第一章 反馈控制系统的概念(本)
反馈控制系统的基本概念
控制器
控制器
被控过程
控制器
被控过程
控制器
被控过程
反馈控制系统：
前馈控制系统：
前馈---反馈 控制系统
三. 按给定值变化规律分类
t
t
t
r
r
r
恒值控制系统： 给定值不随时间变化 例 恒温，恒压系统
随动控制系统： 给定值按需求随机变化 例 雷达跟踪， 靠模加工系统
03
扰动
04
被控量
05
设定器
06
被控过程
07
传感器
08
控制器
09
按系统环节连接形式分类
10
闭环控制系统 :
11
开环控制系统：
12
第四节 自动控制系统的分类
开环控制系统举例
电 热 丝
加 热 炉
220v~
调压器
功率放大器
负载
电 位 器
M
例1.4.1 开环温度控制系统
开环控制系统特点： 1. 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 2. 结构简单. 3. 控制精度不高,无法抑制扰动.
性能要求 (性能指标,约束条件)
控制器的结构和参数设计和整定
性能校核 (计算,仿真,实验)
第二节 反馈控制系统的基本概念
信息反馈-------最基本的自动控制原理 反馈控制系统的中的常用术语： 给定值（参考输入值） 偏差值 控制量 被控量 扰动量(内扰,外扰) 自动控制装置 = 传感器 + 控制器 + 给定器 + 执行器 受控过程（受控对象） 控制系统 = 受控过程＋控制装置
----单位阶跃函数
抛物线信号（Parabolic Function）
1—控制系统的基本概念1
分类法小结（补充28、29）
• 开环与闭环(Open-loop / Closed-loop)系统 • 线性与非线性 (Linear/Nonlinear)系统 • 集中参数与分布参数 (Lumped / Distributed Parameter)系统 • 时变与时不变 (Time-variant / Time-invariant or Stationary / Non-stationary)系统 • 确定性与随机(Deterministic / Random)系统 • 单变量与多变量 (Single variable / Multivariable or SISO / MIMO)系统 • 连续与离散(Continuous / Discrete)系统
§1-4 控制工程发展概况
控制工程是一门新型的技术科学，也是一 门边缘科学。它的理论基础是工程控制论。 早在一千多年以前，我国就先后发明了铜 壶滴漏计时器、指南针以及天文仪器等多种自 动控制装置，这些发明促进了当时社 会经济的发展。即使从1788年瓦特（J.Watt） 发明蒸汽机飞球调速器算起，控制工程也已有 了二百多年的历史。然而，控制工程作为一门 学科，它的形成并迅速发展却是最近五六十年 的事。
1.1.3 闭环控制系统的组成
§1-2 控制系统的基本类型
一、按输入量的特征分类 1.恒值控制系统 生产中温度、压力、流量、液面控制； 原动机速度控制、机床位置控制； 电力系统电网电压、频率控制 2. 程序控制系统
液位控制系统
§1-2 控制系统的基本类型
2. 程序控制系统（数字控制、计算机控制） 变化规律预知
不连续系统 (Discontinuous Variable System)
离散系统(Discrete Variable System)
第一章控制系统的基本概念
1．给定元件 主要用于产生给定信号或输入信号。例如，图1.2中电位计 里的可变电阻。 2．反馈元件 它测量被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便 于传输，主反馈信号多为电信号。因此，反馈元件通常是一些用 电量来测量非电量的元件。 必须指出，在机械、液压、气动、机电、电机等系统中存在 着内在反馈。这是一种没有专设反馈元件的信息反馈，是系统内 部各参数相互作用而产生的反馈信息流，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。内在反馈回路由系统动力学特性确定，它所 构成的闭环系统是一个动力学系统。 3．比较元件 用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差 值的偏差信号。例如，图1.2中的电位计。
准确地复现控制信号
的变化规律（此即伺
服的含义）。控制指
令可以由操作者根据
需要随时发出，也可
以由目标物或相应的 测量装置发出。
图1.7 液压仿形车床工作原理图
图1.7所示为液压仿形车床工作原理图。当阀心8处于图示中 间位置时，没有压力油进入液压缸前后两腔，液压缸不动。当阀 心偏离中位，例如向前伸出时，节流口2、4保持关闭，节流口1、 3打开，压力油经节流口3进入液压缸前腔，而其后腔的油液经 节流口1流回油箱，缸体带动刀具向前运动；同样，当阀心偏离 中位向后收缩时，节流口1、3关闭，2、4打开，压力油经节流 口2进入液压缸后腔，而缸前腔的油液则经节流口4流回油箱， 缸体带动刀具向后运动。图中，液压缸缸体和控制阀阀体连成一 体，形成液压缸运动的负反馈，使液压缸缸体与阀心的运动距离 和方向始终保持一致，所以液压缸缸体（刀具）完全跟随阀心 （触销8）运动。因此，这是一个随动（伺服）系统。
若参数配置不当，很容易引起振荡， 由11台小型电动机驱动
控制工程基础PPT课件(王积伟)第一章控制系统的基本概念
2/4/2024
20
第一章 控制系统的基本概念
输入量 控制器
输出量 对象或过程
反馈量 测量元件
闭环控制系统框图
➢ 半闭环控制系统 特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。
2/4/2024
21
第一章 控制系统的基本概念 闭环控制系统的组成
比较
给定 元件
+ 元件
_
串联校正 元件
输入信号 偏差信号
2/4/2024
31
第一章 控制系统的基本概念
准确性 控制精度，以稳态误差来衡量。 稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋 于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量 之间的差值。
2/4/2024
32
第一章 控制系统的基本概念
快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏 差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。
注意：在机械、液压、气动、机电等系统中 存在着内在反馈，这种反馈无须专门 的反馈元件，是系统内部各参数相互 作用产生的，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。
2/4/2024
23
第一章 控制系统的基本概念
➢ 比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差 信号；
➢ 放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能。
系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分 地返回，并作用于系统，即输出量的返回过程称 为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
2/4/2024
9
第一章 控制系统的基本概念
综上所述，控制系统的工作原理： ➢检测输出量（被控制量）的实际值 ➢将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比
较得出偏差； ➢用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得
机电工程控制基础答案
机电⼯程控制基础答案机电⼯程控制基础答案【篇⼀：机电⼯程基础作业答案】>第⼀章习题答案⼀、简答1．什么是⾃动控制？就是在没有⼈直接参与的情况下，利⽤控制装置使⽣产过程或被控对象的某⼀物理量(输出量)准确地按照给定的规律(输⼊量)运⾏或变化。
2．控制系统的基本要求有哪些？控制系统的基本要求可归结为稳定性；准确性和快速性。
3．什么是⾃动控制系统？指能够对被控制对象的⼯作状态进⾏⾃动控制的系统。
它⼀般由控制装置和被控制对象组成4．反馈控制系统是指什么反馈？反馈控制系统是指负反馈。
5．什么是反馈？什么是正反馈？什么是负反馈？反馈信号(或称反馈)：从系统(或元件)输出端取出信号，经过变换后加到系统(或元件)输⼊端，这就是反馈信号。
当它与输⼊信号符号相同，即反馈结果有利于加强输⼊信号的作⽤时叫正反馈。
反之，符号相反抵消输⼊信号作⽤时叫负反馈。
6．什么叫做反馈控制系统系统输出全部或部分地返回到输⼊端，此类系统称为反馈控制系统（或闭环控制系统）。
7．控制系统按其结构可分为哪3类？控制系统按其结构可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。
8．举例说明什么是随动系统。
这种系统的控制作⽤是时间的未知函数，即给定量的变化规律是事先不能确定的，⽽输出量能够准确、迅速的复现给定量(即输⼊量)的变化，这样的系统称之为随动系统。
随动系统应⽤极⼴，如雷达⾃动跟踪系统，⽕炮⾃动瞄准系统，各种电信号笔记录仪等等。
9．⾃动控制技术具有什么优点？⑴极⼤地提⾼了劳动⽣产率；⑵提⾼了产品的质量；⑶减轻了⼈们的劳动强度，使⼈们从繁重的劳动中解放出来，去从事更有效的劳动；⑷由于近代科学技术的发展，许多⽣产过程依靠⼈们的脑⼒和体⼒直接操作是难以实现的，还有许多⽣产过程则因⼈的⽣理所限⽽不能由⼈⼯操作，如原⼦能⽣产，深⽔作业以及⽕箭或导弹的制导等等。
在这种情况下，⾃动控制更加显⽰出其巨⼤的作⽤10．对于⼀般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加某⼀给定值时，输出量的暂态过程可能有⼏种情况？单调过程衰减振荡过程持续振荡过程发散振荡过程⼆、判断1．⾃动控制中的基本的控制⽅式有开环控制、闭环控制和复合控制。
生理学第一章
感受器
传入神经
中 枢
传出神经
效应器
Δ 反射的类型：
非条件反射——先天性的，反射弧终生不变，物 种共有。如：吸吮反射。 条件反射——后天获得，建立在非条件反射基础 之上，反射弧是可变的，个体特有。如：“望梅
止渴”。
3.特点：
迅速、精确、短暂
（二）体液调节(humoral regulation)
1.概念：体液调节是指体内某些特殊的化学物质 通过体液途径而影响生理功能的一种调节方式。 2.调节方式： （1）远距分泌(telecrine) （2）旁分泌(paracrine) （3）神经分泌(neurosecretion)
2.慢性动物实验(chronic animal experiment) 举例：如研究动物的胃液分泌，采用假饲的实验方法。 优点：便于观察某一器官或组织在正常情况下的功能 以及在整体中的作用地位。 缺点：干扰因素多，实验条件较难控制。
四、生理学研究的不同水平 （一）器官和系统水平 ——器官生理学（organ physiology)
）
二、多选题
1.关于反射的论述，正确的是（ ） A.反射的结构基础是反射弧 B.条件反射是后天获得的 C.反射必须有中枢神经系统的参与 D.剪断坐骨神经后反应消失 E.刺激坐骨神经引起腓肠肌收缩是反射 2.下列情况中，属于自身调节的是（ ） A.在一定范围内增加骨骼肌的初长度可增加肌肉的收缩张力 B.肾动脉灌注压在80-180mmHg范围内变动时，肾血流量保持相 对稳定 C.在一定范围内增加静脉回心血量，心肌收缩力随之增强 D.动脉血压突然升高时，反射性引起血压回降 E.平均动脉血压在60-140mmHg范围内变动时，脑血流量保持相 对稳定
）
4.在反射弧分析实验中，剥掉蛙的足趾皮肤后，屈反 射消失，其原因是（ ） A.感受器受损 B.破坏反射中枢 C.传入神经受损 D.损伤传入神经、传出神经 5.下列不属于非条件反射的特征是（ ） A、种族遗传 B、先天获得 C、数量较少 D、反射弧不固定 6.“望梅止渴”/“谈虎色变”属于（ ） A、反应 B、反馈 C、条件反射 D、非条件反射 7.机体处于寒冷环境时，引起甲状腺激素分泌增多 是（ ） A、正反馈调节 B、自身调节 C、体液调节 D、神经－体液调节
单回路反馈控制系统
第一篇过程控制系统第一章单回路反馈控制系统简称：单回路控制系统、简单控制系统在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。
在生产过程控制中应用得最为广泛的、并能解决大量控制问题的系统（70%）。
研究单回路系统的分析和设计方法，是研究复杂控制系统的基础。
1.1 单回路系统的结构组成一、系统的组成举例：如图所示的水槽，流入量F1、流出量F2，为了控制水槽的液位L不变，选择相应的变送器、控制器、控制阀，并按左图组成单回反馈控制系统。
图1-2 水槽液位控制系统注：LC表示液位控制器，sp代表控制器的给定值。
假定控制阀为气闭，控制器为反作用。
偏差：测量信号与给定值之差。
当测量值大于给定值时，偏差为正，反之为负。
第一种情况（初始状态：平衡状态F1=F2）入口阀突然开大→ F1>F2 → L↑ → 正偏差→ 输出减小→ 控制阀↑ → F2 ↑→ L↓→F1=F2→ 系统达到新的平衡 入口阀突然开小→ F1<F2→L ↓ → 负偏差→ 输出增大→ 控制阀↓ → F2 ↓→ L ↑ → F1=F2 → 系统达到新的平衡第二种情况初始状态：平衡状态F1=F2） 出口阀突然开大→F２>F1→L ↓→ 负偏差→输出增大→控制阀↓→F2↓→ L↑→ F1=F2→系统达到新的平衡出口阀突然关小→ F1>F2 → L ↑ → 正偏差→ 输出减小→ 控制阀↑ → F2 ↑ → L ↓ → F1=F2→系统达到新的平衡3单回路控制系统方框图R(S)：给定值的拉氏变换式Gc(S)：控制器传递函数X(S)：测量值的拉氏变换式Gv(S)：控制阀传递函数E(S)：偏差的拉氏变换式Gm(S) 变送器传递函数U(S)：控制信号的拉氏变换式Go(S)：对象控制通道的传函Q(S)：操纵变量的拉氏变换式Gf(S)：对象扰动通道的传函Y(S)：被控变量的拉氏变换式F(S)：扰动信号的拉氏变换式几点说明：(1)图中的各个信号值都是增量初始状态为零；图中箭头表示的是信号流向，而不是物料或能量的流向。
第一章 反馈控制系统的概念(本)
5 在反馈控制系统中，调节单元根据________的大小和方向，输出一个控制信号。 A．给定位 B．偏差 C．测量值 D．扰动量
6 在反馈控制系统中，设定值如果按照某一函数规律变化，则称为________。 A. 定值控制 B. 程序控制 C．随动控制 D．函数控制
7 在反馈控制系统中，执行机构的输入是________。 A．被控参数的实际信号 C．被控参数的偏差信号 B. 调节器的输出信号 D．被控参数的给定信号
过渡过程 : transient：指自动控制系统在动态中被控量随时间的变化过程。 或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。 y
t 平衡状态 平衡 状态 过渡过程
自动控制系统过渡过程曲线
二．控制系统的典型输入信号 为便于系统分析，定义几种常见的系统输入信号：
（ 1）阶跃输入： （ 2）速度输入 ：
（ 3）加速度输入：
（ 4）脉冲输入：
（ 5）正弦输入： 其中，阶跃输入对系统的工作最为不利。
r(t) R 0 r(t)
r(t)
Rt
t
0 r(t)
t
½ Rt2
0
0
t
t
r(t) 1/h 0 h t 单位脉冲函数
h→0
r(t)
r(t)→∞
0
t
h→0时，称为理想的单 位脉冲函数，记作δ(t)。
三. 评定控制系统动态过程品质的指标
四. 反馈控制系统的分类
1.按所用能源分类：气动控制系统和电动控制系统 2.按仪表的结构形式分类：单元组合仪表和基地式仪表 单元组合仪表：各单元分别制成一台独立仪表 基地式仪表 ： 各单元组装成一台仪表 3. 按给定值的变化规律分类：
（ a）定值控制；（b）程序控制；（c）随动控制。
第一章 反馈控制原理
自动控制理论主要研究闭环控制系统
第一章 反馈控制原理
三、自动控制系统的基本组成
1、组成
r (t )
扰动 给定 元件
＋
比较 环节 偏差 信号e
参考输入
－
串联 校正元件
＋ －
放大 元件
执行 元件
被控 对象
c(t )
输出量
主 反 馈 信 号
并联 校正元件
局部反馈
反馈元件 主反馈 测量反馈元件
给定元件——是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是产生控制指令的装置。 反馈元件——如传感器和测量仪表，测量被控变量的值并把它变换为与输入 量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。 比较元件——比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。 放大元件——将微弱的信号作线性放大。 校正元件——按某种函数规律变换控制信号，改善系统的动态品质或静态性能。 执行元件——由偏差信号的性质执行相应的控制作用，使被控制量按期望值统：为达到某一目的，由相互制约的各个部分，按照一 定规律组成的具有一定功能的整体 4、自动控制系统：由控制器和被控对象组成的，能够实现自 动控制任务的系统 5、被控制量：在控制系统中，按规定的任务需要加以控制 的物理量 6、反馈：通过测量变换装置，将系统或元件的输出量返回到 输入端，与输入信号相比较产生偏差的过程 7、负反馈原理：把被控制量反馈到系统的输入端与参考输入 进行比较，利用偏差产生控制作用，通过控制输出控制量以 减少或消除误差
+
电 位 器
ug
电 压 _ 放大器
功 率 _ 放大器 u a 电 动 机
n
Mc
负载
第一章 反馈控制原理
2、闭环控制系统
闭环控制系统（Close-Loop Control System）又称 反馈控制系统（Feedback Control System） ，是在闭环 控制系统中，把输出量检测出来，经过物理量的转换，再 反馈到输入端去与给定值（参考输入）进行比较（相减）， 并利用比较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制作 用，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，逐步减小以至 消除这一偏差，从而实现要求的控制性能。
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。
第一章船舶反馈控制系统基础课件
执行机构（执行器）：接受控制器送来的控制信号，作用 于被控对象，实现实际控制作用。
气动系统：气动薄膜调节阀、气动活塞式调节阀
电动系统：采用伺服电机
第一章船舶反馈控制系统基础
1.反馈控制系统的组成
• 反馈控制系统
• 用自动化仪表代替人的感知器官 • 调节器代替人的大脑 • 执行机构代替人的双手操作
第一章船舶反馈控制系统基础
返回本节
主 机
淡水泵
眼
温度变送器
脑 调节器
三通阀
海水出口
冷却器
海水入口
柴油机气缸冷却水温度自动控制过程 第一章船舶反馈控制系统基础
手 执行机构
1.反馈控制系统的组成
§1-1
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
• 系统的输入与输出：将各个基本环节看作一个整 体 ，如下图，虚框外具有两个输入、一个输出。
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
• 反馈：系统输出的变化经测量单元送回到系统的输入 端，这个过程叫反馈。符号“”是一个比较算子，得 到偏差值。
第一章船舶反馈控制系统基础
2. 反馈控制系统的传递方框图
§1-1
相关概念
基本扰动 外部扰动
• 扰动：引起被控量变化的因素统称为扰动。
• 基本扰动：来自控制系统内部控制通道（调节通道）的扰 动。如：给水调节阀开度的改变、三通调节阀开度的改变 将等
• 外部扰动：来自系统外部环境的扰动。如：锅炉负荷（外 部用汽量）的变化将引起水位的变化；柴油机负荷的变化、 海水温度的变化；淡水冷却器中水管结垢的多少等都会引 起冷却水温度的变化
自动控制原理总复习资料(完美)要点
第一章的概念1、典型的反馈控制系统基本组成框图:复合控制方式3、基本要求的提法：可以归结为稳定性（长期稳定性） 第二章要求：1、 掌握运用拉氏变换解微分方程的方法；2、 牢固掌握传递函数的概念、定义和性质；3、 明确传递函数与微分方程之间的关系；4、 能熟练地进行结构图等效变换；5、 明确结构图与信号流图之间的关系；6、 熟练运用梅逊公式求系统的传递函数；例1某一个控制系统动态结构图如下，试分别求系统的传递函数总复习、准确性（精度）和快速性（相对稳定性） C i （s ） C 2（s ） C 2（s ） G（S ）复合控制方C i (s) _ G,s)C 2(s)R i (s)1 - G 1G 2G 3G 4 R i (s)-G 1G 2G 31 - G 1G 2G 3G 4C(s) C(s) E(s) E(S) R(s)，N(s)，R(s)，N(s)例3： 例2某一个控制系统动态结构图如下，试分别求系统的传递函数:EG.7)► * kG 1（S ）G2（S ）C(s) _R(s) 1 G 1(s)G 2(s)H(s) C(s)-G 2 (s) N(s) 一 1 G,S )G 2(S )H(S )r(t) - u 1 (t) i (t) m「1(t ) R 115(t) = J 川dt)-i 2(t)]dtMy)J(t)R 2C(t)二 1 i 2(t)dtC2将上图汇总得到:R(s) +l i (s) +U i (s)l 2(s)U 1(s )*l 2(s)C(s)1 C 1sC(s)I i (s)U i (s)I2G)(b)例5如图RLC 电路，试列写网络传递函数U c (s)/U r (s).例6某一个控制系统的单位阶跃响应为:C(t) =1 -2e't • e ，，试求系统的传递函数、微分方程和脉冲响应。
解：传递函数：2〜、3s +2 八厶八、计 d c(t)丄小dc(t )丄小/八 cdr(t)丄“、 G(s)，微分万程： 2 3 2c(t)=3 2r(t)(s + 2)(s+1)dt 2 dt dt脉冲响应：c(t)二-e‘ 4e'2tk =1例4、一个控制系统动态结构图如下，试求系统的传递函数。
反馈与控制第一章（PDF精品）
F(S)
=
(S
Cm − S1)m
+
(S
Cm−1 − S1)m−1
+K+
C1 S − S1
+
Cm+1 S − Sm+1
+K+
Cn S − Sn
Cm = [(S − S1)m F (S )] S =S1
Cm−1
=
d [(S ds
−
S1 ) m
F (S)]
S =S1
M
C1
=
1 (m −1)!
d m−1 dsm−1
Kn的系数如何确定？
(S
−
Sj)
N(S) D(S)
=
(S
−
Sj)
K1 S − S1
+ (S
−
Sj)
K2 S − S2
+L+
KjLeabharlann +L+(S
−
S
j
)
(
S
Kn − Sn
)
Kj
= (S
−
S
j
)
N(S) D(S)
S=S j
j = 1, 2,L, n
自控－数学模型@刘静
例：
求
F (s)
=
s2
s+2 + 4s + 3
自控－数学模型@刘静
拉氏变换
拉普拉斯变换是 f(t)从时域到复频域F(S)的积分变换。
针对不满足绝对可积条件的部分函数进行
是单边变换（实际信号都有起始时刻）
∫ F(S) = ∞ f (t)e−Stdt 0−
S =σ + jω
生理学课件_1 绪论
第三节
生理功能的调节
一、自身调节(Autoregulation)
自身调节是指某些细胞或组织器官凭借本身内在特 性，而不依赖神经调节和体液调节，对内环境变化 产生特定适应性反应的过程。
特点：调节强度较弱，影响范围小，且灵敏度较低， 调节常局限于某些器官或组织细胞内，但对于该器 官或组织细胞生理活动的功能调节仍然具有一定的 意义。
体液(body fluid)：人体细胞内外含有大量 液体，总称为体液。
细胞内液(intracellular fluid)：约2/3，约占体重40 ％。 细胞外液(extracellular fluid)：约1/3，约占体重 20％。 组织液:约3/4，约占体重15％。 • 血 浆:约1/4，约占体重5％。 • 淋巴液:少量 • 胸膜腔、脑脊腔及关节腔内液体
后记
生理学发展的回顾和展望
一、 生理学发展的回顾
希波克拉底 （Hippocrates，公元前459～377
年）
盖伦 （Claudius Gelen，130-201）
威廉· 哈维(William Harvey，1578～1657)
二、生理学展望
研究生理学的问题：多层次、多角度、多方位、全 视野。 整体层面、系统层面、器官层面、细胞层面、分子 水平层面。 与更多学科领域相互结合、相互渗透、相互融合 。
生理学 (physiology) 是一门研究机体生命活动 各种现象及其功能活动规律的科学。人体生 理学 (human physiology) 是研究人体机能活动 及其规律的科学。
（二）任务：
研究机体各系统的器官和细胞的正常活动过 程，特别是各器官、细胞的功能表现的内部 机制，不同细胞、器官、系统之间的相互联 系和相互作用，从而理解机体作为一个整体， 在各种疾病情况下，身体某个或某些部分发 生的变化，器官在疾病时发生的功能变化、 功能变化与形态变化之间的关系及对其他器 官的影响等等。
自动控制原理课后习题答案
du3 (t) dt
(R1C2
1)u3 (t)
R1R2C1C2
d 2V (t) dt 2
(R1C1
R2C2
R1C2 )
dV (t) dt
( R1C2
1)V (t)
G(S ) u3 (s) R1R2C1C2 S 2 (R1C1 R2C2 R1C2 )S (R1C2 1)
V (s)
R1R2C1C2 S 2 (R1C1 R2C2 )S (R1C2 1)
第三章：作业3.5
试用Routh稳定判据判断下列（a）（b）（c）(d)(e)特征方程描述的系统的稳 定性，若不稳定说明右半复数平面或虚轴上的根的个数。
解:(a) s5+6s4+3s3+2s2+s+1=0
1
3
6
2
16
5
2
16
-1
-(1/-1)×1×16=16
1 1
一行同乘分母6 一行同乘分母16 一行同乘2/246
没有互不接触回路: ∑LbLc = ∑LdLeLf = ···=0 特征式：△(s)=1-[L1 + L2+ L3]=1+G2(s) G3(s)G6(s)+G3(s) G4(s)G5(s)+ G1(s) G2(s) G3(s) G4(s) G7(s) 余子式：△1 (s)=1
H(s)=y(s)/u(s)= Q1(s)/ △(s)
的控制方法。
• 反馈控制原理-通过反馈信息形成反馈控制作用的原理，称为反馈控制原理。
3、反馈控制系统的基本构成及特点？
简答：反馈控制系统由被控对象和控制器两大部分组成。
控制器又主要由以下基本元件构成：
第一章 控制系统的基本概念
而能够直接获取的信息是被控变量的测量值。因此，通常把给定 值与测量值的差作为偏差，即 e = y s－y m。在反馈控制系统中， 调节器根据偏差信号的大小去控制操纵变量。 控制信号 u 控制器将偏差按一定规律计算得到的量。
1.4 控制系统系统的分类
自动控制系统的分类方法有很多。例如，按被控变量的不同， 可以分为温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统、液位控制 系统、成分控制系统等。按调节器的控制规律来分类，可分为比例 控制系统、比例积分控制系统、比例微分控制系统、比例微分积分 控制系统等。但是，在分析自动控制系统的特性时，常常采用下述 几种分类方法。
（3）自动操纵系统 ： 这是一种根据预先规定的程序， 自动的对生产设备进行某种周期性操作，极大地减轻操 作人员的繁重或重复性体力劳动的装备。例如，合成氨 造气车间煤气发生炉的操作就是按照程序自动地进行的， 如自动进行吹气、上吹、下吹制气、吹净等步骤，周期 性地接通空气与水蒸气实现自动操纵。 （4）自动控制系统： 利用一些自动控制仪表及装 置，对生产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节， 使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，能够自动 地重新回复到规定的范围内，从而保证生产的正常进行。
过程装备控制技术 及应用
过控教研室
前
言
《过程装备控制技术及应用》课程是经全国高等学校化工类及 相关专业教学指导委员会化工装备教学指导组讨论决定，确定为 “过程装备与控制工程”专业的核心课程之一。本专业学生通过该 课程的学习，可以将过程机械、计算机自动测试、控制、自动化等 方面的知识有机地结合在一起，培养学生成为掌握多学科知识与技 能的复合型人才。
比较自动控制与人工控制：在自动控制系统中，测量仪表,控制 仪表，自动调节阀分别代表了人工控制中人的观察，思考和手动操 作，因而大大降低了人的劳动强度；同时由于仪表的信号测量、运 算、传输、动作速度远远高于人的观察，思考和操作过程，因此自 动控制可以满足信号变化速度快，控制要求高的场合 。 1.2.2 控制系统的组成 从上面锅炉汽包水位的自动控制系统中可以看出，一个自动控 制系统主要由两大部分组成：一部分是起控制作用的全套自动控制 系统，它包括测量仪表，变送器，控制仪表以及执行器等；另一部 分是自动控制装置下的生产设备，即被控对象如锅炉、反应器、换 热器等。图1－1（b）中，锅炉、差压便送器、调节器、执行器等 构成了一个完整的自动控制系统。系统各部分的作用如下。 被控对象 ：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备 或机器称为被控对象，简称对象。在化工生产中，各种塔器、反应 器、泵、压缩机以及各种容器。贮罐、贮槽、甚至一段输送流体的 管道或复杂塔器（如精馏塔）的某一部分都可以是被控对象。图1 －1的锅炉即为汽包水位控制系统中的被控对象。
第1章反馈控制系统的基础知识PPT课件
例如自动舵的随动操舵系统，其舵角给定 值完全取决于当时的航制系统的动态过程
1、动态过程特点 系统从受到扰动开始到被控量稳定在新稳态值，
系统达到新的平衡状态的过程，也就是被控量随时间 的变化规律，称为动态过程（过渡过程）。
.
17
C.组成一个反馈控制系统，必须有四个最基本的环节，即 控制对象、测量单元、调节单元和执行机构。
.
4
（1）控制对象 控制对象是指所要控制的机器、设备或装
置。把所要控制的运行参数叫做被控量。 在锅炉水位自动控制系统中，锅炉是控制
对象，水位是被控量。 在柴油机冷却水温度自动控制系统中，淡
水冷却器是控制对象，冷却水温度是被控量。 在柴油机转速自动控制系统中，柴油机是
输入端，这个过程叫反馈。 正反馈是指经反馈能加强闭环系统输入效应，
即使偏差e增大。 负反馈是指经反馈能减弱闭环系统输入效应，
即使偏差e减小。
.
13
三、反馈控制系统的分类 按给定值的变化规律分类方法： 1、定值控制系统
系统的给定值是恒定不变的，为某个确 定值，则该系统称为定值控制系统。
例如主锅炉水位与蒸汽压力控制系统， 柴油机气缸冷却水温度控制系统，燃油粘度 控制系统，发电机的原动机转速控制系统等 都属于定值控制系统。
.
6
（3）调节单元
调节单元是指具有各种调节作用规律的调节器。 把运行参数所希望控制的最佳值叫给定值，用 r 表示； 被控量的测量值用 z 表示。把被控量的测量值偏离给 定值的数量叫偏差值，用 e 表示,显然，e = r - z 。
调节器首先接收测量单元送来的被控量的测量信号，
并与被控量的给定值相比较得到偏差信号，再根据偏差
第一章单回路反馈控制系统
过程控制系统及工程
第1章 单回路反馈控制系统
从上页图反应曲线可以看出，对象受到阶跃作用后，被 控变量就发生变化，当 t→∞时，被控变量不再变化而达到 了新的稳态值h（∞），这时上式可得：
h KQ1 或
h K Q1
（1-10）
对于简单水槽对象， K=RS，即放大系数只与出水阀的阻 力有关，当阀的开度一定时，放大系数就是一个常数。
过程控制系统及工程
第1章 单回路反馈控制系统
1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择
●对象特性分析
对于实际过程，影响输出的因素一般不只一个， 因此，实际上都是多输入系统（MIMO)
F1 F2 Fn Y
精馏塔: 影响塔顶成分的有：温度、压力、
进料流量、进料成分等
过程控制系统及工程
第1章 单回路反馈控制系统
第1章 单回路反馈控制系统
第 1章
单回路反馈控制系统
1.1 单回路系统的结构组成 1.2 被控变量的选择 1.3 对象特性对控制质量的影响及操纵变量的选择 1.4 控制阀的选择 1.5 测量、传送滞后对控制质量的影响及其克服办法 1.6 控制器参数对系统控制质量的影响及控制规律的选择
1.7 系统的关联及其消除方法
质量指标：塔顶产品的纯度 xD 1、直接测量：选择合适的成分分析仪表 2、间接测量：用间接控制参数进行控制 原因：（1）没有合适的仪表 （2）测量滞后打，控制效果差，达不到质量要求
P
T一定
T
P一定
X D f T , P
0 50 100%
XD 0
50
100%
XD
苯、甲苯百分含量（%）
过程控制系统及工程
过程控制系统及工程
自动控制原理总复习资料(完美)
自动控制原理总复习资料(完美)总复第一章的概念典型的反馈控制系统基本组成框图如下：输出量串连补偿放大执行元被控对元件元件件象－－反馈补偿元件测量元件自动控制系统有三种基本控制方式：反馈控制方式、开环控制方式和复合控制方式。
基本要求可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。
第二章要求：1.掌握运用拉普拉斯变换解微分方程的方法。
2.牢固掌握传递函数的概念、定义和性质。
3.明确传递函数与微分方程之间的关系。
4.能熟练地进行结构图等效变换。
5.明确结构图与信号流图之间的关系。
6.熟练运用梅森公式求系统的传递函数。
例1：某一个控制系统动态结构图如下，求系统的传递函数。
C1(s)C2(s)C(s)C1(s)G1(s)G2(s)G3(s)R1(s)R2(s)R1(s)R2(s)传递函数为：C(s) = G1(s)C1(s) / [1 -G1(s)G2(s)G3(s)R1(s)R2(s)]例2：某一个控制系统动态结构图如下，求系统的传递函数。
C(s)C(s)E(s)E(s)R(s)N(s)R(s)N(s)C(s)G1(s)G2(s)-G2(s)传递函数为：C(s) = G1(s)C(s) / [1 + G1(s)G2(s)H(s)N(s)]例3：i1(t)R1 i2(t)R2R(s)+u1(t) c1(t)C1 C2 r(t)I1(s)+U1(s)112+I2(s)将上图汇总得到：R1I1(s)U1(s)C1s r(t)-u(t) = i(t) R U1(s)u(t) = [i(t) - i(t)]dt Cu(t) - c(t) = i(t)Rc(t) = i(t)dtCI2(s)R2KaC(s)1C2s(b)C(s) R(s)+R1C1sR2C2s1Ui(s)1/R11/C1sIC(s)1/R21/C2s10rad/s，试求系统的传递函数、特征方程、极点位置以及阻尼比和固有频率的物理意义。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
人们普遍认为 最早应用于工业过 程的自动反馈控制 器 , 是 James Watt 于 1769年发明的飞 球调节器，它被用 来控制蒸汽机的转 速。后来此机械装 置被广泛应用。
用于船舶推进器的电子 式调速器
§1-1 反馈控制系统的组成
一、反馈控制系统的组成◎
二、反馈控制系统的传递方框图◎
三、反馈控制系统的工作过程◎ 四、反馈控制系统的分类◎ 五、自动控制系统的其他形式
采用阶跃输入的原因： （ 1）信号的阶跃变化在实际中比较常见（近似的阶跃变化）； （ 2）阶跃信号的数学处理比较简单； （ 3）阶跃输入对系统的工作最为不利。 评定系统过渡过程性能指标的三个方面： （ 1）稳定性；（2）精确性；（3）快速性。 稳定性指标：衰减率φ和振荡次数N 精确性指标：最大动态偏差 、静态偏差 和超调量 快速性指标：过渡过程时间 、上升时间 和峰值时间
偏差 = 设定值 － 测量值
4. 执行器（执行机构）：接受控制器送来的控制信号，驱动调节 机构，作用于被控对象。
二. 反馈控制系统传递方框图
几个概念 : 1. 环节、 2.扰动、 3.系统的输入与输出
4. 反馈、 5.前向通道与反馈通道
特点 : ①信号传递单向性 ； ②闭合回路（闭环系统）；
6.闭环系统
（ ε） 。
自动控制系统过渡过程曲线 根据衰减率 ψ 的大小可 以判定过渡过程的性质
Δys ψ ψ
<0，为发散振荡过程
=0，为等幅振荡过程
t0
t∞
0< ψ <1，为衰减振荡过 程
ψ
y1 y3 y3 1 y1 y1
（ 3）加速度输入：
（ 4）脉冲输入：
（ 5）正弦输入： 其中，阶跃输入对系统的工作最为不利。
r(t) R 0 r(t)
r(t)
Rt
t
0 r(t)
t
½ Rt2
0
0
t
t
r(t) 1/h 0 h t 单位脉冲函数
h→0
r(t)
r(t)→∞
0
t
h→0时，称为理想的单 位脉冲函数，记作δ(t)。
三. 评定控制系统动态过程品质的指标
③负反馈：反馈通道的信号与前向通道的信号相减。反之，则为正反馈。
④控制单元根据偏差进行控制，因此又称偏差驱动。
若控制单元、测量单元和显示单元合为一体，则称为基地式控制 仪表；若三者分开，则称为组合式控制仪表。
f(t) r(t) + e(t) b(t) 测量 单元
自动控制系统结构方框图
控制 单元
p(t)
自动控制系统过渡过程曲线 根据衰减率 ψ 的大小可 以判定过渡过程的性质 Δys：
ψ
<0，为发散振荡过程
=0，为等幅振荡过程
t0
t∞
ψ
y1 y3 y3 1 y1 y1
0< ψ <1，为衰减振荡过 程
ψ
=1，为非周期过程
y N y
1
最佳衰减率：
ψ =0.75~0.9
3
自动控制系统过渡过程曲线
线性系统和非线性系统，单输入单输出系统和多输入多输出系统，温 度控制系统，转速控制系统，液位控制系统，压力控制系统。
5. 按输入和输出变量数： （ a） SI-SO；（ b）MI-MO 6. 按数学模型特点： （ a）线性控制系统；（b）非线性控制系统 7. 按应用理论：
（ a）基于经典理论的控制；
5 在反馈控制系统中，调节单元根据________的大小和方向，输出一个控制信号。 A．给定位 B．偏差 C．测量值 D．扰动量
6 在反馈控制系统中，设定值如果按照某一函数规律变化，则称为________。 A. 定值控制 B. 程序控制 C．随动控制 D．函数控制
7 在反馈控制系统中，执行机构的输入是________。 A．被控参数的实际信号 C．被控参数的偏差信号 B. 调节器的输出信号 D．被控参数的给定信号
y
r
y1
y3
Δ
Δys y∞
t
y0 t0
ts
y1 y3 y3 1 y1 y1
自动控制系统过渡过程的性能要求 2.精确性：被控量偏离给定值的程度
评定指标：
（ a）定值控制系统：最大动态偏差emax；静态偏差Δys（ε） （ b）随动控制系统：最大动态偏差emax；超调量 σР；静态偏 差 Δ ys
1 不可作为气动或电动控制系统标准信号的有______。 A．0.02～0．1MPa B．0.02～0．1Pa C. 0～10mA D．4～20mA
2 给定值是变化的，且变化规律不是先由人们规定好的控制系统是________。 A．定值控制系统 B，随动控制系统 C．开环系统 D．程序控制系统
3 在定值控制系统中为确保其精度，常采用________。 A．开环控制系统 B．闭环正反馈控制系统 C．闭环负反馈控制系统 D．手动控制系统 4 反馈控制系统中，若测量单元发生故障而无信号输出，这时被控量将_______。 A．保持不变 B．达到最大值 C．达到最小值 D.不能自动控制
8 反馈控制系统中，为使控制对象正常运行而要加以控制的工况参数是________。 A.给定值 B.被控量 C.扰动量 D.反馈量
9 闭环系统的方框图中，输入量为偏差，输出为控制信号，则该环节是________。 A．调节单元 B．测量单元 C．执行机构 D．控制对象
10 在反馈控制系统中，被控量是指________。
fig.1-2 液位控制闭环系统示意图
V2
+E
Q2
浮子
电动机 控制器 +E
Hr
△H 转换装置
F
H
V1
Q1
N HC
电动机
减速器
进水阀
水箱
Fig.1-2 液位控制闭环系统示意图
返回
3. 复合 (compound)控制系统 为了提高系统的快速性和精度，除了主反馈回路以外设 置前置滤波或扰动补偿装置，这种开环与闭环结合的系统称 为复合控制系统。 开环控制——粗调 闭环控制——细调
一. 反馈控制系统的组成 手动控制过程
眼 脑
温度计
主 机
淡水泵 三通阀
手
海水入口
冷却器
海水出口
柴油机气缸冷却水温度手动控制过程
蝶阀机构 伺 服 放 大 器 执行器
温度传感器
主机出口 控制器 冷却器
主机入口
海水 温度变送器
电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统
自动控制过程
温度变送器
主 机
淡水泵 三通阀
A．设定值
B．调节器的输出 C．被控对象的输入
D．被控对象的输出
• BBCDB • BBBAD
§1-2 反馈控制系统的动态过程
一. 控制系统动态过程的概念
稳态 Static ：被控量不随时间变化的平衡状态。（静态） 动态 dynamic：被控量随时间变化的不平衡状态。（瞬态）
过渡过程 :
transient：指自动控制系统在动态中被控量随时间的变化过程。 或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。
过渡过程 : transient：指自动控制系统在动态中被控量随时间的变化过程。 或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。 y
t 平衡状态 平衡 状态 过渡过程
自动控制系统过渡过程曲线
二．控制系统的典型输入信号 为便于系统分析，定义几种常见的系统输入信号：
（ 1）阶跃输入： （ 2）速度输入 ：
根据过渡过程的特点，控制系统可分为：
（ 1）发散过程 （ 2）等幅振荡过程 （ 3）衰减过程 （ 4）非周期过程
其中， （ 1）、（ 2）称为不稳定过程；（3）、（4）称为稳 定过程。
(a)
(b)
(c)
过程曲线基本类型
(d)
自动控制系统过渡过程的性能要求
方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系 统过渡过程的各项性能指标。
四. 反馈控制系统的分类
1.按所用能源分类：气动控制系统和电动控制系统 2.按仪表的结构形式分类：单元组合仪表和基地式仪表 单元组合仪表：各单元分别制成一台独立仪表 基地式仪表 ： 各单元组装成一台仪表 3. 按给定值的变化规律分类：
（ a）定值控制；（b）程序控制；（c）随动控制。
4. 按信号特征分类： （ a）连续系统；（b）离散系统（双位控制或多位控制）
引言
自动控制：是指在没有人参与的情况下利用控制器使被控对象
(指生产设备或生产过程）自动地按预定的规律运行。
自动控制的发展：机械化 →电气化时代→自动化、信息化、智能化 控制理论的发展：(工程控制论）
1 、经典控制理论
40－ 50年代形成 (Single-input &.Single-output system) 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域)
（ b）基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制、自学 习控制）； （ c）智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制）
8. 按控制精度： （ a）有差调节；（b）无差调节
9.按系统功能：温度控制系统、转速控制系统、液位控制系统、 压力控制系统
五. 自动控制系统的其他形式
自动控制系统=控制器+控制对象 Automatic Control Systems = Controller+plant 1. 开环控制系统(open-loop) 控制系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响。
2 、现代控制理论
60－ 70年代形成 (Multi-input &.Multi-output system) 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制 基本方法：状态方程 （时域）