自动控制系统基本概念
电子课件-《自动控制技术》-B02-4260 第一章 自动控制的基本概念
第一章 自动控制的基本概念
在直流电动机转速开环控制系统中，加入一台测速发电机，并对电路稍作改 变，便构成图示的直流电动机转速闭环控制系统。
测速发电机由电动机同轴带动，用于测量电动机的实际转速n（即系统的输出 量），然后转换成电压uf，再反送到系统的输入端，与给定值（即系统的输入量） 进行比较，从而得出电压ue = ugd - uf 。由于该电压能间接地反映出误差的性质 （即大小和正负方向），通常称之为偏差信号，简称为偏差。偏差ue经放大器放 大成ua后，作为电枢电压控制电动机转速n之用。
第一章 自动控制的基本概念
二、自动控制系统中常用的名词术语
系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式组合而成，以 完成某种自动控制任务的有机整体。
输入信号：系统的输入信号又称为参考输入，通常是指给定值，它是控制着 输出量变化规律的指令信号。
输出信号：系统的输出信号是指被控对象中要求按某种规律变化的物理量， 又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。
第一章 自动控制的基本概念
一、人工控制
如图所示为一个人工控制水位保持恒定的供水系统。
人工控制的水位系统
第一章 自动控制的基本概念
操作步骤是： （1）将水位的要求值（期望水位值）牢记在操作者的大脑中。 （2）通过眼睛和测量工具测量出水池的实际水位。 （3）将期望水位与实际水位进行比较、计算，从而得出误差值。 （4）按照误差的大小和正负性质由大脑指挥手去正确地调节进水阀门。所谓 正确调节，是要按减小误差的方向来调节进水阀门的开度。
方块图清楚表明：由于采用了反馈回路，致使信号的传送路径形成闭合环路， 使输出量反过来直接影响控制作用。这种通过反馈回路使系统形成闭合环路，并 按偏差ue的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差的控制系统，称为闭环控制 系统，或称为反馈控制系统。
《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。
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。
自动控制原理知识点
自动控制原理知识点 The document was finally revised on 2021第一章自动控制的一般概念自动控制的基本原理与方式1、自动控制、系统、自动控制系统◎自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律（给定值）运行。
◎系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。
◎自动控制系统：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。
除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。
测量元件：用以测量被控量或干扰量。
比较元件：将被控量与给定值进行比较。
执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象。
参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。
2、自动控制原理及其要解决的基本问题◎自动控制原理：是研究自动控制共同规律的技术科学。
而不是对某一过程或对象的具体控制实现（正如微积分是一种数学工具一样）。
◎解决的基本问题：建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述）分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能）综合：控制系统的综合与校正——控制器设计（方案选择、设计）3、自动控制原理研究的主要内容4、室温控制系统5、控制系统的基本组成◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。
◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放大器）。
◎执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空调器）。
◎测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件（热敏电阻）。
◎比较元件：将测量元件和给定元件给出的被控量实际值与参据量进行比较并得到偏差的元件。
化工仪表及自动化第1章 第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
液位自动控制的方块图
方块图中， x 指设定值；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。当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反 馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反馈。
图1-4 液位自动控制系统方块图
图形符号 字母代号 仪表位号
2
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
人工操作与自动控制比较图
图1-2 人工操作图
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要
4
图1-3 液位自动控制系统图
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
自动控制系统的组成
测量元件与变送器
自动化装置 组 成
被控对象
自动控制器 执行器
工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个 设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向 相一致。 自动控制系统是一个闭环系统
9
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
小结
自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。
与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区 别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被 控（工艺）变量是不反馈到输入端的。
7
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
其他控制系统
用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统
图1-5 蒸汽加热器温度控制系统
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。
举例 化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子
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。
自动控制的基本概念
r (t )
+-
e(t )
控制器
u(t ) + +
测量、变送器
受控对象
c(t )
b(t )
图1.2.2 简化的自动控制系统方框图
13
反馈控制系统
在图1.2.2种也采用了自动控制原理中常用的变量 r c( 为被控量（也称系统输出）； (t )为 表示符号。其中： t ) d 给定值（或设定值，也称给定输入）；(t ) 为扰动量 u （也称扰动输入）；(t ) 为控制量。方框图1.2.2清楚的 表示了控制系统输出[被控量 c(t ) ]和输入[扰动量 d (t )和 给定值 r(t )]之间的变化关系。 + 在图1.2.2中，“ ”为加法器，也称合点，输 + 入量相加或相减用“+”或“-”标在 内。图中的“⊥” 称分点，它表示经过该分点后，信号沿两条路线传递， 而且两条信号线上信号都与输入分点的信号相等。
20
鲁棒性
21
自动控制系统的类型
按给定值变化规律分类
恒值控制系统：给定值在系统运行过程中始终保 持恒定，从而在稳态时被控量保持恒定或基本上保 持恒定。 程序控制系统：给定值是事先设定好的已知函数。 自动控制系统的任务是保证在不同运行状态下被控 量按照预先的规律变化。 随动控制系统：给定值不是恒定的，也不是按已 知的规律变化的，而是按事先不能确定的一些随机 因素而改变。因而被控量也是跟随这个事先不能确 定的给定值而随时变化。 22
14
反馈控制系统
在图1.2.2中，从系统输出 c(t ) 引出的信号， 先经过测量变送器，再经合点后，反馈到控制器， b(t ) 该信号 称为反馈量（简称反馈）。该系统中的 反馈量以消弱（取负号）控制器输入信号的方式 起作用，因此也称为负反馈。 反馈量 b(t )与给定值r(t )的偏差 e(t )称为误差。即
自动控制系统概述ppt课件
拉普拉斯变换
拉氏变换的实质：将实变量t的函数f（t），变换成复变量s（s=α+jβ）的函数F（s）。
F (s) f (t)estdt L[ f (t)] 0
其中： f (t) 为原函数， F(s) 为拉氏变换式（或象函数）
记为：
拉氏 变换 F(s) L[ f (t)]
第一节 自动控制系统的组成
进
料
口
调
节
器
变
送
器
执 行 器
进
料
口
调
节
器
变
送
器
进 料 口
变 送 器
控 制 站
执
执
行
行
器
器
控制系统的 4 个基本环节：
被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器
几个常用术语 ：
（1）被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。 （2）被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控
y (t ) B
e()
Sp
B
C
稳定误差范围： 2％ 或者 5％的新稳态值
0
t1
t2
t3
t
超调量σ： B/C *100%
衰 减 比n： n B / B
余差 e(∞)： e()
过渡时间tp： 振荡周期：
t p t3 t2 t1
自动控制系统希望的结果： •最大偏差（超调量）？ •答：越小越好 •衰减比？
的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏 差。
第二节 自动控制系统的方块图：
一、信号和变量：
+
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16
阶跃干扰作用时过渡过程品质指标示意图
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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
.
18
有容量滞后的对象特性
不同时间常数时的反应曲线
• 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。
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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
自动控制技术基本概念
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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
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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
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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
1、方框图：反映系统各组成部分之间的相 互影响和信号联系。
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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
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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。
• 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。
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5
三、自动控制系统的组成
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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。
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12
阶跃干扰作用图
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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. 基本控制（调节）规律：位式控制、比 例控制、积分控制、微分控制
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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）。
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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
缺点：在偏差出现的瞬间不能立即作用
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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。
P
TD
de 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。
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32
阶跃输入时微分调节器特性
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33
微分时间对过渡过程的影响
(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))
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14
过渡过程的几种基本形式图
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15
4. 自动控制系统的品质指标
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
.
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。
.
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
式中
ep //X pm ma ax xX pm miinn10% 0
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。
.
34
（五）比例积分微分（PID）控制系统
• 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
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
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
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8
六、自动控制系统的方框图