自动控制系统的基本概念
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的基本概念自动控制系统是指能够接受输入信号，并对输出信号进行调节以控制设备或进程的一种系统。
它在工业、交通、军事、医疗等许多领域中得到广泛应用。
本文将以自动控制系统的基本概念为主题，介绍其定义、组成要素以及工作原理。
一、定义自动控制系统是根据设定的目标和规则，通过测量和比较反馈信号与目标信号的差异，以闭环控制模式下进行调节的系统。
它的目标是使输出信号尽量接近设定值，从而实现对被控对象的稳定控制。
二、组成要素1. 输入信号：输入信号来源于外界环境或人为设定，作为系统的参考，用于与反馈信号进行比较分析。
2. 反馈信号：反馈信号是根据被控对象的输出结果，通过传感器测量得到的实际信号，用于对输入信号进行调节。
3. 控制器：控制器是自动控制系统的核心部件，负责根据输入信号和反馈信号进行计算和逻辑判断，并输出控制信号。
4. 执行机构：执行机构接收控制信号，根据信号调节设备或进程的运行状态，将输入信号转化为输出信号。
5. 被控对象：被控对象是自动控制系统中需要调节或控制的设备、过程或系统。
三、工作原理自动控制系统的工作原理可以分为开环控制和闭环控制两种模式。
1. 开环控制开环控制是指控制器仅根据输入信号进行调节，不考虑反馈信号的影响。
它的工作模式简单，但对外界干扰和被控对象的变化敏感。
开环控制常用于对被控对象的要求较低或误差可以容忍的场景下。
2. 闭环控制闭环控制是指控制器根据输入信号和反馈信号进行比较分析后进行调节。
它能够实时捕捉到被控对象的实际状态，并根据误差进行修正，使输出信号更加接近设定值。
闭环控制具有稳定性强、适应性好的特点，广泛应用于需要高精度控制的场景。
在闭环控制中，控制器会根据输入信号和反馈信号之间的差异进行计算和判断，输出相应的控制信号，通过执行机构对被控对象进行调节。
这个过程是一个持续反馈、修正的过程，直至输出信号接近设定值为止。
通过不断的比较和调节，自动控制系统能够实现对被控对象的准确控制。
自动控制原理概念最全整理
自动控制原理概念最全整理自动控制原理是研究系统和设备自动控制的基本原理和方法的学科领域。
它主要包括控制系统的基本概念、控制器的设计和调节、稳定性、系统传递函数、校正方法、系统的自动调节、闭环控制与开环控制等内容。
以下是对自动控制原理的概念的全面整理。
1.自动控制的基本概念自动控制指的是通过一定的控制手段，使控制系统能够根据设定的要求，对被控对象进行准确稳定的控制。
自动控制系统由输入、输出、控制器、执行机构和被控对象组成。
2.控制器的设计和调节控制器是自动控制系统中的核心部分，它接收输入信号并计算输出信号，以实现对被控对象的控制。
控制器的设计和调节包括选择合适的控制算法和参数调节方法。
3.稳定性稳定性是指系统在外部扰动或内部变化的情况下，仍能保持预期的输出。
稳定性分为绝对稳定和相对稳定，通过研究系统的稳定性可判断系统是否具有良好的控制性能。
4.系统传递函数系统传递函数是表征系统输入与输出关系的数学模型，它可以描述系统动态行为和频率响应特性。
通过系统传递函数可以进行系统分析和设计。
5.校正方法校正方法是指通过校正装置对被控对象的特性进行矫正，以提高系统的控制性能。
常见的校正方法包括开环校正和闭环校正。
6.系统的自动调节系统的自动调节是指通过自动调节装置，根据系统的输出信号和设定值之间的差异进行调节，以实现系统输出的稳定和准确。
7.闭环控制与开环控制闭环控制是指根据系统的反馈信号来调整控制器输出的控制方式，它具有较好的稳定性和抗干扰能力。
开环控制是指根据设定值直接进行控制，不考虑系统的反馈信号。
闭环控制和开环控制都有各自的适用范围和优劣势。
自动控制原理是现代工程领域中的重要学科，它在自动化生产、航空航天、机械制造、交通运输、电力系统等领域都有广泛应用。
通过深入理解和应用自动控制原理，可以提高系统的效率、准确性和稳定性，实现自动化生产和智能化控制。
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
自动控制的原理、系统构成及应用
系统可靠性
在许多关键领域，如航空航天、核能等，自动控制系统的可靠性至关重要。如何提高系 统的可靠性，降低故障概率，是自动控制领域的重要研究课题。
人工智能与自动控制的融合发展
深度学习
深度学习是人工智能领域的重要分支，其在 自动控制领域的应用也日益广泛。如何利用 深度学习技术优化控制策略，提高控制精度 和稳定性，是当前研究的热点问题。
Байду номын сангаас
强化学习
强化学习是人工智能领域的另一重要分支， 其与自动控制的结合也具有广阔的应用前景 。如何利用强化学习技术实现智能控制，提 高系统的自适应性和鲁棒性，是未来研究的
重点方向。
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详细描述
智能家居系统通过集成各种家居设备，如照明、空调、门窗等，实现集中控制 和远程控制。用户可以通过手机、平板电脑等终端设备随时随地控制家居设备， 实现智能化管理，提高生活品质和舒适度。
交通运
总结词
交通运输领域中，自动控制系统用于提 高交通工具的安全性、效率和可靠性。
VS
详细描述
在交通运输领域，自动控制系统广泛应用 于航空、铁路、公路和航运等交通工具中 。例如，飞机自动驾驶系统能够自动控制 飞行姿态、速度和高度等参数，提高飞行 安全性和效率；智能交通系统能够实时监 测交通状况、优化信号灯控制和路线规划 ，提高道路通行效率和减少交通拥堵。
随着人工智能技术的发展，智能控制在自动 控制领域的应用越来越广泛。如何将智能控 制与其他控制策略相结合，实现更高效、更 智能的控制，是当前研究的热点问题。
控制系统的安全性问题
网络安全
随着网络技术的发展，自动控制系统与网络的结合越来越紧密，网络安全问题也日益突 出。如何保证自动控制系统的网络安全，防止黑客攻击和数据泄露，是当前亟待解决的
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
自动控制原理基本概念知识点总结
自动控制原理基本概念知识点总结自动控制原理是现代控制工程的基础理论，研究自动控制系统的建模、分析与设计方法。
掌握自动控制原理的基本概念对于理解和应用控制技术起着重要的作用。
本文将对自动控制原理的基本概念知识点进行总结。
一、控制系统基本概念1.1 控制系统的定义控制系统是通过对被控制对象施加命令，以达到预期目标的系统。
它由输入信号、输出信号、被控制对象和控制器等组成。
1.2 开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统是指控制器的输出不受被控制对象的反馈信号影响的控制系统。
闭环控制系统是指控制器的输出受到被控制对象的反馈信号影响的控制系统。
1.3 正反馈与负反馈正反馈是指系统的输出信号与输入信号同方向，有放大的作用；负反馈是指系统的输出信号与输入信号反向，有稳定的作用。
二、控制系统的数学描述2.1 传递函数传递函数是用来描述控制系统输入与输出之间的关系的数学模型。
它通常由拉普拉斯变换或者Z变换得到。
2.2 系统的稳定性系统的稳定性是指当系统受到扰动或者参数变化时，输出信号是否趋于有限，并且不出现无穷大的情况。
2.3 时域指标时域指标包括超调量、调节时间、上升时间等，用来衡量系统的动态性能。
三、控制系统的设计方法3.1 PID控制器PID控制器是最常用的一种控制器，它由比例项、积分项和微分项组成，可用于调节系统的稳态误差、快速响应和抑制振荡。
3.2 稳态误差补偿稳态误差补偿方法用于减小系统在达到稳态时的误差，例如使用积分控制器。
3.3 根轨迹法根轨迹法是一种用于分析系统稳定性和性能的图形法，它通过在复平面上绘制传递函数的极点和零点来描述系统的特性。
四、控制系统的稳定性分析4.1 极点配置法极点配置法是一种通过调整系统的极点位置来改变系统的动态响应，从而实现稳定性分析和改进的方法。
4.2 Nyquist准则Nyquist准则是一种通过绘制传递函数的频率响应曲线，并通过判断曲线与负实轴交点的数量来判断系统稳定性的方法。
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的基本概念一、调节对象、被调参数、调节参数、调节通道。
1什么是调节对象？在生产过程中被控制的设备或机器。
2.什么是被调参数？指调节对象中的应保持在预定化幅度内并把它进行调节的参数。
3.什么是调节参数？指作用于调节对象并使被调参数趋于稳定的参数。
4.什么是干扰？是指破坏系统平衡状态而引起被调参数变化的外界因素。
5.什么是干扰通道？是由干扰产生点到被调参数之间的所有环节称干扰通道。
二、调节规律、变送器、调节器、执行器。
1什么是调节规律？就是指调节器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律。
在研究调节器的调节规律时，将调节器从系统中断开，单独研究调节器的输出信号与输入信号的关系。
在分析调节器的调节规律时，通常在调节器的输入端加入一个阶跃信号，即突然出现某一偏偏差时，输出信号随阶跃输入信号的变化规律。
调节器的调节规律实际上表征调节器的动态特性，可以用传递函数的形式来描述。
调节器的基本调节规律是比例(P)、积分(I)、微分(D)及其组合。
6.什么是变送器？变送器在自动检测和调节系统中的作用，是将各种工艺参数，如压力、差压、温度、流量、液位、成分等物理量变换成相应的统一标准信号，再传送到指示记录仪、运算器和调节器，供指示、记录、调节。
按照被测参数分类，变送器主要有：差压变送器、压力变送器、温度变送器、流量变送器等。
构成：通常由输入转换部分、放大器和反馈部分组成。
输入转换部分包括敏感元件，他的作用是感测被测参数，并把被测参数转换成某一中间模拟量。
中间量可以是电压、电流、位移和作用力等物理量。
反馈部分把变送器的输出信号转换成反馈信号。
放大器把中间模拟量和反馈量的差值放大，并转换成标准输出信号。
3.什么是调节器？调节器通常是对输入信号与给定信号之偏差进行PID运算，并把运算结果以统一信号送到执行器，实现自动调节。
调节器必须有检测偏差和进行PID运算的两个关键部分。
偏差检测电路一般称为输入电路。
偏差信号通常采用电压形式，所以输入信号和给定信号在输入电路内都以电压形式进行比较。
自动控制系统基本概念
热工自动控制系统基本概念1．自动控制的组成调节器，执行机构，测量变送器，被控对象调节器的作用接受主信号和测量信号之间的偏差信号，进行一定规律的运算后产生一个调节信号送给执行机构执行机构通常包括执行器和阀门，它能接受执行机构送来的信号去完成被控对象的控制任务测量变送器由测量元件和变送器组成，是把非电量信号转成能进行控制的电量信号被控对象指需要进行控制的设备或生产过程，被控对象需要进行控制的物理量就叫被控量2．被控对象的动态特性被控对象的动态特性根据热工对象分：有自平衡和无自平衡有自平衡：给某热工对象加一扰动，不需外加调节凭自己的特性就能恢复到一个新的稳态无自平衡：给某热工对象加一扰动，不需外加调节凭自己的特性就能恢复到一个新的稳态y(∞x(t)YY(τ动态特性的描述：放大倍数：（K）为对象阶跃响应的终值Y（∞）除以阶跃扰动幅值ΔZ自平衡率：（ρ）为放大倍数的倒数迟延时间：（τ）时间常数：（Tc）飞升速度：（ε）K/Tc有自平衡能力的对象数学描述：Wd（s）=K/（1+Ts）nK为放大倍数，T为时间常数，n为阶数。
n≈[1.075t1/(t2-t1)+0.5]2T≈(t1+t2)/2.16nt1为0.4Y(∞)时对应的时间t2为0.8Y(∞)时对应的时间无自平衡能力的对象数学描述:Wd(s)=ε/s(1+Ts)n=1/Tas(1+Ts)nTa为飞升时间，Ta与ε互为倒数n≈1/12л*（Y0/Yτ）2Ta=1/ε=ΔZ*Tτ/ Y0 T= Tτ/n自动控制的基本方式1.开环控制被控量不影响系统控制的控制方式2.闭环控制被控量参与系统的空制方式，又称反馈控制热工对象的动态特性分类热工对象的动态特性分为两大类。
1．有自平衡能力对象。
其特点为：阶跃输入时，其输出（被控量）从零开始变化，变化速度越来越快，至最大变化速度（响应曲线有拐点），然后变化速度逐渐减慢，直至趋于某一常数（速度为零），即稳定到新的平衡值。
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2. 被控量/输出量c(t)：指被控对象中要 求按一定规律变化的物理量，它与输入量 之间保持一定的函数关系。
3. 控制器：又称调节器、控制装置，由 控制元件组成，它接受指令信号，输出控 制信号。
4.
给
定
给 定
值值/
指
出水阀开度 n(t )
e(t )
脑
手 m(t)
令信号r(t)/输入
水箱
眼 简易控制框图
较完善的水位自动控制
第一章 自动控制概论
电位器
减速器
ua
ue
放大器
图1－3 较完善的水位自动控制系统
特点：无论出水量如何变化，最终的控制结果总能使 系统回归设定的期望水位。
给
一、技术术定值语
脑脑
手
水箱 被控对象
水位
c(t )
1. 被控对象:是指要求实现眼 自动控制的机 器、设备或生产控过制装程置。
自动控制理论的发展
❖ 自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的 过程中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控 制技术的基础理论，是研究自动控制系统共同规 律的技术科学。
❖ 按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为 经典控制理论和现代控制理论两大部分。
❖ 40~50年代 经典控制理论
❖
适用范围：单输入单输出（SISO）系统
2.按干扰补偿/顺馈控制
测量
计算
执行
干扰
+
被控对象
被控量
图1.9 按干扰补偿框图
只能对可测的干扰进行补偿。
三、复合控制：闭环控制+开环控制
给定值
计算
-
计算 执行
干扰 测量
+
被控对象
被控量
测量
图1.10 复合控制框图
四、控制系统的分按类控制方式分类：
1、 按输入信号的特征分类 1. 闭环控制系统
❖ 主要方法：状态空间法 ❖ 数学基础：矩阵理论
MIMO: Multi-Input and Multi-Output
人工控制与自动控制
第一章 自动控制概论
控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。 a、人工控制：
人工控 制水位 保持恒 定的供 水系统：
第一章 自动控制概论
人工控制（续）
•要求：在出水量随意的条件下，保持水位高度不
变。
•人工控制过程： 眼：测量实际液位H 。 ——检测过程。 脑：将实际液位H 和期望液位相比较，根
据两者偏差的正负及大小作出决策。 ——比较、分析、决策过程。
手：执行大脑命令，调节阀门开度。 ——执行过程。
•控制过程就是重复地进行测量、求偏差、实施控 制以减少或消除偏差的过程。
给
定 值
脑
手
水位 水箱
一、闭环控制
干扰
给定值
+
被控量
比较、计算
执行
被控对象
-
测量
图1.7 闭环控制框图
闭环控制也被称作反馈控制、偏差控制。
闭环控制有三大特点：
1. 信号按箭头方向传递是封闭的(闭环) 2. 负反馈 3. 按偏差控制，控制的目的是减小或消除偏差。
闭环控制的主要优点：
控制精度高，抗干扰能力强。
缺点：
使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都 比较麻烦。
量被：控对控象
水位
制 c(t
)
着输出量变r(化t) 规律的b信(t) 号。眼
5. 干扰信号n(t)：又称简扰易控动制框值图，是一种对
系统的控制起破坏作用的信号。
6. 反馈信号b(t)：- 是指被控量经测量元件
检测后回馈送到系统输入端的信号。
7. 偏差信号e(t)：指令信号与反馈信号
的差值。
8. 控制信号m(t)：由控制器发出直接作
1.恒值系统
2.程控系统
2. 开环控制系统
2、 按描述元件的动态方程分类 dn y d3n.1y随动系dy 统
an dtn an1 dtn1 L a1 dt a0 y(t)
bm
dmx dt m
bm1
d m1x dt m1
L3.
b1复ddxt 合b0x控(t) 制(m系 n统)
1.线性系统：系统方程中输入/输出及其各阶导数均为一次 2.非线性系统
主要方法：时域法、根轨迹法、频域法
❖ 数学基础：微分方程、拉普拉斯变换
SISO: Single Input and Single Output
❖ 60 ~70年代 现代控制理论（状态空间法） 核心：状态变量的能控、能观性， 系统性能的最优化 适用范围： 统一处理SISO、MIMO系统、时 变系统、定常系统等
用于被控对象的信号。
二、自动控制的任务
r(t) 控制器
c(t) 被控对象
在没有人直接参与下，利用控制器操纵 被控对象，使被控量按照给定值的规律 变化。或
上式是自动控制任务的数学表达式。
三、反馈控制原理
在反馈控制系统中，控制器对被控对象施加控 制作用，而控制器接受的信号是取自被控量的 反馈信号与给定值相比较生成的偏差，根据偏 差产生控制作用，实现控制任务。
二、开环控制: 无闭合回路
1. 按给定值控制
给定值 计算干扰+被控量执行被控对象
图1.8 开环控制框图
特点：简单，控制精度低，无抗干扰能力。 优点：结构简单，成本低。
第一章 自动控制概论
例如：直流电机恒速控制系统。
任务是控制电机以恒定的转速带动负载。
ur
放 大
ur
Mc
放大
图1－4 直流电机恒速控制系统方框图
3、按信号的传递是否连续分类
1.连续控制系统 2.离散控制系统
4、 按系统参数是否随时间变化分类
1.定常系统
系统中的参数不随时间变化，ai ,bj 为常量。
2.时变系统
系统中有参数随时间而变化，ai ,bj 不全为常量。
dny
d n1 y
dy
dmx
d m1x
dx
an dtn an1 dtn1 L a1 dt a0 y(t) bm dtm bm1 dtm1 L b1 dt b0 x(t) (m n)
自动控制技术的应用
近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展， 并在工农业生产、交通运输、国防建设和航空航天 等领域中获得广泛应用。
人造卫星轨道姿态的控制 导弹的准确击中目标
交通灯 的控制
v转 速 v控 制
自动包装机器人
温度 控制
……………… 总之，控制技术无处不在。
只要是能够替代人来完成某种事情的系统或设备， 均有自动控制技术的存在。尽管自动控制系统各式 各样，结构和用途各不相同，但将它们抽象之后的 基本原理都是一样的。
反馈控制系统的特点
❖ （1）在结构上，系统具有反馈装置，目的是 取得偏差信号。
❖ （2）根据偏差产生控制作用。 ❖ （3）控制的目的是力图减小或消除偏差，使
被控量尽量接近期望值。
四、控制系统的职能方框图
给定值
+
比较、放大
-
测量 执行 测量
干扰
+
被控对象
被控量
图1.4 控制系统职能方框图
1-2 自动控制的基本方式及分类