1 自动控制系统
第一章 自动控制系统概述
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11
举例说明开环控制与闭环控制
图1-2是直流电动机转速开环控制示意图。
V+ 电动机 负载
电 位 器
功率
放大器
图1-2 直流电动机转速开环控制
电动机的转速可由调节电位器来给定。但当电动机 受到负载变化影响时，电动机的转速是要发生变化的。 开环控制系统不能做到自动调节，控制的精度是比 较低的。
自动控制系统的基本结构如图1-4所示。
输入量 r
+ -
偏差
控制器Gc
控制量 u
扰动量 n
受控对象Go
输出量 c
反馈量b
反馈环节H
图1-4 自动控制系统的基本结构
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16
1. 控制系统的一些常用术语
受控对象
是指被控制的装置或者设备(如电动机、车床等)，有 时也指受控的物理量。
受控过程
受控物理量的变化过程称为受控过程。例如化学反应 过程、水泥窑炉的生产过程等。
在此，对于系统的性能要求可以简要概括为: 响应动作要快 动态过程平稳 跟踪值要准确 上述三条自动控制系统的基本要求如图1-8所示。
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30
c(t) 给定值 响应缓慢 响应快速 t
c(t) 变化剧烈
c(t)
跟踪误差
响应平稳
t
t
(a)响应快速性
(b)动态平稳性
(c)跟踪准确性
图1-8 控制系统的基本要求
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3
自动控制理论的发展与应用
可以改善劳动条件，把人类从繁重的劳动中解放出来； 由于自动控制系统能以某种最佳方式运行，可以提高劳
动生产率，提高产品质量，节约能源，降低成本。
§1[1].2_自动控制系统的组成
![§1[1].2_自动控制系统的组成](https://img.taocdn.com/s3/m/44f58f1352d380eb62946da4.png)
自动控制系统的组成
–有两大组成部分，即被控对象和自动控制装置 –自动控制装置又可分为下列几个部分：
• 测量元件（或测量装置）：用于测量被控量的实际值或对被控量 进行物理量变换的装置 • 比较元件（或比较器）：它将被控量的实际值（常取负号）与被 控量的要求值（常取正号）相比较，得到偏差的大小 • 调节元件：通常包括放大器和校正装置，它能将偏差信号放大， 并使输出控制信号与偏差信号之间具有一定的数值运算关系（也 称为调节规律或控制算法） • 执行元件：接受调节元件的输出控制信号，产生具体的控制效果， 使被控制量产生预期的改变
俯仰角控制系统方块图
–几个术语
• 被控对象 • 被控参数（被控量） • 给定值（期望值） • 干扰
–两个实例
• 液位控制系统 • 飞机控制系统
液位控制系统
Q1 浮子
控制器
电位器
c
用水开关 SM
减速器 电动机
Q2
i器
飞机方块图
θ0
扰动
给 定 装 置
放 大 器
舵 机
飞 机
θc
反馈电 位器 垂直 陀螺仪
第1章+自动控制系统绪论
；
21
1.2 自控概述
丼例：包装盒检测问题 某工厂需要对已装入香皂的纸质包装盒进行检测，把 未装入香皂的包装盒从传送带上剔除，该问题需要采用何 种控制方法？
22
1.2 自控概述
4. 直接控制不间接控制
一般情冴下为直接控制，当控制量丌能直接测量或把 控时采用间接控制。实际意义上一般控制均为间接控制 。
7
2. 自劢控制理论的建立
几位理论奠基人： 拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace,1749－ 1827)，法国分析学家、概率论学家和物理学家，
1.1 发展历史
法国科学院院士。以天文力学研究为重点，研究方法 为数学、控制等多领域所引用，1812年发表了重要 的《概率分析理论》一书，在该书中总结了当时整个 概率论的研究，导入「拉普拉斯变换」等；
、流量、液面或PH值等类似变量（此类控制系统的控制 过程主要为以顺序排布为主的流程控制，比如化工工业产 品生产过程），此类系统称为过程控制系统。过程控制主 要应用于化工、工业制造等生产流程中。
16
1.2 自控概述
• 输入量：指作用于被控制对象或系统输入端的物理量、
信息或信号。 信息或信号。
• 输出量：指表现于被控制对象或系统输出端的物理量、
5. 适应式控制系统
系统本身能够随着环境条件或结构的丌可预计的变化
，自行调整或修改系统参量。
6. 学习控制系统
以人的分析和学习能力为目标，使机器能够自行对系
统变化做出反应的控制方法，以智能控制理论为基础。 23
1.2 自控概述
1.2.3 控制系统的结构和设计原则
• 1.控制系统的基本结构
对一个设施或过程的控制任务在于：使测量环节测得的 被控量y(t)丌受外部干扰z(t)的影响，即保持在一个恒定的 给定值w(t)=const上，或y(t)跟踪一个变化的给定值w(t) ≠const。
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。
第1课 自动控制系统 课件(共13张PPT) 六下信息科技浙教版(2023)
学习内容
1.常见的自动控制系统。 2.计算机在控制系统中的作用。
探索 智慧农场为什么可以实现自动灌溉?
建构
生产生活中有很多自动控制系统，为人类社会的发展提 供了帮助。
一、常见的自动控制系统
随着科学技术的发展，控制技术也得到了迅速发展，出现了自 动控制。自动控制系统在无人参与的情况下能自动实现目标。
例如，智慧农场的灌溉系统通过计算机指令，不仅能根 据土壤的湿度来实现自动灌溉，还能根据种植的不同农作物 ，实现分类灌溉。
想一想
智慧农场的自动灌溉系统，除了根据不同的农作 物进行分类灌溉之外，还可以利用计算机实现什么控 制?
练习
制作一份电子小报，介绍一个生活中常见的计算机自 动控制系统，说一说它的特点，并简单说明计算机在其 中的作用。
水箱水位自动控制
全自动干手机
通过设定空调温度实现降温
汽车中的定速巡航
二、计算机在自动控制系统中的作用
计算机在自动控制系统中的作用主要体现在两个方面： 首先，计算机利用指令实现更精准、更复杂的控制；其次， 利用计பைடு நூலகம்机指令能实现智能的控制方式，使系统的改动更加 便利。
二、计算机在自动控制系统中的作用
谢谢聆听！
INTERNET OF THINGS
《第1课自动控制系统》教学设计教学反思-2023-2024学年小学信息技术浙教版23六年级下册
《自动控制系统》教学设计方案（第一课时）一、教学目标本节课的教学目标是使学生能够初步理解自动控制系统的基本概念和构成要素，包括传感器、控制器、执行器等关键组件的作用与工作原理。
通过本课学习，学生应能够掌握自动控制系统在日常生活中的应用，并具备简单的分析、判断和设计自动控制系统的基础能力。
二、教学重难点教学重点在于让学生理解自动控制系统的基本概念和组成，以及传感器和执行器在系统中的作用。
教学难点则在于如何通过实例让学生直观地感受到自动控制系统的实际应用，并能够运用所学知识进行简单的系统设计。
三、教学准备为确保本节课的顺利进行，教师需要准备以下教学材料：1. 多媒体课件，包括自动控制系统的基本概念、组成及工作原理的图文解释。
2. 实物展示模型或视频资料，用于展示自动控制系统在生活中的应用实例。
3. 练习题和作业纸，用于巩固学生对自动控制系统知识的理解。
4. 教室设备准备，如投影仪、电脑等。
通过自动控制系统知识的作业纸是学生学习过程中的重要工具，它不仅可以帮助学生复习和巩固课堂上学到的知识，还可以通过实践操作来加深对自动控制系统原理的理解。
纸张的质量和内容的设置都应符合学生的认知水平，使得学生在完成作业的过程中能够得到有效的提高。
而教室设备的准备也同样重要。
投影仪和电脑等设备是现代教室的必备设施，它们能够为教师提供更为便捷和高效的教学手段。
投影仪可以将教学内容以更为直观的方式展示给学生，帮助学生更好地理解和掌握知识。
电脑则可以作为辅助教学工具，提供更为丰富的教学资源和信息，使得课堂教学更加生动有趣。
综上所述，无论是作业纸还是教室设备的准备，都是为了更好地服务于学生的学习和教师的教学。
只有充分准备，才能确保教学过程的顺利进行，提高学生的学习效果。
四、教学过程：1. 导入新课创设情境，激发兴趣在课堂开始时，教师利用多媒体展示一个常见的自动控制系统的实例，如智能家中的自动窗帘。
学生看到随着温度变化或语音指令自动开合的窗帘时，能够立即对“自动控制系统”有一个初步的认识。
《第1课自动控制系统》学历案-小学信息技术浙教版23六年级下册
《自动控制系统》学历案（第一课时）一、学习主题本节课的学习主题为“自动控制系统”。
自动控制系统是一种应用广泛的技术，在家庭、工业、交通等各个领域都发挥着重要作用。
在小学阶段，学生将初步了解自动控制系统的基本概念、工作原理和实际应用。
二、学习目标1. 知识与理解：了解自动控制系统的基本概念，理解其工作原理和组成部分。
2. 技能与操作：通过实例分析，学会识别和描述简单的自动控制系统。
3. 情感态度与价值观：培养学生对自动控制系统的兴趣和好奇心，激发其探索科技奥秘的热情。
三、评价任务1. 课堂表现评价：观察学生在课堂上的参与度、互动情况和回答问题的情况，评价其学习态度和表达能力。
2. 作品评价：学生将通过制作一个简单的自动控制系统模型来展示学习成果，教师将根据模型的创意、制作过程和最终效果进行评价。
3. 课堂练习评价：通过完成相关的课堂练习题，评价学生对自动控制系统知识的掌握情况。
四、学习过程1. 导入新课：通过展示一些生活中常见的自动控制系统实例（如自动门、智能家居等），引起学生的兴趣，引出本节课的学习主题。
2. 新课讲解：教师通过课件或实物，详细讲解自动控制系统的基本概念、工作原理和组成部分。
重点介绍传感器、控制器和执行器等关键部件的作用和原理。
3. 实例分析：教师选取一两个具体的自动控制系统实例，引导学生进行分析，让学生学会识别和描述简单的自动控制系统。
4. 动手操作：学生根据教师提供的材料和步骤，制作一个简单的自动控制系统模型。
教师在此过程中给予指导和帮助，确保学生能够顺利完成制作。
5. 课堂练习：学生完成相关的课堂练习题，巩固所学知识。
教师巡视指导，及时解答学生疑问。
6. 总结反馈：教师对本节课的学习内容进行总结，并对学生进行评价和反馈。
同时，引导学生思考自动控制系统在生活中的应用和未来发展。
五、检测与作业1. 检测：通过课堂小测验或课后作业的形式，检测学生对自动控制系统知识的掌握情况。
2. 作业：布置相关的家庭作业，让学生收集生活中常见的自动控制系统实例，并尝试分析其工作原理和组成部分。
第1章 自动控制系统的基本概念
第1章 自动控制系统的基本概念1－1 水位控制装置如图1-12所示。
试分析它的控制原理，指出它是开环控制还是闭环控制系统？说出它的被控量及扰动输入量是什么？绘制出其系统框图。
在该液位控制系统中，水箱的进水量来自进水阀门，出水量由用户阀门确定。
该系统能在用户用水量随意变化的情况下，保持水箱水位在希望的高度上不变。
工作原理：当水箱水位低于设定值H 2时，浮子下移，通过杠杆使阀门开合度增大，从而加大进水量，使水箱水位提高；反之，当水箱水位高于设定值H 2时，浮子上移，通过杠杆使阀门开合度减小，从而减小进水量，使水箱水位降低。
最终调节液位在一个相对稳定的高度。
控制任务：保持水位H 1在设定值；被控制量：实际水位H 1；扰动量：出水量；被控对象：水箱；测量元件：浮子；执行元件：进水阀门。
根据上析分析，给出系统的原理方框图如图1-13所示。
1－2某生产机械的恒速控制系统原理图如图1-14所示。
系统中除了速度反馈外，还设置了电流正反馈以补偿负载变化的影响。
试标出速度负反馈、电流正反馈的信号的正、负号并画出框图。
被控对象：电动机；被控量：电动机转速n ；给定量：电位器的电压u 1；扰动量：负载力矩的变化。
工作原理：电位器电压u 1与转速设定值相对应。
当转速n 低于设定值时，测速发电机输出电压u 2减小，电压偏差信号 增大，电压放大器1的输出电压提高，经功率放大器放大后加到电机电枢两端电压u 4提高，从而使电动机的转速提高。
另一方面，当负载转矩增大时，电枢回路中的电流增大，电压放大器2的输出电压u 3增大，经功率放大器后加到电机上的电压u 4也提高，起到了扰动补偿作用。
由此可见，当转速低于设定值时，可通过反馈回路和扰动补偿两方面的共同作用使转速提高，从而达到了复合控制转速的目的。
反之亦然。
根据题意，可得系统原理方框图如图1-15所示。
21u u u -=∆1-3图1-16所示为一温度控制系统的原理图。
指出系统的输入量、被控量和控制原理，并画出系统框图。
自动控制系统1_第6章 控制系统的误差分析与计算
6.1.1 误差定义
6.1.1 误差定义 1.从输入端定义 2.从输出端定义 3.两种定义之间的联系 由于输入r(t)是期望输出cr(t)的函数，而 主反馈b(t)又与实际输出c(t)有关，所以两种定义e(t)与er(t)有一定 的联系。
6.1.1 误差定义
系统误差的定义为：被控量期望值(理论理想值)与实际值(实际测量值)之差。
6.1.1 误差定义
图6-1 控制系统的典型结构
1.从输入端定义
1.从输入端定义 将给定输入信号作为期望值，反馈信号作为实际值，可以得到从输入端
相应的传递函数为
2.从输出端定义
2.从输出端定义 从输出端定义，控制系统的误差er(t)为被控制量的期望值 cr(t)与实际值c(t)之差，如图6 1所示，即
(3)静态加速度(s误)=差的系稳数态K误a：差系也统称对为加加速速度度输误入差信系号数r(t)＝1/2t2、R
表6-1 系统型别、静态误差系数及稳态误差与输入信号之间关系
首先，判别系统的稳定性。由图6 3可写出系统的开环传递函数
(3)静态加速度(s误)=差的系稳数态K误a：差系也统称对为加加速速度度输误入差信系号数r(t)＝1/2t2、R
图6-3 位置随动系统
(3)静态加速度(s误)=差的系稳数态K误a：差系也统称对为加加速速度度输误入差信系号数r(t)＝1/2t2、R
图6-4 化为单位反馈的位置随动系统
由系统闭环特征方程式4s 2+4s+10=0可知系统是稳定的. 然后求系统的稳态误差。由于开环传递函数中含有一个积分环节，即N=1属Ⅰ型 系统，且开环放大系数为K=2 5，所以，根据表6 1
相应的传递函数
3.两种定义之间的联系
两种定义之间的联系 由于输入r(t)是期望输出cr(t)的函数，而主反馈b(t)又 与实际输出c(t)有关，所以两种定义e(t)与er(t)有一定的联系。当实际输出值 c(t)等于期望输出值cr(t)时，由输入端定义误差信号e(t)等于零，有
自控原理课件 第1章-自动控制系统概
2
第1章 自动控制系统概述
第1章 自动控制系统概述
1.1自动控制系统基础知识
3
第1章 自动控制系统概述
4
第1章 自动控制系统概述
开环控制系统是一种最简单的控制系统。下面举例 说明其结构特点和工作原理。 图1.1所示是一个电阻炉温度控制系统，希望电阻炉 的温度T c保持在允许范围内。在该系统中，可以通过调 整自耦变压器滑动端的位置来改变电阻炉的温度，并使 其保持在允许范围内。因而被控对象就是电阻炉，被控 量就是电阻炉的温度。自耦变压器滑动端的位置对应了 一个电压值uc，也就对应了一个电阻炉的温度Tc，改变 M c也就改变了T”在这个控制系统中，没有对电阻炉的实 际温度进行测量，就是说，实际温度Tc是多少不得而知 。当系统中出现外部扰动(如炉门开关频繁变化)或内部 扰动(如电源电压波动)时，了c将偏离“c所对应的数值， 5 结果温度可能比希望值偏高或偏低。
25
第1章 自动控制系统概述
而放大器的输入电压为给定电压与反馈电压比 较后的偏差电压ΔU=Ug-Ufn, 其中Ug是由给定电 位器给定的，Ufn是由测速发电机TG输出电压 经电位器分压获得的。 Ufn的大小取决于转速 的高低。因此,测速发电机和电位器构成检测元 件和反馈单元；由于Ug和Ufn极性相反，所以构 成负反馈。
第1章 自动控制系统概述
6．检测元件 该装置用来检测被控制量，并将其转换成与 给定量相同的物理量。检测元件的精度和特性逐 渐影响控制系统的控制品质，它是构成自动控制 系统的关键部件。在此系统中是热电耦。
20
第1章 自动控制系统概述
由图1.6可见．系统中作用量的被控制量如
下： 给定量：又称为控制量或参考输入量。它通 常由给定信号电压构成，或通过检测元件将非电 量转换成电压信号。如图1.6中的给定电压UsT。 输出量：又称为被控制量。它是控制对象的 输出，是自动控制的目标。如图1.6中的炉温T 。 反馈量：是通过检测元件将输出量转换成与 给定量性质相同且数量级相同的信号。图1.6中 的反馈量是由热电偶将炉温转换来的信号电压 UfT。
第1章 自动控制系统概述
(1)开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自 动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生 的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开 环控制是有利的。
(2)闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠负反馈 环节进行自动调节，以补偿扰动对系统产生的影 响。闭环控制极大地提高了系统的精度。但闭环 系统使系统稳定性变差，需要重视并加以解决。
本章作业
P15： 1-7 1-8
我国古代的自动控制技术
东汉时期张衡制造了浑天仪和地动仪
三国时期的马钧、南朝时的祖冲之创造和复制 了指南车。
产业革命时期，自动控制技术取得了巨大的发展
1748年瓦特发明的蒸汽机中的离心调节器
1868年麦克斯韦利用描述系统的微分方 程解释了这种现象，并提出了判别低阶 系统稳定性的判据 1877年和1895年劳斯[英]和数学家胡尔 维茨[瑞士]提出了可以判别高阶线性系统 的稳定性的判据
(3)自动控制系统通常由给定元件、检测元件、比较 环节、放大元件、执行元件、控制对象和反馈环节 等部件组成。系统的作用量和被控制量有：输入量、 反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。 框图可直观地表达系统各环节(或各部件)间的因果关 系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和传 递情况以及它们对输出量的影响。
特点：无反馈环节 优点：结构简单，系统稳定性好，成本也低 缺点：当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影 响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无法预计的 扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度时 ，开环控制 系统便无法满足技术要求
适用场合：在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参 数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差 可以预计确定并能进行补偿，应尽量采用开环控制系统。
第1章 自动控制系统简介
微积分（含微分方程）
课程学习要面临
数学基础宽而深 控制原理抽象 计算复杂且繁琐 绘图困难
ax bx c d
2
计算机数学语言 MATLAB 数值解/解析解（数学运算）
控制理论的内容
二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论 控制论：
经典控制理论 现代控制理论（智能控制理论）
1.1.2 自动控制系统举例
一个自动运行的系统，就是指它的运行不需要人为的干预。
令人的体温保持在37℃的自动温控系统 心跳控制系统 眼球聚焦系统 温控系统 汽车自动导航控制系统 电梯调度系统自动发送电梯搭载乘客
空调—自动调节房间温度：
以取暖为例，空调通过温度传 感器检测房间的温度高低，空调控 制器将检测的温度与设定值进行比 较，若温度低于设定值的下限，则 使压缩机运行，温度上升，温度上 升到设定值的上限时则停止运行。 空调运行基于反馈信息（温度 测量值），属于 “反馈控制”，最 为常见。
• 由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解 释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大 约一个世纪之久。
自动控制理论的开端
• 1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出： • 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控 制的不稳定。 • 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从 而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控 制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征 根的实部的正、负号问题。
1.2.3 闭环控制系统（核心）
把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成 闭环，参与控制，称为闭环控制系统。
前/正向通道
反/负向通道
闭环控制系统的优缺点
第1章 自动控制系统概述
第1章 自动控制系统概述
智能控制系统是指具有某些仿人智能的工程控制 与信息处理系统， 其中最典型的就是智能机器人。 对自动控制理论的具体描述可表示为图1-1。
第1章 自动控制系统概述
图1-1 对自动控制理论的具体描述
第1章 自动控制系统概述
1.2 开环控制和闭环控制
1. 开环控制系统(Openloop Control System) 若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产 生影响， 则这样的系统称为开环控制系统。
减转器
调电器
电炉
过电热
图 1 - 5 电炉箱自动控制方框图
第1章 自动控制系统概述
T
UfT
∆U＝(UsT －UfT ) (>0)
Ua (>0)
电机电转
UR
T
自自自自，直直＝给定定， ＝0时时 T ∆U
图 1 - 6 炉温自动调节过程
第1章 自动控制系统概述
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。
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， 然后画出组成系统的方框图。 在画方框 图之前， 必须明确以下问题： (1) 哪个是控制对象？被控量是什么？影响被控量 的主扰动量是什么？ (2) 哪个是执行元件？
第1章 自动控制系统概述
(3) 测量被控量的元件有哪些？ 有哪些反馈环节？ (4) 输入量由哪个元件给定？ 反馈量与给定量如何 进行比较？ (5) 此外还有哪些元件（环节）? 它们在系统中处 于什么地位？ 起什么作用？
第1章 自动控制系统概述
(5) 执行元件（Executive Element）： 驱动被控制 对象的环节。 (6) 控制对象（Controlled Plant）： 亦称被调对象。 (7) 反馈环节（Feedback Element）： 由它将输出 量引出， 再回送到控制部分。
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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习题1自动控制系统
1.自动控制系统按其基本结构有可分为几类？其闭环控制系统中按其设定值的不同又可
分为几类？简述每种形式的基本含义。
2.自动控制系统主要有哪些环节组成？
3.何为简单控制系统？试画出简单控制系统的方块图。
4.衰减振荡过程的品质指标有哪些？各自的含义是什么？
5.图2-36所示，是某温度控制系统的记录以上画出的曲线图，试写出最大偏差衰减比余差
振荡周期，如果工艺上要求控制温度为（40±2）℃，那么该控制系统能否满足工艺要求?
解答：
1.自动控制系按其基本结构可分为开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。
闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制系统。
闭环控制系统中按其设定值的不同又可分为：
1)定值控制系统
定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统。
其作用是克服扰动对被控变量的影响；使被控变量回到设定值附近。
2)随动控制系统
随动控制系统的设定值是不断不变的，其作用是使被控变量能够尽快地、准确到跟踪设定值的变化。
3)程序控制系统
程序控制系统的设定值也是不断不变的，但它是由一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。
2. 自动控制系统主要有被控对象、检测变送器、比较机构、控制器、执行器等组成。
3. 所谓简单控制系统是指只有一个被控对象，一个检测变送器，一个控制器，一个执行器
所构成的单闭环控制系统，它的典型方块图如下所示：
4. 衰减振荡过程的品质指标有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间、振荡周期等其各自的含义是：
最大偏差：指过渡过程中被控变量偏离设定值的最大数值。
衰减比：指过渡过程曲线上同方向第一个和第二个峰值之比。
余差：过渡过程终了时，稳态值与设定值之差。
过渡时间：是指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳态回到新稳态所经历的最短时间。
振荡周期：过渡过程同向两波峰或波谷间的间隔时间。
5.从过渡曲线可以看出最大偏差A=45-40=5；
衰减比n=(45-41)/(42-41)=4 ：1；
余差C=41-40=1；
过渡时间：由题意被控变量进入新稳态值的±2%，就可以认为过渡过程结束，那么限制范围应是41*±2%=±0.82℃，由图可以看出过渡时间为23min.
振荡周期T=18-5=13min
该控制系统能满足控制温度为（40±2）℃的工艺要求。