控制系统框图概述
单回路控制系统
单回路控制系统一、单回路控制系统的概述图1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。
系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。
由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。
图1 单回路控制系统方框图二、干扰对系统性能的影响1．干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。
会影响干扰加在系统中的幅值。
若系统是有差系统，干扰通道的放大系数Kf则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。
，则阶跃扰动通过惯性环节后，如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf越大，则系统的动态偏其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。
即时间常数Tf差就愈小。
通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。
2．干扰进入系统中的不同位置。
复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如图2所示。
同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。
对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
图2 扰动作用于不同位置的控制系统三、控制规律的选择PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
1．比例(P)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。
由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。
这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。
其传递函数为：G C (s)= KP=δ1(1)式中KP为比例系数，δ为比例带。
2．比例积分(PI)调节PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。
其传递函数为：GC (s)=KP(1+s1IT)＝δ1(1+s1IT) (2)式中TI为积分时间。
3．比例微分(PD)调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。
控制系统框图
控制系统框图1. 引言控制系统框图是用于描述控制系统结构和组件之间关系的图表。
它通过显示控制系统中各个组件的连接和交互方式，帮助人们理解系统的工作原理和功能。
本文将介绍控制系统框图的基本概念和常用符号，并以一个简单的控制系统框图为例进行说明。
2. 控制系统框图的概念控制系统框图是一种图形化的表示方式，用于展示控制系统中各个组件之间的连接和关系。
它通常包括输入信号、控制器、执行器和输出信号等主要组件。
控制系统框图能够帮助人们直观地了解控制系统的结构和功能，方便进行系统的设计和分析。
3. 控制系统框图的符号控制系统框图使用一些特定的符号来表示各个组件和其之间的关系。
下面是一些常用的控制系统框图符号：3.1 输入信号输入信号通常用一个箭头表示，箭头的起点表示信号的源头，箭头的终点表示信号的目标。
输入信号可以是来自传感器或外部设备的信号，用于控制系统的输入。
3.2 控制器控制器通常用一个方框表示，方框内部可以包含控制器的具体功能描述。
控制器一般用于对输入信号进行处理和决策，并生成输出信号。
3.3 执行器执行器通常用一个圆形表示，圆形内部可以包含执行器的具体功能描述。
执行器用于接收控制器生成的输出信号，并执行相应的动作。
3.4 输出信号输出信号通常用一个箭头表示，箭头的起点表示信号的源头，箭头的终点表示信号的目标。
输出信号可以是执行器生成的动作信号，或者是控制系统的输出结果。
4. 示例控制系统框图下面是一个简单的控制系统框图示例，用于控制房间的温度：输入信号（外部温度）→ 控制器（温度调节器）→ 执行器（加热器）→ 输出信号（房间温度）该控制系统框图中，输入信号为外部温度信号，控制器为一个温度调节器，执行器为一个加热器，输出信号为房间的温度。
控制器根据输入信号判断房间温度的变化，并控制加热器的工作来调节房间温度。
5. 总结控制系统框图是描述控制系统结构和组件之间关系的图表。
它通过显示控制系统中各个组件的连接和交互方式，帮助人们理解系统的工作原理和功能。
控制系统的组成及框图
2 控制系统的组成及框图以上所列举的控制系统都属于简单控制系统，与其他任何的控制系统相同，这些控制系统均由下列基本单元组成。
○1被控对象（也称被控过程）是指被控制的生产设备或装置。
针对以上三例，分别是液罐、蒸汽加热器、气罐系统。
○2测量变送器用于测量被控变量，并按一定的规律将其转换为标准信号输出。
依据电器标准的不同，常用的标准信号包括：0—10mA DC信号（DDZ 二型仪表）、4—20mA DC信号（DDZ 三型仪表）、0.02—0.10MPa气动信号等。
○3执行器常用的是控制阀。
它接受来自控制器的命令信号u，用于自动改变控制阀的开度。
如例1中，控制器通过改变出水阀门的开度以调节水量Q。
，最终达到克服外部扰动对被控变量h的影响。
○4控制器（也称调节器）它将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差信号e（t），并按一定的规律给出控制信号u（t），对于工业中常用的各类控制器，其输入输出信号大都为标准的电流信号，如DDZ三型仪表的4—20mA DC信号。
通常，用文字叙述的方法来描述控制系统的组成和工作原理较为复杂，而在过程控制实践中常常采用直观的方框图来表示。
如图1.1.5为液体储罐液位控制对应的方框图，一般的单回路控制系统的方框图可用如图1.1.6所示的方框图来表示方框图中每一条线代表系统中的一个信号，线上的箭头表示信号传递的方向；每个方块代表系统中的一个环节，它表示了其输入对其输出的影响。
方框图可以把一个控制系统变量间的关系完整的表达出来。
3 过程控制的术语○1被控变量（Controlled Variable，CV）也称受控变量或过程变量（Process Variable，PV）。
他是指被控对象需要维持在其理想值的工艺变量，如上述各例中的夜罐液位、换热器工艺介质出口温度、罐内压力。
在过程控制中常用的被控变量包括：温度、压力/差压、液位/料位、流量、成分含量等实际物理量。
有时，也可以用过程变量的检测电信号来表示被控变量，该测量信号称为过程变量的测量值（Measurement）。
控制工程基础第三章 系统框图及简化
Y(s)
1 G s
X(s)
2.引出点前移
X(s)
A
G(s)
Y(s)
B
X(s)
A
G(s)
G s
Y(s) Y(s)
B
Y(s)
比较点的移动
Ø
将比较点跨越框图移动时，应遵循移动前后总输出量保持 不变的等效原则。 Y s ( X s - X s )Gs
Y s Y1 s Y2 s Y3 s
G1 s G2 s G3 s
并联的补充说明
l
这表明几个环节并联时，可以用一个等效环节去取代， 等效环节的传递函数为各环节传递函数的代数和。写成一 般形式为
G s G i s
i 1
n
Y2 s X s G2 s
Y3 s X s G3 s
Y1 s X s G1 s
输入量相同，输出量相加或相减的连接称为并联。如图所示， 三个环节的输入部分都为 X， 而输出分别为Y1、Y2、Y3 ，
Y s X s G1 s X s G2 s X s G3 s G s X s X s
X 0 (s)= G (s)E (s) B (s)= H (s)X 0 (s)
E( s) 1 = Xi (s ) 1 ±G (s)H (s) 称为误差传递函数（偏差信号与输入信号之比）
整理得
s ( ) E( ss) B ss E s =X Xii ± B ) (
E s X i s H s G s E s
Ui (s) -Uo (s) R1IR s
1/R1
U 0 ( s ) I ( s ) R2
开环电子控制系统的结构方框图
04
开环电子控制系统的性能指标
稳定性
稳定系统
开环电子控制系统在受到外部干扰或 内部参数变化时，能够保持稳定运行 ，不出现振荡、失控等现象。
稳定性分析
通过系统稳定性分析，确定系统是否 稳定，并采取相应措施提高系统的稳 定性。
快速性
响应速度
开环电子控制系统在接收到输入信号后，能够快速响应并输出相应的控制信号， 以满足控制要求。
可靠性设计
通过可靠性设计，提高系统的抗干扰能力和故障恢复 能力，确保系统可靠运行。
05
开环电子控制系统的应用领域
工业自动化
自动化生产线控制
开环电子控制系统广泛应用于自动化生产线控制，如 机械臂、传送带、包装机等设备的协同工作，提高生 产效率。
工业机器人
开环电子控制系统为工业机器人提供精确的运动控制， 实现复杂动作的快速、准确执行。
简化控制系统设计
开环电子控制系统结构简单，设计相对容易。通过合理选择控制算法和 参数，可以快速构建出满足特定需求的控制系统。
03
降低能耗和资源消耗
开环电子控制系统能够实现精确控制，有效降低能耗和资源消耗。在能
源、环保等领域，开环控制系统的应用有助于实现节能减排和可持续发
展。
开环电子控制系统的历史与发展
执行机构的动作与控制
总结词
执行机构的动作是开环电子控制系统的关键 环节，主要任务是根据控制信号调节被控对 象的参数。
详细描述
执行机构通常由电动机、电磁阀、调节阀等 组成，根据接收到的控制信号调节被控对象 的参数，如温度、压力、流量等。执行机构 的动作直接影响被控对象的性能，因此需要
保证其稳定性和可靠性。
执行部分
总结词
驱动与调节
4.2.3控制系统框图
相关量： 给定量（输入量）、控制量、被控量（输出 量）
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6
1、开环
框图给定值 表示 控制器
控制量
被控量
执行器
被控 对象
给定值 比较器
2、闭环
控制器
控制量
被控量
执行器
被控 对象
反馈环节
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绘制框图的方法
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2、例子分析
回顾
1、供水水箱的水位自动控制系统 2、加热炉的温自动控制系统
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3、人工调节液面
4、希罗的自动门控制系统
框图 小练习：
表示
用方框图将下面的几
个控制系统表示出来。
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1、供水水箱的水位自动控制系统
2、加热炉的温自动控制系统
3、人工调节液面
2020/5/17
4、希罗的自动门控制系统
1、供水水 箱的水位 自动控制 系统
预设 水位 比较器
连动 系统
相关量
门的开/关
庙门
随着音乐起伏而变化的音乐喷泉是控制技术的一 种具体应用。其工作过程是由 “声－电转换装置” 将起伏的音乐强度转换为随之而变化的电信号，这种 电信号驱动电动机带动水泵转动。音乐声信号强，水 泵的转速就快，喷头的压力就大，喷出的水柱就高。 反之，喷出的水柱就低。音乐信号的强弱与喷泉水柱 的高低一一对应。请回答以下问题： （1）音乐喷泉控制系统是开环控制还是闭环控制？ （2）该控制系统的输入信号和输出信号分别是什么 （3）从控制系统组成的角度，分析“声－电转换装 置”在控制系统中起什么作用？
答案：（1）开环控制系统（2）音乐的声信号、水柱 的高度（3）控制器的控制作用
自动控制理论第六讲 方框图
06
总结与展望
本讲内容总结
方框图基本概念
方框图的绘制方法
介绍了方框图的基本元素，包括方块、箭 头、分支点和交汇点等，以及它们在控制 系统中的含义。
详细讲解了如何根据控制系统的结构和功 能，选择合适的方块和连接方式，绘制出 清晰、准确的方框图。
方框图的分析方法
方框图在控制系统中的应用
介绍了方框图的分析步骤和方法，包括前 向通路、反馈通路、开环传递函数和闭环 传递函数的计算等。
梅森公式介绍
01
梅森公式是一种用于求解复杂控制系统方框图传递函
数的数学方法。
梅森公式应用步骤
02 首先找出所有前向通道、回路和不相交回路的传递函
数；然后按照梅森公式计算系统的总传递函数。
梅森公式在化简复杂方框图中的优势
03
能够简化计算过程，避免繁琐的代数运算，提高求解
效率。
实例分析：典型系统方框图化简过程
05
方框图在控制系统分析中的应用
稳定性分析：通过方框图判断系统稳定性
01
稳定性定义
系统受到扰动后，能够自动恢复到平衡状态的能力。
02 03
稳定性判据
通过方框图中各环节传递函数的极点位置，判断系统是否稳定。若极点 全部位于复平面的左半部分，则系统稳定；若有极点位于复平面的右半 部分，则系统不稳定。
结合实际工程问题进行实践
通过实际工程问题，将所学的方框图知识应用到实践中去，提高分析 和解决问题的能力。
拓展相关领域的知识
学习与自动控制理论相关的其他领域知识，如现代控制理论、智能控 制等，以完善自己的知识体系。
THANKS
感谢观看
方框图的作用
方框图是一种用图形符号表示系统各 环节间相互关系的图解表示法，它简 洁明了地表示了系统的结构和功能。
自动控制原理第二章方框
在自动控制原理中，串联方框通常表示线性元件或环节，它们的输出是输入的线性变换。因此，当多 个串联方框连接在一起时，可以将它们的输出和输入端连接在一起，简化为一个单一的方框，这个方 框的传递函数是所有串联方框传递函数的乘积。
并联方框的简化
总结词
并联方框的简化是将多个并联的方框简化为单一方框，通过将多个方框的输出端合并为单一输出实现。
输入信号的特性
决定了系统输出信号的变 化规律，是分析系统性能 的重要依据。
常见的输入信号
阶跃信号、正弦信号数
描述系统内部动态特性的数学模型， 表示系统输出与输入之间的函数关系。
传递函数的定义
传递函数的性质
与时间变量无关，只与系统内部参数 有关，决定了系统对输入信号的响应 特性。
方框图的绘制方法
01
02
03
确定系统组成部分
首先需要确定系统的各个 组成部分，并了解它们的 功能和相互关系。
绘制方框图
根据各组成部分之间的关 系，使用方框、箭头和文 字绘制方框图。
标注参数和变量
在方框图中标注各组成部 分的参数和变量，以便于 分析和设计。
02
方框图的组成
输入信号
输入信号
表示系统外部对系统的激 励或作用力，是系统输入 端所接收的信号。
VS
详细描述
在自动控制原理中，反馈环是由一系列的 串联和并联方框组成的闭环系统。为了简 化方框图，可以将反馈环中的某些环节省 略，从而消除反馈环。这种简化方法可以 减少系统的复杂性和计算难度，但需要注 意保留必要的反馈环节以保持系统的稳定 性和性能。
04
方框图的分析
稳定性分析
1
稳定性分析是控制系统的重要特性，它决定了系 统在受到扰动后能否回到平衡状态。
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伊金霍洛旗高级中学通用技术教研组
问题:
女红的基本功 “穿针引线”，如 何做好？
“穿针引线”过程中
命令发出者是： 命令执行者是： 命令的作用对象是： 反馈环节是：
大脑
手
针、线
眼睛
概念化：
描述性语言 命令发出者 命令执行者 命令的作用对象 反馈环节 期望值 控制目的
对控制对象所产生作用
概念 控制器 执行器 被控对象 反馈环节 给定量 被控量 控制量
给定量
期望值
被控量
大脑
肢体
飞镖
落点
控制器 执行器 被控对象
1.控制系统的组成
组成： 被控对象、控制装置两大部分（区分开环与 闭环） 相关量： 给定量（输入量）、控制量、被控量（输出 量）
6
1、开环
给定值
框图表示
控制量 被控量
控制器
眼睛
容器
4、希 罗的自 动门控 制系统
门的开/关
火炉
连动 系统
相关量
门的开/关
庙门
随着音乐起伏而变化的音乐喷泉是控制技术的一 种具体应用。其工作过程是由 “声－电转换装置” 将起伏的音乐强度转换为随之而变化的电信号，这种 电信号驱动电动机带动水泵转动。音乐声信号强，水 泵的转速就快，喷头的压力就大，喷出的水柱就高。 反之，喷出的水柱就低。音乐信号的强弱与喷泉水柱 的高低一一对应。请回答以下问题： （1）音乐喷泉控制系统是开环控制还是闭环控制？ （2）该控制系统的输入信号和输出信号分别是什么 （3）从控制系统组成的角度，分析“声－电转换装 置”在控制系统中起什么作用？ 答案：（1）开环控制系统（2）音乐的声信号、水柱 的高度（3）控制器的控制作用
2.通道与环节
• 通道指框图中信息流经的路径
• 闭环系统中有两类通道：前向通道和反馈 通道
• 环节：系统的各组成部分，包含传感器， 控制器，执行器等
王大伯盖了一个能自动调节温度的小型花房，花房 的温度冬季一般控制在18℃左右，夏季一般控制在 25℃左右。请分析它可能的工作过程，并画出花房 温度控制系统的方框图。 （5分）提示：该花房温 控设备包括控制器、加热元件和制冷元件、检测装 置、比较器等。
2、加热炉的温自动控制系统
3、人工调节液面
4、希罗的自动门控制系统
1、供水水 箱的水位 自动控制 系统
预设 水位 比较器 进水量 水位
控制器
阀门
浮球
水箱
2、加热 炉的温 自动控 制系统
设定温度 热量 温度
控制器
比较器加热器热源自偶加热炉3、人工 调节液面
给定值
液体输 出量
液面 位置
大脑
比较器
手、阀门
小结
控制系统的框图表示：
开环
闭环
执行器
被控 对象
2、闭环
控制量
给定值
被控量
控制器
比较器
执行器
反馈环节
被控 对象
绘制框图的方法
2、事例分析
回顾
1、供水水箱的水位自动控制系统 2、加热炉的温自动控制系统
3、人工调节液面
4、希罗的自动门控制系统
框图 小练习： 表示 用方框图将下面的几 个控制系统表示出来。
1、供水水箱的水位自动控制系统