1_自动控制系统基本概念
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第一章 自动控制系统基本概念
基本要求
自动控制系统的组成
自动控制系统各部分的作用与相互联系
（掌握）
（了解）
自动控制系统方块图的意义及画法
自动控制系统中常用的各种术语
（掌握）
（理解）
控制系统的几种分类形式
系统的动态和静态
（了解）
（掌握）
过渡过程的几种基本形式及品质指标
（掌握）
对象
y
z
测量 变送器
信号值相反（常采用）
开环系统
信号不构成回路，系统的输出信 号对输入信号无影响
p
q 自动操纵装置
对象
y
§1.3.2 控制系统分类：设定值
定值控制系统
给定值恒定不变。 （例：液位控制系统） 作用：克服扰动对被控变量的影响，使被控变量回到设定值。
随动控制系统（自动跟踪系统）
振荡周期------------“快”
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间 反映了自动控制系统克服干扰的能力。
生产要求：尽量短
y
T
0
t
§1.4.4 影响过渡过程的主要因素
工艺过程（被控对象）
与自动控制系统相关的工艺部分。
自动化装置
为实现自动控制所必需的自动化仪表设备。
给定值不断地随机变化。 （例：比值控制系统） 作用：使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪设定值的变化而变化。
程序控制系统（顺序控制系统）
给定值是变化的，已知的时间函数。（例：金属热处理的温度控制）
作用：使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪设定值的变化而变化。
§1.4 自动控制系统的过渡过程和品质指标
液位人工控制
度（出口流量），使液位保持在所需液位上
§1.2.2 局限性及改进
人工控制受到人的生理上的限制，控制速度和精度上
满足不了生产的需要
用自动化装置代替上述人工操作，可提高控制精度和 减轻劳动强度
§ 1.2.3 液位自动控制
测量元件与变送器（LT）--- “眼”
测量液位并将液位的高低转化为一种特定的、 统一的输出信号（如气压或电信号等）
B
B’
0
t
控制系统的品质指标-3
余差C ------------“准”
过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳态值与给定值之差
C=y(∞)-X 反映了控制的精确程度，希望余差足够小。 C≠0，有余差，有差调节，有差系统。 C = 0，无余差，无差调节，无差系统。 y
C
0
t
控制系统的品质指标-4
过渡过程：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡过程
研究动态的重要性
静态是暂时的，动态是普遍的 干扰作用使被控变量偏离给定值，打破平衡，控制作用使被控
变量变化一段时间内重新稳定，建立新的平衡。
自动控制系统总是处于一种频繁的、不间断的动态过程中（扰动作用） 化学工程：关心过程静态，物料、能量静态平衡（无累积量） 化工控制：关心过程动态，物料、能量动态平衡（有累积量）
§ 1.1.4 自动控制系统
对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰
（扰动）的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的 的数值范围内。
§ 1.2 自动控制系统组成及方块图
液位人工控制
局限性及改进 液位自动控制
四大组成环节
自动控制系统方块图
§ 1.ຫໍສະໝຸດ Baidu.1 液位人工控制
§1.4.2 过渡过程的几种形式
过渡过程
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡过程
控制过程：动态 阶跃干扰
控制
平衡
干扰
动态
控制
新平衡
在某一瞬间，干扰突然地阶
跃式的加到系统上，并继续 保持在这个幅度。
§1.4.2 过渡过程的几种形式
非周期衰减过程
被控变量在给定值的某一侧作
缓慢变化，没有来回波动，最后
过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。
自动化装置的选择和调整不当，会直接影响控制质量。
自动化装置的性能也会影响控制质量。 自动化装置应按对象性质加以选择和调整，两者要很好地配合。
控制流程图常见字母意义
第一位字母 字 母 C F 流量 (Flow) 被测变量 后继字母 功能 控制 (Control)
基本内容
化工自动化的主要内容 自动控制系统的组成及方块图 自动控制系统的分类
自动控制系统的过渡过程和品质指标
§1.1 化工自动化的主要内容
自动检测系统
自动信号和联锁保护系统 自动操纵及开停车系统
自动控制系统
§ 1.1.1 自动检测系统
利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量 、指示或记录
§1.2.4 四大组成环节
自动控制器（controller）
接受变送器送来的测量信号，与设定 值相比较得出偏差，并按某种运算规 律算出结果，然后将此结果用特定信 号(气压或电流)发送出去
执行器（actuator）
自动地根据控制器送来的信号值来改 变阀门的开启度。
§1.2.5 自动控制系统方块图
Lst
f 液位 L
e Z
P LC 执行器
Q 储槽
LT
§1.3 自动控制系统的分类
结构形式 给定值
§1.3.1 控制系统分类：结构
闭环系统
信号构成回路，输出信号引回到 输入端，对控制作用有影响 反馈：输出信号返回到输入端。 负反馈：反馈信号取负值，与输入 x e
p 控制 器 执行器 q f
眼看---------------------检 测
用眼睛观察玻璃管液位计中液位的高低，并 通过神经系统告诉大脑
？ ？？
脑想---- 运算(思考)、命令
大脑根据液位高度，与液位设定值进行比较， 得出偏差的大小和正负，然后发出命令
手动---------------------执行
根据大脑发出的命令．通过手去改变阀门开
过渡时间Ts ------------“快”
系统从受到干扰作用发生变化开始，到建立新平衡所需时间Ts 反映了克服干扰的能力。
一般认为被控变量进入新稳态值的5%（或2%）范围内就已达到。
Ts越小，表示系统恢复稳定快。Ts越大，表示系统恢复稳定慢。 y
Ts
0
t
控制系统的品质指标-5
x
e -
p
q 执行器 对象
控制器
y
z 测量值 （液位信号）
测量变送器
克服干扰影响，使被控变量保持设定值的变量 被控对象内要求保持设定数值的工艺参数 测量变送器测量被控变量的结果 除 q 外，作用于对象并引起被控变量变化的因素 被控变量的预定值 控制器的输出信号，驱动执行器动作 （水槽液位） 被控变量的设定值与测量值之差（ e = x – z） （液位信号）
它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录 （人眼）。
§ 1.1.2 自动信号和联锁保护系统
对某些关键性参数设有自动信号联锁装置。
当工艺参超过了允许范围，系统自动地发出声光报警信号，以提
示及时采取措施。
§ 1.1.3 自动操纵及自动开停车系统
根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性的操作。
自动控制系统的工作过程
LT测量出液体储槽的液位值L 将液位L的高低转化为一种特定的、统一的输出信号Z 将L与液位给定值Lst相比较得出偏差e= L- Lst LC根据偏差e大小，按某种规律（p=f(e)）发出控制信号P 执行器根据P信号的大小改变出口流量Q 最终使L稳定或回到给定值Lst
静态与动态
过渡过程 品质指标 影响过渡过程的主要因素
§1.4.1 控制系统的静态和动态
静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态
动态：被控变量随时间变化的不平衡状态（研究重点）
例：Qi ≠ Qo时，L变化 例：Qi = Qo时，L不变
控制过程：动态
控制
静态
干扰
动态
控制
新的静态
表征被控变量偏离给定值的程度，A越大，偏离越大，对生产越不利。
工艺上对最大偏差有所限制。 y
B
A
0
C
t
控制系统的品质指标-2
衰减比n（=B/B’） ------------“稳”
过渡过程曲线上同方向相邻两波峰（或波谷）值之比n=B/B‘
习惯用n：1表示，一般要求n=4~10（经验值） 表示衰减程度的指标 n>1，衰减振荡； n→1，接近等幅振荡；n<1，发散振荡； n 越大，系统越稳定；n→∞，接近于非振荡衰减。 y
液位自动控制
§1.2.4 四大组成环节
被控对象（controlled object）
需要控制其工艺参数的生产设备或
机器 （液体贮槽）
测量元件与变送器
（measuring element and sensor） 把所测的工艺参数值（液位）变换为 一种特定的、统一的输出信号（如气 压信号或电压、电流信号等）。
L
P T
物位 (Level)
压力 (Pressure) 温度 (Temp) 变送 (Transmit)
本 章 小 结
自动控制系统的组成及方块图 自动控制系统的分类
自动控制系统的过渡过程和品质指标
作 业
P16 ：4，9，11，15，16，22
意 义
更清楚地表示出各组成环节之间的相互影响和信号联系 便于对自动控制系统进行分析研究
组成：传递方块(系统各环节)、信号线、综合点、分支点
控制器 执行器 对象
测量变送器
（液位给定值） （液位偏差）控制器输出 设定值 偏差
（出口流量） 操纵变量
（进口流量）
f 干扰作用
（液位） 被控变量
稳定在某一数值上
稳定过程（1）
衰减振荡过程
被控变量上下波动，但幅度逐渐 减少，最后稳定在某一数值上
稳定过程（2）
§1.4.2 过渡过程的几种形式
等幅振荡过程
被控变量在给定值附近来回波
动，且波动幅度保持不变
不稳定过程（1）
发散振荡过程
被控变量来回波动，且波动幅度
逐渐变大，即偏离给定值越来越 远
自动控制器（LC）------------ “脑”
接受变送器送来的信号，与液位设定值相比
测量变送器 控制器
执行器
较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，
然后将此结果用特定信号发送出去
执行器 --------------------------- “手”
自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门
的开启度
不稳定过程（2）
§1.4.3 控制系统的品质指标
品质指标
评定过渡过程优劣
控制系统质量好坏
克服干扰是否有效
前提条件
定值控制系统 过渡过程是一衰减过程（阶跃干扰）
控制系统的品质指标-1
最大偏差A（超调量B ）------------“稳”
A：瞬间被控变量偏离给定值的最大值emax B：B=A-C，C：新的稳态值
基本要求
自动控制系统的组成
自动控制系统各部分的作用与相互联系
（掌握）
（了解）
自动控制系统方块图的意义及画法
自动控制系统中常用的各种术语
（掌握）
（理解）
控制系统的几种分类形式
系统的动态和静态
（了解）
（掌握）
过渡过程的几种基本形式及品质指标
（掌握）
对象
y
z
测量 变送器
信号值相反（常采用）
开环系统
信号不构成回路，系统的输出信 号对输入信号无影响
p
q 自动操纵装置
对象
y
§1.3.2 控制系统分类：设定值
定值控制系统
给定值恒定不变。 （例：液位控制系统） 作用：克服扰动对被控变量的影响，使被控变量回到设定值。
随动控制系统（自动跟踪系统）
振荡周期------------“快”
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间 反映了自动控制系统克服干扰的能力。
生产要求：尽量短
y
T
0
t
§1.4.4 影响过渡过程的主要因素
工艺过程（被控对象）
与自动控制系统相关的工艺部分。
自动化装置
为实现自动控制所必需的自动化仪表设备。
给定值不断地随机变化。 （例：比值控制系统） 作用：使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪设定值的变化而变化。
程序控制系统（顺序控制系统）
给定值是变化的，已知的时间函数。（例：金属热处理的温度控制）
作用：使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪设定值的变化而变化。
§1.4 自动控制系统的过渡过程和品质指标
液位人工控制
度（出口流量），使液位保持在所需液位上
§1.2.2 局限性及改进
人工控制受到人的生理上的限制，控制速度和精度上
满足不了生产的需要
用自动化装置代替上述人工操作，可提高控制精度和 减轻劳动强度
§ 1.2.3 液位自动控制
测量元件与变送器（LT）--- “眼”
测量液位并将液位的高低转化为一种特定的、 统一的输出信号（如气压或电信号等）
B
B’
0
t
控制系统的品质指标-3
余差C ------------“准”
过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳态值与给定值之差
C=y(∞)-X 反映了控制的精确程度，希望余差足够小。 C≠0，有余差，有差调节，有差系统。 C = 0，无余差，无差调节，无差系统。 y
C
0
t
控制系统的品质指标-4
过渡过程：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡过程
研究动态的重要性
静态是暂时的，动态是普遍的 干扰作用使被控变量偏离给定值，打破平衡，控制作用使被控
变量变化一段时间内重新稳定，建立新的平衡。
自动控制系统总是处于一种频繁的、不间断的动态过程中（扰动作用） 化学工程：关心过程静态，物料、能量静态平衡（无累积量） 化工控制：关心过程动态，物料、能量动态平衡（有累积量）
§ 1.1.4 自动控制系统
对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰
（扰动）的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的 的数值范围内。
§ 1.2 自动控制系统组成及方块图
液位人工控制
局限性及改进 液位自动控制
四大组成环节
自动控制系统方块图
§ 1.ຫໍສະໝຸດ Baidu.1 液位人工控制
§1.4.2 过渡过程的几种形式
过渡过程
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡过程
控制过程：动态 阶跃干扰
控制
平衡
干扰
动态
控制
新平衡
在某一瞬间，干扰突然地阶
跃式的加到系统上，并继续 保持在这个幅度。
§1.4.2 过渡过程的几种形式
非周期衰减过程
被控变量在给定值的某一侧作
缓慢变化，没有来回波动，最后
过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。
自动化装置的选择和调整不当，会直接影响控制质量。
自动化装置的性能也会影响控制质量。 自动化装置应按对象性质加以选择和调整，两者要很好地配合。
控制流程图常见字母意义
第一位字母 字 母 C F 流量 (Flow) 被测变量 后继字母 功能 控制 (Control)
基本内容
化工自动化的主要内容 自动控制系统的组成及方块图 自动控制系统的分类
自动控制系统的过渡过程和品质指标
§1.1 化工自动化的主要内容
自动检测系统
自动信号和联锁保护系统 自动操纵及开停车系统
自动控制系统
§ 1.1.1 自动检测系统
利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量 、指示或记录
§1.2.4 四大组成环节
自动控制器（controller）
接受变送器送来的测量信号，与设定 值相比较得出偏差，并按某种运算规 律算出结果，然后将此结果用特定信 号(气压或电流)发送出去
执行器（actuator）
自动地根据控制器送来的信号值来改 变阀门的开启度。
§1.2.5 自动控制系统方块图
Lst
f 液位 L
e Z
P LC 执行器
Q 储槽
LT
§1.3 自动控制系统的分类
结构形式 给定值
§1.3.1 控制系统分类：结构
闭环系统
信号构成回路，输出信号引回到 输入端，对控制作用有影响 反馈：输出信号返回到输入端。 负反馈：反馈信号取负值，与输入 x e
p 控制 器 执行器 q f
眼看---------------------检 测
用眼睛观察玻璃管液位计中液位的高低，并 通过神经系统告诉大脑
？ ？？
脑想---- 运算(思考)、命令
大脑根据液位高度，与液位设定值进行比较， 得出偏差的大小和正负，然后发出命令
手动---------------------执行
根据大脑发出的命令．通过手去改变阀门开
过渡时间Ts ------------“快”
系统从受到干扰作用发生变化开始，到建立新平衡所需时间Ts 反映了克服干扰的能力。
一般认为被控变量进入新稳态值的5%（或2%）范围内就已达到。
Ts越小，表示系统恢复稳定快。Ts越大，表示系统恢复稳定慢。 y
Ts
0
t
控制系统的品质指标-5
x
e -
p
q 执行器 对象
控制器
y
z 测量值 （液位信号）
测量变送器
克服干扰影响，使被控变量保持设定值的变量 被控对象内要求保持设定数值的工艺参数 测量变送器测量被控变量的结果 除 q 外，作用于对象并引起被控变量变化的因素 被控变量的预定值 控制器的输出信号，驱动执行器动作 （水槽液位） 被控变量的设定值与测量值之差（ e = x – z） （液位信号）
它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录 （人眼）。
§ 1.1.2 自动信号和联锁保护系统
对某些关键性参数设有自动信号联锁装置。
当工艺参超过了允许范围，系统自动地发出声光报警信号，以提
示及时采取措施。
§ 1.1.3 自动操纵及自动开停车系统
根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性的操作。
自动控制系统的工作过程
LT测量出液体储槽的液位值L 将液位L的高低转化为一种特定的、统一的输出信号Z 将L与液位给定值Lst相比较得出偏差e= L- Lst LC根据偏差e大小，按某种规律（p=f(e)）发出控制信号P 执行器根据P信号的大小改变出口流量Q 最终使L稳定或回到给定值Lst
静态与动态
过渡过程 品质指标 影响过渡过程的主要因素
§1.4.1 控制系统的静态和动态
静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态
动态：被控变量随时间变化的不平衡状态（研究重点）
例：Qi ≠ Qo时，L变化 例：Qi = Qo时，L不变
控制过程：动态
控制
静态
干扰
动态
控制
新的静态
表征被控变量偏离给定值的程度，A越大，偏离越大，对生产越不利。
工艺上对最大偏差有所限制。 y
B
A
0
C
t
控制系统的品质指标-2
衰减比n（=B/B’） ------------“稳”
过渡过程曲线上同方向相邻两波峰（或波谷）值之比n=B/B‘
习惯用n：1表示，一般要求n=4~10（经验值） 表示衰减程度的指标 n>1，衰减振荡； n→1，接近等幅振荡；n<1，发散振荡； n 越大，系统越稳定；n→∞，接近于非振荡衰减。 y
液位自动控制
§1.2.4 四大组成环节
被控对象（controlled object）
需要控制其工艺参数的生产设备或
机器 （液体贮槽）
测量元件与变送器
（measuring element and sensor） 把所测的工艺参数值（液位）变换为 一种特定的、统一的输出信号（如气 压信号或电压、电流信号等）。
L
P T
物位 (Level)
压力 (Pressure) 温度 (Temp) 变送 (Transmit)
本 章 小 结
自动控制系统的组成及方块图 自动控制系统的分类
自动控制系统的过渡过程和品质指标
作 业
P16 ：4，9，11，15，16，22
意 义
更清楚地表示出各组成环节之间的相互影响和信号联系 便于对自动控制系统进行分析研究
组成：传递方块(系统各环节)、信号线、综合点、分支点
控制器 执行器 对象
测量变送器
（液位给定值） （液位偏差）控制器输出 设定值 偏差
（出口流量） 操纵变量
（进口流量）
f 干扰作用
（液位） 被控变量
稳定在某一数值上
稳定过程（1）
衰减振荡过程
被控变量上下波动，但幅度逐渐 减少，最后稳定在某一数值上
稳定过程（2）
§1.4.2 过渡过程的几种形式
等幅振荡过程
被控变量在给定值附近来回波
动，且波动幅度保持不变
不稳定过程（1）
发散振荡过程
被控变量来回波动，且波动幅度
逐渐变大，即偏离给定值越来越 远
自动控制器（LC）------------ “脑”
接受变送器送来的信号，与液位设定值相比
测量变送器 控制器
执行器
较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，
然后将此结果用特定信号发送出去
执行器 --------------------------- “手”
自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门
的开启度
不稳定过程（2）
§1.4.3 控制系统的品质指标
品质指标
评定过渡过程优劣
控制系统质量好坏
克服干扰是否有效
前提条件
定值控制系统 过渡过程是一衰减过程（阶跃干扰）
控制系统的品质指标-1
最大偏差A（超调量B ）------------“稳”
A：瞬间被控变量偏离给定值的最大值emax B：B=A-C，C：新的稳态值