控制系统的方块图及其基本组成
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控制系统框图
控制系统框图1. 引言控制系统框图是用于描述控制系统结构和组件之间关系的图表。
它通过显示控制系统中各个组件的连接和交互方式，帮助人们理解系统的工作原理和功能。
本文将介绍控制系统框图的基本概念和常用符号，并以一个简单的控制系统框图为例进行说明。
2. 控制系统框图的概念控制系统框图是一种图形化的表示方式，用于展示控制系统中各个组件之间的连接和关系。
它通常包括输入信号、控制器、执行器和输出信号等主要组件。
控制系统框图能够帮助人们直观地了解控制系统的结构和功能，方便进行系统的设计和分析。
3. 控制系统框图的符号控制系统框图使用一些特定的符号来表示各个组件和其之间的关系。
下面是一些常用的控制系统框图符号：3.1 输入信号输入信号通常用一个箭头表示，箭头的起点表示信号的源头，箭头的终点表示信号的目标。
输入信号可以是来自传感器或外部设备的信号，用于控制系统的输入。
3.2 控制器控制器通常用一个方框表示，方框内部可以包含控制器的具体功能描述。
控制器一般用于对输入信号进行处理和决策，并生成输出信号。
3.3 执行器执行器通常用一个圆形表示，圆形内部可以包含执行器的具体功能描述。
执行器用于接收控制器生成的输出信号，并执行相应的动作。
3.4 输出信号输出信号通常用一个箭头表示，箭头的起点表示信号的源头，箭头的终点表示信号的目标。
输出信号可以是执行器生成的动作信号，或者是控制系统的输出结果。
4. 示例控制系统框图下面是一个简单的控制系统框图示例，用于控制房间的温度：输入信号（外部温度）→ 控制器（温度调节器）→ 执行器（加热器）→ 输出信号（房间温度）该控制系统框图中，输入信号为外部温度信号，控制器为一个温度调节器，执行器为一个加热器，输出信号为房间的温度。
控制器根据输入信号判断房间温度的变化，并控制加热器的工作来调节房间温度。
5. 总结控制系统框图是描述控制系统结构和组件之间关系的图表。
它通过显示控制系统中各个组件的连接和交互方式，帮助人们理解系统的工作原理和功能。
自动控制原理方框图
[注意]：
相临的信号相加点位置可以互换；见下例
X1(s)
X2(s)
X3(s)
Y (s)
X1(s)
X3(s)
X 2 (s)
Y (s)
同一信号的分支点位置可以互换：见下例
X1(s)
X (s) G(s) Y (s)
X 2 (s)
X (s) G(s) Y (s)
X 2 (s)
X1(s)
相加点和分支点在一般情况下，不能互换。
§2-３ 控制系统的结构图与信号流图
一、结构图的组成和绘制
１、结构图的组成 由四种基本图形符号组成
（1）函数方块
R(s) r(t) G(s)
C(s) c(t)
(2)信号线
R(s) r(t)
(3)分支点(引出点)
R(s) r(t)
R(s) r(t) R(s) r(t)
（4)综合点(比较点或相加点)
R(s)
R
R1Cs
2I
2
(s)
UI (cs)(s)
R2
R1
Uc (s)
U c (s)
I1 (s)
Uc (s)
几点说明：
（1）在结构图中，每一个方框中的传递函数都应是考虑了负 载效应后的传递函数。
（2）描述一个系统的结构图不是唯一的，选择不同的中间变 量得到不同的结构图；
（3）结构图中的方框与实际系统的元部件并非一定是一一对 应的；
X1(s) G(s) X2(s) N(s)
Y (s)
N(s) ? Y (s) [X1(s) X 2 (s)]G(s), 又 : Y (s) X (s)1G(s) X 2 (s)N(s), N(s) G(s)
把相加点从环节的输出端移到输入端：
自动控制原理控制系统的结构图
比较点后移
R(s)
G(s)
比较点前移
＋
Q(s)
C(s)
R(s)
＋
C(s) G(s)
比较点后移
Q(s)
R(s)
＋
C(s) G(s)
Q(s)
C(s) R(s)G(s) Q(s)
[R(s) Q(s) ]G(s) G(s)
R(s)
C(s) G(s)
＋
Q(s)
G(s)
C(s) [R(s) Q(s)]G(s)
R(s)G(s) Q(s)G(1s6 )
（5）引出点旳移动（前移、后移）
引出点前移
R(s)
G(s)
分支点（引出点）前移
C(s) C(s)
引出点后移
R(s)
G(s)
R(s)
分支点（引出点）后移
R(s)
G(s)
C(s)
G(s)
C(s)
C(s) R(s)G(s)
G(s) R(s)
C(s) R(s)
将 C(s) E(s)G(s) 代入上式，消去G(s)即得：
E(s) R(s)
1
H
1 (s)G(s)
1
1 开环传递函数
31
N(s)
+ E(s)
++
C(s)
R(s)
G1(s)
G2 (s)
-
B(s)
H(s)
（1）
打开反馈
C(s) R(s)
1
G(s) H (s)G(s)
前向通路传递函数 1 开环传递函数
注意：进行相加减旳量，必须具有相同旳量纲。
X1 +
+
X1+X2 R1(s)
自动控制理论第六讲 方框图
06
总结与展望
本讲内容总结
方框图基本概念
方框图的绘制方法
介绍了方框图的基本元素，包括方块、箭 头、分支点和交汇点等，以及它们在控制 系统中的含义。
详细讲解了如何根据控制系统的结构和功 能，选择合适的方块和连接方式，绘制出 清晰、准确的方框图。
方框图的分析方法
方框图在控制系统中的应用
介绍了方框图的分析步骤和方法，包括前 向通路、反馈通路、开环传递函数和闭环 传递函数的计算等。
梅森公式介绍
01
梅森公式是一种用于求解复杂控制系统方框图传递函
数的数学方法。
梅森公式应用步骤
02 首先找出所有前向通道、回路和不相交回路的传递函
数；然后按照梅森公式计算系统的总传递函数。
梅森公式在化简复杂方框图中的优势
03
能够简化计算过程，避免繁琐的代数运算，提高求解
效率。
实例分析：典型系统方框图化简过程
05
方框图在控制系统分析中的应用
稳定性分析：通过方框图判断系统稳定性
01
稳定性定义
系统受到扰动后，能够自动恢复到平衡状态的能力。
02 03
稳定性判据
通过方框图中各环节传递函数的极点位置，判断系统是否稳定。若极点 全部位于复平面的左半部分，则系统稳定；若有极点位于复平面的右半 部分，则系统不稳定。
结合实际工程问题进行实践
通过实际工程问题，将所学的方框图知识应用到实践中去，提高分析 和解决问题的能力。
拓展相关领域的知识
学习与自动控制理论相关的其他领域知识，如现代控制理论、智能控 制等，以完善自己的知识体系。
THANKS
感谢观看
方框图的作用
方框图是一种用图形符号表示系统各 环节间相互关系的图解表示法，它简 洁明了地表示了系统的结构和功能。
2.4 控制系统方块图
14
（3）反馈连接的等效变换 下图为反馈连接的一般形式
C(s) G(s)E(s) B(s) H(s)C(s) E(s) R(s) B(s)
消去E(s)和B(s)，得:
C ( s ) G ( s )R ( [ s ) H ( s ) C ( s )] [ 1 G ( s ) H ( s ) C ( s ) ] G ( s ) R ( s )
△k称为第k条前向通路的余子式
求法: 去掉第k条前向通路后所求的△
梅逊公式例R-C
GG44((ss))
R(s)
G11(s)
G22(s)
H1(s)
GG333((ss))
C(s)
H3(s)
△1=1
G4(s)
△2=1+G1H1
G1(s)C(s)
R(s)
=?
G2(s)
GG33((ss))
P1=G1G2G3
网络之间接入隔离放大器来消除负载效应。
2021/5/9
13
（2）并联连接的等效变换 G1(s)与G2(s)两个环节并联连接，其等效传递函数等
于该两个传递函数的代数和，即： G(s)= G1(s)±G2(s)
等效变换结果见下图
n个传递函数并联其等效传递函数为该n个传递函数的 代数和，如下图
2021/5/9
挪动后，信号关系为:
C G ( s )R [ G ( s ) 1 Q ] G ( s )R Q
综合点后移
2021/5/9
16
（2） 综合点之间的移动 下图为相邻两个综合点前后移动的等效变换。
挪动前，总输出信号 : 挪动后，总输出信号 :
可以互换
CRXY CRYX
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自动控制原理部分重点
自动控制原理重点第一章自动控制系统的基本概念第二节闭环控制系统的基本组成1、基本组成结构方块图如图所示2、基本元部件：（1）控制对象：进行控制的设备或过程。
（工作机械）（2）执行机构：执行机构直接作用于控制对象。
（电动机）（3）检测装置：用来检测被控量，并将其转换成与给定量相同的物理量（测速发电机）（4）中间环节：一般指放大元件。
（放大器，可控硅整流功放）（5）给定环节：设定被控量的给定值。
（电位器）（6）比较环节：将所测的被控量与给定量比较，确定两者偏差量。
（7）校正环节：用于改善系统性能。
校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。
前者称为串联校正，后者称为并联校正或反馈校正。
第三节自控控制系统的分类一、按数学描述形式分类：1．线性系统和非线性系统（1）线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。
（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。
2．连续系统和离散系统（1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。
连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。
（2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。
离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。
计算机控制系统就是典型的离散系统。
二、按给定信号分类（1）恒值控制系统：给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。
如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。
（2）随动控制系统：给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。
如跟随卫星的雷达天线系统。
（3）程序控制系统：给定值按一定时间函数变化。
如程控机床。
第四节对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求归纳为稳定性、动态特性和稳态特性三个方面1、系统的暂态过程2、稳定性3、动态特性4、稳态特性值得注意的是，对于同一个系统体现稳定性、动态特性和稳态特性的稳、快、准这三个要求是相互制约的。
化工仪表及自动化第1章 第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
6
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
液位自动控制的方块图
方块图中， x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信 号；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量； f 指扰动作用。当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反 馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反馈。
图1-4 液位自动控制系统方块图
图形符号 字母代号 仪表位号
2
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
人工操作与自动控制比较图
图1-2 人工操作图
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要
4
图1-3 液位自动控制系统图
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
自动控制系统的组成
测量元件与变送器
自动化装置 组 成
被控对象
自动控制器 执行器
工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个 设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向 相一致。 自动控制系统是一个闭环系统
9
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
小结
自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。
与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区 别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被 控（工艺）变量是不反馈到输入端的。
7
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
其他控制系统
用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统
图1-5 蒸汽加热器温度控制系统
当进料流量或温度变化等 因素引起出口物料温度变化 时，可以将该温度变化测量 后送至温度控制器TC。温度 控制器的输出送至控制阀， 以改变加热蒸汽量来维持出 口物料的温度不变。
举例 化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
液位自动控制的方块图
方块图中， x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信 号；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量； f 指扰动作用。当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反 馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反馈。
图1-4 液位自动控制系统方块图
图形符号 字母代号 仪表位号
2
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
人工操作与自动控制比较图
图1-2 人工操作图
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要
4
图1-3 液位自动控制系统图
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
自动控制系统的组成
测量元件与变送器
自动化装置 组 成
被控对象
自动控制器 执行器
工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个 设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向 相一致。 自动控制系统是一个闭环系统
9
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
小结
自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。
与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区 别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被 控（工艺）变量是不反馈到输入端的。
7
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
其他控制系统
用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统
图1-5 蒸汽加热器温度控制系统
当进料流量或温度变化等 因素引起出口物料温度变化 时，可以将该温度变化测量 后送至温度控制器TC。温度 控制器的输出送至控制阀， 以改变加热蒸汽量来维持出 口物料的温度不变。
举例 化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子
现代控制2-3 系统方框图
7
【例2.3.1】画出下列RLC电路的方块图。 R L 解：利用基尔霍夫电压定律 ui (t ) 及元件特性可得
di (t ) + uo (t ) ui (t ) = Ri (t ) + L dt
1 u o (t ) = ∫ i ( t ) dt C
i (t )
C
uo (t )
拉氏变换得
⎧U i ( s ) = I ( s ) ⋅ R + Ls ⋅ I ( s ) + U o ( s ) ⎨ Uo ( s ) = I ( s ) / Cs ⎩
9
⎧U i ( s ) = I ( s ) ⋅ R + Ls ⋅ I ( s ) + U o ( s ) ⎨ Uo ( s ) = I ( s ) / Cs ⎩
U i ( s) − U o ( s) ⎧ ⎪I (s) = R + Ls ⎨ I ( s) ⎪U o ( s ) = Cs ⎩
10
U i (s) − U o ( s) I ( s) = R + Ls
（b）第2级运放（RC比例微分放大电路）
du1 u2 = K 2 ⋅ (τ + u1 ), K 2 = R2 / R1 , τ = R1C dt U 2 (s) = τ s + K2 G2 ( s ) = U1 ( s )
20
（c）功率放大器
ua = K 3 ⋅ u2
U a (s) G2 ( s ) = = K3 U 2 (s)
G3
R(s)
a
G1
b
G2 H1
c
C(s)
41
b点后移到c点之后
G3
R(s)
G2
b
自动控制系统的基本组成及方块图
y
100%
y
2.余差C（静态偏差） ：新的稳态值与给定值之差。
反映了控制系统的控制精确度，希望余差越小越好。
3.衰减比和衰减率 ：
衰减比:表示过渡过程的衰减程度。 过渡过程同方向前后相邻两峰值的比。
n B B
n＜1，过渡过程是发散振荡；
n＝1，过渡过程是等幅振荡；
n＞1，过渡过程是衰减振荡。
测量变送器:直接测量被控变量，并转换成标准统一信 号的仪表（TT表示）。
第四节 过程控制系统的质量指标
一、系统的静态、动态和扰动作用 自动控制系统在运行中有两种状态：
1. 静态(稳态):干扰及给定值保持不变，被控参数 不随时间变化，整个系统处于相对的平衡状态， 系统的各个组成环节都暂不动作，输出信号处 于相对静止状态。 各变量(或信号)的变化率为零。
控 制 器: 根据测量值与给定值所的偏差按一定的数学 运算规律输出操纵值（TC表示）。
控制作用u:控制信号。
执 行 器: 通常指调节阀，也可以是变频调速机构等。
控制参数q: 受执行器控制的工艺变量。
被控参数y:要求实施控制的参数，一般是工艺操作的物 理量。
控制过程: 被控制的机器或设备（换热器）。 干 扰 f:引起被控变量发生变化的各种因素。
LC—液位控制器 FC—流量控制器 TC—温度控制器 PC—压力控制器
AT—成分变送器 AC—成分控制器
如图所示为一反应器温度控制系统流程图，A、 B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套 的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试画出 该温度控制系统的方框图，并指出该系统的被控过 程、被控参数、控制参数及可能影响被控参数的干 扰是什么？
一般取 n=4:1--10:1
串级控制系统通用方块图
2
§7-1 串级控制系统
一、串级控制系统的结构 管式加热炉是石化工业中的重要装置之一，工艺上要求被加热 油料炉出口温度的波动范围应控制±2℃内。
3
主要扰动：
（1）原料方面的扰动（包括物料的流量和入口温度的变化）；
（2）燃料方面的扰动（包括燃料的流量、热值及压力的波动）；
（3）燃烧条件方面的扰动（包括供风量和炉膛漏风量的变化、燃
助变量。 炉出口温度
炉膛温度
7
主对象 — 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过 程，其输入量为副变量，输出量为主变量。
副对象 — 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。 炉出口温度对象
炉膛温度对象
8
主控制器 — 按主变量的测量值与给定值的偏差进行 工作的控制器，其输出作为副控制器的 给定值。
副控制器 — 按副变量的测量值与主控制器的输出信 号的偏差进行工作的控制器，其输出直 接控制执行器的动作。
炉出口温度控制器
炉膛温度控制器
9
主回路 — 由主测量变送器、主控制器、副回路等效 环节和主对象组成的闭合回路，又称外环 或主环。
副回路 — 由副测量变送器、副控制器、执行器和副 对象所组成的闭合回路，又称内环或副环。
第7章 复杂控制系统
31 串级控制系统
2 比值控制系统 3 前馈控制系统 4 均匀控制系统 5 分程控制系统 6 选择性控制系统 7 多冲量控制系统
1
第7章 复杂控制系统
复杂控制系统 ➢凡是结构上比单回路控制系统复杂或控制目的较 特殊的控制系统，都称为复杂控制系统。
特点： ➢通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行 器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系 统又称为多回路控制系统。
§7-1 串级控制系统
一、串级控制系统的结构 管式加热炉是石化工业中的重要装置之一，工艺上要求被加热 油料炉出口温度的波动范围应控制±2℃内。
3
主要扰动：
（1）原料方面的扰动（包括物料的流量和入口温度的变化）；
（2）燃料方面的扰动（包括燃料的流量、热值及压力的波动）；
（3）燃烧条件方面的扰动（包括供风量和炉膛漏风量的变化、燃
助变量。 炉出口温度
炉膛温度
7
主对象 — 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过 程，其输入量为副变量，输出量为主变量。
副对象 — 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。 炉出口温度对象
炉膛温度对象
8
主控制器 — 按主变量的测量值与给定值的偏差进行 工作的控制器，其输出作为副控制器的 给定值。
副控制器 — 按副变量的测量值与主控制器的输出信 号的偏差进行工作的控制器，其输出直 接控制执行器的动作。
炉出口温度控制器
炉膛温度控制器
9
主回路 — 由主测量变送器、主控制器、副回路等效 环节和主对象组成的闭合回路，又称外环 或主环。
副回路 — 由副测量变送器、副控制器、执行器和副 对象所组成的闭合回路，又称内环或副环。
第7章 复杂控制系统
31 串级控制系统
2 比值控制系统 3 前馈控制系统 4 均匀控制系统 5 分程控制系统 6 选择性控制系统 7 多冲量控制系统
1
第7章 复杂控制系统
复杂控制系统 ➢凡是结构上比单回路控制系统复杂或控制目的较 特殊的控制系统，都称为复杂控制系统。
特点： ➢通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行 器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系 统又称为多回路控制系统。
自动控制系统概述ppt课件
求： z f (x)
拉普拉斯变换
拉氏变换的实质：将实变量t的函数f（t），变换成复变量s（s=α+jβ）的函数F（s）。
F (s) f (t)estdt L[ f (t)] 0
其中： f (t) 为原函数， F(s) 为拉氏变换式（或象函数）
记为：
拉氏 变换 F(s) L[ f (t)]
第一节 自动控制系统的组成
进
料
口
调
节
器
变
送
器
执 行 器
进
料
口
调
节
器
变
送
器
进 料 口
变 送 器
控 制 站
执
执
行
行
器
器
控制系统的 4 个基本环节：
被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器
几个常用术语 ：
（1）被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。 （2）被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控
y (t ) B
e()
Sp
B
C
稳定误差范围： 2％ 或者 5％的新稳态值
0
t1
t2
t3
t
超调量σ： B/C *100%
衰 减 比n： n B / B
余差 e(∞)： e()
过渡时间tp： 振荡周期：
t p t3 t2 t1
自动控制系统希望的结果： •最大偏差（超调量）？ •答：越小越好 •衰减比？
的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏 差。
第二节 自动控制系统的方块图：
一、信号和变量：
+
拉普拉斯变换
拉氏变换的实质：将实变量t的函数f（t），变换成复变量s（s=α+jβ）的函数F（s）。
F (s) f (t)estdt L[ f (t)] 0
其中： f (t) 为原函数， F(s) 为拉氏变换式（或象函数）
记为：
拉氏 变换 F(s) L[ f (t)]
第一节 自动控制系统的组成
进
料
口
调
节
器
变
送
器
执 行 器
进
料
口
调
节
器
变
送
器
进 料 口
变 送 器
控 制 站
执
执
行
行
器
器
控制系统的 4 个基本环节：
被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器
几个常用术语 ：
（1）被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。 （2）被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控
y (t ) B
e()
Sp
B
C
稳定误差范围： 2％ 或者 5％的新稳态值
0
t1
t2
t3
t
超调量σ： B/C *100%
衰 减 比n： n B / B
余差 e(∞)： e()
过渡时间tp： 振荡周期：
t p t3 t2 t1
自动控制系统希望的结果： •最大偏差（超调量）？ •答：越小越好 •衰减比？
的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏 差。
第二节 自动控制系统的方块图：
一、信号和变量：
+
过程控制系统基本概念(讲座20)
4
图 4 温度控制系统过渡过程曲线 解：最大偏差 A＝230-200＝30℃ 余差 C＝205-200＝５℃
由图上可以看出，第一个波峰值 B＝230-205＝25℃， 第二个波峰值 B′＝210－205＝5℃， 故衰减比应为 B:B′＝25:5＝5:1。 振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期 T＝20-5＝15（min） 分析：过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额 定值的±2％，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为 200×（±2％） ＝±4℃，这时，可在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±４℃画一区域，上图中 以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就 可以认为已经结束。因此，从图 4 可以看出，过渡时间为 22min。 4、影响控制系统过渡过程品质的主要因素 一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自 动化装置部分。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所 必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。 对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的 性质。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的 负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结 垢程度等。不同自动化系统要具体分析。 5、工艺管道及控制流程图 工艺流程和控制方案的确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序 标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了 工艺管道及控制流程图（PID 图） 。 6、自动控制系统的基本组成及方块图 液位自动控制的方块图为例
副变量类型 温度 压力 流量 液位
副控制器比例度 δ2／％ 20 ～60 30 ～70 40 ～80 20 ～80
自动控制原理
1 C2s
C ( s)
(a)
39
(b)
方块图 消除局部反馈回路
2－3
R(s)
+ _
1 R1C1s + 1
1 R2C2s + 1
C (s)
R1C2 s
(b)
40
2－3 方块图
（C） 消除主反馈回路
R( s)
1 R1C1R2C2 s 2 + ( R1C1 + R2C2 + R1C2 ) s + 1
G(s) Q(s) 1/G(s)
23
综合点之间的移动
X(s) R(s)
±
X(s) C(s) R(s)
± ±
Y(s) ±
C(s)
Y(s)
24
4.综合点之间的移动 4.综合点之间的移动
结论： 结论：
X(s) R(s)
±
X(s) C(s) R(s)
± ±
Y(s) ±
C(s)
Y(s)
结论：多个相邻的综合点可以随意交换位置。 结论：多个相邻的综合点可以随意交换位置。
反馈结构图
R(s) B(s) ±
E(s)
C(s)
G(s) H(s)
C(s) = ?
9
3.
反馈结构的等效变换
等效变换证明推导
C (s) = G(s)E (s) B(s) = C ( s)H ( s) E ( s ) = R( s) ± B( s) 消去中间变量 E ( s ), B ( s )得 G(s) C (s) = R( s) 1 m G ( s)H ( s)
两个串联的方框可以 合并为一个方框， 合并为一个方框，合 并后方框的传递函数 等于两个方框传递函 数的乘积。 数的乘积。G1(Leabharlann )G2(s)R(s)
6-1简单控制系统概述
控制变量
冷物料
热交换器
热物料
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简单控制系统示例 ──水泵压力控制系统
被控参数 水泵出口压力 控制变量 回流量
设定值 PC PT
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简单控制系统示例 ──贮罐液位控制系统
被控参数 贮罐液位 控制变量 出口流量
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简单控制系统示例
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一个简单 控制系统 开发设计 的全过程 如右图所 示
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设计中需要注意的有关问题
1．认真熟悉过程特性
深入了解被控过程的工艺特点及其要求是控制方案确 定的基本依据之一 。
2．明确各生产环节之间的约束关系
生产过程是由各个生产环节和工艺设备构成的，各个 生产环节和工艺设备之间通常都存在相互制约、相互 影响的关系。 在控制系统设计中，测量信号的正确与否直接影响系 统的控制质量。尽量减少由不可避免的随即干扰而产 生的系统误差。
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六、控制系统正常运行的重要准则
控制系统正常运行的重要准则有负反馈 准则和稳定运行准则。 负反馈准则
控制系统成为负反馈的条件是该控制系统 各开环增益之积为正。 在扰动或设定变化时，控制系统静态稳定 运行条件是控制系统各环节增益之积基本 不变；控制系统动态稳定运行条件是控制 系统总开环传递函数的模基本不变。
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二、对过程控制系统设计的一般要求
要分析、设计和应用好一个过程控制系 统，首先应对被控过程做全面了解，对 工艺过程、设备等做深入的分析，然后 应用自动控制原理与技术，拟定一个合 理正确的控制方案，选择合适的检测变 送器、控制器、执行器（调节阀），从 而达到保证产品质量、提高产品产量、 降耗节能、保护环境和提高管理水平等 目的。
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Υ Υ
1
3
-
Υ 1-Υ 2+Υ 3
-
Υ2
R2 (s)
图2-15比较点示意图
Υ2
注意：进行相加减的量，必须具有相同的量刚。 (3)分支点（引出点、测量点）Branch Point 表示信号测量或引出的位置 C(s) 注意：同一位置引出的信号 R(s) P(s) G1 (s) G2 (s) 大小和性质完全一样。
注意：由于N(s)极性的随机性，因而在求E(s)时，不能认
为利用N(s)产生的误差可抵消R(s)产生的误差。 2.4.3 方块图的绘制 （1）考虑负载效应分别列写系统各元部件的微分方程或传递 函数，并将它们用方框（块）表示。 （2）根据各元部件的信号流向，用信号线依次将各方块连接 起来，便可得到系统的方块图。 系统方块图-也是系统数学模型的一种。
**
R(s)
+ -
E(s)
G1 (s)
+
+
G2 (s)
C(s)
B(s)
H(s)
打开反馈
N(s)
G1 (s)
G2 (s)
C(s)
H(s)
图2-18 输出对扰动的结构图 利用公式**，直接可得：
M N ( s) G2 ( s ) C ( s) N ( s) 1 G( s) H ( s)
（7）误差对扰动的传递函数 假设R(s)=0
(4)闭环传递函数 Closed-loop Transfer Function 假设N(s)=0 输出信号C(s)与输入信号R(s)之比。
G1 ( s)G2 ( s) C ( s) G( s) R( s) 1 H ( s)G( s) 1 H ( s)G( s)
推导：因为 右边移过来整理得
欢迎各位专家和同学对本次试讲提出宝贵 建议！
谢谢！
重庆大学自动化学院:周燕
控制系统的方块图及其基本组成
1 控制系统的方块图 控制系统的方块图是系统各元件特性、系统结构和信 号流向的图解表示法。 1.1 方块图元素 （1）方块（Block Diagram）:表示输入到输出单向传输间 的函数关系。
r(t) c(t)
R(s)
G(s)
C(s)
方块 信号线 图2-14 方块图中的方块
R1 ur i1 R2 i2 C 2 uc
C1
(a) 电路图
R1
U C1 (s)
1 sC 1
R2
1 U ( s) c sC 2
U r ( s)
I1 ( s)
I 2 (s)
(b) 运算电路图
②U r ( s)来自①CUC1 (s)
1 R1
I1 (s) B
1 sC 1
UC1 (s)
③ -
I 2 ( s)
1 R2
线性系统满足叠加原理，当控制输入R(s)与扰动N(s) 同时作用于系统时，系统的输出及误差可表示为：
C ( s) G2 ( s ) G( s) R( s ) N ( s) 1 G( s) H ( s) 1 G( s) H ( s)
G2 ( s ) H ( s ) 1 E ( s) R( s ) N ( s) 1 G( s) H ( s) 1 G( s) H ( s)
C ( s) G( s) 前向通路传递函数 R( s) 1 H ( s)G( s) 1 开环传递函数
B( s ) H ( s) C ( s)
E ( s) 1 1 R( s) 1 H ( s)G ( s) 1 开环传递函数 G2 ( s ) C ( s) M N ( s) N ( s) 1 G( s) H ( s)
(5)误差传递函数 假设N(s)=0 误差信号E(s)与输入信号R(s)之比 。 将 C (s) E (s)G(s) 代入上式，消去G(s)即得：
E ( s) 1 1 R( s) 1 H ( s)G ( s) 1 开环传递函数
(6)输出对扰动的传递函数
N(s)
假设R(s)=0
C (s) G ( s) R( s) 1 H ( s )G ( s)
P(s) 图2-16 分支点示意图
2 几个基本概念及术语
N(s)
R(s)
+ -
E(s)
G1 (s)
+
+
G2 (s)
C(s)
B(s)
H(s)
打开反馈
图2-17 反馈控制系统方块图
(1)前向通路传递函数--假设N(s)=0 打开反馈后，输出C(s)与R(s)之比。等价于C(s)与误差E(s)之比
C (s) G1 ( s)G2 ( s) G ( s) E (s)
U r ( s ) U C1 ( s ) (1) I1 ( s) R1 U ( s ) I 1 ( s ) I 2 ( s ) ( 2) C 1 sC1 U ( s) U c ( s) I ( s ) C1 (3) 2 R2 I ( s) U c ( s ) 2 ( 4) sC 2
(1) (2)
图2-20一阶RC网络
U i ( s)
I(s)
I(s) （c）
U o ( s)
U o ( s) （b）
U i (s) － U o ( s)
I(s)
U o ( s)
（d）
将图（b）和(c)组合起来即得到图(d)， 图(d)为该一阶RC网络的方块图。
例2
画出下列R-C网络的方块图
由图清楚地看到，后一级 R2-C2网络作为前级R1-C1网 络的负载，对前级R1-C1网 络的输出电压 u c1 产生影响，这就是负 载效应。 解：（1）根据电路定理 列出方程，写出对应的拉 氏变换，也可直接画出该 电路的运算电路图如图 (b)；（2）根据列出的4 个式子作出对应的框图； （3）根据信号的流向将 各方框依次连接起来。
(2)反馈回路传递函数 假设N(s)=0 主反馈信号B(s)与输出信号C(s)之比。
B( s ) H ( s) C ( s)
(3)开环传递函数 Open-loop Transfer Function 假设N(s)=0 主反馈信号B(s)与误差信号E(s)之比。 B( s ) G1 ( s)G2 ( s) H ( s) G ( s) H ( s) E ( s)
④
-
A
1 sC 2
U c ( s)
U c ( s)
（c）方块图
本讲 小结
六个基本术语
前向通路传递函数、反馈传递函数、开环传
递函数、闭环传递函数、误差（对输入）传 递函数、输出对扰动传递函数
C ( s) G1 ( s )G2 ( s ) G ( s ) E ( s) B( s ) G1 ( s)G2 ( s) H ( s) G ( s) H ( s) E ( s)
信号线：带有箭头的直线，箭头表示 信号的流向，在直线旁标记信号的时 间函数或象函数。
（2）比较点（合成点、综合点）Summing Point 两个或两个以上的输入信号进行加减比较的元件。 “+”表示相加，“-”表示相减。“+”号可省略不写。
Υ1
+ +
Υ 1+Υ 2
R1 (s)
R1(s) R2 (s)
C (s) G ( s) R( s) 1 H ( s )G ( s)
**
N(s)
＋
G2 (s) G1 (s)
H(s)
-1
E(s)
图2-19 误差对扰动的结构图 利用公式**，直接可得：
E ( s ) G2 ( s ) H ( s ) M NE ( s) N ( s) 1 G( s) H ( s)
C (s) E (s)G(s) [ R(s) C (s) H (s)]G(s)
C (s) G ( s) R( s) 1 H ( s )G ( s)
**
即
C ( s) G( s) 前向通路传递函数 R( s) 1 H ( s)G( s) 1 开环传递函数
C ( s) G( s) 前向通路传递函数 R( s) 1 H ( s)G( s) 1 开环传递函数
例1
画出下列RC电路的方块图。
解：由图2-20，利用基尔霍夫电压定律 及电容元件特性可得： ui uo i R idt u ui o c 对其进行拉氏变换得：
R i C （a） uo
U i ( s) U o ( s) I ( s) R I ( s) U o ( s) sC