自动控制系统概述
自动控制系统基本概念
阶跃输入时微分调节器特性
33
微分时间对过渡过程的影响
34
（五）比例积分微分（PID）控制系统 1. 控制器的输出为三部分输出之和。 2. 当偏差刚出现时，微分作用立即变化
（因变化快），比例也同时起作用，使 输出信号发生突然的大幅度变化，然后 慢慢下降，随着时间累积，积分作用逐 渐起主导作用。
式中
e / X max X min p / pmax pmin
100
%
e —— 控制器输入变化量(即偏差)
△P ——
Xmax－Xmin—— Pmax－Pmin——控制器输出的工作范围
28
3. 控制器比例度δ的大小与输入输出的关系
比例度与输入和输出的关系
29
4、特点 反应快、无滞后，偏差大，输出也变化 大，但存在余差，只适于有差调节系统。 存在余差的原因：负荷变化前，浮球在 一个位置，进口阀门在某一个开度，出 量增大后，液位降低，浮球下降，进口 阀门开度增大，进、出水量一相等，液 位在新的位置平衡。
给定值的作用 6. 偏差：给定值与被调参数测量值之差
7
五、自动控制分类 1. 自动检测系统：P、Q、T、H检测 2. 自动保护系统：对参数的保护控制 3. 定值控制系统：将参数稳定在一定范围，
又称自动调节系统 4. 自动操纵系统：程序控制 5. 随动控制系统：自动跟踪系统
8
六、自动控制系统的方框图 1、方框图：反映系统各组成部分之间的相
35
PID控制器输出特性
36
(六)比例、积分、微分控制规律小结
它根据“偏差的大小”来动作。它的输出与输入偏差
的大小成比例，控制及时、有力，但是有余差。用比例度δ来表 示其作用的强弱。δ越小，控制作用越强。比例作用太强时会引
自动控制系统概述ppt课件
号
号
1 就地安 装仪表
2 集中仪 表盘面 安装仪 表
3 就地仪 表盘面 安装仪 表
4
嵌在管道 中
集中仪表 盘后安装 仪表
5 就地仪表 盘后安装 仪表
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同 功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆 与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同 一图纸上），如下图所示。
对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统 ）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时 的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也 经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。
第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标
信号常见形式 斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号、阶跃信号等。
执行器
液位自动控制系统方框图
每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭 头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离 开方框的为环节输出。
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
注意！
方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。 方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联 系，与工艺流程图上的物料线有区别。 “环节”的输入会引起输出的变化，而输出不会反过来直 接引起输入的变化。环节的这一特性称为“单向性” 。 自动控制系统是一个闭环系统
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
用同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统
蒸汽加热器温度控制系统
给定值x
偏差e
控制器输出p
控制器
干扰作用f
操纵变量q 执行器
对 象 被控变量y
自动控制系统概述
控制装置(简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某
一物理量（如温度、压力等）准确地按照预期的规律运行。
二、自动控制系统的常用术语
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。给定量和扰动量都是自动控 制系统的输入量。扰动量按其来源分内部扰动和外部扰动。
第一章 自动控制系统概述
三、闭环控制系统
系统的控制装置和被控对象不仅有顺 向作用，而且输出端和输入端之间存在反 馈关系，所以称为闭环控制系统，闭环控 制系统就是反馈控制系统。
第一章 自动控制系统概述
直流电动机调速系统
第一章 自动控制系统概述
恒温箱
闭 环 控制
第一章 自动控制系统概述
系统框图
第一章 自动控制系统概述
返回
第一章 自动控制系统概述
第五节 自动控制系统的性能指标
一、稳定性
系统的稳定性：系统在受到外部作用后，能否恢复平衡状态
稳定
的能力。
不稳定
第一章 自动控制系统概述
稳定的重要性：不稳定的系统是无法进行工作的；因此，对
任何自动控制系统，首要的条件便是系统能 稳定正常运行。
二、快速性
系统响应的快速性：是指在系统稳定性的前提下，通过系统 的自动调节，最终消除因外作用改变而引起的输出量与给定 量之间偏差的快慢程度。一般用调节时间来衡量 。如图1-16 所示，系统输出即系统响应经过几次振荡后，达到新的稳定 状态。对于系统动态过程性能的优劣除了快速性之外，还有 反映系统动态过程平稳性指标，故将快速性和平稳性作为表 征系统动态性能的指标，统称为动态性能指标。
自动控制系统概述
自动控制原理：经典控制理论，即研究反馈控制。 自动化 自动控制（视频资料） 在没有人参与的情况下，通过控制器或控制装置来控制机器或者设备等物理装置，使
得机器设备的受控物理量按照希望的规律变化，达到控制目的。 是研究控制系统的一般规律，不是讲具体的控制对象、系统、元件。 对象：如炼钢、化工反应，航空航天，机械汽车加工。 系统：运动过程，力学、电学、光学、生物等 元件：控制器、执行（电机），传感器
2021/3/27
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CHENLI
第一章 自动控制系统概述
自动化的发展过程回顾： ①设备自动化 本世纪50年代开始发展起来，由最初的机器、设备的控制问题，引出了机床、轧钢机等设备 的自动化。主要特点：自动调节系统的出现及其大量应用。 ②生产过程自动化 生产过程自动化需要考虑生产过程的协调、优化、计划与调度等问题。它是生产车间级的自动 化。 离散型生产过程的自动化 机械制造自动化，电子制造自动化，…… 连续型生产过程的自动化 化工自动化，冶金自动化，…… ③工厂自动化 工厂是由若干个生产车间组成的、能够完成一定的产品生产任务的实体，工厂自动化实现了产 品加工生产的自动化，工厂自动化=生产过程自动化+管理自动化。 ④企业自动化 企业自动化包括企业的生产加工、企业管理、产品（设计/开发）、市场、销售、计划等方面 的综合自动化，企业自动化的支撑技术包括：制造资源管理MRP-II，企业资源计划ERP，计 算机辅助设计/制造CAD/CAM，计算机集成制造CIM，并行工程CE，产品数据管理PDM，… 计算机集成制造CIM将制造视为一个信息处理、信息转换的过程，将制造过程视为一个集成的 过程，多种计算机技术与工具的综合应用。
自动化控制系统的介绍(19页)
自动化控制系统的介绍自动化控制系统是一种通过使用计算机和电子设备来自动执行任务和过程的系统。
它广泛应用于工业、商业、交通、医疗、教育等多个领域，为人类的生活和工作带来了极大的便利和效率提升。
自动化控制系统的工作原理是基于传感器、执行器和控制器的相互作用。
传感器用于检测和收集环境中的信息，如温度、压力、流量等，并将这些信息传递给控制器。
控制器根据预设的程序和算法，对收集到的信息进行分析和处理，然后向执行器发出指令，执行器根据指令执行相应的动作，从而实现对过程的控制。
自动化控制系统的优势在于其高精度、高效率和稳定性。
通过自动化控制，可以实现对过程的精确控制，减少人为错误和不确定性，提高生产效率和产品质量。
同时，自动化控制系统还可以实现远程监控和操作，方便管理人员对过程的实时监控和调整。
然而，自动化控制系统也存在一些挑战和问题。
自动化控制系统的设计和实施需要专业的知识和技能，需要投入大量的人力和物力资源。
自动化控制系统可能存在安全风险，如系统故障、误操作等，需要采取相应的安全措施来保障系统的稳定运行。
自动化控制系统可能对就业产生一定的影响，需要合理规划和培训，以适应自动化时代的就业需求。
自动化控制系统作为一种先进的技术手段，为人类的生活和工作带来了巨大的变革和提升。
随着科技的不断发展和应用，自动化控制系统将在更多的领域发挥重要作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
自动化控制系统的广泛应用自动化控制系统在各个领域的应用广泛且深入，下面将介绍几个主要的应用领域及其特点。
1. 工业生产：在工业生产中，自动化控制系统被广泛应用于生产线、制造过程、质量控制等方面。
通过自动化控制，可以实现生产过程的自动化、智能化和高效化，提高生产效率和产品质量，降低生产成本。
2. 商业管理：在商业管理领域，自动化控制系统被应用于库存管理、销售预测、客户关系管理等方面。
通过自动化控制，可以实现商业活动的自动化、智能化和高效化，提高商业运营效率，降低运营成本。
自动控制系统
自动控制系统1. 概述自动控制系统是指利用计算机和传感器等设备通过反馈控制方法，自动地对某一对象或过程进行控制的系统。
它广泛应用于工业生产、交通运输、环境监测等领域，起到提高生产效率和质量、节约能源、保护环境等作用。
自动控制系统由四个基本组成部分组成：测量装置、控制装置、执行机构和控制对象。
测量装置用于采集控制对象相关的数据，控制装置根据测量结果制定控制策略，执行机构根据控制装置的指令完成对控制对象的控制。
2. 控制方式自动控制系统有多种控制方式，常见的有开环控制和闭环控制。
2.1 开环控制开环控制是指控制装置根据预先设定的规律或规则向执行机构发送控制信号，而没有根据实际输出进行调整。
开环控制容易受到外界干扰的影响，控制精度较低。
2.2 闭环控制闭环控制是通过测量控制对象的实际输出，并将其与预期输出进行比较，从而调整控制装置的输出信号，使得实际输出与预期输出尽可能接近。
闭环控制具有较高的控制精度和鲁棒性，能够适应不断变化的工作条件。
3. 控制算法自动控制系统的控制算法是实现控制策略的核心。
常见的控制算法包括比例控制、积分控制和微分控制。
3.1 比例控制比例控制是根据误差的大小，按照一定的比例关系进行调整控制装置的输出信号。
比例控制能够快速响应系统的变化，但对于系统的稳定性和超调量控制较差。
3.2 积分控制积分控制是根据误差的累积值进行调整控制装置的输出信号。
积分控制能够消除稳态误差，但对于系统的动态响应较差。
3.3 微分控制微分控制是根据误差的变化率进行调整控制装置的输出信号。
微分控制能够增强系统的动态响应，但对于噪声的敏感性较高。
4. 应用领域自动控制系统广泛应用于各个领域，以下是几个典型的应用领域。
4.1 工业生产在工业生产中，自动控制系统可以进行生产过程的自动化控制，提高生产效率和质量。
例如，在汽车制造过程中，自动控制系统可以精确控制机器人的动作，完成车身焊接、喷涂等工作。
4.2 交通运输自动控制系统在交通运输领域可以实现交通信号灯的智能控制、自动驾驶汽车的导航和路径规划等功能，提高交通效率和安全性。
自动控制系统概述
自动控制系统概述自动控制系统是一种能够实现自主操作和反馈控制的系统，可以对一些或多个过程进行监测、调整和控制。
它是一种通过传感器、执行器和控制器之间的相互作用来实现的技术体系。
自动控制系统在现代工业生产、交通运输、通讯、航空航天等领域起着至关重要的作用。
自动控制系统的核心是控制器，它是一个电子装置或者计算机程序，可以检测和测量系统的状态，并根据事先设定的标准或规则来调整系统的输出。
控制器通常根据测量结果实施一系列的逻辑或算法操作，以实现对系统的有效控制。
传感器负责监测和测量系统的输入和输出变量，将其转换成数字或模拟信号供控制器使用。
执行器根据控制器的指令来改变和调整系统的输出结果。
自动控制系统的组成部分包括：传感器、执行器、控制器、反馈回路和电源等。
自动控制系统的工作原理是通过控制器对传感器所获得的反馈信息进行分析和判断，根据事先设定的目标或标准，调整执行器的输出，使系统的输出状态达到预期的目标。
其中，反馈机制是实现自动调节的核心机制之一，通过将系统输出与目标进行比较，产生偏差信号，并通过控制器对执行器进行控制，以减小系统输出与目标之间的偏差。
在自动控制系统中，控制器的设计和优化是关键问题之一、常见的控制器类型有比例控制器、积分控制器、微分控制器和PID控制器。
PID控制器是一种广泛应用的控制器，通过比例、积分和微分三个部分的组合使用，实现对系统输出的准确控制。
PID控制器根据系统的输出偏差和变化率来调整执行器的输出，使系统能够快速、精确地响应外界的变化。
自动控制系统具有许多重要的优点。
首先，它可以提高生产效率和系统性能，实现对复杂过程的监测和控制。
其次，自动控制系统可以减少人为错误和操作失误，提高系统的可靠性和安全性。
此外，自动控制系统还可以减轻人力负担，降低生产成本，并且可以应对复杂的环境条件和工作要求。
然而，自动控制系统也存在一些挑战和局限性。
首先，自动控制系统的设计和实施需要专业知识和技术，对于新技术和设备的应用需要不断的研究和创新。
自动控制系统的概念和组成
自动控制系统的概念和组成
自动控制系统是一种将输入信号转化为输出信号的系统，以实现对系统或过程的自动调节、控制和运行。
它通过感知和测量系统的状态或参数，并根据预设的目标或规则对系统进行调节和控制，使系统能够稳定运行、实现所需的输出。
自动控制系统由以下几个基本组成部分构成：
1. 传感器或测量器件：用于感知和测量系统或过程的状态、参数或特征。
传感器可以采集温度、压力、流量、速度等物理量，或者采集图像、声音等非物理信号。
2. 控制器：根据传感器采集到的信号，经过计算和处理后，生成控制信号。
控制器的核心功能是对系统进行实时的监测、分析和决策，以保证系统能够达到所需的输出。
3. 执行器：根据控制信号的指令，改变系统或过程的状态或参数。
执行器可以是电机、阀门、喷嘴等，用于控制机械、电气、流体等系统。
4. 反馈环路：用于实现对系统输出的连续监测和修正。
通过将执行器的输出信号再次反馈给控制器进行比较，可以实时检测和修正系统的偏差，确保系统稳定工作。
5. 人机界面：为操作员提供对系统的监控和操作界面，方便操作员设置参数、监测状态、进行诊断和故障处理等。
人机界面可以是显示屏、键盘、鼠标等。
综上所述，自动控制系统的概念是以传感器为输入，通过控制器生成控制信号，再通过执行器改变系统状态，最后通过反馈环路不断修正，实现对系统或过程的自动调节、控制和运行。
自动控制原理课件：自动控制系统概述
本章思考题：
• 自动控制的实质是什么？ • 闭环控制的结构使得其具有哪些优缺点？ • 对自动控制系统的基本要求有哪些？
随动系统与自动调整系统 线性系统与非线性系统 连续系统和离散系统 单输入单输出系统和多输入多数出系统
1.5 自动控制系统的基本要求 稳定性 稳态性能指标 暂态性能指标
经典控制理论的主要分析方法:时域分析，频域分析
1.6 控制系统数字仿真实践的必要性
进行数字仿真实 验在某种意义上比理 论和试验对问题的认 识可以更为细致，不 仅可以了解问题的结 果而且可以通过设定 仿真条件等方式连续 动态、重复地显示控 制系统发展演化的中 间过程，方便了解直 观试验不易观测到的 整体与局部细节过程。
自动控制系统概述
目 录
CONTENTS
1.1 引言 1.2 开环控制和闭环控制 1.3 闭环自动控制系统的基本组成 1.4 自动控制系统的分类 1.5 自动控制系统的基本要求 1.6 控制系统数字仿真实践的必要性
1.1 引言
自动控制的基本概念
自动控制 自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和
闭环控制的特点
控制器与被控对象之间既有信号的正向作用，又 有信号的反馈作用。
优点：抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。
缺点：设计不合理时，将出现不稳定。在开控制器 2-控制对象 3-检测装置
1.3 闭环自动控制系统的基本组成
1.4 自动控制系统的分类
工艺过程进行合理的调节，使期望的物理量保持恒定，或者按照一定 的规律变化。
自动控制系统 自动控制系统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。
1.2 开环控制和闭环控制
图1-1 电炉加热系统 1-控制器（调压器） 2-被控对象（电炉箱）
自动控制系统
定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家 中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益 增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟 阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发
展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，
24
在美国通用汽车自动配线上试用，获得成功。
这种新型的工业控制装臵及其简单易懂、操作方便、 可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点， 很快在美国其他工业领域推广使用。到1971年，已经成功 应用于食品、饮料、冶金等工业。
1971年，日本研制出第一台DCS-8。
1973年，德国西门子公司（SIEMENS）研制出欧洲第一
分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而
用中小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级 的控制 。 各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息。 分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互 以及监控和管理等功能。 分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字
5
控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是 生产过程的一种比较完善的控与管理系统。 在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在测量 装臵与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理
用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、
计数与运算操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式 输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的 核心部分。 PLC的起源和发展
在60年代，汽车工业的自动控制系统基本上都是由继
电器控制装臵构成的。为了改变继电器系统更费时、费工、
20
费料的缺点，美国通用汽车公司在1969年公开招标。要求 用新的控制装臵取代继电器控制装臵，并提出了十项招标 要求，即： 1、编程方便，现场可修改程序；
自动控制系统简介
第二章自动控制系统随着生产和科学技术的发展，自动控制广泛应用于电子、电力、机械、冶金、石油、化工、航海航天、核反应等各个学科领域及生物、医学、管理工程和其他许多社会生活领域，并为各学科之间的相互渗透起到促进作用。
自动控制技术的应用，不仅使生产过程实现了自动化，改善了劳动条件；同时全面提高了劳动生产率和产品质量、降低了生产成本、提高了经济效益；在人类征服大自然、探索新能源、发展新技术和创造人类社会文明等方面都具有十分重要的意义。
可以说，自动控制已成为推动经济发展，促进社会进步所必不可少的一门技术，掌握有关自动控制的知识显得越来越重要。
§2.1自动控制系统概述所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使整个生产过程或工作机械自动地按预选规定的规律运行，达到要求的指标；或使它的某些物理量按预定的要求变化。
所谓系统，就是通过执行规定功能、实现预定目标的一些相互关联单元的组合体。
自动控制系统就是为实现某一控制目标所需要的所有装置的有机组合体。
例如，家用电冰箱能保持恒温；高楼水箱能保持恒压供水；电网电压和频率自动保持不变；火炮根据雷达指挥仪传来的信息，能够自动地改变方位角和俯仰角，随时跟踪目标；人造卫星能够按预定的轨道运行并返回地面；程序控制机床能够按预先排定的工艺程序自动地进刀切削，加工出预期几何形状的零件；焊接机器人能自动地跟踪预期轨迹移动，焊出高质量的产品。
所有这些自动控制系统的例子，尽管它们的结构和功能各不相同，但它们有共同的规律，即它们被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。
自动控制系统中常用的名词术语系统——系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。
在工程领域中，系统可以是电气、机械、气动和液压或它们的组合。
不同的系统所要完成的任务也不同。
有的要求某物理量(如温度、压力、转速等)保持恒定，有的则要求按一定规律变化。
输入信号——作用于系统的激励信号定义为系统的控制量或参考输入量。
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。
自动化控制系统概述
随着设备连接的增加，数据安全问题将更加突出，需要加强数据加密和安全防护措施。
云计算与自动化控制
数据存储和处理
云计算技术将提供高效的数据存储和处 理能力，支持大规模的自动化控制系统 数据处理和分析。
VS
远程监控与控制
通过云计算平台，可以实现远程监控和控 制自动化系统，提高系统的可维护性和灵 活性。
04 自动化控制系统的未来发 展
人工智能与自动化控制
人工智能技术
人工智能技术将进一步融入自动化控制系统中，实现更智能化的决策和控制，提高生产 效率和降低能耗。
深度学习
深度学习技术将在自动化控制领域发挥重要作用，通过学习历史数据和实时反馈，优化 控制策略和算法。
物联网与自动化控制
设备连接
物联网技术将促进设备间的互联互通，实现更高效的数据采集和传输，为自动化控制系统提供更多维度的数据支 持。
自动化控制系统概述
目 录
• 自动化控制系统简介 • 自动化控制系统的工作原理 • 自动化控制系统的应用领域 • 自动化控制系统的未来发展 • 自动化控制系统的挑战与解决方案
01 自动化控制系统简介
定义与特点
定义
自动化控制系统是一种利用计算 机、电子和自动化技术实现设备 或生产过程的自动控制和监测的 系统。
详细描述
农业自动化通过各种传感器、控制器和执行器，实现农田土壤湿度、温度、光照 等参数的监测和控制，自动化灌溉、施肥、喷药等功能，提高农作物的产量和质 量。
机器人技术
总结词
机器人技术是利用自动化控制系统实现机器人的智能化行为，广泛应用于工业、医疗、服务等领域。
详细描述
机器人技术通过各种传感器、控制器和执行器，实现机器人的感知、决策和执行能力，能够完成复杂 、危险或重复性的任务，提高工作效率和质量。
自动控制系统概述ppt课件
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：
+
自动控制系统概念
许多自动控制系统在关键任务中起到重要作用，如何保证 系统的可靠性和稳定性，防止因故障导致生产事故或安全 事故，也是一个重要的技的行业和应用领域具有 各自的特点和需求，如何根 据具体需求定制和优化自动 控制系统是一个挑战。
人员培训
自动控制系统的应用需要对 操作人员进行专业培训，以 确保他们能够正确地使用和 维护系统。
物联网和通信技术的进步将推动自动控制 系统向网络化方向发展，实现远程监控和 控制。
模块化
安全性
模块化设计将有助于提高自动控制系统的 可维护性和可扩展性，方便系统升级和功 能扩展。
随着网络安全问题的日益突出，自动控制 系统的安全性将受到更多关注，将会有更 多的安全防护措施被应用到系统中。
技术挑战
数据处理
和稳定性。
反馈回路
反馈回路是自动控制系统中不可或缺 的部分，它能够将受控对象的输出信 号反馈给控制器，形成一个闭环控制 系统。
通过反馈回路，控制器可以实时地了 解受控对象的当前状态，并根据需要 调整控制动作，以达到更好的控制效 果。
03
自动控制系统类型
开环控制系统
开环控制系统是指系统中各个环节之 间没有反馈，只将系统输出量直接反 馈到输入端，通过输入端控制输出量 。
系统集成
将自动控制系统与其他设备 和系统集成时，需要解决不 同设备和系统之间的通信和 接口问题。
成本效益
自动控制系统的建设和运行 需要投入大量的资金和技术 支持，如何平衡成本和效益 的关系是一个挑战。
THANKS
感谢观看
传感器的种类和规格非常多，需根据具体的控制 要求进行选择和配置。
传感器的精度和稳定性对整个控制系统的性能有 着至关重要的影响。
受控对象
自动化控制系统概述
自动化控制系统概述自动化控制系统是指能够使各种机械设备、工艺过程、制造流程和生产线自动运行的系统。
它是现代工业制造的关键技术之一，广泛应用于工业生产、交通运输、能源领域、机械设备等各个领域。
本文将对自动化控制系统的概述进行详细介绍。
一、自动化控制系统的定义自动化控制系统是由硬件设备、软件系统、通信网络和人机界面等组成的一套综合系统。
它通过采集、传输、处理和控制相关数据，来实现对设备、过程或生产线的自动控制和运行。
自动化控制系统利用传感器、执行器、控制器和计算机等技术手段，实现了对生产过程的监测、调节和优化，提高了生产效率和产品质量。
二、自动化控制系统的基本组成自动化控制系统一般由传感器、执行器、控制器和计算机等组件组成。
1. 传感器：传感器是自动化控制系统中的重要部件，用于采集和转换被控对象的物理量、化学量或电气量等信息，并将其转化为可供控制器处理的电信号。
2. 执行器：执行器是根据控制器的指令，通过做功元件将电能转化为机械能，控制作业对象的位置、速度、力、温度等参数。
3. 控制器：控制器是自动化控制系统的核心部件，其作用是根据传感器的数据和事先设定的控制策略，采取相应的控制方法对执行器进行控制。
4. 计算机：计算机作为自动化控制系统的主控设备，负责控制、监测、管理和优化自动化系统的运行。
它可以根据实时数据进行监控和调整，同时还可以通过网络传输数据，实现远程控制和管理。
三、自动化控制系统的应用领域1. 工业生产：自动化控制系统在工业生产中得到广泛应用，可以实现生产过程的全面自动化。
它可以提高产品的质量和生产效率，减少人力资源的浪费，降低能源消耗和排放。
2. 交通运输：自动化控制系统在交通运输中的应用包括交通信号控制系统、自动驾驶系统和航空航天系统等。
它可以提高交通运输的安全性和效率，并减少事故的发生率。
3. 能源领域：自动化控制系统在能源领域的应用主要包括电力系统控制、石油化工过程控制和新能源发电等。
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第一节 自动控制系统的组成
自动控制系统的组成：控制器、执行器、被控对象及 测量变送环节四部分组成。
自动控制系统方块图
第一节 自动控制系统的组成
在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动
化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备。
在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设
备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象,简 称对象。
第四节 过渡过程和品质指标
五种重要品质指标之四
（4） 过渡时间
从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平 衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态 值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再 越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过 渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的±５％（也有 的规定为±２％）。
第四节 过渡过程和品质指标
五种重要品质指标之五
（5）震荡周期或频率
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振 荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同 的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短 一些为好。
第四节 过渡过程和品质指标
举例 某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过 渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、 衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200℃）。
阶跃干扰作用
第四节 过渡过程和品质指标
自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式
非周期衰减过程 √
衰减震荡过程
√
对于控制质量要求不 高的场合，如果被控
等幅震荡过程 ？变的量范允围许内在振工荡艺（许主可要
指在位式控制时）， 才可采用。
发散震荡过程
X
第四节 过渡过程和品质指标 三、过渡过程的品质指标
水箱液位控制系统
例题分析
解：方块图如图所示。系统中水箱里水的液位为被控变 量;进水流量为操纵变量;水箱为被控对象。带有浮球及塞 子的杠杆装置在系统中起着测量与调节的功能。其工作 过程如下：当水箱中的液位受到扰动变化后,使浮球上下 移动,通过杠杆装置带动塞子移动,使进水量发生变化,从而 克服扰动对液位的影响。例如由于扰动使液位上升时,浮 球上升,带动塞子上移,减少了进水量,从而使液位下降。
当A=1时称为单位阶跃信号。
特点
易产生 对系统输出影响大 便于分析和计算
第四节 过渡过程和品质指标
采用阶跃干扰的优点：
➢ 这种形式的干扰比较突然、 危险，且对被控变量的影响 也最大。如果一个控制系统 能够有效地克服这种类型的 干扰，那么一定能很好地克 服比较缓和的干扰。
➢ 这种干扰的形式简单，容易 实现，便于分析、实验和计 算。
第四节 过渡过程和品质指标
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，从图上可以看出，过渡时间为22min。
温度控制系统过渡过程曲线
第四节 过渡过程和品质指标
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）
C
电导率
控制 Q
数量
积分
累积
D
密度
差
R
放射性
记录
E
电压
S
速度
安全
开关
F
流量
比
T
温度
传送
I
电流
指示 V
粘度
阀
K
时间
W
力
L
物位
Y
M
水分
Z
位置
执行机构
在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属 于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和 方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶 跃干扰。
第四节 过渡过程和品质指标
常见典型信号 阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。
阶跃信号
数学表达式为： r(t) A t≥0 0 t<0
特点：设定值是固定不变的闭环控制系统 作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数
值上
第三节 自动控制系统的分类
2.随动控制系统（自动跟踪系统）
给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参 数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。
特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统 作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化
第三节 自动控制系统的分类
按系统的反馈形式可以分为开环和闭环控制系统； 按系统的结构形式可以分为简单控制系统和复杂控制
系统； 按系统的给定值，可以将自动控制系统分为三类，即
定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。
其中第三种分类方法最普遍
第三节 自动控制系统的分类
1. 定值控制系统
“定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求控制 系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不 变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控 制系统。
第三节 自动控制系统的分类
3.程序控制系统（顺序控制系统）
给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术 指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中 应用比较普通。 特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数 作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化
程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分 析研究方法与随动控制系统相同。
第四节 过渡过程和品质指标
二、控制系统的过渡过程
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。
举例
给定值 控制器 执行器
-
测量、变送
干扰
当干扰作用于对象，系
被控变量 统输出y发生变化，在
对象
系统负反馈作用下，经
过一
第四节 过渡过程和品质指标
系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控 变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰 形式。
要选择好控制系统 的对象
第二节 系统运行的基本要求
自动控制系统的基本要求是系统运行必须是稳定的，并应 保证满足一定的精度要求和规定的性能指标。
要实现自动控制，系统必须是闭环，闭环控制系统稳定运 行最基本的必要条件是负反馈。
测量变送环节一般具有正作用特性，被控对象和执行器的 特性由实际的工艺条件决定，可以通过控制器的正、反作 用来满足系统负反馈的要求。
第二个波峰值为第一个波峰值的1/4，故为 32×1/4 = 8 (V)
第三个波峰值为第二个波峰值的1/4 ，故为 8×1/4 = 2 (V)
所以指针第三次摆动的最高峰值为222V。
例题分析
1.图所示为一水箱的液位控制系统。试画出其方块图, 指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量各是什么? 简要叙述其工作过程,说明带有浮球及塞子的杠杆装置 在系统中的功能。
控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。 多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这 种过程形式讨论控制系统的品质指标。 控制指标主要有两类,一类是时间域的单项指标,另一 类是时间域的综合指标。
第四节 过渡过程和品质指标
1.时间域的各种单项指标
假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变 化曲线如下图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程
自动控制系统概述
内容提要
自动控制系统的组成 系统运行的基本要求 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
控制系统的静态与动态 控制系统的过渡过程 控制系统过渡过程的品质指标
传递函数和方框图 管道及仪表流程图
第一节 自动控制系统的组成
人工操作与自动控制比较图
液位人工操作图
超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。
第四节 过渡过程和品质指标
五种重要品质指标之二
（2）衰减比
衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的 比。习惯表示为 n:1，一般 n 取为4～10之间为宜。
第四节 过渡过程和品质指标
五种重要品质指标之三
（ 3 ） 余差
当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与 给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终 了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应 的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。
例题分析
某一电压表在稳定时能够准确显示被测电压值。在 被测电压突然变化时,指针来回摆动,最后能够稳定在被 测数值上。假定指示系统的衰减比为4:1，当电压突然 由0上升到220V后,指针最高能摆到252V。问经三次摆动, 指针能到多少伏 (即第三个波峰值)。
例题分析
解：由于第一个波峰离开稳态值为 252 - 220 = 32 (V)
h0 _
杠杆系统
塞子
水箱
h
浮球
第六节 管道及仪表流程图
连接线
通用的仪表信号线和能源线的符号是细实线。连 接线表示相连及交叉时，可采用图（a）（b）形式。 在复杂系统中，当有必要表明信息流动方向时，应在 信号线符号上加箭头,如图(c)所示。
(a)
(b)
(c)
仪表安装位置的图形符号表示
序 号
安装位置 图形符号
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要
液位自动控制图
第一节 自动控制系统的组成
液位自动控制
常用术语 被控对象：需要实现控制的设备、机械和生产过程 被控变量：对象内要求保持一定数值的物理量，即输出量 控制变量：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值 的物料和能量 干扰：除控制变量以外，作用于对象并引起被控变量变化 的一切因素 给定值：工艺规定被控变量所要保持的数值 偏差：设定值与测量值之差