自动控制系统概述B
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自动控制系统基本概念
32
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
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
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（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
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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
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PID控制器输出特性
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(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
自动控制原理与系统
二、系统的稳态性能： 系统从一个稳定状态过渡到新的稳定状态后，会 出现偏差，称为稳态误差ess。ess=0,系统称为无静差 系统。否则称为有静差系统。稳态误差的大小反映了 系统的稳态精度，表征系统的准确程度。
t
0
1
输入r(t)
t
0
1
输入c(t)
1
2
理想的
实际
ess
01
任何实际系统从原平衡状态到达新的平衡状
03
入端，以增强或减弱输入信号的效应。
04
闭环控制系统：
例2.引入闭环控制后的直流电机转速控制系统
电
压
放
大
器
可
控
硅
功
放
负载
△u
k
u
a
u
n
+
M
R
Us
uf
G
方框图
电位器
电压 放大器
可控硅 放大器
直流 电动机
测速机
us
uf
uk
-
n
扰动
ua
转速负反馈的作用：引入测速发电机后，当外来 的电网电压波动使电机的转速发生变化时，测速发电 机会将变化的情况反馈到比较环节，系统作出相应调 节，最终控制转速稳定。
振荡次数 N：指在调整时间内，输出量在稳
性能指标是衡量自动控制系统技术品质的客
01
观标准，也是定货、验收的基本依据。对性能指
02
标的要求，在同一系统中往往相互矛盾；性能指
03
标要求过高，成本会大幅增加；因此要统筹兼顾。
04
建立数学模型
定性分析：弄清工作原理
1-6 研究自动控制系统的方法
定量分析：静、动态指标
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
第一章 自动控制系统概述
回章首
回节首
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
回章首
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。
回章首 回节首
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
回章首
回节首
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。
自动控制原理概述
自自自动动动控控制制原给得理定特值得征主:要任务:
被控量
控制分通析过和对设各计类自机控动器制器控、制各系种受统物控对得理象性参能量。、工
自业动示生图控下意产制面过系通程统过等得一得基些控本实制概例直念来接检说造测明福元自于件 动社控会制。和
第一节 自动控制与自动控制系统
例 水温人工控制系统 系工统作得过构程成: : 受控手蒸对动汽象调通:水箱 节被过阀控热门制传得导量开器:水温 度件,把从热而阀量调门传节 蒸递热汽给传得水导流,水器量得件, 来温控度显制与示水蒸仪得汽表 温得蒸度流汽、量成排正水 比冷、水但人工热难水以实现稳定得高质量控制、
第二节 自动控制系统得分类
三、连续系统和离散系统
连续系统:
系统中各部分得信号都就是时间得连 续函数即模拟量。
离散系统: 系统中有一处或多处信号为时间得离 散函数,如脉冲或数码信号。 若系统中既有模拟量也有离散信号, 则又可称之为采样系统。
第二节 自动控制系统得分类
四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统
前馈补偿控制
前馈通道
主通道
给定值 _ 控制器
被控 制量
受控对象
检测元件
反馈控制
第一节 自动控制与自动控制系统
(b) 按扰动前馈补偿得复合控制
前馈补偿控制
扰动
主通道
前馈通道
被控
制量
给定值 _ 控制器
受控对象
检测元件
反馈控制
第一章 概 述
第二节 自动控制系统得分类
自动控制系统得分类方法较多,常见 得有以下几种
自动控制原理概述
第一章 概述
第一节 自动控制与自动控制系统
一、自动控制得基本概念 二、控制系统得基本构成
自动控制系统概述
自动控制就是在没有人的直接参与的情况下，利用
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。
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。
自动控制理论
⾃动控制理论第⼀章⾃动控制系统概述1、组成⾃动控制系统的基本元件或装置有哪些？各环节的作⽤？控制系统是由控制对象和控制装置组成，控制装置包括：(1) 给定环节给出与期望的输出相对应的系统输⼊量。
(2) 测量变送环节⽤来检测被控量的实际值，测量变送环节⼀般也称为反馈环节。
(3) ⽐较环节其作⽤是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给出的输⼊值进⾏⽐较，求出它们之间的偏差。
(4) 放⼤变换环节将⽐较微弱的偏差信号加以放⼤，以⾜够的功率来推动执⾏机构或被控对象。
(5) 执⾏环节直接推动被控对象，使其被控量发⽣变化。
常见的执⾏元件有阀门，伺服电动机等。
2、什么是被控对象、被控量、控制量、给定量、⼲扰量？举例说明。
被控对象指需要给以控制的机器、设备或⽣产过程。
被控量指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量，被控量⼜称输出量、输出信号。
控制量也称操纵量，是⼀种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值。
给定值是作⽤于⾃动控制系统的输⼊端并作为控制依据的物理量。
给定值⼜称输⼊信号、输⼊指令、参考输⼊。
除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是⼲扰，⼲扰⼜称扰动。
⽐如⼀个⽔箱液位控制系统，其控制对象为⽔箱，被控量为⽔箱的⽔位，给定量是⽔箱的期望⽔位。
3、⾃动控制系统的控制⽅式有哪些？⾃动控制系统的控制⽅式有开环控制、闭环控制与复合控制。
4、什么是闭环控制、复合控制？与开环控制有什么不同？若系统的输出量不返送到系统的输⼊端（只有输⼊到输出的前向通道），则称这类系统为开环控制系统。
在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作⽤，若能取⾃被控量的反馈信息（有输出到输⼊的反馈通道），即根据实际输出来修正控制作⽤，实现对被控对象进⾏控制的任务，这种控制原理被称为反馈控制原理。
复合控制是闭环控制和开环控制相结合的⼀种⽅式，既有前馈通道，⼜有反馈通道。
5、⾃动控制系统的分类（按元件特性分、按输⼊信号的变化规律、按系统传输信号的性质）？按系统输⼊信号的时间特性进⾏分类，可分为恒值控制系统和随动系统。
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。
自动控制技术(整理)
n
B1 B2
B1 B2 B1
n>1:衰减振荡。n 越大，则控制系统的稳定度也越高，当 n 趋于无穷大时， 控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。 n=1:等幅振荡。 n<1:发散振荡。n 越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低， 根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左 右，与此对应的衰减比在 4:1 到 10:1 的范围内。
（3）余差
e
e r y ()
定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。 余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零， 或不超过预定的范围。在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程
e r y () C 的要求，并不是越小越好，上例中
（4）过渡过程的长短。
定义： 控制系统在受到阶跃外作用后， 被控变量从原有稳态值达到新 的稳态值所需要的时间。 理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间 实际上，被控变量接近于新稳态值的 5% 或 3% 或 2% 的范围 内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般希望过渡 时间短一些。 （5）振荡频率（或振荡周期）
自动控制示例 控制变量： 受控制器操纵的用以 克服干扰的影响， 使被控变量保 持设定值的物理量(水的流量) 扰动： 除操纵变量外， 作用于被 控过程并引起被控变量变化的 因素 (水压力、蒸汽压力) 设定值： 工艺参数所要求保持的 术语 数值 被控过程（被控对象） ：自动控 偏差： 被控变量设定值与实际值 制系统中， 工艺参数需要控制的 之差 生产过程、 设备或机器。 （气泡） 负反馈： 将被控变量送回输入端 被控变量： 被控过程内要求保持 并与输入变量相减 设定值的工艺参数(气泡液位)
自动控制系统概述
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：
+
自动化控制系统设计方案
自动化控制系统设计方案一、引言自动化控制系统是一种利用电子技术、通信技术和计算机技术，对工业过程进行监测、控制和优化的系统。
本文将详细介绍自动化控制系统设计方案，包括系统架构、硬件设备、软件开发和系统测试等内容。
二、系统架构1. 系统概述该自动化控制系统设计方案旨在实现对工业过程的实时监测和自动控制。
系统采用分布式控制架构，包括传感器、执行器、控制器和上位机等组件。
2. 硬件设备（1）传感器：采用多种传感器，如温度传感器、压力传感器、流量传感器等，用于实时获取工业过程的各种参数。
（2）执行器：根据控制信号执行相应的动作，如电动阀门、电机等。
（3）控制器：采用可编程逻辑控制器（PLC）作为核心控制设备，通过编程实现对传感器和执行器的控制。
（4）上位机：用于人机交互，提供图形界面显示实时数据、报警信息和历史记录等。
3. 软件开发（1）PLC编程：根据工业过程的需求，设计并编写PLC程序，实现对传感器和执行器的控制逻辑。
（2）上位机软件开发：采用现代化的软件开发工具，设计并开发上位机软件，实现对系统的监测、控制和数据分析等功能。
三、系统功能1. 实时监测：通过传感器获取工业过程的各种参数，并实时显示在上位机界面上，包括温度、压力、流量等。
2. 自动控制：根据设定的控制策略，通过控制器对执行器进行控制，实现对工业过程的自动化控制。
3. 报警与故障诊断：当系统检测到异常情况时，自动发出报警，并提供相应的故障诊断信息，方便及时处理。
4. 数据记录与分析：系统能够记录历史数据，并提供数据分析功能，帮助用户优化工业过程的运行效率。
四、系统测试为确保系统的稳定性和可靠性，需要进行系统测试。
测试内容包括功能测试、性能测试和可靠性测试等。
通过模拟真实工业过程进行测试，验证系统设计方案的正确性和可行性。
五、总结通过本文对自动化控制系统设计方案的详细介绍，我们可以清晰了解到该方案的系统架构、硬件设备、软件开发和系统测试等方面的内容。
自动控制系统概述
以上统称：经典控制理论。
此阶段，经历了第一，二次工业革命，大工业时代，炼钢，机械，电力等飞速发展， 第一，二次大战，雷达，大炮，飞机等发明和广泛应用更加这种飞速发展。
（三）60年代以来，以极大值原理，动态规划，卡尔曼滤波和系统辩识，尤其是 状态空间法，解决复杂的多输入、输出问题，直到现在的：非线性，最优控制， 系统辩识、自适应控制等，该阶段称为现代控制理论；自动控制普遍用于工业， 如炼钢，石化，发电，供电，国防，计算机出现为复杂问题的时域解提供可能， 自动控制成功应用于航空，航天、核工业、乃至社会、经济等尖端领域，自动 化发展高峰。
（五）我国历史和现状
我国起步晚，在现代科学史上没有占据一席之地。
1954年钱学森所著《工程控制论》一书英文版问世﹐第一次用这一名词称呼在 工程设计和实验中能够直接应用的关于受控工程系统的理论﹑概念和方法。随 着该书的迅速传播(俄文版1956年﹐德文版1957年﹐中文版1958年)﹐该书 中给这一学科所赋予的含义和研究的范围很快为世界科学技术界所接受。 80 年代普遍开展教学和研究，但基础工业落后，以原料到生产，各方面落后，从 自动化的材料、元件、系统和技术各方面都与发达国家有较大差距。
5
整理ppt
第一章 自动控制系统概述
是自动化类、信息类的必修课，主干课，将具体元件根据自动控制原理组成、针对具体 控制对象的系统，包括：
1.研究一般规律：通过分析、研究各种具体系统的一般规律，控制本身是一种工具，它 不局限于某个系统，控制理论作为自动控制的基础理论，具有普适性，好比微积分、 线性代数，任何领域都可拿来用从物理特性和规律出发，但不局限于物理规律，而是 找出共同规律使之能更广泛的应用 ；同时又有很强的应用背景，但联系实际有具体意 义，和一般数学等不同。
此阶段，经历了第一，二次工业革命，大工业时代，炼钢，机械，电力等飞速发展， 第一，二次大战，雷达，大炮，飞机等发明和广泛应用更加这种飞速发展。
（三）60年代以来，以极大值原理，动态规划，卡尔曼滤波和系统辩识，尤其是 状态空间法，解决复杂的多输入、输出问题，直到现在的：非线性，最优控制， 系统辩识、自适应控制等，该阶段称为现代控制理论；自动控制普遍用于工业， 如炼钢，石化，发电，供电，国防，计算机出现为复杂问题的时域解提供可能， 自动控制成功应用于航空，航天、核工业、乃至社会、经济等尖端领域，自动 化发展高峰。
（五）我国历史和现状
我国起步晚，在现代科学史上没有占据一席之地。
1954年钱学森所著《工程控制论》一书英文版问世﹐第一次用这一名词称呼在 工程设计和实验中能够直接应用的关于受控工程系统的理论﹑概念和方法。随 着该书的迅速传播(俄文版1956年﹐德文版1957年﹐中文版1958年)﹐该书 中给这一学科所赋予的含义和研究的范围很快为世界科学技术界所接受。 80 年代普遍开展教学和研究，但基础工业落后，以原料到生产，各方面落后，从 自动化的材料、元件、系统和技术各方面都与发达国家有较大差距。
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第一章 自动控制系统概述
是自动化类、信息类的必修课，主干课，将具体元件根据自动控制原理组成、针对具体 控制对象的系统，包括：
1.研究一般规律：通过分析、研究各种具体系统的一般规律，控制本身是一种工具，它 不局限于某个系统，控制理论作为自动控制的基础理论，具有普适性，好比微积分、 线性代数，任何领域都可拿来用从物理特性和规律出发，但不局限于物理规律，而是 找出共同规律使之能更广泛的应用 ；同时又有很强的应用背景，但联系实际有具体意 义，和一般数学等不同。
自动化控制系统的架构与实现
人机界面软件
实现人机界面功能，提供友好、直观的操作 界面。
数据处理软件
对采集的数据进行预处理、分析、存储等操 作。
网络架构
控制网络
01
连接控制器、传感器、执行机构等设备，传输控制信号和检测
信号。
监控网络
02
连接操作员站、工程师站等设备，传输监控信号和指令信号。
通讯协议
03
采用标准的通讯协议，如Modbus、Profinet等，保证不同设备
特点
自动化控制系统具有高效、准确、快 速、可重复等优点，能够大大提高生 产效率和管理水平，减少人力成本。
自动化控制系统的应用领域
1 2 3
工业自动化
自动化控制系统广泛应用于制造业、化工、电力 等行业的生产过程中，实现设备的自动化控制和 生产线的智能化管理。
智能家居
自动化控制系统用于智能家居领域，实现家庭设 备的远程控制、自动化控制和智能化管理，提高 生活品质。
详细描述
智能家居控制系统通常采用集中控制或无线控制方式，通过智能设备、传感器和执行器 等设备实现家庭环境的监控、控制和自动化管理。例如，通过智能音箱或手机APP控制 灯光、空调、门窗等设备的开关和调节，以及实现家庭安全监控、能源管理和家庭娱乐
等功能。
案例二：工业自动化生产线控制系统
总结词
工业自动化生产线控制系统是实现工业 生产自动化的关键，能够提高生产效率 、降低成本和减少人工干预。
传感器信号处理
传感器输出的信号通常需要进行处理和转换，以便于后续的信号处理和控制系统使用。常见的信号处理 技术包括信号放大、滤波、模数转换等。
执行器技术
执行器类型
执行器是自动化控制系统中的另一个重要组成部分，用于实现控 制系统的输出。常见的执行器类型包括电动执行器、气动执行器
船舶电气与自动化(一)2024
船舶电气与自动化（一）引言：
船舶电气与自动化是现代船舶领域中的重要技术，它涉及到船舶的电力系统和自动控制系统。
本文将从五个大点来阐述船舶电气与自动化的相关内容。
正文：
一、船舶电力系统
1.电力系统概述
a.船舶电力系统的基本组成
b.电力系统的主要作用和功能
2.船舶发电机组
a.发电机组的类型和特点
b.发电机组的选型和布置
3.电气配电系统
a.直流配电系统和交流配电系统的特点
b.船舶电气配电系统的设计原则和方法
4.电动机与驱动系统
a.主要的电动机类型和应用领域
b.电动机驱动系统的控制方式和特点
5.电力负载
a.船舶电力负载的分类和需求
b.电力负载的计算和分配原则
二、船舶自动控制系统
1.自动控制系统概述
a.自动控制系统的基本原理和功能
b.船舶自动控制系统的特点和需求
2.船舶自动化系统
a.船舶自动化系统的主要组成部分
b.船舶自动化系统的控制策略和方法
3.监测与传感系统
a.船舶监测系统的重要性和作用
b.船舶传感器的种类和安装原则
4.船舶动力控制系统
a.船舶动力控制系统的结构和功能
b.船舶动力控制系统的性能要求和优化策略
5.船舶导航与位置控制系统
a.船舶导航与位置控制系统的基本原理
b.船舶导航与位置控制系统的可靠性和安全性要求
总结：
船舶电气与自动化是现代船舶中不可或缺的重要技术。
船舶电力系统的设计和运行可以确保船舶的电力供应可靠稳定，而船舶自动控制系统则可以提高船舶的安全性和航行效率。
了解船舶电气与
自动化的相关内容对于船舶工程师和船舶操作人员来说是非常重要的。
自动控制原理课件ppt
03
非线性控制系统
非线性控制系统的特点
非线性特性
01
非线性控制系统的输出与输入之间存在非线性关系，
如放大器、继电器等。
复杂的动力学行为
02 非线性控制系统具有复杂的动力学行为，如混沌、分
叉、稳定和不稳定等。
参数变化范围广
03
非线性控制系统的参数变化范围很广，如电阻、电容
、电感等。
非线性控制系统的数学模型
线性控制系统的性能指标与评价
性能指标
衡量一个控制系统性能的好坏，需要使用一些性能指标，如响应时间、超调量、稳态误差等。
性能分析
通过分析系统的性能指标，可以评价一个控制系统的优劣。例如，响应时间短、超调量小、稳态误差小的系统性能较 好。
系统优化
根据性能分析的结果，可以对控制系统进行优化设计，提高控制系统的性能指标。例如，可以通过调整 控制器的参数，减小超调量；或者通过改变系统的结构，减小稳态误差。
。
采样控制系统的数学模型
描述函数法
描述函数法是一种分析采样控制系统的常用方法，通过将连续时间 函数离散化，用差分方程来描述系统的动态特性。
z变换法
z变换法是一种将离散时间信号变换为复平面上的函数的方法，可 用于分析采样控制系统的稳定性和性能。
状态空间法
状态空间法是一种基于系统状态变量的方法，可以用于分析复杂的采 样控制系统。
航空航天领域中的应用
总结词
高精度、高可靠性、高安全性
详细描述
自动控制原理在航空航天领域中的应用至关重要。例如 ，在飞机系统中，通过使用自动控制原理，可以实现飞 机的自动驾驶和自动着陆等功能，从而提高飞行的精度 和安全性。在火箭和卫星中，通过使用自动控制原理， 可以实现推进系统的精确控制和姿态调整等功能，从而 保证火箭和卫星能够准确地进行轨道变换和定点着陆。
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第 1 章 自动控制系统概述
输输测 (控控控控)
控控器
(控控脉脉器)
执执给给
(步步电自机步力自机步)
控控控控
(工工工)
输输测 (位 角)
图 1 - 3 数控加工机床开环控制方框图
第 1 章 自动控制系统概述
2. 闭 环 控 制 系 统 (Closedloop Control System) 若系统输出量通过反馈环节返回来 作用于控制部分，形成闭合环路，则这 样的系统称为闭环控制系统，又称为反 馈控制系统(Feedback Control System)。 图1-4为电炉箱恒温自动控制系统。
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。图1-2就是一个由步进电机驱 动的数控加工机床,也是一个没有反馈环节 的开环控制系统。
1.6 自动控制系统实例
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
控控控控(加序程程)
x
步步电自机 加工加 序序序 运 数 控控器 控 控 发发器 脉脉器 步步电自机
精精力自
工工工
精精力自
工工工
y
图 1 - 2 数控加工机床示意图
第 1 章 自动控制系统概述
图1-3为数控加工机床开环控制方框 图。此系统的输入量为加工程序指令， 输出量为机床工作台的位移，系统的控 制对象为工作台，执行机构为步进电动 机和传动机构。由图可见，系统无反馈 环节，输出量并不返回来影响控制部分， 因此是开环控制。
System)
程序控制系统的特点是：输入量按照 一定的时间函数变化，并且要求输出量 随之变化。例如数控伺服系统以及一些 自动化生产线等。
第 1 章 自动控制系统概述
2. 按系统传输信号对时间的关系分类: 自动控制系统按系统传输信号对时间 的关系可分为两类: 1) 连 续 控 制 系 统 （ Continuous Control System） 连续控制系统的特点是：各元件的 输入量与输出量都是连续量（模拟量）， 因此它又称为模拟控制系统（Analogue Control System）。图1-4 所示的恒温控 制系统就是连续控制系统。连续控制系 统的运动规律通常可用微分方程来描述。
1.4 自动控制系统的分类
自动控制系统可以从不同的角度来进 行分类， 常见的有以下几种。 1. 按输入量变化的规律分类 按输入量变化的规律可分为以下三类: 1) 恒 值 控 制 系 统 (Fixed Set-Point Control
System)
恒值控制系统的特点是：系统的输入 量是恒量，并且要求系统的输出量相应地 保持恒定。
第 1 章 自动控制系统概述
为了表明自动控制系统的组成以及信 号的传递情况，通常把系统各个环节用 框图表示，并用箭头标明各作用量的传 递情况，图 1 - 7 便是图 1 - 4 所示系统 的方框图。方框图可以把系统的组成简 单明了地表达出来，而不必画出具体线 路。
第 1 章 自动控制系统概述
输输 测 给定给给 给定电位器
第 1 章 自动控制系统概述
自动控制技术的应用可以追溯到18 世纪(1788年)瓦特(Watt)利用小球离心 调速器使蒸汽机转速保持恒定的开创性 的突破， 以及19世纪(1868年)麦克斯韦 （Maxwell）对轮船摆动（稳定性）的研 究。但在初期，自动控制技术的应用进 展很缓慢。自动控制技术的真正发展是 在20世纪。
第 1 章 自动控制系统概述
2. 快速性 为了很好地完成控制任务， 控制系 统仅仅满足稳定性要求是不够的， 还必 须对其过渡过程的形式和快慢提出要求， 一般称为动态性能。 3. 准确性 理想情况下， 当过渡过程结束后， 被控量达到的稳态值（即平衡状态）应 与期望值一致。
第 1 章 自动控制系统概述
2. 机床台控制系统 机床台控制系统的工作原理如图 1 - 10 所示。 被控对象： 工作台。 被控量： 工作台的输出量——位移xo。 干扰量： 主要是元件参数的变化而引起的干扰 力矩。 测量元件： 角位移测量装置和测速机。
第 1 章 自动控制系统概述
1. 轧钢计算机控制系统 轧钢计算机控制系统的工作原理如图 1 - 8 所示。 被控对象： 轧辊。 被控量： 轧辊的输出量——厚度和张力。 干扰量： 主要是元件参数的变化而引起的干扰 力矩。 测量元件： 厚度传感器和张力传感器。 给定量： 厚度给定、 张力给定， 是人们设计 的希望值。 计算装置： 数字计算机。 执行元件： 电动机。
第 1 章 自动控制系统概述
自动控制理论通常可分为经典控制理 论、 现代控制理论和智能控制理论。 1) 经典控制理论 经典控制理论产生并发展于20世纪 40～60年代。 2) 现代控制理论 现代控制理论于20世纪60年代中期发 展成熟。 3) 智能控制理论 智能控制理论是20世纪70年代后， 控制理论向广度和深度发展的结果。
第 1 章 自动控制系统概述
2) 随 动 控 制 系 统 （ Follow-Up Control
System）
随动控制系统又称伺服系统（ ServeSystem ），其特点是：输入量是随机变 化着的，并且要求系统的输出量能跟随 输入量的变化而作出相应的变化。 3) 程 序 控 制 系 统 (Programme Control
第 1 章 自动控制系统概述
2) 离散控制 系统 (Discrete Control System) 离散控制系统又称采样数据控制系 统（Sampted-Date Control System）。 它的特点是： 系统中有的信号是脉冲序 列，或采样数据量、数字量。
第 1 章 自动控制系统概述
3. 按系统的输出量和输入量间的关系分 类: 自动控制系统按系统的输出量和输入 量间的关系可分为两类。 1) 线性系统(Liner System) 线性系统的特点是：系统全部由线性元 件组成，它的输出量与输入量间的关系 用线性微分方程来描述。
第 1 章 自动控制系统概述
直电直直电自机
Ua M
UsT
＋
给定电位器
∆U
电电放放器
功功放放器
炉度数 － ＋
T (°C)
UfT
减转器 电炉电 调电测电器
UR
过电热 工给
～220 V 加过电加滚
图 1 - 4 电炉箱恒温自动控制系统
第 1 章 自动控制系统概述
UsT
∆U
＋
电电放放
－
UfT
功功 放放
电自机
第 1 章 自动控制系统概述
由图 1 - 7 可见， 系统中的各种作用量和 被控制量包括: (1)输入量（Input Variable）：又称控制 量或参考输入量（Reference Input Variable）， 所以输入量的角标常用i(或 r)表示。 (2)输出量（Output Variable）：又称被控 制量（Controlled Variable）,所以输出量角标 常用o(或 c)表示。 (3)反馈量（Feedback Variable）： 通过 检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同且 数量级相同的信号。
第 1 章 自动控制系统概述
2) 非线性系统(Non Liner System) 非线性系统的特点是：系统中存在有 非线性元件，如具有死区、出现饱和、 含有库仑摩擦等非线性特性的元件，它 的输出量与输入量间的关系要用非线性 微分方程来描述。
第 1 章 自动控制系统概述
4. 按系统中的参数对时间的变化情况分 类 自动控制系统按系统中的参数对时间 的变化情况可分为两类。 1)定常系统（Time-Invariant System） 定常系统(又称时不变系统), 其特点是： ( ), 系统的全部参数不随时间变化，它的输 出量与输入量间的关系用定常微分方程 来描述。
第 1 章 自动控制系统概述
(4) 扰 动 量 （ Disturbance Variable ） : 又称干扰或“噪声”（Noise）， 所以扰动量 的角标常以d（或n）表示。 (5) 中 间 变 量 (Semifinisbed Variable) ： 系统中各环节之间的作用量。
第 1 章 自动控制系统概述
第 1 章 自动控制系统概述
第1章 自动控制系统概述
1.1 自动控制理论的发展史及内 容 1.2 开环控制和闭环控制 1.3 自动控制系统的组成 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 1.6 自动控制系统实例 习题
第 1 章 自动控制系统概述
1.1自动控制理论的发展史内容
自动控制是指在没有人直接参与的情况 下, 利用外加的设备或装置(称控制装置或控 制器), 使机器、 设备或生产过程(统称被控 对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自 动地按照预定的规律运行。系统是指按照 某些规律结合在一起的物体(元部件)的组合, 它们相互作用、相互依存, 并能完成一定的 任务。
减转器
调电器