自动控制系统基本概念
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
V5、V10为稳压管 R5、C5、R23构成电压微分负反馈
晶闸管直流调速装置电路原理图
2.2uF/16V
R22
+
C8
R21 V11
C7
100uF/16V 200uF/16V
5
2.2uF/16V
GND R17
R14
1K
500
R18
RP3
V19
2M
2
V10 3
20K R23
7
4
10K
V38
RP4
3DG4E
∞ ∞
4 7μ 0 .1μ +
∞
U01
0V
U02
U/f比例控制方式
+VCC
GI
GAR
给定积分器 绝对值变换器
RP1
Ug 1
u
Ug
t
u
U abs
t
-VC C
- U fi
电压控制 环节
- U fv
~50HZ TA
UR
Ld
Cd
VSI 正、反向
频率控制 环节
转速开环的U/f比例控制异步电动机调速系统
M 3~
+15V 16
0.3V m
UT
R4
8 P8
n V1
5K1
7
GND
V2 V3
C03.01uF
R8 30K
C2 0.47uF
11
12
R10 0.4~1V
约1.7V
V5 V4
V6
0.3V
V7
0.7V
V10
V9 V8
GND V14
V11
1
V15
孙炳达版 《自动控制原理》第1章 自动控制系统的基本概念-1
1.1 自动控制的基本方式
3、复合控制方式 开环控制+闭环控制 两种结构：按输入信号补偿 按扰动信号补偿
1.1 自动控制的基本方式
4、控制方式比较 (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；
+ 5 ΔU -5 功 率 放 大 器
1.1 自动控制的基本方式
方法一：人工控制 眼（观察） 脑（判断） 手（操作） 目的：减少或消除Δh
1.1 自动控制的基本方式
方法二：自动控制 受控对象：水池； 输出量：实际水位（h实）； 输入量：要求水位（h要）； 浮子——检测装置； 控制电源——检测Δh，转变为电信号； 电动机——执行机构； 干扰输入量：对系统输出起反作用的输入量， 例如功率放大器信号的飘移。
开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统 输出量即电动机转速并转换为电压。 反馈电压与给定电压比较 (相减)后，产生一偏差电压， 经电压和功率放大器放大后去控制电动机的转速。 当系统处于稳定运行状态时，电动机就以电位器滑动 端给出的电压值所对应的希望转速运行。 当系统受到某种干扰时(例如负载变大)，电动机的转速 会发生变化(下降)，测速反馈电压跟着变化(变小)，由于 给定电压值未变，偏差电压值发生变化(变大)，经放大后 使电动机电枢电压变化(提高)，从而电动机转速也变化(上 升)，以减小或消除由于干扰引起的转速偏差。
1.1 自动控制的基本方式
基本名词：
1 控制器：实现控制功能的装置； 2 被控对象：被控制的设备或机械； 3 被控量（输出量）：被控对象内要求自动控 制的物理量； 4 输入量：影响系统输出量的外界输入，包括 给定输入量和扰动输入量。
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。
第一章-自动控制系统的一般概念
主反馈
内回路
测量元件
主回路
五、自动控制系统的基本控制方式
反馈（闭环）控制方式 开环控制方式：被控对象各部件的信号只沿着顺向传递，
输出量不会对系统的控制产生影响。
输入量 放大元件
执行元件
输出量 被控对象
顺馈控制方式：在干扰可测量的时候，将干扰量测量出
来，送到输入端，产生干扰补偿信号，以减少干扰对系
统的影响。本质：按扰动开环控制。
由于受控对象的具体情况不同，各种系统对它们的侧重 也不同。例如随动系统对快速性要求较高，而自动调整系统 对稳定性提出较严格的要求。
二、典型的外作用
典型：① 容易实现；② 有代表性；③ 便于分析计算。
1.阶跃函数
0 t 0
u
f (t) R t 0
R
单位阶跃函数 —— R 1 0
t
2.斜坡函数
,该信号经过放大，控制升降舵的移动。升降舵的角度， 决定了飞机爬升(俯冲)的倾角 。
舵机控制：位置伺服控制(内回路)。位移传感器测量。
外回路：飞机倾角 的反馈控制。垂直陀螺仪测量。
自动驾驶仪：根据飞行要求，提供设定的电压信号。并与测 量到的输出信号，产生相应的控制规律。
0 驾 驶 仪
放大器 舵机
② 现代控制理论 研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优
控制问题。以微分方程、线性代数及数值计算为主要数学 工具，用状态空间法研究系统状态运动的理论。
③ 智能控制理论 正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。
例1：人用手拿物品。
控制目标：手拿到物品。 相关部件：
1.手:抓取物品。功能：受控对象、执行部件。 2.大脑:协调眼、手工作。功能：比较物品与手之间的
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的基本概念第一节自动控制系统的组成及分类一、自动控制系统的组成在工业生产中，各种生产工艺过程都必须在规定的工况条件下进行。
如精馏塔的塔顶温度或塔底温度要保持在期望值，化学反应器内的反应温度要保持稳定，锅炉汽包水位要维持在规定范围内，调和作业时的配比关系要达到规定的比值范围等。
这些生产过程中的工艺变量，需要根据工艺要求严格控制。
控制分人工控制和自动控制两种。
在绪论中以储罐液位系统为例介绍了人工控制和自动控制的基本概念。
自动控制是在人工控制约基础上发展起来的，它是在生产设备上配备一些自动控制装置，对生产过程中重要的工艺变量进行控制，使生产过程自动地维持预定工况。
自动控制装置和被控对象组成了自动控制系统。
为进一步了解自动控制系统，再来分析一个实例。
图13-1和13-2所示为一蒸汽加热器的温度人工和自动控制系统。
生产中利用蒸汽作为载热体对温度较低的进料进行加热，工艺上希望保持出料温度t在一个恒定的数值。
在这里，蒸汽加热器是被控对象，t是所要控制的变量，即被控变量，工艺上期望的t的数值是给定值。
蒸汽流量、进料流量、进料温度等发生变化时，都会使出料温度发生变化，即系统的干扰。
此处，采用的控制手段是调整加热蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，来维持出料温度的恒定。
蒸汽流量是操纵变量。
若采用人工控制，当流体流量、进料温度等干扰使出料温度偏离工艺期望值时，操作工的调节过程是这样的：(1)用眼睛观察加热器出口温度指示仪表；(2)通过大脑计算出温度指示值与工艺期望值之间的差值，即偏差，根据偏差大小及方向发出相应操作命令；(3)根据大脑的操作命令，通过手去改变蒸汽阀门开度；(4)反复执行上述过程，直到出口温度回到期望值。
操作工通过眼、脑、手相互配合，灾现了检测偏差，然脱纠正偏差的控制过程，自动控制实际上是用自动控制装置来实现上述过程。
为了实现这一过程，用测量变送器、控制器和执行器去代替操作工的眼、脑、手，将它们按功能连接在一起与被控对象组成了一个自动控制系统。
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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
起振荡。
它根据“偏差是否存在”来动作。它的输出与偏差对 时间的积分成比例，只有当余差完全消失，积分作用才停止。其 实质就是消除余差。但积分作用缓慢，使最大动偏差增大，延长
了控制时间。用积分时间TI表示其作用的强弱，TI越小，积分作
用越强，积分作用太强时，也易引起振荡。
微分控制
“偏差变化速度成比例，其实质和效果是阻止被控变量的一切变化，
有超前控制的作用。对滞后大的对象有很好的效果。使控制过程
动偏差减小，时间缩短，余差也减小(但不能消除)。用微分时间
38
一个气动比例式温度控制器测量的全量程为0～ 1000℃，控制器的输出范围为0.02～0.1MPa。当指 示值变化100℃时，控制器比例度为50%时，求相应 的控制器输出将变化多少?当指示值变化多少时，控 制器输出变化达到全范围?
39
18
有容量滞后的对象特性
不同时间常数时的反应曲线
19
二、对象特性的数学描述(数学模型) 在工艺流程和设备结构已定的条件下， 研究系统的各个输入变量是如何影响系 统的状态和输出变量的
三、对象特性的测取 1
对象的反应曲线
20
2．矩形脉冲法
矩形脉冲特性曲线
21
第四节 基本控制规律
一、控制（调节）规律： 1. 控制器输入偏差e与输出变化值P的关系 2. 基本控制（调节）规律：位式控制、比
例控制、积分控制、微分控制
22
（一）双位控制 1. 位：阀门开、关的位置。 2. 双位：阀门全开、全关两个位置。 3. 双位控制是指当测量值大于给定值时，
控制器输出为最大，当测量值小于给定 值时，控制器输出为最小（即开或关）。
23
贮罐液位控制：液位上升， 与电极接触，继电器接通， 线圈内可动铁芯移动， 关闭阀门
TD表示其作用的强弱，TD大，作用强。TD太大，会引起振荡。
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习题与思考题
自动控制系统由哪几部分组成？ 自控系统的过渡过程有哪几种基本形式？各有 什么特点？ 控制器有哪些基本控制规律?它们各有什么特 点?
比程例有度 何影δ、响积? 分时间TI 、微分时间TD对控制过
在所介绍的几种控制规律中，哪些能消除余差? 哪些不能消除余差? 为什么？
自动控制技术基本概念
1
第一节 自动控制概述
一、人工调节与自动调节 1、人工调节过程
2
•眼的观察：监视被调参数的变化 •大脑的思维：比较、决策、发出命令 •手的执行：改变阀门的开度
3
2、自动调节过程 检测被调参数并转化为标准信号 比较被测参数并发出执行命令 改变阀门的开度，改变被调参数
4
二、自动控制系统的定义 自动控制是在人不直接参与的情况下， 利用外加的设备或装置，使整个生产过 程或工作机械（被控对象）自动地按预 定规律运行，或使某个参数（被控参数） 按预定要求变化。
14
过渡过程的几种基本形式图
15
4. 自动控制系统的品质指标
余差c（静差）：过渡过程终了时的残余偏差 最大偏差或超调量A ：被控变量偏离给定值的
最大值 衰减比n：表示衰减程度的指标，即曲线中前后
两个相邻波的峰值之比，即：B ：B，习惯上用
n:1表示
过渡时间(或回复时间) Ts: 从干扰作用后，系统
自动调节系统是利用自动化装置克服干 扰，把偏离给定值的被调参数调回到给 定值上的系统。
5
三、自动控制系统的组成
被控对象——生产设备
变送器
显示仪表
自动化装置 控制器
执行器
变送器
调节器 执行器
被控对象
简单控制系统组成示意图
6
四、基本术语 1. 调节对象：自动化装置控制下的生产设备 2. 被调参数：需维持在某一预定范围的参数 3. 给定值：要求被调参数稳定的某一范围 4. 干扰：影响被调参数偏离给定值的因素 5. 控制作用：把偏离给定值的被调参数调回
从原来的平衡状态过渡到另一个新的平衡状态所 需的时间
16
阶跃干扰作用时过渡过程品质指标示意图
17
第三节 被控对象的特性
指被控对象在受到输入信号作用(干扰作 用或控制作用)后，其输出信号(亦即被控 变量)随时间变化的特性。
一、描述对象特性的参数
1．放大系数K
2．滞后时间τ
3．时间常数Tc
水槽液位的变化曲线
互影响和信号联系。
9
2、正、负反馈 反馈：把输出信号重新送回到输入端的过 程 正反馈：使原来的输入信号(e)增强的反馈 e=x+z 负反馈：使原来的输入信号(e)减小的反馈 e=x-z
10
第二节 自动控制系统的过渡过程及品质指标
一、系统的静态和动态 静态：平衡状态 相对的、暂时的、有条件的 动态：参数不断变化状态 普遍的、绝对的、无条件的
24
调节特性：
阀门
t
缺点：执行机构的动作过于频繁 被控变量产生持续的等幅振荡过程
25
具有中间区的双位控制过程
26
（二）比例控制（P控制） 控制器输出的改变量与被控变量的偏差 值成正比例。 P=KP·e
1、液位比例控制
27
2. 比例度δ
使控制器输出变化全范围时，输入偏差改变了
满量程的百分数 。比例度可用下式来表示。
11
二、自动控制系统的过渡过程 1. 自动控制系统的过渡过程
被控变量随时间变化而变化的过程称为 自动控制系统的过渡过程 2. 阶跃干扰 干扰比较突然，比较危险，对被控变量 的影响也最大 干扰的形式简单，容易实现，便于分析、 实验和计算。
12
阶跃干扰作用图
13
3.过渡过程的四种基本形式
(1)非振荡的单调过渡过程 被控变量在给定值 的某一侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳 定在某一数值上,(图 (a)) (2)衰减振荡过程 被控变量上下波动，但幅度 逐渐减小，最后稳定在某一数值上，(图 (b)) (3)等幅振荡过程 被控变量始终在某一幅值的 上下波动， (图 (c)) (4)发散振荡过程 被控变量上下波动，幅度逐 渐变大，(图 (d))
30
（三）积分控制（I控制）
积分控制作用的输出变化量与偏差的积分
成正比。
P
1 Ti
edt
只要偏差存在，积分作用一直作用下去， 就有输出信号，能消除余差
缺点：在偏差出现的瞬间不能立即作用
31
（四）微分控制（D控制） 控制器的输出变化量与偏差变化速度成 正比。 de P TD dt 对变化速度快的偏差，微分调节输出变 化值也大，有“超前”调节功能。 对不变化的偏差，微分控制不起作用， 也不能消除余差。