第一章自动控制系统的基本概念
自动控制原理_第一章
（b）只有有限个极值点。 满足狄利赫里条件的函数 fT (t ) 在 叶级数。
T T ， 2 2
上可展成傅里
在 fT (t ) 的连续点处，级数的三角形式为
a0 fT (t ) (an cos n0t bn sin n0t ) 2 n 1
（1－1）
其中：0
《现代控制工程》（第四版）
E-mail: goulinfeng @
第一章 概 论
主要问题：
（1） 自动控制系统的基本概念
（2） 自动控制系统的分类
（3） 自动控制系统的性能指标
（4） 拉普拉斯变换简介
（5） 典型输入信号
一、自动控制系统的基本概念
瓦特(James Watt)
2
3s 4 2 3s 2 4 s 2 y( s) 2 2 s 3s 2 s ( s 3s 2) s ( s 1)( s 2) 1 1 3 s s 1 s 2
y (t ) L [ y( s)] 1 e 3e
1
t
d 2 y (t ) dy (t ) x(t ) 2, 3 2 y (t ) x(t ), 例1: 2 dt dt y(0) 5 y(0) 3, 求响应 y (t )
解：对方程两边做拉氏变换：
2 s y( s) sy(0) y(0) 3[sy (s) y (0)] 2 y (s) s y(0) 5 可得: 代入 y(0) 3,
3 傅立叶变换：
e jx e jx e jx e jx 利用欧拉公式：cos x , sin x 2 2j
代入式（1-1）可得可积周期函数连续点处的傅里叶三角级 数表达式 化简后： fT (t ) 其中
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
2
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。
自动控制系统基本概念
第一章自动控制系统基本概念
1.化工自动化主要包括哪些内容？
答:化工生产过程自动化，一般包括自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制等方面的内容。
2.现4.自动控制系统怎样构成？各组成环节起什么作用？
答:自动控制系统主要由两大部分组成。
一部分是起控制作用的全套自动化装置，对于常规仪表来说，它包括检测元件及变送器、控制器、执行器等；另一部分是受自动化装置控制的被控对象。
在自动控制系统中，检测元件及变送器用来感受被控变量的变化并将它转换
成一种特定的信号(如气压信号或电压、电流信号等)
器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较得出偏差，根据偏差
终实现控制要求。
3.12.什么是反馈？什么是正反馈和负反馈？
答:把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输人端的做法叫做反馈。
反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈；反之为正反馈。
自动控制基础知识.详解
例2：“是”函数的真值 表
例3：“与”函数的真值 表
例4：“或”函数的真值 表
三、卡诺图
卡诺图：就是按一定规则画出的方块图。
图中一个方块就代表变量的一种取值情况，和真值表类似， 有n个逻辑变量，在卡诺图中就有2n 个格。
0 a1
aa
图1.19 单变量 卡诺图
3 复合控制
计算
给定值
计算
执行
测量
干扰
受控对象
被控量
测量
图1.7 复合控制框图
§1.2 传递函数与环节特性
一、比例环节
其传递函数为：
特点：当输人信号变化时，输出信号会同时以一定的比例 复现输入信号的变化。
x(t)
y(t)
A A
KA A
图1.8 比例环节动态特性
二、一阶环节
其传递函数为： 特点：当输入信号x(t)作阶跃变化后，输出信号y(t)立刻以
“非”函数可用常闭开关符号代表：
“非”函数的基本性质如下：
(2) 双变量(多变量)运算
设变量“a、b、c、d…”，函数S，有如下运算： a．“与”函数
又称“逻辑乘”，表示“同时”、“共同 ” 等价表于达两式个为常：开开关串联：
基本性质： 置换律： 结合律： 几个特殊关系：
当有n个变量时，“与”函数可表示为： 上述性质均成立
（2）过渡过程的5个品质指标
y
图1.13 定值系统的过渡过程
最大偏差A 过渡时间ts 余差C 衰减比ψ 振荡周期Tp
§1.4 自动控制的基本方式
f 被控对象
uห้องสมุดไป่ตู้
控制器
c
c
e
r0
图1.14 控制系统方框图
化工仪表及自动化复习
第一章自动控制系统基本概念第一节自动控制系统的基本组成及表示形式液位自动控制的方框图方框图中， x 指给定值；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（主要是进料量的变化，注意：此为对液位控制而言）。
当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反馈。
其他控制系统用同一种形式的方框图可以代表不同的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。
小结:自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。
举例：乙烯生产过程中脱乙烷塔的工艺管道及控制流程图第二节自动控制系统的基本组成及表示形式T 温度，P 压力（真空度），L 物位，F 流量I 指示，R 记录，A 报警，C 控制（调节）塔顶的压力控制系统中的PIC-207，PIC的组合就表示一台具有指示功能的压力控制器。
LIC-201是一台具有指示功能的液位控制器。
FRC-210表示一台具有记录功能的温度控制器。
PIC-207表示压力指示调节仪表，该仪表为就地安装，工段号为2，仪表序号为07。
第三节自动控制系统的分类1.定值控制系统：被控变量的给定值不变2.随动控制系统（自动跟踪系统）：给定值随机变化第四节自动控制系统的过渡过程和品质指标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。
当干扰作用于对象，系统输出y发生变化，在系统负反馈作用下，经过一段时间，系统重新恢复平衡。
常用的是阶跃干扰。
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。
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。
第一章 自动控制系统的基本概念(修改) (2)
上篇自动控制原理第一章自动控制系统概述本章要点本章简要介绍有关自动控制的基本概念、开环控制和闭环控制的特点、自动控制系统的基本组成和分类以及对自动控制系统的基本要求。
第一节自动控制的基本概念自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。
自动控制系统则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。
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。
扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。
给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。
通常情况下，系统有两种外作用信号：一是有效输入信号（以下简称输入信号），二是有害干扰信号（以下简称干扰信号）。
输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值，并作用于系统的输入端。
干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号，它不但可以作用于系统的任何部位，而且可能不止一个。
由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制，严重时必须加以抑制或补偿。
第二节开环控制和闭环控制自动控制有两种基本的控制方式：开环控制和闭环控制。
与这两种控制方式对应的系统分别称之为开环控制系统和闭环控制系统。
一、开环控制系统开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。
这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。
电加热系统的控制目标是，通过改变自耦变压器滑动端的位置，来改变电阻炉的温度，并使其恒定不变。
因为被控制的设备是电阻炉，被控量是电阻炉的温度，所以该系统可称为温度控制系统，如图1-1所示。
开环控制系统的优点是系统结构和控制过程简单，稳定性好，调试方便，成本低。
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三、线性控制系统和非线性控制系统
▲可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线 性系统。
线性系统特性
叠加性 齐次性（均匀性）
如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线 性定常数系统；否则，称为线性时变系统。
▲用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。
1Hale Waihona Puke 5 对控制系统的基本要求控制系统应用于不同场合，对它有不同 的性能要求。但从控制工程的角度来看，却 有一些共同的标准。常见的评价系统优劣的 性能指标基本有三个方面：稳、快、准。
中国明代宋应星所著 《天工开物》记载有程序 控制思想的提花织机结构 图 (1637年)
中国马钧研制出用齿 轮传动的自动指示方 向的指南车 (235年)
英国 J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 (1788 年)
钱学森的《工程控制论》( Engineering Cybernetics) (1954)
○同一个系统，稳、快、准是相互制约的。 ○提高快速性，可能会引起系统强烈振动。 ○改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚 至精度也会变差。 ○分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的重 要内容。
1-5 自动控制系统的发展简史
●经典控制理论（19世纪初）
时域法； 复域法（根轨迹）； 频域法
●现代控制理论（20世纪50年代）
• 本课程学习要求 学会分析、解决工程问题的基本思路和方法
第一章 自动控制系统的基本概念
1-1 引言 1-2 自动控制的基本方式 1-3 自动控制系统的组成 1-4 自动控制系统的分类 1-5 对控制系统的基本要求 1-6 自动控制系统的发展简史
1-1 引言
自动控制理论是一个什么样的课程？
德国V-2飞弹 1942
年年底进行了试验，44 年使用。这种飞弹长14 米，射程为300公里， 可携带950公斤炸药， 飞行高度为9.6万米， 飞行速度 5800公里/小 时，发射后一分钟便可 燃烧掉4吨乙烷和5吨液 态氧。它是最早用电磁 制导系统控制的武器， 不易被侦探，可达到突 然袭击的效果。
n
输出量
执行机构 被控对象
no
检测装置
ug输入量 uf
控制器
闭环控制特点：
干扰
执行机构
n
被控对象
输出量
no
检测装置
★通过检测装置构成的反馈通道将输出量送回输入端，与给定信号进
★系统具有抗干扰能力，能实现高精度控制
★因系统按偏差调节，有时间延迟，输出量的偏离不能立即得到修正
应用：对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭 环控制方式。
自动控制
控制器
执行机构
阀门
进水口
水 箱
自动控制过程归纳：
▲传感器代替眼看测量出实 际水位高度并反馈到控制器
▲在控制器中将实际水位与 传 感 器 设定水位进行比较得出偏差 给 定 水 位 值，对偏差信号进行放大送
阀 门 到执行器
出 水 口 ▲执行器执行开关阀门动作
共同特点：通过检测被控量，得到与给定值
举例说明自动控制的概念
例：人工控制与自动控制：水箱水位控制问题
人工控制
人工控制过程归纳：
手
阀门
大脑
▲用眼观察水位，目测出实 际水位高度并反馈到大脑中
（测量过程）
进水口
水 箱
眼 ▲在脑中与要求水位进行比 给 定 水 位 较，得出偏差大小，决定手
阀 门 的操作动作（决策过程）
出 水 口 ▲手执行大脑决定的动作， 打开或关闭法门（执行过程）
一种过渡过程是收敛的，即过渡过程结 束后，系统又趋于平衡状态，这类系统称 为稳定的；
另一种过渡过程是发散的，这类系统称为 不稳定的；
等幅振荡也被认为是不稳定的。
显然，系统稳定是保证系统能正常工作的 首要条件。
二、快速性
通快过速动性态表过明程了时系间统输长出短对表输征入。响时应间 越的短快，慢表程明度快速性越好，反之亦然。
线性控制 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统识别 集散控制
大系统复杂系统
●智能控制理论（20世纪70年代）
专家控制 模糊控制 神经网络 遗传算法
自动控制的发展简史
1400——1900 工业机器时 代
亚历山大的希罗发明开闭 庙门和分发圣水等自动装 置 (100年) 。
中国张衡发明水运浑象， 研制出自动测量地震的候 风地动仪 (132年)。
石油化学工业中的反应塔。
3.伺服系统又称随动系统
▲系统输入量随时间任意变化。系统输出量常是 机械位移、速度、加速度、力、力矩等机械量。 ▲系统的基本任务是使系统输出量能快速、准确 地跟随输入量变化。 ▲机械加工中的仿形机床。
武器装备中的火炮自动瞄准系统、雷达跟踪 系统、导弹目标自动跟踪系统
二、连续控制系统和离散控制系统
r(t) c(t) c1(t)
r(t)
c2(t)
0
t
三、准确性
由输入给定值与输出响应的终值之
间的差值ess大小表征。
r(t)
c(t) c(t)
ess
r(t)
0
t
过渡过程结束后，输出量的希望值与实际值之差。
数控机床的加工误差小于0.02mm。
一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值 的1%以内。
例 转速负反馈直流电动机调速系统
给系定统电组压成：
反直馈流电电压机
测e=速U发n-U电f 机
Un
于与电大给反转源装定馈速和置电电取放压压决
Uf
的差负值载。
直流电机闭环调速系统
+U
电 ug
位 器
电压 放大
功率 放大器
电动机
n
M
生产机械 其他部件
ug输入量 uf
+
uf
TG 测 速 发 电 机
控制器
干扰
执行机构
阀门
进水口
水 箱
控制器
传感器 给定水位
阀门
出水口
·控制装置
控制器+执行器+传感 器 ·被控对象
水箱（水位是被控量）
工 指令 作 原 理
控制装置
控制器 执行机构
干扰
输出量
被控对象
检 测 装 置 被控对象
一、开环控制
控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系.
例 转台速度开环控制系统
系统组成： 由转图被台可控见制电：量机速度 没电有源反馈和到放输入 端与大给装定置信号比 较统速。,为度开设环置控制系
▲控制系统中各部分的信号若都是时间 t 的连续函数， 则称这类系统为连续控制系统。
▲在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间 t 的离 散信号，则称这种系统为离散控制系统。
脉冲和数码都属于离散信号。
计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。
计算机只能接受和处理数字信号，计算机的输出 经D/A转换加给放大器，然后再去驱动执行元件， 或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后 驱动数字式执行元件。
检测装置
检测出干扰量，通过补偿装置对输入信号 进行补偿以抵消干扰对系统输出量的影响
应用：增强系统的抗干扰能力
1-3顺自着动从控输入制到系输统出的的组信成号传递方向走
出的通道称为前向通道
干扰
给定 环节
串联校正
放大环节
执行机构
输出量 被控对象
反馈
测设出应改的串输量希的定输进偏差统将串善联入环值被望输与入行差信希系改 法联系在端节之控将值入系信与比号望统善调统系，，校连间参局相统指输较描值号的局整正性统又接因将号之机典的数称部对令输出，述与，将入实部局能的称输为进达微构型误的反输之 产 了 实该（输际环 部入行 到小 的闭差传称馈出间 生 系 际偏局出输节 信称与控的 能放环感校为送部（出性 号为系制偏 量大检系器正局回输局反测能 达主统执，差 要校统反与部（到装入部馈正的 到反输行信 求执 驱使结馈测置或反局装）输到装校馈出行动构通量置并馈部动的出输置正通的控被框道电通联输力通）入，的道反控制图路校道入设道送端用目馈被 或 需 的 被要 自 的对任，正的备被回反的通控过参控要求动过设象务它）通称到馈，道设程数参控实控程备的，道为输的所被备中即数制现制或被方以
1-4 自动控制系统的分类
可以从不同角度对控制系统进行分类：
●按系统结构分，开环 / 闭环控制系统 ●按输入量形式分，恒值 / 随动控制系统 ●按信号传递形式分，连续 / 离散控制系统 ●按系统是否满足叠加性分，线性 / 非线性控 制系统 ●按系统执行装置分，机电 / 液压 / 气压控制 系统等
自动控制原理
讲授 张曙光
河北农业大学 机电工程学院
该课程的学习方法与要求
——了解课程特点明确学习方法与要求
课程重要性
☆《自动控制原理》是工科的技术基础课，
该课程与其它课程的关系——承上启下的课
程
信号与系统
电路理论
复变函数 拉氏变换模拟电子技术
电机与拖动
线性代数
大学物理 自动控制理论
微积分
各类 专业课
二战时期的航空母舰和飞机
美国 MIT研制出第一台数控机床 (1952)
美国研制出第一台工业机器人样机 (1954)
计算机集成制造的概念(1969)
由加工中心 和工业机器 人组成的柔 性制造单元 (1976)
中国批准 863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成 制造系统和智能机器人两个主题 (1986)
输入量
控制器
执行机构
干扰 输出量
被控对象
开环控制特点：
★系统的输出与输入之间没有反馈通道，输出量没有与输 ★系统没有抗干扰能力 ★结构简单，所用的元器件少、成本低
应用：多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。 如：自动化流水线、自动洗衣机