第一章 自动控制系统概述
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2011.07.08 江苏隆亨纸业
2.系统的各种作用量和被控制量有： 2.系统的各种作用量和被控制量有： 系统的各种作用量和被控制量有 输入量(Input Variable)——又称控制量或参考 ①输入量(Input Variable) 又称控制量或参考 输入量(Reference Variable)， 输入量(Reference Input Variable)，所以输入量的角 标常用 i(或 r)表示。 表示。 输出量(Output Variable)——又称被控制量 ②输出量(Output Variable) 又称被控制量 Variable)， (Controlled Variable)，所以输出量角标常 o 或 c )表 ( 示。 反馈量(Feedback Variable)——反馈量的角标 ③反馈量(Feedback Variable) 反馈量的角标 表示。 常以 f表示。 扰动量(Disturbance Variable)——又称干扰或 ④扰动量(Disturbance Variable) 又称干扰或 n 表示。 d 噪声”(Noise)， “噪声”(Noise)，所以扰动量的角标常以 (或 )表示。 中间变量——它是系统各环节之间的作用量。它 它是系统各环节之间的作用量。 ⑤中间变量 它是系统各环节之间的作用量 是前一环节的输出量，也是后一环节的输入量。如图1 是前一环节的输出量，也是后一环节的输入量。如图1U U 等就是中间变量。 6中的∆U 、 a 、 R 等就是中间变量。 江苏隆亨纸业 2011.07.08
1.6 过程控制系统的分类
过程控制系统的分类方法很多，若按被控 参数的名称来分，有温度、压力、流量、 液位、成分、PH等控制系统；按控制系统 液位、成分、PH等控制系统；按控制系统 完成的功能来分，有比值、均分、分程和 选择性控制系统；按调节器的控制规律来 分，有比例、比例积分、比例微分、比例 积分微分控制系统；按被控量的多少来分， 有单变量和多变量控制系统；按采用常规 仪表和计算机来分，有仪表过程控制系统 和计算机过程控制系统等。 和计算机过程控制系统等。
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例1-1 水位控制系统
通过对工作 原理进行分 析，可以得 到该系统的 系统框图。 系统框图。
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自动调节过程：
直至 Q1=Q2,H=H0,UB=UA,△U=0时， Q=1,2H0电动机停转为止。 UB A ∆ 0
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但是最基本的分类方法有： （1）按过程控制系统的结构特点来分类 a）反馈控制系统 又称闭环控制系统，即系统输出量通过反馈环节返回 来作用于控制部分。 它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形式。 反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差 值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。 b）前馈控制系统 又称开环控制系统，即系统的输出量不被引回来对系 统的控制部分产生影响。 它在原理上完全不同于反馈控制系统。前馈控制是以 不变性原理为理论基础的。前馈控制系统直接根据扰动量 的大小进行工作，扰动是控制的依据。
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1.2 控制系统的重要性
近年来控制系统在现代文明和技术发展与 进步上扮演了越来越重要的角色。 进步上扮演了越来越重要的角色。我们日 常活动的每一个方面几乎都受到了某种控 制系统的影响。 制系统的影响。控制系统已经大量地应用 到了工业的所有部门。如产品质量、 到了工业的所有部门。如产品质量、自动 装配线、机床控制、空间技术与武器系统、 装配线、机床控制、空间技术与武器系统、 计算机控制、交通运输、动力系统、 计算机控制、交通运输、动力系统、机器 微机系统、纳米技术等。 人、微机系统、纳米技术等。
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造纸过程控制重要性
随着社会的发展，人们对纸质的要求越来 越高，为了满足客户的需求，生产出符合 要求的高质量的纸张成为每个造纸厂的目 标。 然而想要生产出高质量的纸张就必须对造 纸过程中一些重要数据进行严格的控制。
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浆料质量控制是影响纸张质量的重要因素，因此应对一 些参数进行监控如:浆料浓度、浆料打浆度、浆速、网 速、浆网速比等等。 。
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再比如一个人，可以完成许多种类的目标， 再比如一个人，可以完成许多种类的目标，包括 作决定。其中有些目标——比如捡起地上的物品 作决定。其中有些目标 比如捡起地上的物品 后再从一个地方走到另一个地方——它的完成方 后再从一个地方走到另一个地方 它的完成方 式是以一种程序化的方式来完成的。 式是以一种程序化的方式来完成的。但有些目标 在人们要完成它时，不仅要考虑如何完成， 在人们要完成它时，不仅要考虑如何完成，还要 考虑如何更好地完成——比如： 比如： 考虑如何更好地完成 比如
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1.一般自动控制系统包括： ①给定元件(Command Element)。 ②检测元件(Detecting Element)——此处为 热电偶。 ③比较环节(Comparing Element)。 ④放大元件(Amplifying Element)。 ⑤执行元件(Executive Element)——此处为 伺服电动机、减速器和调压器。 ⑥控制对象(Controlled Plant)——在此恒温 系统中即为电炉。 ⑦反馈环节(Feedback Element)——由它将输 出量引出，再回送到控制部分。
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3.被控过程是多种多样的、非电量的 3.被控过程是多种多样的、非电量的 在现代工业生产过程中，工业过程很复 杂。由于生产规模大小不同，工艺要求各 异，产品品中多样，因此过程控制过程中 的被控过程是多种多样的。 4.过程控制的控制过程多属慢过程，而且多 4.过程控制的控制过程多属慢过程，而且多 半为参量控制 由于被控过程具有大惯性、大后滞（大延 时）等特性，因此决定了过程控制的控制 过程多属慢过程。 5.过程控制方案十分丰富 5.过程控制方案十分丰富
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各个元件的排列，通常将给定元件放 在最左端，控制对象排在最右端。即输 入量在最左端，输出量在最右端。 从左至右(即从输入至输出)的通道称 为顺馈通道（Feed forward Path)或前 向通路(Forward Path)。 将输出信号引回输入端的通道称为反 馈通道或反馈回路(Feedback Path)。 。
框图可以直观地将系统的组成、各环节间的相互 关系以及各种作用量的传递情况简单明了地概括出来。 综上所述，要了解一个实际的自动控制系统的组 成，要画出组成系统的框图，就必须明确下面的一些 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? ③ 测量被控量的元件有哪些?有哪些反馈环节? ④ 输入量是由哪个元件给定的?反馈量与给定量 是如何进行比较的? ⑤ 此外还有哪些元件(或单元)，它们在系统中 处于什么地位?起什么作用?
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1.5过程控制系统的组成 1.5过程控制系统的组成
过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制 系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、 粘度、湿度和PH（酸碱度或氢离子浓度）等这样 粘度、湿度和PH（酸碱度或氢离子浓度）等这样 一些过程变量的系统。 从以上工业过程的实例可见，控制系统均由测量 元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环 节构成。如果把测量元件、变送器、调节器和调 节阀统称为过程检测控制仪表，则一个简单的过 程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两 部分组成的。
第1章 自动控制系统概述
引言——什么是控制系统 引言——什么是控制系统 过程控制的重要性 过程控制的发展概况 过程控制的特点 过程控制系统的组成 过程控制系统的分类
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1.1 引言——什么是控制系统 引言——什么是控制系统
要回答这个问题，我们可以联系日常生活中那 些需要实现某种“目标”的例子： 在家里，为了舒适地生活，我们需要控制 室内的温度和湿度。 在交通领域，我们需要控制汽车精确而又 安全地从一个地方到达另一个地方。 在工业上，制造过程中大量的生产产品需 要满足产品质量和成本效益的要求。
综上所述： 综上所述：所谓的控制系统就是为完成某 目标” 种“目标”而采用的一整套的完成方法和 步骤。 步骤。而这些方法和步骤通常又包含能够 更好实现这些“目标”的最佳策略。 更好实现这些“目标”的最佳策略。 在工业领域，自动控制系统常常是指那些 在工业领域， 在没有人直接参与的情况下， 在没有人直接参与的情况下，利用控制装 对生产过程、工艺参数、 置，对生产过程、工艺参数、目标要求等 进行自动的调节与控制， 进行自动的调节与控制，使之按照预定的 方案达到要求的指标的设备。 方案达到要求的指标的设备。
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随着现代工业生产的迅速发展，工艺调节 越来越复杂，对过程控制的要求越来越高。 过程控制系统的设计是以被控过程的特性 为依据的。 6.定值控制是过程控制的一种常用形式 6.定值控制是过程控制的一种常用形式 在石油、化工、造纸等现代工业生产过 程中，过程控制的主要目的在于消除或减 小外界干扰对被控量的影响，使被控量能 稳定控制在给定值上，使工业生产能实现 优质、高产和低耗的目标。定值控制仍是 目前过程控制的一种常见形式。
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开环控制和闭环控制的比较
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开环系统的特点
由于开环系统无反馈环节,一般结构简单,系统稳定 性好，成本也低，这是开环系统的优点。因此，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,则应尽量采用开环控制系统。 开环控制的缺点是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， 这时就应考虑采用闭环控制系统。
ห้องสมุดไป่ตู้
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在纸的抄造过程中，纸机上各种数据的变化对纸张的 质量有很大的影响，因此必须对成纸必须对纸张的一 些参数进行精确控制如：水分、定量、涂布量等
型 扫 描 架 （ O
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1.3 控制系统的发展状况
在20世纪四十年代前后，工业生产非常落后，大 20世纪四十年代前后，工业生产非常落后，大 多数工业生产过程均处于手工操作状态，人们主 要是凭经验、用手工方式去控制生产过程。 自进入20世纪90年代以来，自动化技术发展很快， 自进入20世纪90年代以来，自动化技术发展很快， 并获得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要 分支。过程控制技术是自动化技术的重要组成部 分。在现代工业生产自动化中，过程控制技术正 为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和 社会效益、提高劳动生产率、简约能源、改善劳 动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力等方 面起着越来越巨大的作用。
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1.4 过程控制的特点
1.连续生产过程的自动控制 1.连续生产过程的自动控制 过程控制一般是指连续生产过程的自动控制， 其被控量需定量的控制，而且应是连续可调的。 2.过程控制系统由过程检测、控制仪表组成 2.过程控制系统由过程检测、控制仪表组成 过程控制系统由过程检测、控制仪表和电子计 算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自 动检测、自动监督、自动控制。
百米运动员在一百米短跑中，他考虑的是： 百米运动员在一百米短跑中，他考虑的是： 在尽可能短的时间内跑完这段距离 马位松选手在他的比赛中，他考虑的是： 马位松选手在他的比赛中，他考虑的是： 在尽可能短的时间内跑完这段距离 在整个比赛 比赛过程中控制好能量的消耗并设计最佳 在整个比赛过程中控制好能量的消耗并设计最佳 的比赛策略 江苏隆亨纸业 2011.07.08
2.系统的各种作用量和被控制量有： 2.系统的各种作用量和被控制量有： 系统的各种作用量和被控制量有 输入量(Input Variable)——又称控制量或参考 ①输入量(Input Variable) 又称控制量或参考 输入量(Reference Variable)， 输入量(Reference Input Variable)，所以输入量的角 标常用 i(或 r)表示。 表示。 输出量(Output Variable)——又称被控制量 ②输出量(Output Variable) 又称被控制量 Variable)， (Controlled Variable)，所以输出量角标常 o 或 c )表 ( 示。 反馈量(Feedback Variable)——反馈量的角标 ③反馈量(Feedback Variable) 反馈量的角标 表示。 常以 f表示。 扰动量(Disturbance Variable)——又称干扰或 ④扰动量(Disturbance Variable) 又称干扰或 n 表示。 d 噪声”(Noise)， “噪声”(Noise)，所以扰动量的角标常以 (或 )表示。 中间变量——它是系统各环节之间的作用量。它 它是系统各环节之间的作用量。 ⑤中间变量 它是系统各环节之间的作用量 是前一环节的输出量，也是后一环节的输入量。如图1 是前一环节的输出量，也是后一环节的输入量。如图1U U 等就是中间变量。 6中的∆U 、 a 、 R 等就是中间变量。 江苏隆亨纸业 2011.07.08
1.6 过程控制系统的分类
过程控制系统的分类方法很多，若按被控 参数的名称来分，有温度、压力、流量、 液位、成分、PH等控制系统；按控制系统 液位、成分、PH等控制系统；按控制系统 完成的功能来分，有比值、均分、分程和 选择性控制系统；按调节器的控制规律来 分，有比例、比例积分、比例微分、比例 积分微分控制系统；按被控量的多少来分， 有单变量和多变量控制系统；按采用常规 仪表和计算机来分，有仪表过程控制系统 和计算机过程控制系统等。 和计算机过程控制系统等。
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例1-1 水位控制系统
通过对工作 原理进行分 析，可以得 到该系统的 系统框图。 系统框图。
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自动调节过程：
直至 Q1=Q2,H=H0,UB=UA,△U=0时， Q=1,2H0电动机停转为止。 UB A ∆ 0
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但是最基本的分类方法有： （1）按过程控制系统的结构特点来分类 a）反馈控制系统 又称闭环控制系统，即系统输出量通过反馈环节返回 来作用于控制部分。 它是过程控制系统中的一种最基本的控制结构形式。 反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差 值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。 b）前馈控制系统 又称开环控制系统，即系统的输出量不被引回来对系 统的控制部分产生影响。 它在原理上完全不同于反馈控制系统。前馈控制是以 不变性原理为理论基础的。前馈控制系统直接根据扰动量 的大小进行工作，扰动是控制的依据。
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1.2 控制系统的重要性
近年来控制系统在现代文明和技术发展与 进步上扮演了越来越重要的角色。 进步上扮演了越来越重要的角色。我们日 常活动的每一个方面几乎都受到了某种控 制系统的影响。 制系统的影响。控制系统已经大量地应用 到了工业的所有部门。如产品质量、 到了工业的所有部门。如产品质量、自动 装配线、机床控制、空间技术与武器系统、 装配线、机床控制、空间技术与武器系统、 计算机控制、交通运输、动力系统、 计算机控制、交通运输、动力系统、机器 微机系统、纳米技术等。 人、微机系统、纳米技术等。
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造纸过程控制重要性
随着社会的发展，人们对纸质的要求越来 越高，为了满足客户的需求，生产出符合 要求的高质量的纸张成为每个造纸厂的目 标。 然而想要生产出高质量的纸张就必须对造 纸过程中一些重要数据进行严格的控制。
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浆料质量控制是影响纸张质量的重要因素，因此应对一 些参数进行监控如:浆料浓度、浆料打浆度、浆速、网 速、浆网速比等等。 。
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再比如一个人，可以完成许多种类的目标， 再比如一个人，可以完成许多种类的目标，包括 作决定。其中有些目标——比如捡起地上的物品 作决定。其中有些目标 比如捡起地上的物品 后再从一个地方走到另一个地方——它的完成方 后再从一个地方走到另一个地方 它的完成方 式是以一种程序化的方式来完成的。 式是以一种程序化的方式来完成的。但有些目标 在人们要完成它时，不仅要考虑如何完成， 在人们要完成它时，不仅要考虑如何完成，还要 考虑如何更好地完成——比如： 比如： 考虑如何更好地完成 比如
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1.一般自动控制系统包括： ①给定元件(Command Element)。 ②检测元件(Detecting Element)——此处为 热电偶。 ③比较环节(Comparing Element)。 ④放大元件(Amplifying Element)。 ⑤执行元件(Executive Element)——此处为 伺服电动机、减速器和调压器。 ⑥控制对象(Controlled Plant)——在此恒温 系统中即为电炉。 ⑦反馈环节(Feedback Element)——由它将输 出量引出，再回送到控制部分。
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3.被控过程是多种多样的、非电量的 3.被控过程是多种多样的、非电量的 在现代工业生产过程中，工业过程很复 杂。由于生产规模大小不同，工艺要求各 异，产品品中多样，因此过程控制过程中 的被控过程是多种多样的。 4.过程控制的控制过程多属慢过程，而且多 4.过程控制的控制过程多属慢过程，而且多 半为参量控制 由于被控过程具有大惯性、大后滞（大延 时）等特性，因此决定了过程控制的控制 过程多属慢过程。 5.过程控制方案十分丰富 5.过程控制方案十分丰富
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各个元件的排列，通常将给定元件放 在最左端，控制对象排在最右端。即输 入量在最左端，输出量在最右端。 从左至右(即从输入至输出)的通道称 为顺馈通道（Feed forward Path)或前 向通路(Forward Path)。 将输出信号引回输入端的通道称为反 馈通道或反馈回路(Feedback Path)。 。
框图可以直观地将系统的组成、各环节间的相互 关系以及各种作用量的传递情况简单明了地概括出来。 综上所述，要了解一个实际的自动控制系统的组 成，要画出组成系统的框图，就必须明确下面的一些 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? ③ 测量被控量的元件有哪些?有哪些反馈环节? ④ 输入量是由哪个元件给定的?反馈量与给定量 是如何进行比较的? ⑤ 此外还有哪些元件(或单元)，它们在系统中 处于什么地位?起什么作用?
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1.5过程控制系统的组成 1.5过程控制系统的组成
过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制 系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、 粘度、湿度和PH（酸碱度或氢离子浓度）等这样 粘度、湿度和PH（酸碱度或氢离子浓度）等这样 一些过程变量的系统。 从以上工业过程的实例可见，控制系统均由测量 元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环 节构成。如果把测量元件、变送器、调节器和调 节阀统称为过程检测控制仪表，则一个简单的过 程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两 部分组成的。
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引言——什么是控制系统 引言——什么是控制系统 过程控制的重要性 过程控制的发展概况 过程控制的特点 过程控制系统的组成 过程控制系统的分类
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1.1 引言——什么是控制系统 引言——什么是控制系统
要回答这个问题，我们可以联系日常生活中那 些需要实现某种“目标”的例子： 在家里，为了舒适地生活，我们需要控制 室内的温度和湿度。 在交通领域，我们需要控制汽车精确而又 安全地从一个地方到达另一个地方。 在工业上，制造过程中大量的生产产品需 要满足产品质量和成本效益的要求。
综上所述： 综上所述：所谓的控制系统就是为完成某 目标” 种“目标”而采用的一整套的完成方法和 步骤。 步骤。而这些方法和步骤通常又包含能够 更好实现这些“目标”的最佳策略。 更好实现这些“目标”的最佳策略。 在工业领域，自动控制系统常常是指那些 在工业领域， 在没有人直接参与的情况下， 在没有人直接参与的情况下，利用控制装 对生产过程、工艺参数、 置，对生产过程、工艺参数、目标要求等 进行自动的调节与控制， 进行自动的调节与控制，使之按照预定的 方案达到要求的指标的设备。 方案达到要求的指标的设备。
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随着现代工业生产的迅速发展，工艺调节 越来越复杂，对过程控制的要求越来越高。 过程控制系统的设计是以被控过程的特性 为依据的。 6.定值控制是过程控制的一种常用形式 6.定值控制是过程控制的一种常用形式 在石油、化工、造纸等现代工业生产过 程中，过程控制的主要目的在于消除或减 小外界干扰对被控量的影响，使被控量能 稳定控制在给定值上，使工业生产能实现 优质、高产和低耗的目标。定值控制仍是 目前过程控制的一种常见形式。
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开环系统的特点
由于开环系统无反馈环节,一般结构简单,系统稳定 性好，成本也低，这是开环系统的优点。因此，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,则应尽量采用开环控制系统。 开环控制的缺点是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， 这时就应考虑采用闭环控制系统。
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在纸的抄造过程中，纸机上各种数据的变化对纸张的 质量有很大的影响，因此必须对成纸必须对纸张的一 些参数进行精确控制如：水分、定量、涂布量等
型 扫 描 架 （ O
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1.3 控制系统的发展状况
在20世纪四十年代前后，工业生产非常落后，大 20世纪四十年代前后，工业生产非常落后，大 多数工业生产过程均处于手工操作状态，人们主 要是凭经验、用手工方式去控制生产过程。 自进入20世纪90年代以来，自动化技术发展很快， 自进入20世纪90年代以来，自动化技术发展很快， 并获得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要 分支。过程控制技术是自动化技术的重要组成部 分。在现代工业生产自动化中，过程控制技术正 为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和 社会效益、提高劳动生产率、简约能源、改善劳 动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力等方 面起着越来越巨大的作用。
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1.4 过程控制的特点
1.连续生产过程的自动控制 1.连续生产过程的自动控制 过程控制一般是指连续生产过程的自动控制， 其被控量需定量的控制，而且应是连续可调的。 2.过程控制系统由过程检测、控制仪表组成 2.过程控制系统由过程检测、控制仪表组成 过程控制系统由过程检测、控制仪表和电子计 算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自 动检测、自动监督、自动控制。
百米运动员在一百米短跑中，他考虑的是： 百米运动员在一百米短跑中，他考虑的是： 在尽可能短的时间内跑完这段距离 马位松选手在他的比赛中，他考虑的是： 马位松选手在他的比赛中，他考虑的是： 在尽可能短的时间内跑完这段距离 在整个比赛 比赛过程中控制好能量的消耗并设计最佳 在整个比赛过程中控制好能量的消耗并设计最佳 的比赛策略 江苏隆亨纸业 2011.07.08