反馈控制系统的基本概念
反馈控制系统的基本组成
反馈控制系统的基本组成
反馈控制系统是一种常见的控制系统，由多个组成部分构成。
这些组成部分包括传感器、执行器、控制器和反馈环路。
传感器是反馈控制系统的重要组成部分，它们用于测量系统的输出或状态，并将这些信息传递给控制器。
传感器可以测量各种物理量，如温度、压力、速度、位置等。
执行器是另一个重要的组成部分，它们用于控制系统的输入或状态。
执行器可以是电动机、阀门、泵等，它们通过控制器接收指令并执行相应的操作。
控制器是反馈控制系统的核心部分，它们接收传感器测量的信息，并根据预设的控制算法计算出控制信号，将其发送给执行器。
控制器可以是模拟电路、数字电路或计算机程序。
反馈环路是反馈控制系统的另一个重要组成部分，它们用于将系统的输出与期望值进行比较，并将误差信号反馈给控制器。
反馈环路可以是开环或闭环，闭环反馈控制系统具有更好的稳定性和精度。
除了以上组成部分，反馈控制系统还包括信号调理电路、功率放大器、滤波器等辅助部件，它们用于提高系统的性能和稳定性。
反馈控制系统的基本组成部分包括传感器、执行器、控制器和反馈环路，这些部分共同协作，实现对系统的控制和调节。
控制理论：系统反馈与调节
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控制理论：系统反馈与调节
控01制理论的基本概念与应
用领域
控制理论的起源与发展历程
• 起源：控制理论起源于20世纪初，最早的控制理论研究集中在机械领域，如蒸汽机、电话交换机等 • 19世纪末至20世纪初，控制系统的研究主要集中在传递函数法 • 20世纪30年代，诺伯特·维纳提出了控制论的概念，奠定了控制理论的基础
02
系统分析与建模
系统分析与建模的基本概念
系统建模：系统建模是根据系统的实际情况，建立系统的数学模型
• 线性系统建模：如传递函数法、状态空间法 • 非线性系统建模：如模糊逻辑法、神经网络法
系统分析：系统分析是对系统进行定性和定量分析的过程
• 定性分析：分析系统的结构、功能、性能等 • 定量分析：建立系统的数学模型，分析系统的动态性能、稳定性等
• 电力系统的稳定性判断：通过判断电力系统的特征方程是否有实根，或者系统矩阵是否满足某 些条件，来判断电力系统是否稳定 • 电力系统的稳定性应用：如电力系统稳定性的在线监测、控制器参数调整等
数06字控制系统与自适应控
制
数字控制系统的原理与特点
• 数字控制系统：通过数字信号处理器（DSP）实现对系统的控制 • 数字控制系统的原理：将连续的输入信号转换为数字信号，通 过数字信号处理器（DSP）进行处理，然后将数字信号转换为 连续的输出信号，实现对系统的控制 • 数字控制系统的特点：具有高精度、高速度、易于实现复杂控 制算法等优点
控制理论的基本概念与术语
系统：控制系统是一个由输入、输出 和传递函数组成的系统
控制：控制是通过调整 系统的输入或输出，实
现对系统状态的控制
第一章 反馈控制原理
第一章 反馈控制原理
+ + E + _
+
电位器
电 压 _ 放大器
功 率 放大器
n
Mc
_
电动机
+
负载
_
测速发电机
设上述系统原已在某个给定电压 ug 相对于的转速 n 状态下运 行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速 下降时，系统就会自动地产生调整过程
第一章 反馈控制原理
闭环控制的优点——抑制扰动能力强，与开环控制 相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和 控制精度。 闭环控制的缺点——但是引入反馈增加了系统的复 杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产 生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制 理论和系统设计必须解决的重要问题。
奠定基础20世纪经典控制论3040年代奈奎斯特提出系统稳定性的频率判据奈氏图奈氏判据从时域分析转到频域分析1940年伯德在频率法中引入对数坐标系伯德图1942年哈里斯引入传递函数概念1948年伊万恩提出根轨迹分析方法1949年英国人维纳在火炮控制中发现了反馈的概念出版了控制关于在动物和机器中控制和通讯的科学发现了控制论是信息反馈与控制三个基本要素奠定了控制论的基础50年代中期添加了非线性系统理论和离散控制理论形成了完整的理论体系
自动控制理论主要研究闭环控制系统
第一章 反馈控制原理
三、自动控制系统的基本组成
1、组成
r (t )
扰动 给定 元件
＋
比较 环节 偏差 信号e
参考输入
－
串联 校正元件
＋ －
放大 元件
执行 元件
被控 对象
c(t )
输出量
主 反 馈 信 号
反馈控制的基本原理
反馈控制的基本原理1.引言1.1 概述概述反馈控制是现代控制理论中的一个重要概念，它在各个领域都有广泛的应用。
从最简单的家用电器到复杂的工业自动化系统，都离不开反馈控制的支持。
反馈控制通过采集被控对象的输出信息，并将其与期望的输出进行比较，然后作出相应调整，以实现所需的控制目标。
在日常生活中，我们也常常使用反馈控制的原理。
比如，当我们开车时，会根据速度表上的速度和路况的变化，来调整油门和刹车的力度，以保持车辆稳定行驶。
这就是一个简单的反馈控制系统，由车速作为输入，驱动力作为输出。
反馈控制系统由被控对象、传感器、执行器和控制器等几个基本组成部分构成。
被控对象是系统中需要被控制的实际物理过程或设备，例如温度、速度、位置等。
传感器用于检测被控对象的状态或输出信息，并将其转化为电信号。
执行器根据控制信号进行相应的动作，改变被控对象的状态。
控制器是反馈控制系统的核心部分，它根据传感器反馈的信息和期望的输出信息之间的差异，计算出控制信号，使被控对象的输出逼近期望的输出。
反馈控制的基本原理是通过对被控对象的状态进行监测，并根据监测到的信息进行调整，使被控对象的输出接近期望的输出。
在控制过程中，控制器会不断地与被控对象进行交互，并进行参数调整，以实现系统的稳定性和性能要求。
通过不断地反馈和调整，反馈控制系统可以对被控对象的状态进行精确控制，从而实现预定的控制目标。
本文将详细介绍反馈控制的概念、基本组成和基本原理。
同时，还将讨论反馈控制在各个领域的实际应用，以及展望反馈控制的未来发展。
反馈控制是现代控制理论中的基础概念之一，对于提高系统的稳定性、精确性和鲁棒性具有重要意义。
深入了解反馈控制的基本原理，有助于我们更好地理解和应用控制技术，推动科技的发展和进步。
1.2 文章结构本文主要围绕反馈控制的基本原理展开讨论。
文章由引言、正文和结论三个部分构成。
在引言部分，我将对整篇文章进行概述，介绍反馈控制的基本概念以及文章的目的。
控制系统的基本原理
控制系统的基本原理
控制系统的基本原理是根据预定目标对被控对象进行控制，使其输出按照预期的要求变化。
基本原理可以归纳为以下几个方面：
1. 目标设定：确定控制系统的预定目标，例如要控制温度在恒定范围内变化。
2. 传感器：使用传感器感知被控对象的状态，例如通过温度传感器感知温度的变化。
3. 反馈：将传感器获取的信息反馈给控制系统，以便根据实际状态进行调整。
例如，如果温度偏离了目标值，控制系统就会发出信号调整控制器的输出。
4. 控制器：根据反馈信号和预定目标，产生相应的控制信号。
例如，温度控制系统的控制器可以通过控制加热器的功率来调整温度。
5. 执行机构：根据控制信号，执行相应的动作，改变被控对象的状态。
例如，控制系统可以通过控制加热器的开关将电流传递给加热体。
6. 闭环控制：反馈信息的使用使控制系统具备自动调节功能，能够在目标变化或者外界扰动的情况下使被控对象保持稳定，从而实现闭环控制。
总体来说，控制系统的基本原理是通过传感器感知被控对象的状态，将反馈信息传给控制器，并根据预定目标生成控制信号，然后通过执行机构改变被控对象的状态，以实现对被控对象的控制。
控制工程的基本概念
控制工程的基本概念简介控制工程是一门研究如何设计、分析和实现将一种物理系统从某个初始状态转变为所期望的状态的学科。
它通过建立数学模型和应用控制理论来解决自动化和机械系统中的问题。
本文将介绍控制工程的基本概念，包括控制系统、反馈原理、控制器和传感器等。
控制系统控制系统是由一组相互关联的元件或设备组成，用于实现物理系统的控制。
它通常包括输入、输出、误差检测和校正等组成部分。
控制系统可以是开环系统或闭环系统。
开环系统的输出不会影响到系统的输入，而闭环系统会根据输出来调整输入。
闭环系统通常比开环系统更稳定和可靠。
反馈原理是控制工程中的核心概念。
它指的是将输出信号与期望信号进行比较，并将误差信号送回输入端进行校正的过程。
通过反馈原理，系统可以自动调整输入，使输出尽量接近期望值。
这样可以提高系统的稳定性和精确性。
反馈原理是控制系统中的一个闭环过程，常用的反馈控制器有比例控制器、积分控制器和微分控制器。
控制器控制器是控制系统中的关键组件，用于计算并生成校正信号来调整系统的输入。
常见的控制器有比例控制器、积分控制器和微分控制器，它们分别根据系统的误差、误差累积和误差变化来调整输入。
根据系统的特点和需求，可以选择不同类型的控制器来实现不同的控制效果。
控制器的设计常常需要考虑系统的稳定性和鲁棒性等方面的因素。
传感器是控制工程中用于测量和监测系统状态的设备。
它可以将物理量（如温度、压力、速度等）转化为电信号，然后通过控制系统进行处理和分析。
传感器通常是控制系统中的输入设备，它们提供了实时的反馈信号，以便控制系统可以根据实际情况进行相应的调整。
传感器的选择和部署对于控制系统的性能和稳定性至关重要。
总结控制工程是一门通过建立数学模型和应用控制理论来解决自动化和机械系统中的问题的学科。
控制系统、反馈原理、控制器和传感器是控制工程中的一些基本概念。
掌握这些概念对于设计和实现高性能的控制系统至关重要。
希望本文的介绍能够帮助读者更好地理解控制工程的基本概念。
前馈控制系统的基本原理
前馈控制系统前馈控制系统的基本原理前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化）,并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上。
图2。
4—1物料出口温度θ需要维持恒定，选用反馈控制系统。
若考虑干扰仅是物料流量Q ，则可组成图2.4—2前馈控制方案。
方案中选择加热蒸汽量s G 为操纵变量。
图2。
4-1 反馈控制 图2.4—2 前馈控制前馈控制的方块图,如图2。
4-3.系统的传递函数可表示为：)()()()()(1S G S G S G S Q S Q PC ff PD += （2。
4-1）式中)(s G PD 、)(s G PC 分别表示对象干扰道和控制通道的传递函数；)(s G ff 为前馈控 图2.4-3 前馈控制方块图制器的传递函数。
系统对扰动Q 实现全补偿的条件是：0)(≠s Q 时,要求0)(=s θ （2.4-2）将（1-2）式代入（1—1)式,可得)(s G ff =)()(S G S G PC PD - (2。
4—3）满足（1-3)式的前馈补偿装置使受控变量θ不受扰动量Q 变化的影响。
图2-4-4表示了这种全补偿过程。
在Q 阶跃干扰下,调节作用c θ和干扰作用d θ的响应曲线方向相反,幅值相同。
所以它们的合成结果，可使θ达到 图2.4—4 前馈控制全补偿示意图理想的控制连续地维持在恒定的设定值上。
显然，这种理想的控制性能,反馈控制系统是做不到的.这是因为反馈控制是按被控变量的偏差动作的。
在干扰作用下，受控变量总要经历一个偏离设定值的过渡过程。
前馈控制的另一突出优点是，本身不形成闭合反馈回路，不存在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性矛盾。
1．前馈控制与反馈控制的比较图 2.4-5 反馈控制方块图 图2.4—6 前馈控制方块图由以上反馈控制系统与前馈控制系统方块图可知：1）前馈是“开环"，反馈是“闭环”控制系统从图上可以看到，表面上，两种控制系统都形成了环路，但反馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，可以回到出发点形成闭合回路，成为“闭环”控制系统 .而在前馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，不能回到出发点，不能形成闭合环路，因此称其为“开环”控制系统。
自动控制原理邹伯敏
自动控制原理邹伯敏自动控制原理是指通过对被控对象进行监测和控制，实现对其运行状态的自动调节和控制的一门学科。
邹伯敏是我国自动控制理论研究的重要人物之一，他在自动控制原理的研究和应用方面做出了重要贡献。
一、自动控制原理的基本概念自动控制原理是一门交叉学科，涉及到控制系统的建模、分析和设计。
控制系统由输入、输出和反馈组成，通过对被控对象的测量和反馈信息，实现对输出的控制。
自动控制原理主要包括控制系统的建模、系统稳定性分析和控制器设计等内容。
二、自动控制原理的基本原则1. 反馈原理：反馈是自动控制系统中的一个重要概念。
通过对输出的测量和反馈，可以对输入进行调节，从而实现对被控对象的控制。
反馈可以提高系统的稳定性和鲁棒性。
2. 控制系统建模：建立准确的数学模型是控制系统设计的基础。
通过对被控对象的特性进行建模，可以分析系统的动态特性和稳态特性，为控制器的设计提供依据。
3. 控制器设计：根据系统的特性和要求，设计合适的控制器来实现对被控对象的控制。
控制器的设计可以采用经典控制方法，如比例-积分-微分（PID）控制，也可以采用现代控制方法，如状态反馈控制和最优控制等。
三、邹伯敏在自动控制原理研究中的贡献邹伯敏是中国自动控制理论研究的著名专家，他在自动控制原理的研究和应用方面做出了重要贡献。
1. 控制系统建模：邹伯敏提出了一种基于时滞系统的建模方法，在时滞系统建模的基础上，研究了时滞系统的稳定性和控制器设计问题。
2. 控制器设计：邹伯敏在控制器设计方面做出了重要贡献。
他提出了一种基于模糊控制的自适应控制方法，该方法能够在系统参数变化和环境变化的情况下自动调节控制器参数，实现对系统的自适应控制。
3. 控制系统优化：邹伯敏研究了多目标优化问题在控制系统中的应用。
他提出了一种基于遗传算法的多目标优化方法，能够在系统性能和控制器复杂度之间进行权衡，实现对控制系统的优化设计。
四、自动控制原理的应用领域自动控制原理广泛应用于各个领域，包括工业控制、交通控制、航空航天、军事等。
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1.1.2 人工控制与自动控制
煤气灶上油煎鸡 蛋时的油温控制 自行车速度控制 汽车驾驶 收音机音量调节
电饭煲 空调 抽水马桶 汽轮机转速控 制 导弹飞行控制 声控光控路灯
1.1.3 自动控制学科的特点
应用广泛
小至电子表,大至人造卫星,几乎包括 各个领域. 我院6个专业有4个学“自 控原理”课
日益重要
变 量 时间
例 热电偶测得电势，反映温度
开关量控制系统 系统中变量只有两个状态，0或1， 开或关
变 量
例 全自动洗衣机
时间
八. 按变量的统计特性分类
确定性变量控制系统 系统中的变量被认为是无噪声的 确定性变量
变 量 时间
随机性变量控制系统 系统中的变量被认为是有噪声的 随机性变量
变 量
时间
九. 按控制规律分类
五个字： 五个字：稳、准、快、壮、省 稳：扰动下不发散 准： 与设定值的偏差小 快： 用最少的时间达到要求 壮： 适应宽范围工况 省： 控制能量最省，波动小，效率高
常 规 控 制（PID） ） 智能控制 预测控制 最优控制 自适应控制 鲁棒控制 模糊控制 神经元控制
第五节 控制系统性能分析概论
一.典型试验信号 典型试验信号
阶跃信号 斜坡信号 抛物线信号 脉冲信号 正弦信号
二.系统性能分析方法 系统性能分析方法
动态特性分析 稳态特性分析
阶跃信号（ 阶跃信号（Step Function） ）
很难想象现代生活和生产过程没有自 动控制装置如何能够继续? 你敢让大 型发电机组用人工控制来运行吗? 你 愿意使用不能自动控制温度的电冰箱 吗？
1.1.4 控制科学与工程学科的内 控制科学与工程学科的内涵
控制科学与工程
控制理论与 检测技术与 模式识别与 控制工程 自动化装置 智能系统
系统工程
1.1.5 自动控制理论的基本问题
t 程序控制系统： 程序控制系统： 给定值按条件（时间 或流程）变化 r t
例 金属热处理，化学水处理
四. 按输入输出变量数分类
单变量控制系统 单入--单出 SISO（Single Input Single Output）
例 电加热炉温度控制系统
电流 电加热炉 温度 多变量控制系统 多入--多出 MIMO（Multiple ----）
正弦信号（ 正弦信号（Sine Function） ） r（t）=Asin( ω t + φ )
A -------- 幅值 ω -------- 频率 φ -------- 初相位 r（t）
时间 t
正弦信号为单频率信号，适于测试系统频率特性。
动态特性分析
y（t）= f ( x（t）) y (t ) ------ 输出 x (t ) --------- 输入 动态响应: 系统输出在典型测试信号下随时间变化的特性
1.1.1 控制的含义
控制（CONTROL）----某个主体使某个客体按照 一定的目的动作
主体---人：人工控制； 机器：自动控制 客体---指一件物体，一套装置，一个物化过程，
一个特定系统。
物体--飞船，电炉。（飞船控制） 装置--锅炉，汽机。（锅炉控制） 过程--燃烧，传动。（燃烧控制） 系统--电力，化工，冶金。（电力控制）
日常生活过程中的反馈控制系统例子--例1.2 水箱水位控制
第三节 自动控制系统的组成及方框图
自动控制系统： 控制装置＋受控对象 方框图(方框+箭头+求和圆+线条)：分析系统内各部分 之间关系的图解法． 自动控制系统的组成(如锅炉水位控制系统)：
给定器 SV DV 调节器 MV 执行器 受控过程 被控量PV 被控量PV
控制系统的分析
典型信号下的响应 (阶跃响应,频率特性) 数学模型 (传递函数,状态方程) 性能指标 (稳态误差,超调量)
控制系统的设计
性能要求 (性能指标,约束条件) 控制器的结构和参数设计和整定 性能校核 (计算,仿真,实验)
第二节 反馈控制系统的基本概念
信息反馈-------最基本的自动控制原理 反馈控制系统的中的常用术语：
给定值（参考输入值） 偏差值 控制量 被控量 扰动量(内扰,外扰) 自动控制装置 = 传感器 + 控制器 + 给定器 + 执 行器 受控过程（受控对象） 控制系统 = 受控过程＋控制装置
工业过程中的反馈控制系统例子--例1.1 锅炉汽包水位控制系统 主蒸汽 过热器 变送器 汽包 省煤器 调节器 给水 给水泵 执行器 给水调节阀
调 节 阀
MV
给 水 量
汽 包
实际 水位
-
器
测量水位PV 反馈元件
第四节 自动控制系统的分类
一. 按系统环节连接形式分类
开环控制系统 开环控制系统： 控制系统
设定器 控制器 扰动 被控对象 被控量
闭环控制系统 :
设定器 控制器 被控过程
传感器
开环控制系统举例
220v~ 电 热 丝
调压器 电 位 器
抛物线信号为匀加速信号，适于测试匀加速系统。
脉冲信号（ 脉冲信号（Pulse Function） ）
∞ t=0
理想情况: r（t）= δ ( t ) =
0
r（t） A
t≠0
δ (t) -----单位脉冲函数
实际情况:
h
A/h
时间 0 <= t <= h t
r（t）= 0 t < 0, t > h
du(t) 可用于测试系统抗冲击能力 δ (t) = dt
例 锅炉燃烧控制系统
燃料量 送风量 引风量 工质温度 工质压力 炉膛压力
电站锅炉
五. 按系统特性分类
线性控制系统 输入与输出成正比，可用叠加原理 用线性数学模型描述
位 移
例 弹簧秤（在工作区）
力
非线性控制系统 输入与输出不成正比，不可用 叠加原理 用非线性数学模型描述
位 移
例 弹簧秤（不在工作区）
第一章 绪论
第一节 概论 第二节 反馈控制系统的基本概念 第三节 自动控制系统的组成和方框图 第四节 自动控制系统的分类 第五节 控制系统性能分析概论 第六节 自动控制系统性能要求
第 一 节
1.1.1 控制的含义
概
论
1.1.2 人工控制与自动控制 1.1.3 自动控制学科的特点 1.1.4 自动控制理论的内容 1.1.5 自动控制理论的基本问题
二. 按控制依据信号性质分类
反馈控制系统：
控制器 被控过程
前馈控制系统：
控制器 控制器
被控过程
前馈---反馈 控制系统
控制器 被控过程
三. 按给定值变化规律分类
r 恒值控制系统： 恒值控制系统： 给定值不随时间变化
例 恒温，恒压系统
随动控制系统： 随动控制系统： 给定值按需求随机变化 r
t
例 雷达跟踪， 靠模加工系统
y( t ) x (t ) x y
f(x(t))
t
t
稳态特性分析
y（t = ∞）= f ( x) y (∞) ------稳态输出 x --------- 输入 稳态特性: 平衡状态下系统输出与输入的关系
y y( t ) x 线性 饱和非线性 死区非线性 继电非线性 x (t )
t
第六节 自动控制系统性能要求
t ≥0 t <0
u(t)-----单位阶跃函数
斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。
抛物线信号（ 抛物线信号（Parabolic Function） ）
0.5Rt 2 r(t) = 0.5Rt u(t) = 0
2
t ≥0 t <0
u（t）-----单位阶跃函数
r（t） 0.5 R t 2
时间 t
反馈PV 反馈PV 给定值 SV Setpoint-Value 偏差值 DV Deviation-value 操作值 MV Manipulation-Value 过程变量值 PV Process-Value
传感器
例1.3 锅炉水位控制系统
设定 水位
SV
+
偏差 量 调
DV
节 器
控 制 量
执 行 器
调节 位移
力
六. 按变量的时间特性分类
变 连续时间控制系统 量 系统中的变量可随时变化，连续， 不间断
例 重锤式转速控制系统
时间
离散时间控制系统 系统中存在离散变量，它们只在 固定时刻存在和变化
变 量
例 计算机控制系统
时间
七. 按变量的变化特性分类
模拟量控制系统 系统中的变量是反映物理量的模 拟变量，可以是任意数值
闭环控制系统举例
例1.4.3 闭环温度控制系统
调压器
220V~
减速器
M
温度 控 制器
热 电 偶
例1.4.4 闭环转速控制系统
电压放大器 功率放大器 M 负载 测速发电机
闭环控制系统特点: 闭环控制系统特点 1. 有反馈回路; 有反馈回路 2. 结构复杂; 结构复杂 3. 控制精度高,自动纠偏 控制精度高 自动纠偏
R t ≥ 0 r(t) = Ru(t) = 0 t < 0
r（t） R
u(t)-----单位阶跃 函 数
时间
阶跃信号含宽频带谐波分量，产生容易，是最常用系统 性能测试信号。
斜坡信号（ 斜坡信号（Ramp Function） ）
Rt r(t) = Rt u(t) = 0
r（t） Rt t g（φ）=R φ 时间 t
加 热 炉
例1.4.1 开环温度控制系统
功率放大器
M
负载
例1.4.2 开环转速控制系统
开环控制系统特点： 开环控制系统特点： 1. 信号从输入到输出无反馈 单向传递 信号从输入到输出无反馈,单向传递 单向传递. 2. 结构简单 结构简单. 3. 控制精度不高 无法抑制扰动 控制精度不高,无法抑制扰动 无法抑制扰动.