第1章自动控制系统的基本概念
《计算机控制技术》复习思考题 第1章 第2章
《计算机控制技术》复习思考题第一章自动控制系统基本概念1.自动控制系统的组成一个简单的自动控制系统，均可概括成两大部分：一部分是自动化装置控制下的生产设备，称为被控对象；另一部分是为实现自动控制所必须的自动化仪表设备，简称为自动化装置，它包括测量变送器、调节器和执行器等。
简单的自动控制系统由被控对象、测量变送器、调节器及执行器四大部分组成。
2.术语a)被控对象？调节器？执行器？测量变送器？b)被控变量，y？设定值，g？测量值，z？偏差，e？干扰，f？调节参数？在被控对象中，需要控制一定数值的工艺参数叫做被控变量，用字母y表示。
被控变量的测量值用字母：表示，按生产工艺的要求，被控变量希望保持的具体数值称为设定值，用字母譬表示。
被控变量的测量值与设定值之间的差值叫做偏差，用字母e表示，e=g-z。
在生产过程中，凡能影响被控变量偏离设定值的种种因素称为干扰，用字母，表示。
用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的参数叫做调节参数。
c)反馈？负反馈、正反馈？把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端的做法叫做反馈。
如果反馈信号能够使原来的信号减弱，也就是反馈信号取负值，那么就叫做负反馈。
如果反馈信号取正值，反馈信号使原来的信号加强，那么就叫做正反馈。
自动控制系统绝对不能单独采用正反馈。
d)闭环系统？一个一个信号沿着箭头的方向传送，最后又回到原来的起点，形成一个闭合的回路，如此循环往复，直到被控对象的被控变量值达到或接近设定值为止，所以这种自动控制系统是闭环系统。
自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。
3.自动控制系统方框图?4.自动控制系统的分类？按照工艺过程需要控制的参数值即设定值是否变化和如何变化来分类，而将闭环自动控制系统分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统三大类。
按调节器具有的控制规律来分类，如位式、比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统。
定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统？5.过渡过程a)静态、动态？自动控制系统的平衡（静态）是暂时的、相对的和有条件的，不平衡（动态）才是普遍的、绝对的、无条件的。
第01章 自动控制系统基本概念
闭环与开环
闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较 的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测 量值的偏差进行控制，直至消除偏差。
+ SP － 测量变送装置 调节器 执行器 被控对象
开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根 据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时 系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。 要实现自动控制，系统必须闭环。
解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃ 2、余差C＝205—200＝5℃ 3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃ 第二个波峰值B’＝210—205＝5℃ 衰减比n＝25：5＝5：l。 4、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) 5、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，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，过渡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。 6、超调量 (230-205)/205×100%=12.2%
几种典型的过渡过程：
16
几种典型的过渡过程：
非周期衰减过程 衰减振荡过程 √ √
等幅振荡过程 发散振荡过程
？ X
一般是不允许的 除开关量控制回路
单调发散过程
X 17
（3）过渡过程的品质指标
通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：
· 以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括： 最大偏差（超调量）、 衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（振荡频率）……
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
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。
化工仪表及自动化作业参考答案
第一章自动控制系统基本概念1.什么是化工自动化？它有什么重要意义？答:在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。
实现化工自动化，能加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量、减轻劳动强度、保证生产安全，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。
2.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。
3.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)。
控制器将检测元件及变送器送来的测量信号与工艺上需要保持的设定值信什么叫操纵变量？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料量或能量。
（或：具体实现控制作用的变量叫做操纵变量）4.闭环控制系统与开环控制系统有什么不同？答自动控制系统按其基本结构形式可分为闭环自动控制系统和开环自动控制系统。
闭环自动控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制。
如图1-1 ( a)即是一个闭环自动控制。
图中控制器接受检测元件及变送器送来的测量信号，并与设定值相比较得到偏差信号，再根据偏差的大小和方向，调整蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，使热物料出口温度回到设定值上。
从图1-1, (b)所示的控制系统方块图可以清楚看出，操纵变量(蒸汽流量)通过被控对象去影响被控变量，而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量。
从信号传递关系上看，构成了一个闭合回路。
(a) (b)图1-1 闭环自动控制基本结构开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。
自动控制原理
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1. 2自动控制系统的组成与系统原理 框图
• 把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节又送回到 输入端的做法叫做反馈。如图1一3所示，把系统的输出信 号通过检测变送装置送回到系统输入端的就是反馈。当系 统反馈信号取负值，并与给定值相加时，属于负反馈;当 反馈信号取正值，与给定值相加时，属于正反馈。自动控 制系统的主反馈一般是负反馈。 • 从系统的输入量r(t)沿着箭头方向到系统的输出量c(t)，称 该信号通道为前向通道。而从系统的输出量沿着箭头方向 到系统的输入端，则称该信号通道为反馈通道。
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1. 4对自动控制系统
• • • • 1.4.2对自动控制系统的基本要求 对一个自动控制系统的基本要求为稳定性、快速性和准确性。 1.稳定性 对任何自动控制系统，首要条件是系统必须稳定。只有系统稳定，才 能正常工作。 • 稳定性是指系统受到扰动作用或给定值发生变化时，其动态过程的振 荡倾向和重新恢复状态的能力。 • 当系统受到扰动作用或给定值发生变化时，被控量就会偏离给定值， 如果经过系统的自身调节，系统能回到或接近原来的给定值，这样的 系统就是稳定的系统;否则，系统不能回到或接近原来的给定值，这 样的系统就是不稳定的系统。
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1. 4对自动控制系统
• 2.快速性 • 快速性是通过动态过渡过程时间的长短来表示的，如图1一11所示。 过渡过程时间越短，则快速性就越好;反之，过渡过程时间越长，则 快速性就越不好。 • 3.准确性 • 准确性是由系统达到稳态时，给定值与实际值之差来体现的，如图1 一12所示。它反映了系统的稳态精度。 稳定性、快速性和准确性往 往是互相制约的。在设计与调试的过程中，若过分强调某方面的性能， 则可能会使其他方面的性能受到影响。
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
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。
第1章 自动控制系统的基本概念
第1章 自动控制系统的基本概念1－1 水位控制装置如图1-12所示。
试分析它的控制原理，指出它是开环控制还是闭环控制系统？说出它的被控量及扰动输入量是什么？绘制出其系统框图。
在该液位控制系统中，水箱的进水量来自进水阀门，出水量由用户阀门确定。
该系统能在用户用水量随意变化的情况下，保持水箱水位在希望的高度上不变。
工作原理：当水箱水位低于设定值H 2时，浮子下移，通过杠杆使阀门开合度增大，从而加大进水量，使水箱水位提高；反之，当水箱水位高于设定值H 2时，浮子上移，通过杠杆使阀门开合度减小，从而减小进水量，使水箱水位降低。
最终调节液位在一个相对稳定的高度。
控制任务：保持水位H 1在设定值；被控制量：实际水位H 1；扰动量：出水量；被控对象：水箱；测量元件：浮子；执行元件：进水阀门。
根据上析分析，给出系统的原理方框图如图1-13所示。
1－2某生产机械的恒速控制系统原理图如图1-14所示。
系统中除了速度反馈外，还设置了电流正反馈以补偿负载变化的影响。
试标出速度负反馈、电流正反馈的信号的正、负号并画出框图。
被控对象：电动机；被控量：电动机转速n ；给定量：电位器的电压u 1；扰动量：负载力矩的变化。
工作原理：电位器电压u 1与转速设定值相对应。
当转速n 低于设定值时，测速发电机输出电压u 2减小，电压偏差信号 增大，电压放大器1的输出电压提高，经功率放大器放大后加到电机电枢两端电压u 4提高，从而使电动机的转速提高。
另一方面，当负载转矩增大时，电枢回路中的电流增大，电压放大器2的输出电压u 3增大，经功率放大器后加到电机上的电压u 4也提高，起到了扰动补偿作用。
由此可见，当转速低于设定值时，可通过反馈回路和扰动补偿两方面的共同作用使转速提高，从而达到了复合控制转速的目的。
反之亦然。
根据题意，可得系统原理方框图如图1-15所示。
21u u u -=∆1-3图1-16所示为一温度控制系统的原理图。
指出系统的输入量、被控量和控制原理，并画出系统框图。
第1章 自动控制的基本概念 [自动控制理论及工程应用]
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1.3 对自动控制系统性能的基本要求
1.3.1 稳定性
图1.13 稳定性示意图
1.3.2 稳态性能（静态性能）
1.3.3 暂态性能（动态性能， 瞬态性能）
1.3.3 暂态性能（动态性能， 瞬态性能）
第1章 自动控制的基本概念
1.1 自动控制系统 1.2 自动控制系统的类型 1.3 对自动控制系统性能的基本要求 1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系
Y[x1(t)+x2(t)]=y(x1)+y(x2)
齐次性： 输入x
输入x
系统
输出y(x) 输出y(x)
若输入为x(t)时,系统输出为y(x)，则输入为 βx(t)时，系统输出为：
Y[βx(t)]=βy(x)
重要特点：
线性系统的叠加性和齐次性，为研究带来了极大方便。 这样，我们可以采用典型激励（单位阶跃、单位脉冲、 单位斜坡等）对系统进行分析，而将复杂激励分解为典型激 励的线性组合——这就简化了问题。
(b) K=5, k=0.2 1→∞
(c) K=10, k=0.1 1→∞
1.2.2 线性系统与非线性系统
对于用微分方程描述的系统： 若系统的输入量、输出量及其各阶导数均为线性时，系统为线性系统。
满足叠加性和齐次性的系统称为线性系统.
叠加性： 输入x1
输入x2
系统
输出y(x1) 输出y(x2)
若输入为x1(t)时,系统输出为y(x1)；输入为x2(t) 时,系统输出为y(x2)，则系统输出满足：
课程及教学安排简介----目标
知道控制的概念，易！ 实施恰当的控制，难！
复杂对象的控制，非不欲也，乃无能也！ 因此，本课程采用有限目标、解剖麻雀的策略。
《自动控制原理》第一章-自动控制原理精选全文完整版
● 执行环节： 其作用是产生控制量，直接推动被控对象的 控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。
常用的名词术语
1.稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正 常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到 原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、 发散振荡或单调增长运动。
2.动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。 当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为 阶跃响应。
时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。
即若系统的输入为 r(t) 时，对应的输出为 y(t)，则
当输入量为 Kr(t)时，输出量为 Ky(t) 。
（2）非线性系统
● 特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 ● 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、
间隙特性等。
图1-5 典型的非线性特性
对被控对象的控制作用，实现控制任务。
图1-3 闭环控制系统原理框图
Hale Waihona Puke (3)复合控制系统 工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系 统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信 号进行补偿，以达到精确的控制效果。
图1-4 复合控制系统原理框图
2.按系统输入信号分类
（1）恒值控制系统 系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服 干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。
举例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制 系统。
自动控制原理各章知识精选全文完整版
(s), (t) E(s), e(t) cdesired (t) c(t)
E(s) 1 (s)
H
G (s)
1
H
H
⑵ e(t) ets (t) ess (t)
暂态 稳态
单位负反馈系统开环传函
r(t)
1 2
t2
时稳态误差
Ts 1 E(s) Ts 1 s3
e(t)
T
2. 运动方程式
确定输入量、输出量 列写各元件运动方程 消除中间变量 化为标准形式
RL
u1
C u2
Fi
K
m
f
y
L
C
u1
u2
R
R1
u1
C
R2 u2
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
u1
m
d2y dt 2
f
dy dt
Ky
Fi
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
RC
du1 dt
tg1 1 2 cos1
p e 1 2 100 %
d. c(t) c() c() t ts
2%或5%
4 ts n
2%
3 ts n
5%
d. N : 振荡次数
N ts Td
Td
2 d
d n 1 2
tr , t p 评价响应速度
p , N 评价阻尼程度
ts
以分析，并将分析结果应用于工程系统的综合和自然界 系统的改善。 自动控制
毋需人直接参与，而是被控制量自动的按预定规律变 化的控制过程。
4. 开环控制、闭环控制、反馈控制原理
自动控制原理目录
7.5改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用
7.5.1改变线性部分的参数或对线性部分进行校正
7.5.2改变非线性特性
7.5.3非线性特性的应用
7.5.4用振荡线性化改善系统性能
7.6相平面法364
7.6.1相轨迹的特征
7.6.2相轨迹的绘制方法
7.6.3用相平面法分析非线性系统
6.4复合校正305
6.4.1按扰动补偿的复合控制
6.4.2按输入补偿的复合控制
6.5应用MATLAB进行系统校正
6.5.1串联超前校正设计
6.5.2串联滞7章非线性系统分析
7.1非线性系统动态过程的特点
7.2非线性特性及其对系统性能的影响
7.2.1不灵敏区（死区）
8.4线性常系数差分方程
8.4.1差分方程的定义
8.4.2差分方程的解法
8.5脉冲传递函数396
8.5.1脉冲传递函数的定义
8.5.2脉冲传递函数的推导
8.5.3开环系统脉冲传递函数
8.5.4闭环系统脉冲传递函数
8.6采样控制系统的时域分析
8.6.1z变换法求系统的单位阶跃响应
8.6.2采样系统的稳定性分析
3.3二阶系统的阶跃响应
3.3.1典型二阶系统的动态特性
3.3.2二阶系统动态特性指标
3.3.3二阶系统特征参数与动态性能指标之间的关系
3.3.4二阶工程最佳参数
3.3.5零、极点对二阶系统动态性能的影响
3.4高阶系统的动态响应
3.5自动控制系统的代数稳定判据
3.5.1线性系统稳定性的概念和稳定的充分必要条件
5.10.3稳定裕度求解263
第6章控制系统的校正及综合
化工仪表及自动化总复习及答案(吉珠专用)
化工仪表及自动化总复习第一章自动控制系统基本概念一、基本要求1. 掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用以及相互影响和联系；2. 掌握自动控制系统中常用术语，了解方块图的意义及画法；3. 掌握管道及控制流程图上常用符号的意义；4. 了解控制系统的分类形式，掌握系统的动态特性和静态特性的意义；5. 掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下，过渡过程的形式和过渡过程的品质指标。
二、常用概念1. 化工自动化的主要内容:自动检测，自动保护，自动操纵，自动控制系统2. 自动控制系统的基本组成: 被控对象和自动化装置（测量元件与变送器、控制器、执行器）。
3. 被控对象：对其工艺参数进行控制的机器或设备4. 被控变量：生产过程需保持恒定的变量5. 操纵变量：具体实现控制作用的变量6. 干扰作用：在生产过程中引起被控变量偏离给定值的外来因素7. 设定值：被控变量的期望值，可固定也可以按程序变化8. 偏差：给定值与测量值之间的差值9. 闭环系统：系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统10.开环系统：系统的输出被反馈到输入端，执行器只根据输入信号进行控制的系统11. 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12. 反馈:把系统的输出直接或经过一些环节后送到输入端，并加入到输入信号中的方法13. 负反馈：反馈信号的作用方向与给定信号相反，即偏差信号为两者之差（e=x—z）14. 正反馈：反馈信号的作用方向与原来的信号相同，使信号增强（e=x+z）三、问答题1. 控制系统按被调参数的变化规律可分为哪几类？简述每种形式的基本含义。
答：定值控制系统：给定值为常数随动控制系统：给定值随机变化程序控制系统：给定值按一定时间程序变化2.在阶跃扰动作用下，控制系统的过渡过程有哪几种形式? 其中哪些形式能基本满足控制要求？答：1.非周期衰减过程2.衰减振荡过程3.等幅振荡过程4.分散振荡过程1,2能基本满足控制要求，但1进程缓慢，只用于系统不允许震振荡时3. 试述控制系统衰减振荡过程的品质指标及其含义。
第一章 自动控制系统基本概念(化工工艺)
眼 看 脑 想 手 动
Qo
一.自动控制系统的基本组成
Qi
眼 看 脑 想 手 动
Qo
人工操作进行工作的三个方面: (1).检测:用眼睛看液位的高低。 (2).运算、命令:大脑根据眼睛看到液位的高低,加以思考 和比较得出偏差,发出命令。 (3).执行:根据大脑发出命令,改变阀门开度,以改变出口流 量Qo,保持液位的高低在规定位置。
四、现代自动化技术特点
• 已发展为综合自动化,其应用的领域和规模越来越大, 控制与管理一体化的系统已提到日程,因此,其社会、 经济效益也越来越大。 • 显示了知识密集化、 高技术集成化的特点,它是信息技 术、自动化技术、管理科学等相结合的现代高技术。 • 自动化过程中的智能化程度日益增加,各种智能仪表不 断出现,控制的精度越来越高,控制的方式日益多样化, 它不仅减轻和代替了人们的体力劳动,而且也在很大程 度上代替了人们的脑力劳动。
自动控制系统方框图
自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统
反馈:把系统的输出信号直接或经过一些环节后送回到系 统的输入端,并加入到输入信号中的作法。 负反馈:反馈信号使原来的输入信号减弱(e=x-z)。 正反馈:反馈信号使原来的输入信号增强(e=x+z)。 负反馈系统
给定值 偏差
↓
控制器
x
z ↑
e
测量值
第一节 生产自动化的主要内容
生产自动化,一般包括自动检测、自动保护、自动操纵、 自动控制系统。 1.自动检测系统 ׃利用各种检测仪表对生产过程的主要 工艺参数(如温度、流量等)进行测量、指示或记录的。
压力 流量 温度
第一节 生产自动化的主要内容
2.自动信号和联锁保护系统(自动保护) 当生产过程出现危险时,自动信号系统发出声、光等报警 信号,自动联锁保护系统立即作出反应,通过改变阀门的开 启度或切断某些通路,或进行紧急停车,以防止事故的发生 或扩大。它是生产过程中的一种安全装置。 3.自动操纵及自动开停车系统(自动操纵) 自动操纵系统:按照预先规定的步骤自动地对生产设备进 行某种周期性的操作。可减轻工人的重复性体力劳动。 自动开停车系统:按照预先规定的步骤自动地将生产过程 投入运行或自动停车。
自控控制原理第1章课件
23
第四节 对控制系统的基本要求
总体上来说，对任何控制系统的基本要求，集中体现在 系统性能的“稳定性”、 “动态特性”和 “稳态特性”三个方面 或简称为“稳” 、“快”和 “准”。
一、稳定性
控制系统 “稳定性” 的定义，有多种表达。 一种较通常的表达是，一个处于靜止或某一平衡工作状态
的系统， 在受到任何输入（给定信号或扰动）作用时，系统的
注意：不满足叠加性和齐次性！
22
自动控制系统的分类
2．连续系统和离散系统
（1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。连 续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。 （2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传 递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就 是典型的离散系统。
(1) 从系统组成结构看，开环控制方式简单，复合控制 方式复杂，闭环控制方式介于两者间；
(2) 从性能看，开环控制方式较差，闭环控制方式较好； 复合控制方式最好；
(3) 现代工程应用系统中，闭环控制方式应用最广泛。
பைடு நூலகம்13
第二节 闭环系统的基本组成
基本组成的 结构方块图
14
闭环系统的基本组成
(1）被控对象：要进行控制的设备或生产过程。（例，工作机械） (2）执行机构：作用于被控制对象的装置或设备。(例，电动机) （3）测量装置：用来检测被控量，并将其转换成与给定量相 同
第一章 自动控制系统的基本概念
第一节 自动控制的基本方式 第二节 闭环系统的基本组成 第三节 自动控制系统的分类 第四节 对控制系统的基本要求
1
第一节 自动控制的基本方式
一、两个定义： （1）自动控制：
自动控制原理 第一章 自动控制系统的基本概念(2011-1)
现代控制理论
•以状态空间为基础； 研究多输入-多输出、 时变、非线性一类控 制系统的分析与设计 问题。 •具有高精度和高效能 的特点。
1.2 自动控制系统基本概念
自动控制 控制对象 控制量 给定 扰动 自动控制系统 反馈 反馈控制系统 随动系统 过程控制系统
○自动控制 在没有人直接参与的情况下，通过控制器 使被控对象的某些物理量自动地按照预定 规律进行。 控制器 控制对象 控制量
控制系统动态过程曲线
如上图，系统在外作用作用下，输出逐渐与期望值一 致，则系统稳定的，如曲线１所示； 反之，输出如曲线２所示，则系统是不稳定的。
快速性： 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般 称为动态性能。 □形式 □快慢
◆快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明
系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝。如曲线２所示。
○随动系统 □ 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，
输出量是机械位移、速度或者加速度。
□ 随动系统这个术语，与位置（速度或加速度）控
制系统是同义语。
□ 在现代工业中，广泛采用着随动系统。
○过程控制
在工业生产过程中，对诸如压力、温度、湿度、流 量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制， 称为过程控制。
自动控制原理
Automatic Control Principle
Version 2011
中国矿业大学（北京）
自动控制原理
第一章 自动控制系统的基本概念
第一章 自动控制系统的基本概念
1.1 引言 1.2 自动控制系统的基本概念 1.3 闭环控制和开环控制 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
◆稳和快反映了系统过渡过程的性能的好坏。既快又稳，表明
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线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出） 向量空间
（状态空间描述）
状态空间法
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控
合
制与设计
18
自动控制理论发展 (9)
大系统控制理论
大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相 结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞 大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等 特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量 的系统。
学派：结构派和功能派 它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，
然而由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许 多以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此 得到了人们极大的重视。
20
自动控制中的常用术语(1)
控制 对于人-机系统，为使某一机器、设备或过 程处于希望的状态而对其进行的操作，称为控制。
5
自动控制的自然和人造系统
人体自然系统
体温控制系统 心跳控制系统 眼球聚焦系统 新陈代谢系统 血液系统 呼吸系统 肾肝肺系统
这些系统持续的自动控制 是我们保持健康的基本条件
这些系统是在我们非有意 识干预的情况下自动运行的
6
自动控制的自然和人造系统
天体自然系统
银 河 系 的 恒 星 运 动
7
自动控制的自然和人造系统
季节自然系统
四 季 气 候 变 更
8
自动控制的自然和人造系统
人造系统
全自动洗衣机 电冰箱 电饭煲 电梯控制系统 温度控制系统 水位控制系统 速度控制系统 刹车防抱死系统
9
自动控制理论发展 (1)
1787年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的 离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成 果。
按偏差控制，有抗扰动能力 ，精度高。 结构复杂，稳定性降低，实现较困难。
40
闭环控制系统
应用
广泛应用各行业
41
现代化的工厂
42
棉纺厂
43
复合控制系统
两种基本形式
1按参考输入前馈补偿
前馈补偿 输出
参考输入 控制装置 受控对象
2按扰动前馈补偿
参考输入
(a) 前馈补偿 控制装置
扰动 输出
受控对象
(b)
图1.7 复合控制系统
44
1.3 自动控制系统的基本构成
r(t) 参考输入
变换装置
d(t)
e(t)
比较装置
控制器
u(t)
执行机构 m(t)
受控对象
c(t)
b(t)
测量装置
图1.8 控制系统的一般构成
45
1.3 自动控制系统的分类(1)
按控制方式
开环控制 闭环控制(反馈控制) 复合控制
控制结构
Tr 给定装置 ur e 放大器 ua 电机减速器 调压器
uc
热电偶
扰动
电炉 Tc
图1.6 闭环控制的电加热炉方框图
39
闭环控制系统
特点
系统的输出端与输入端存在反馈回路，输出 量对系统的控制作用发生影响的系统。
存在从输入端到输出端的信号前向通道和从 输出端到输入端的信号反馈通路，形成一个闭合 的回路。
16
自动控制理论发展 (8)
经典控制理论
以传递函数为基础,研究单输入—单输出一类定常控 制系统的分析与设计问题。
如：调节电压改变电机的速度； 调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。
这些理论发展较早，现已臻成熟。
现代控制理论
以状态空间法为基础，研究多输入—多输出、时变、 非线性一类控制系统的分析与设计问题。
36
闭环控制系统
电加热炉温闭环控制系统
给定装置
放大
热电偶
ur + e uc +
ua
减速器 电机
调压器
～ 220V
图1.5 闭环控制的电加热炉原理图
37
电加热炉温闭环控制系统
控制任务 炉温保持恒定 工作原理
Tr ur eur uc ua n uR iR Tc
uc
38
电加热炉温闭环控制系统
测量 （眼睛）
图1.4 (b)手动控制电加热炉方框图
35
闭环控制系统
人工控制作用
人工的关键性作用是使系统的输出量参与了系 统的控制，形成了信号传递的闭环回路。系统一 旦出现偏差，就调整控制量，从而保证了输出量 的恒定。
人工控制系统也叫做人工反馈系统，或叫人工 闭环控制系统。
用自动控制装置来取代人工操作功能，就变成 自动控制系统，或叫闭环控制系统。
23
自动控制中的常用术语(4)
系统 由一些相互联系和相互制约的环节
组成并具有特定功能的整体称为系统。 在工业生产中，一台机器、一套设
备或任意工艺过程，如加热炉、扎钢机、 化学反应釜、核反应堆等都称为系统。
24
自动控制中的常用术语(5)
自动控制系统
为实现某一控制目标所需要的所有物理部件 的有效组合体。
1927年美国贝尔实验室的电气工程师 H.S.Blsck在解决电子管放大器失真问题 时首先引入反馈的概念。12来自自动控制理论发展 (4)
1932年，Nyquist提出了一种根据系统的 开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭 环系统稳定性的方法。
1934年，Hezen提出了用于位置控制系统 的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟 踪变化的输入信号的机电伺服机构。
特点
系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出 量对系统的控制作用不发生影响的系统。
只有从输入端到输出端的信号前向通道，不 存在由输出端到输入端的信号反馈通路。
按给定值控制，无抗扰动能力，精度低。 环节简单，容易实现，稳定性好。
30
开环控制系统
开环控制有两种形式
１按给定值控制
给定值 控制
参考输入 装置
自动控制原理
1
课程内容
控制系统基本概念 物理系统建模方法 时域分析方法 复域分析方法 频域分析方法 系统校正 其他
2
主要参考书
参考书 《自动控制原理 》李玉惠 晋帆主编 向凤红主审 清华大学
出版社 2008 《自动控制原理 》陈玉宏 向凤红主编 重大出版社 2002 《自动控制原理 》王建辉 主编 清华大学出版社 2006 《自动控制理论与设计》 上海交大出版社 徐薇莉等 《Automatic Control System》Benjamin C. Kuo
1868年，J.C.Maxwell在论文“论调节器”中首 先解释了Watt速度控制系统中出现的不稳定问 题，通过线性常微分方程的建立和分析，指出 了振荡现象的出现与从系统导出的一个代数方 程根的分布有密切的关系，开辟了用数学方法 研究控制系统运动特性的途径。
10
自动控制理论发展 (2)
1877年 E.J.Routh和1895年 A.Hurwitz分别独 立地建立了直接根据代数方程的系数判别系统 稳定性的准则。
自动控制系统由自动控制装置与受控对象组 成。
控制系统一般按被控量命名，如速度控制系 统、压力控制系统、温度控制系统等。
25
1.2 开环控制和闭环控制系统
开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统
26
开环控制系统
电加热炉温开环控制系统
K 调压器
～ 220V
图1.1 开环控制的电加热炉原理图
21
自动控制中的常用术语(2)
控制装置 这种能代替人对生产设备和工艺过程施加控制
作用的装置，称为自动控制装置或控制器。 受控对象
被控制的机器、设备或过程称为受控对象或对 象。如提升机、回转窑、加热炉等。 被控量
被控制的物理量称为被控量或输出量。 被控量是表征受控对象工作状态的物理量，即 速度、湿度、浓度、炉温、电压等。
闭环控制是在开环控制基础上引 入人工干预过程演变而来的
33
闭环控制系统
人工炉温控制
温度计
600C Tc
调压器
～ 220V
图1.4(a) 手动控制电加热炉
34
人工炉温控制
输入信号 脑 （期望炉温）（计算、比较）
放大、执行 （手臂、手）
被控对象 输出信号 （电热丝、炉子） （实际炉温）
人工干预过程 １用眼观察温度计测量炉温 ２大脑中比较实际与给定温度 ３相应调整(增加或减小)电压
13
自动控制理论发展 (5)
1948年，美国科学家W.R.Evans提出了有名的根轨迹的 分析方法，并于1950年进一步应用于反馈控制系统的 设计，形成了与频率响应方法相对应的另一核心方 法——根轨迹法。
1956年，前苏联科学家L.S.Pontryagin提出极大值原 理。同年美国数学家R.Bellman创立动态规划。极大值 原理和动态规划为最优控制提供了理论工具。
从1960年到1980，确定性系统、随机系 统的最佳控制，及复杂系统的自适应和 学习控制，都得到充分的研究。
从1980年到现在，现代控制理论进展集 中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。
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自动控制理论发展 (7)
经典控制理论
现代控制理论 大系统理论 智能控制理论
线性控制理论 非线性控制理论 采样控制理论
1959年美国数学家R.E.Kalman提出了著名的卡尔曼滤 波器，1960年又提出能控性和能观测性的概念。
19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许 多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的 最佳系统。
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自动控制理论发展 (6)
19世纪60年代，数字计算机的出现为复 杂系统的基于时域分析的现代控制理论 提供了可能。