统管路中流体的通或断。
16
直接开启式电磁阀 1-连接螺母；2-接头；3-阀体；4-垫片；5-铁心；6-线圈组；7-复位弹簧。
2．直流电抗器（DCL）
抑制斩波器输出电流及事故发生时的电流。
3．电容器
把一定形式的直流电压变换成负载所需
的直流电压的变流装置
（1）抑制外来浪涌电流。
（2）限制冲击电流。
（3）使整流后的直流电压及斩波器输出电压平稳。
30
四、CRH2动车组空调控制系统
基本功能
4．变频器 （1）进行AC／DC转换及DC／AC转换。 （2）由斩波器电路对不稳定电源进行恒压控制，获得稳
自控原理第六章
ui（t）
R2 C
－
Ts 1 Gc ( s) Ts 1
2013-8-1 《自动控制原理》第六章
无源滞后网络
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
22
极点分布如图所示，极点总位于零点的右边，具体位置与 β有关。若T值够大，则构成一对开环偶极子，提高了系统 的稳态性能。
1 1 滞后网络的零点 zc ，极点 pc ，零、 T T
2013-8-1 《自动控制原理》第六章 15
第二节 常用校正装置及其特性
一、超前校正装置 C
又称微分校正，分为无源超 前网络和有源超前网络
+
R1 R2
+
U 0 ( s) R2 Gc ( s ) U i ( s) R1 R2
R2 R1 R2
(a 1) T R1C
R1Cs 1 ui(t) R2 R1Cs 1 R1 R2 -
2013-8-1 《自动控制原理》第六章 17
另外从校正装置的表达式来看，采用无源超前校正 装置进行串联校正时，系统的开环增益要下降倍，为了 补偿超前网络带来的幅值衰减，通常在采用无源RC超前 校正装置的同时串入一个放大倍数Kc=1/ 的放大器。超 前校正网络加放大器后，校正装置的传递函数
Ts 1 Gc ( s) Ts 1
2013-8-1
《自动控制原理》第六章
1
第一节
控制系统校正的基本概念
一、校正的一般概念
自动控制系统工程研究 分析：建立系统的数学模型并计算其性能指标 设计：根据各项性能指标来合理的选择控制方案 和结构形式 系统的校正 用添加新的环节去改善系统性能的过程称为系统的 校正，所添加的环节称为校正装置。
自动控制原理第六章
G(s)
K0 K p (Ti s 1) Ti s2 (Ts 1)
表明：PI控制器提高系统的型号，可消除控制系统对斜 坡输入信号的稳态误差，改善准确性。
校正前系统闭环特征方程：Ts2+s+K0=0 系统总是稳定的
校正后系统闭环特征方程：TiTs3 Ti s2 K p K0Ti s K p K0 0
调节时间 谐振峰值
ts
3.5
n
Mr
2
1 ,
1 2
0.707
谐振频率 r n 1 2 2 , 0.707
带宽频率 b n 1 2 2 2 4 2 4 4 截止频率 c n 1 4 4 2 2
相角裕度
arctan
低频段：
开环增益充分大， 满足闭环系统的 稳态性能的要求。
中频段：
中频段幅频特性斜 率为 -20dB/dec， 而且有足够的频带 宽度，保证适当的 相角裕度。
高频段：
高频段增益尽 快减小，尽可 能地削弱噪声 的影响。
常用的校正装置设计方法 -均仅适用最小相位系统
1.分析法(试探法)
特点：直观，物理上易于实 现，但要求设计者有一定的 设计经验，设计过程带有试 探性，目前工程上多采用的 方法。
列劳思表：
s3 TiT
K p K0Ti
s2 Ti
K pK0
s1 K p K0 (Ti T )
s0 K p K0
若想使系统稳定，需要Ti>T。如果 Ti 太小，可能造成系 统的不稳定。
5.比例-积分-微分(PID)控制规律
R( s )
E(s)
C(s)
K
p (1
自动控制原理：第六章频域分析法——伯特图及稳定性分析
• 当阻尼系数接近1时，振荡环节具有低通滤波的作用； • 而随着减小，=n=1/T处的幅值迅速增大，表明其对输
入信号中该频率附近分量的放大作用逐渐加强，此时，振
荡环节具有选频作用。
6.4 系统开环频率特性-典型环节的伯德图
40
Bode Diagram
二阶微分环节:
30
20
转折频率 渐近线
L() /(dB)
10 /T
1) 将乘除运算转化为加减运算，因而可通过简单的图像叠加 快速绘制高阶系统的伯德图 ；如 G( j) A1()e j1() A2 ()e , j2 () 则20lgA1()A2()=20lgA1()+20lgA2()
2) 伯德图还可通过实验方法绘制，经分段直线近似整理后， 很容易得到实验对象的频率特性表达式或传递函数.
i 1
i m1 1
v n1
v n1 nv n1 2
( jTl 1)
(1 Tl2 2 2 j lTl )
l v 1
l v n1 1
(6 - 17)
其 中 ，K ,0 i 1,0 l 1, i 0,Tl 0都 为 常 数 。
除此外，也存在某个Tl<0,开环不稳定，但闭环可能仍然 稳定的情况。
1
A(ω)
1 ωT 2 2 2ζωT 2
L() /(dB)
10
0
-10 -20
(1 T 22
j2T)1
0.05 0.1 0.3
-30
0.7
1 -40
180
转折频率 渐近线
135
(ω)
arctan
1
2ζωT
ωT
2
90 45
0
() /()
自动控制原理
∫ e(t )dt
0
t
K p 称为比例系数， Ti 为可调积分时间常数。
在串联校正时，PI 控制器相当于在系统中增加一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于 S 平面左半部的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改 善系统的稳态性能；二增加的负实零点则用来减小系统的阻尼程度，缓和 PI 控制器极点对系统稳定 性及动态过程产生的不利影响。在工程实践中，PI 控制器主要用来改善系统的稳态性能。
P 控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。P 控制规律只改变信号 的增益而不影响其相位。在串联校正中，加大控制器增益可以提高系统 的开环增益，减小系统稳态误差，从而提高系统的控制精度，但是会降 低系统的稳定裕度，甚至造成闭环系统不稳定，因此很少单独使用比例 控制规律。
2）比例-积分（PI）控制规律 具有比例积分控制规律的控制器，称为 PI 控制器，其输出信号同时成比例 地反映输入信号及其积分，即
4）复合校正 复合校正方式是在反馈控制回路中，加入前馈校正通路，组成一个有机 整体。可以为扰动补偿方式，或者按输入补偿的方式。
常用的校正方式为串联校正和反馈校正两种； 究竟选用哪种校正方式，取决于系统中的信号性质、技术实现的方 便性、可选用的元器件、抗扰性要求、经济性要求、环境使用条件以及 设计者的经验等因素。 一般来说，串联校正设计比反馈校正设计简单，也比较容易对信号 进行各种必要形式的变化； 相比之下，反馈校正所需元件数目比串联校正少，而且一般不需要 附加放大器。 在性能指标要求较高的控制系统设计中，常常兼用串联校正和反馈 校正两种方式。
4、基本控制规律
选择校正装置的具体形式时，应该首先了解装置所需提供的控制规律， 以便选择相应的元件。包含校正装置在内的控制器，常常采用比例、积 分、微分等基本控制规律，或者采用这些基本规律的某些组合，如：比 例-积分，比例-微分，比例-积分-微分，以实现对被控对象的有效控制。
自动控制原理第六章
R(s) ＋ －
校正装置 Gc (s)
原有部分 Go(s)
C(s)
R(s)
＋ －
＋ －
原有部分 Go(s) 校正装置 Gc (s)
C(s)
(a) 串联校正
(b ) 反馈校正
R(s) ＋ －
校正装置 Gc1(s)
＋ －
原有部分 Go(s) 校正装置 Gc2(s)
C(s) R(s)
校正装置 Gc (s) ＋ － ＋ ＋ 原有部分 Go(s) C(s)
第六章 线性系统的校正方法
系统的设计与校正问题 常用校正装置及其特性 串联校正 反馈校正
前面几章，我们主要学习了如何分析一个控制系统， 分析控制系统是否稳定，并且通过求解系统暂态性能指标、
稳态误差我们可以评价此系统性能的好坏。
这一章，我们着重介绍如何设计校正装臵使原不满足性 能指标要求的系统满足所要求的性能指标。
制器对系统性能的影响。
R(s) ＋ － E(s) Kp(1 ＋Tds)
1 Js 2
C(s)
图 6-3 比例-微分控制系统
解 无PD控制器时, 系统的特征方程为
Js2+1=0
显然, 系统的阻尼比等于零, 系统处于临界稳定状态, 即 实际上的不稳定状态。 接入PD控制器后, 系统的特征方程
为
Js2+KpTds+Kp=0
系统由原来的Ⅰ型系统提高到了Ⅱ型系统。若系统的输入 信号为单位斜坡函数, 则无PI控制器时, 系统的稳态误差为1/K;
接入PI控制器后, 稳态误差为零。表明Ⅰ型系统采用PI控制器
后, 可以消除系统对斜坡输入信号的稳态误差, 控制精度大为 改善。 采用PI控制器后, 系统的特征方程为
自动控制原理第6章
二、带宽的确定
Mr
( j 0) 0.707Φ( j 0)
( j )
b的选择要兼顾跟 踪输入信号的能力 和抗干扰的能力。 若输入信号的带宽 为 0～ M，扰动信 号带宽为 1～ 2， 则b＝(5~10) M， 且使 1～ 2 置于b 之外。
0
r b
输入信号
R( jw)
结束
6-2 PID控制器及其控制规律
• 注明：讲课顺序调整，本节内容在教材 P246～ P248和P254～P257
比例－积分－微分（PID）控制器 是串联校正 中常用的有源校正装置。 PID （Proportional Integral Derivative）是实 际工业控制过程中应用最广泛、最成功的一种控 制规律。 PID ：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运 算变换后形成的一种控制规律。
系统的闭环零点改变 系统的闭环极点未改变 增加系统抑制干扰的能力 稳定性未受影响
u0
+
ug
+
△u 电压
+
u1 功率
+
+ ua
R
n
SM 负 载
放大
放大
电压 放大
i
+
un
TG
图1-8 电动机速度复合控制系统
说明：
串联校正和反馈校正都属于主反馈回路之内的校
正。 前馈补偿和扰动补偿则属于主反馈回路之外的校 正。 对系统校正可采取以上几种方式中任何一种，也 可采用某几种方式的组合。
给定 元件
比较 元件
-
串联 校正元件
-
放大 元件
执行 元件
自动控制原理(全套课件)
自动控制原理（全套课件）一、引言自动控制原理是自动化领域的一门重要学科，它主要研究如何利用各种控制方法，使系统在受到扰动时，能够自动地、准确地、快速地恢复到平衡状态。
本课件将详细介绍自动控制的基本概念、控制系统的类型、数学模型、稳定性分析、控制器设计等内容，帮助学员全面掌握自动控制原理的基本理论和方法。
二、控制系统的基本概念1. 自动控制自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象按照预定规律运行的过程。
自动控制的核心在于控制器的设计，它能够根据被控对象的运行状态，自动地调整控制量，使系统达到预期的性能指标。
2. 控制系统控制系统是由被控对象、控制器、传感器和执行器等组成的闭环系统。
被控对象是指需要控制的物理过程或设备，控制器负责产生控制信号，传感器用于测量被控对象的运行状态，执行器则根据控制信号对被控对象进行操作。
三、控制系统的类型1. 按控制方式分类（1）开环控制系统：控制器不依赖于被控对象的运行状态，直接产生控制信号。
开环控制系统简单，但抗干扰能力较差。
（2）闭环控制系统：控制器依赖于被控对象的运行状态，通过反馈环节产生控制信号。
闭环控制系统抗干扰能力强，但设计复杂。
2. 按控制信号分类（1）连续控制系统：控制信号是连续变化的，如模拟控制系统。
（2）离散控制系统：控制信号是离散变化的，如数字控制系统。
四、控制系统的数学模型1. 微分方程模型微分方程模型是描述控制系统动态性能的一种数学模型，它反映了系统输入、输出之间的微分关系。
通过求解微分方程，可以得到系统在不同时刻的输出值。
2. 传递函数模型传递函数模型是描述控制系统稳态性能的一种数学模型，它反映了系统输入、输出之间的频率响应关系。
传递函数可以通过拉普拉斯变换得到，它是控制系统分析、设计的重要工具。
五、控制系统的稳定性分析1. 李雅普诺夫稳定性分析：通过构造李雅普诺夫函数，分析系统的稳定性。
2. 根轨迹分析：通过分析系统特征根的轨迹，判断系统的稳定性。
自动控制原理(第三版)第6章 控制系统的校正
在研究系统校正装置时，为了方便，将系统 中除了校正装置以外的部分，包括被控对象及控 制器的基本组成部分一起称为“固有部分”。
因此控制系统的校正，就是按给定的固有部 分和性能指标，设计校正装置。
KPLeabharlann e(t) 1 TI
t
e(t)dt
0
TD
de(t) dt
u(t为) 控制器的输出； e(为t) 系统给定量与输出量的偏差
K为P 比例系数； T为I 积分时间常数； TD 为微分时间常数
相应的传递函数为
Gc
(s)
K
P
1
1 TI s
TD
s
KP
KI s
KDs
KP 为比例系数；K I为积分系数；KD 为微分系数。
(1) 原理简单，使用方便。
(2) 适应性强，可广泛应用于各种工业生产部 门，按PID控制规律进行工作的控制器早已商品化， 即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制 功能也仍然是PID控制。
(3) 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性 的变化不太敏感。
自动控制原理
基本PID控制规律可以描述为
u(t)
自动控制原理
2. 频域性能指标
频域性能指标，包括开环频域指标和闭环频 域指标。 (1) 开环频域指标 一般要画出开环对数频率特性，并给出开环频域 指标如下：开环剪切频率c 、相位裕量 和幅值 裕量K g 。 (2) 闭环频域指标 一般给出闭环幅频特性曲线，并给出闭环频域指 标如下：谐振频率 r 、谐振峰值 M r 和频带宽度b 。
自动控制的基本原理
自动控制的基本原理自动控制是指利用各种控制器和执行机构，通过对被控对象的监测和调节，实现对系统的自动调节和控制。
在现代工业和生活中，自动控制技术已经得到了广泛的应用，它不仅提高了生产效率，还提高了产品质量，降低了能源消耗，改善了生活环境。
自动控制的基本原理包括反馈控制、开环控制、控制对象的数学模型等。
首先，反馈控制是自动控制的核心原理之一。
反馈控制是指通过监测被控对象的输出信号，并与期望的输出信号进行比较，然后根据比较结果对输入信号进行调节，以使被控对象的输出信号接近期望值。
反馈控制可以实现对系统的动态调节，使系统能够适应外部环境的变化，提高系统的稳定性和鲁棒性。
其次，开环控制也是自动控制的重要原理之一。
开环控制是指在控制过程中，不考虑被控对象的输出信号对输入信号的影响，直接根据预先设定的控制策略对输入信号进行调节。
开环控制通常适用于对被控对象的数学模型已知，并且外部环境变化对系统影响较小的情况。
开环控制的优点是简单、快速，但缺点是对外部环境的变化不具有鲁棒性。
控制对象的数学模型是自动控制的基础，它是描述被控对象输入输出关系的数学表达式。
控制对象的数学模型可以是线性的也可以是非线性的，可以是时变的也可以是时不变的。
根据控制对象的数学模型，可以设计出适合的控制器和控制策略，实现对系统的自动调节和控制。
总的来说，自动控制的基本原理包括反馈控制、开环控制和控制对象的数学模型。
通过对这些基本原理的理解和应用，可以实现对系统的自动调节和控制，提高系统的稳定性和鲁棒性，提高生产效率，降低能源消耗，改善生活环境。
因此，自动控制技术在现代工业和生活中具有重要的意义，其应用前景也将会更加广阔。
自动控制的原理
自动控制的原理引言自动控制是一种利用现代科技手段，通过对被控对象的监测和调节，实现对系统运行状态的自动调控的方法。
自动控制广泛应用于各个领域，如工业生产、交通运输、航空航天等。
本文将介绍自动控制的原理和工作过程。
一、自动控制的基本原理自动控制的基本原理是通过对系统的监测和反馈，实现对系统的控制。
其主要包括以下几个要素：1.1 监测器监测器用于对被控对象的状态进行监测，获取系统的实时数据。
常用的监测器包括传感器、仪表等。
传感器可以将被控对象的状态转换为电信号或其他形式的信号，以供后续处理。
1.2 控制器控制器是自动控制系统的核心部件，它根据监测器获得的系统数据，通过算法和逻辑判断，生成控制信号，对被控对象进行调节。
控制器的种类繁多，常见的有比例控制器、积分控制器、微分控制器等。
不同的控制器可以实现不同的控制策略，如比例控制器可以根据误差大小调节输出信号的幅度，积分控制器可以根据误差累积情况调节输出信号的时间长度。
1.3 执行器执行器是控制器的输出部件，用于将控制信号转换为对被控对象的操作。
执行器可以是电动执行器、气动执行器等，其作用是根据控制信号改变被控对象的某个特定参数，如阀门的开度、电机的转速等。
1.4 反馈环节反馈是自动控制的重要特征之一，通过对被控对象的输出进行监测，将实际输出值与期望值进行比较，形成误差信号，并将误差信号反馈给控制器，以实现对被控对象的精确调节。
反馈环节可以提高系统的稳定性和鲁棒性，减小系统的误差。
二、自动控制的工作过程自动控制的工作过程可以分为以下几个步骤：2.1 监测监测器对被控对象的状态进行监测，获取系统的实时数据。
监测器可以采集多个参数的数据，如温度、压力、流量等。
2.2 比较控制器将监测得到的数据与设定值进行比较，计算出误差信号。
误差信号是实际值与期望值之间的差异，它反映了系统的偏离程度。
2.3 算法处理控制器根据设定的控制算法和逻辑，对误差信号进行处理，生成控制信号。
自动控制原理第六章线性系统的校正方法
5 • 20 •c • 6 •c 1 c •1• • 200 •cc
c 3rad s
230
验算指标(相角裕度) c 2.1rad s
(20j 1)(6j 1) • 5
1
(200j 1)(0.3j 1)j(j 1)(0.25j 1)
180 0＋(c)
（2）画出未校正系统的伯德图，计算未校正系统的
相角裕度和截止频率。
（3）根据设计要求，确定期望相角裕度和截止频率。
Mr
1
sin
,
350 900
超调量 0.16 0.4(Mr 1), 1 Mr 1.8
调节时间
ts
K c
K 2 1.5(M r 1) 2.5(M r 1)2
超调量 0.3 0.16 0.4( 1 1) , 1 1.35 460
装置：
(1)
Kv
70
1 s
(2)
ts 0.1S
(3) % 30%
解(1) 根据I型系统和速度误差系统要求取:K=70
G( j)
70
j(0.12 j 1)(0.02 j 1)
70
exp j 90 tg-10.12 tg-10.02
(0.12)2 1 (0.02)2 1
(2)绘制未校正系统的伯德图，如图红线所示。由图可知
1
2
1 10
1.35 1.35
＝ 1
1 2.6
，
2＝2
rad s
1 1 1.35 ＝ 1 ,
3 10 1.35 1 17.4
3
20
ra
d s
L( )dB
60
40 20 0 0.1 -20
-20
LLc () -40
自动控制原理—第六章
jT 1 jT 1
相角位移：()=arctanT-arctan(T)
伯德图 滞后校正装置伯德图的 特点： 1）转折频率与之间渐 近 线 斜 率 为 -20dB/dec ， 起积分作用； 2） ()在整个频率范 围 内 都 <0 ， 具 有 相 位 滞后作用； 3） ()有滞后最大值 m； 4) 此装置对输入信号 有低通滤波作用。
图中的m为校正装置出现最大滞后相角的频率，它位于两个 转折频率
1 T
1 和T
的几何中点，m为最大滞后相角，它们分别为
1 T
m
1 2
m arct an
为了避免对系统的相位裕量产生不良影响，应尽量使最大滞后 相角对应的频率远离校正后系统新的幅值穿越频率 ’ c ，一般 ’c远大于第二个转折频率2，即有 ' 1 ' 2 c ~ c
比例—积分调节器主要用于在基本保证闭环系统 稳定性的前提下改善系统的稳态性能。
四、比例、积分、微分控制 （PID控制器）
d 1.时域方程： m(t ) K p e(t ) 0 e(t )dt K p d dt e(t ) Ti
t
Kp
2.传递函数：
1 Gc ( s) K p 1 d s Ts i
第6章——控制系统的校正
6.1 控制系统校正的基本概念 6.2 控制系统的基本控制规律 6.3 超前校正装置及其参数的确定 6.4 滞后校正装置及其参数的确定 6.5 滞后-超前校正装置 6.6 期望对数频率特性设计法
6.1 控制系统校正的基本概念
一、校正的一般概念
系统校正方法有时域法、根轨迹法、频域法 （也称频率法）。系统校正的实质可以认为是在 系统中引入新的环节，改变系统的传递函数（时 域法），改变系统的零极点分布（根轨迹法）， 改变系统的开环波德图形状（频域法），使系统 具有满意的性能指标。这三种方法互为补充,且 以频率法应用较为普遍。
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第六章自动控制基本原理第六章自动控制基本原理第六章自动控制基本原理生产实践中，人们总是希望生产过程按人们的期望进行，而生产过程中会发生各种各样的变化，这些变化可能是人们所希望的，也可能是人们所不希望的。
为了是生产过程按人们预期的方式进行，就需要对生产过程进行干预，从而按某种规律变化。
这些干预可由操作人员按生产要求进行操作，这叫做人工操作。
也可能由一些装置代替人们按一定规律对生产过程进行操作，则生产也能按要求进行下去。
这叫做自动操作。
生产过程总是会受到各方面的影响，产生会发生各种各样的变化，人们希望生产过程受到影响之后还能按预先希望的那样，按某种规律变化。
这种为抵抗干扰所做的干预可能是人为进行的，也可能是自动进行的。
当人们发现生产过程偏离了预先期望，由人手工进行干预，这叫做人为控制。
如果由检测装置检测生产过程状况，当生产过程偏离的预期状态，按预先设计好的控制策略，由某些装置进行自动干预，使得生产过程回到预期状态，这种控制方式为自动控制。
总结上面的描述，自动控制是利用一些装置替代人对生产过程进行干预，这种干预方式叫做生产过程的自动控制。
第一节基本概念一．系统的概念系统是一个比较模糊的概念。
系统的基本定义可概括为：由若干个具有相互作用的环节构成一个系统。
环节是构成系统的单元，系统的单元也可能是一个子系统。
一个系统也可能是一个大系统的环节。
具有相互作用是指环节之间具有某些信息联系。
某种信息联系是指人们所关注的信息。
不同的关注会构成不同的系统。
例如某个固定的人群，在疾病防治人员眼里是疾病发生、传染与防治系统；在心理学家眼里是一个社会心理学系统；在管理学者眼里是一个人力资源管理系统。
系统分析中强调的是环节间的信息联系。
关注点不同系统与环节之间关系也不同，某些场合下系统本身就是一个环节，而环节又可能是一个系统，所以系统与环节之间没有本质区别。
在系统分析过程中，常常会将一个系统等效为一个环节，也可能对某个环节进行深入分析，此时该环节就演变为一个系统了。
二．开环控制与闭环控制上面所介绍的这两种情况都是干预生产过程的方式，人工操作与自动操作是按一定规律对生产过程进行干预，而操作人员或操作装置不检查干预的结果。
人为控制与自动控制则是根据生产过程偏离期望状态对生产过程进行干预。
例如煤气发生炉，根据生产要求，首先需要向炉子内鼓风，使得炉内温度升高，然后向炉子内通入水蒸汽使得炉内产生半水煤气。
随着蒸汽的通入，炉内温度会下降，然后需要停止向炉内通入蒸汽，对炉子内部进行吹扫以便将炉子内部的半水煤气吹扫干净，再向炉子内部鼓风一提高炉温。
接下来进入下一个循环。
可以由操作人员直接操作生产设备上的阀门进行人工操作，也可以利用自动化设备对设备上的阀门进行自动操作。
这种操作可由图6．1-1的方块图来表示。
煤气阀图6．1-1煤气发生该操作的特点是，操作人员按一定的时间规律进行操作，而并不穿插操作的结果。
还有另一类，例如生产过程中对储水槽内的水温进行控制。
储水槽上有两条管道，一条是热水管道，一条是冷水管道。
每条管道上都装有阀门。
首先向储水槽内放一些冷水，然后打开热水阀门向里注入热水，根据储水槽内水温的情况，开大或关小热水阀门，直至水温符合要求为止。
同样，可以由操作人员直接操作生产设备上的阀门进行人工操作，也可以利用自动化设备对设备上的阀门进行自动操作。
这种操作可由图6．1-2的方块图来表示。
图6．1-2中操作人员观察储水槽水温，与期望数值进行比较，然后根据偏储阀图6．1-2储水槽水水观离期望数值的高低和大小，来判断是开大热水阀还是关小热水阀，需要开大或关小多少。
如此循环往复，经过几个调整步骤之后，使水温达到期望数值。
与图6．1-1方块图比较可知，操作人员对水温的观察会影响到操作人员对阀门的操作，对对阀门的操作影响水温，再进一步影响操作人员的操作。
观察图6．1-1和图6．1-2可以看出，图6．1-2中有一个封闭的环路，图6．1-1则没有环路。
所以类似于图6．1-1所示的系统叫作开环系统，类似于图6．1-1所示的系统叫作闭环系统。
如果将图6．1-1和图6．1-2中的操作人员换成自动化设备，则变为开环自动操作系统和自动闭环控制系统。
第二节自动控制系统组成自动控制系统是仿照人的控制方式工作的。
人的控制方式是首先观察被控参数的情况如何，偏离了预先设定数值有多少。
然后根据偏差的大小与正负，去改变其他参数使得被控参数重新回到预期数值。
下面图6．1-3是人控制一个液位的示意图。
根据图6．2-1，可以画出人控制液位的方块图，方块图如图6．2-2所示。
采用自动控制器进行自动控制时，其示意图如图6．2-3所示。
储入口图6．2-2储水槽液液观比期望根据图6．2-3，可以画出人控制液位的方块图，方块图如图6．2-4所示。
``图6．2-3 液位储控制图6．2-4储水槽液液检控期望—储水槽液位自动控制采用一个自动控制器，将入口阀换为自动控制阀，用检测装置取代人对液位进行测量。
与液位的人工控制相比较，检测装置相当于人的眼睛；自动控制器相当于人的大脑，对测量获得的液位信号进行比较判断，然后按一定的控制规律给出控制信号；自动控制阀相当于人的手，根据获得的控制信号自动调整流入流量。
由图可以看出，自动控制系统由五部分组成：1）被控对象。
被控对象是生产装置上的相关设备。
储水槽液位自动控制中为储水槽。
被控对象有时也简称为对象。
2）检测装置。
可以是各种液位传感器或液位变送器。
3）控制器。
控制器可以是智能控制器，可编程控制器（PLC）等具体的确设备，也可以是计算机中的一个虚拟控制器。
4）执行器。
这里是一个自动控制阀。
自动控制阀是根据作用其上的信号大小来改变流通能力的阀门。
5）各个部分之间的连线。
这些连线表示的图6．2-5储水槽液如果图6．2-3中通过改变水槽流出阀来控制液位，物料是流出水槽的，但是其方块图仍然是：此时方块图中控制阀与储水槽之间的连线仍然是指向储水槽的。
这表示流出阀的动作会影响到储水槽的液位。
图6．2-5中将系统的输出引回到系统的输入端，从而影响系统的输入，具有这样的结构叫做反馈。
如果反馈回来的信号增强了系统的输入叫作正反馈，如果反馈回来的信号减弱了系统的输入叫作负反馈。
反馈结构是自动控制系统最基本的结构，从系统论的观点来看，正反馈系统是不稳定系统，负反馈系统在一定条件下是稳定系统。
所以自动控制系统绝大部分是负反馈系统。
第三节对象特性与数学模型一．被控对象特性自动控制系统中的被控对象是多种多样的，其特性也是千差万别。
例如一个截面积比较小的水槽，其液位对流入量的反应就比较快，截面积大的水槽，对相同的流入量反应就比较慢。
再比如对应出口阀门开度小的水槽，单位流入量的改变所能改变的液位高度变化，就比出口阀门开度大时改变液位高度要大。
这在自动控制中关系到被控对象的各种输入对被控参数的影响方式和程度如何的问题。
显然有必要对被控对象的这些特性进行深入的研究。
过程工业中，特别是在石油、化工等生产领域，需要用到许多换热器、反应器、流体输送设备精馏塔等。
这些设备中，物料通常是以气态或液态在设备及管路中连续流动的，物料的温度、压力、液位、流量、组分等状态是随时间变化而连续变化的。
对于过程中的各个单元，有些可能比较好操作，反应比较灵敏；有些可能比较难操作，反应比较迟钝。
这些设备操作的难易程度如何，是自动化人员所关心的内容。
为此首先应当搞清楚被控对象的这些特性。
这种采用数学方法描述对象输入/输出关系的数学公式就是该对象的数学模型。
需要注意，1）对应于一个特定的对象，不同输入/输出关系所对应的数学模型是不同的。
2）用于自动控制数学模型可能与其他专业（工艺的、设备的）的数学模型不尽相同。
3）描写输入/输出静态（稳定之后）关系的叫做静态数学模型；描写输入/输出动态关系的叫做动态数学模型。
4）控制用数学模型是在设备大小、结构、内部填充等条件决定之后，经过分析所得出的模型。
一旦这些条件变化则数学模型也要发生变化。
二．被控对象的数学模型建立对象的数学模型，其目的主要以下几个方面：1）设计更合理的控制方案。
对被控对象的深入分析了解，全面掌握其特性，对于设计控制方案是非常重要的。
例如选择被控变量、选择控制变量（操纵变量）、控制系统的结构形式等，这些都需要了解掌握对象特性。
2）便于控制系统调试与控制器参数整定。
设计好控制系统之后，配合生产过程开车，需要对控制系统进行调试。
生产过程开车结束之后，还需要整定控制器参数，以便获得最佳的控制质量。
3）制定生产过程的优化方案。
生产过程优化的目的是使生产过程工作在最佳点上以获得最佳效益。
因此需要掌握生产对象的数学模型。
4）先进控制方案及控制算法的确定。
例如预测控制、推理控制、动态补偿等，这些控制方案及控制算法都需要掌握对象的数学模型。
5）通过计算机仿真技术，实现对生产对象的模拟仿真。
采用模拟仿真技术可以离线训练生产过程操作，即可重复操作，又可避免对生产过程的干扰。
对生产对象的模拟仿真需要掌握生产对象的数学模型。
6） 故障检测与故障诊断。
过程工业的特点是相互关联严重，对象滞后比较大。
因此一点出现异常就会影响上游、下游生产设备，出现异常现象的生产点不一定就是故障的起因。
通过对生产对象的数学分析，可检测出故障点，从而诊断出故障原因。
分析过程就需要生产对象的数学模型。
对于线性集中参数对象，通常可用常系数线性微分方程来描述，如 用x （t ）表示对象的输入；用y （t ）表示对象的输出，则对象特性可用：xb x b x b x b y a y a y a y a m m m m n n n n 0'1)1(1)(0'1)1(1)(++++=++++----（6—1）过程工业对象动态特性通常忽略输入的各阶导数项，即：()(1)'1100n n n n a y a y a y a y b x --++++=建立对象的数学模型常用的有两种方法，一种是根据对象的特点和规律，通过深入分析，利用数学的方法来建立对象数学模型，这种方法叫做机理模型。
另一种方法是实验方法。
首先在对象稳定工况下，人为的改变某个参数，记录对象的输出参数，根据经验大致估计对象数学模型的类型，然后通过数据处理的方法，确定数学模型中的一些待定系数。
这两种方法各有优缺，对象的机理模型比较精确，但对复杂对象难以实现，特别是一些非线性、时变性、分布参数对象，通过详细的机理分析来建立对象数学模型非常困难。
实验模型的方法是建立在测试基础上的，有些经验因素在里边。
如果数据处理方法得当，也可获得符合精度要求的对象数学模型。
还有一种将这两种方法结合，即采取一定的机理分析，也采取一些经验估计的方法。
该方法的重点是采取一些近似方法，忽略一些次要因素，通过适当的数据处理，最后获得符合精度要求的对象数学模型。