1_自动控制系统基本概念
自动控制原理课后习题与答案
目录1自动控制系统的基本概念1.1内容提要1.2习题与解答2自动控制系统的数学模型2.1内容提要2.2习题与解答3自动控制系统的时域分析3.1内容提要3.2习颗与他答4根轨迹法4.1内容提要4.2习题与解答5频率法5.1内容提要5.2习题与解答6控制系统的校正及综合6.1内容提要6.2习题与解答7非线性系统分析7.1内容提要7.2习题与解答8线性离散系统的理论基础8.1内容提要8.2习题与解答9状态空间法9.1内容提要9.2习题与解答附录拉普拉斯变换参考文献1自动控制系统的基本概念1. 1内容提要基本术语：反馈量，扰动量，输人量，输出量，被控对象；基本结构：开环，闭环，复合；基本类型：线性和非线性，连续和离散，程序控制与随动；基本要求：暂态，稳态，稳定性。
本章要解决的问题，是在自动控制系统的基本概念基础上，能够针对一个实际的控制系统，找出其被控对象、输人量、输出量，并分析其结构、类型和工作原理。
1.2习题与解答题1-1图P1-1所示，为一直流发电机电压白动控制系统示意图。
图中，1为发电机；2为减速器；3为执行电机；4为比例放大器；5为可调电位器。
(1)该系统有哪些环节组成，各起什么作用” (2)绘出系统的框图，说明当 负载电流变化时，系统如何保持发 电机的电压恒定 (3)该系统是有差系统还是无 差系统。
(4)系统中有哪些可能的扰动， 答(1)该系统由给定环节、比较环节、中间环节、执行结构、检测环节、 发电机等环节组成。
给定环节:电压源0U 。
用来设定直流发电机电压的给定值。
比较环节:本系统所实现的被控量与给定量进行比较，是通过给定电 压与反馈电压反极性相接加到比例放大器上实现的中间环节:比例放大器。
它的作用是将偏差信号放大，使其足以带动 执行机构工作。
该环节又称为放大环节执行机构:该环节由执行电机、减速器和可调电位器构成。
该环节的 作用是通过改变发电机励磁回路的电阻值，改变发电机的磁场，调节发 电机的输出电压被控对象:发电机。
《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汇总
自动控制原理知识点汇总自动控制原理是研究和设计自动控制系统的基础学科。
它研究的是用来实现自动化控制的基本概念、理论、方法和技术，以及这些概念、理论、方法和技术在工程实践中的应用。
下面是自动控制原理的一些重要知识点的汇总。
一、控制系统的基本概念1.控制系统的定义：控制系统是用来使被控对象按照一定要求或期望输出的规律进行运动或改变的系统。
2.控制系统的要素：输入、输出、被控对象、控制器、传感器、执行器等。
3.控制系统的分类：开环控制和闭环控制。
4.控制系统的性能评价指标：稳定性、快速性、准确性、抗干扰性、鲁棒性等。
二、数学建模1.控制对象的数学建模方法：微分方程模型、离散时间模型、差分方程模型等。
2.控制信号的形式化表示：开环信号和闭环信号。
三、传递函数和频率响应1.传递函数：描述了控制系统输入和输出之间的关系。
2.传递函数的性质：稳定性、正定性、因果性等。
3.频率响应：描述了控制系统对不同频率输入信号的响应。
四、稳定性分析和设计1.稳定性的定义：当外部扰动或干扰没有足够大时，系统的输出仍能在一定误差范围内稳定在期望值附近。
2.稳定性分析的方法：根轨迹法、频域方法等。
3.稳定性设计的方法：规定根轨迹范围、引入正反馈等。
五、PID控制器1.PID控制器的定义：是一种用于连续控制的比例-积分-微分控制器，通过调节比例、积分和微分系数来实现对系统的控制。
2.PID控制器的工作原理和特点：比例控制、积分控制、微分控制、参数调节等。
六、根轨迹设计方法1.根轨迹的定义：描述了系统极点随控制输入变化时轨迹的变化规律。
2.根轨迹的特点：实轴特征点、虚轴特征点、极点数量等。
3.根轨迹的设计方法：增益裕量法、相位裕量法等。
七、频域分析与设计1.频率响应的定义：描述了系统对不同频率输入信号的响应。
2.频率响应的评价指标：增益裕量、相位裕量、带宽等。
3.频域设计方法：根据频率响应曲线来调整系统参数。
八、状态空间分析与设计1.状态空间模型：描述了系统状态和输入之间的关系。
自动控制系统ppt课件
(二) 逆变器输出电压与脉宽的关系 单极式SPWM 脉冲幅值1/2Us.在半个周波内有 N个脉冲,个脉冲不等宽 但中心间距一样, 等三角波的周期
令 第 个矩形脉冲宽度为 其中心点相位角
因为从原点始只有半个三角波
因为输出电压波形 负半波左右对称,是一个奇 次周期函数
把N个矩形脉冲代表的 代入上式,须先求的每个 脉冲的起始和终止相位角
五.研究自动控制系统的方法
定性分析 建立数学模型
定性分析 建立数学模型
定量分析
定性分析
对系统校正 工程实践
对系统校正
称心？
N
Y 工程实践
六.本课程与其它课程的关系
先修课程 电机学、自控原理、电子技术
后续课程 计算机控制系统
六.本课程与其它课程的关系
主要内容 直流电机自动控制系统 交流电机自动控制系统
§7-1变频调速的基本控制方 式
电机调速时希望磁通量Φm为额定值不变 三相异步机每相电势 Eg=4.44f1N1KN1Φm f1------定子频率 KN1---基波绕组系数 N1-----定子每相绕组串联匝数 Φm ----每极气隙磁通量(Wb)
一.基频以下调速
f1从额定f1n向下调。 要求： Eg /f1 =常数。
二.自动控制系统的分类
③过程控制系统 特点：对生产过程自动提供一定的外界条件，
例如：温度、压力、流量、粘度、浓度等参 量保持恒定或按一定的程序变化。对其中的 每一局部，可以是随动系统，也可以是恒值 系统。 例子：化工厂控制系统。
二.自动控制系统的分类
2.按数学模型分类 数学模型 描述系统内部各物理量之间关系的数学表达式。 静态模型 变量各阶导数为零的条件下。
二:直接变频装置(AC-AC)
自动控制系统名词
自动控制系统名词
自动控制系统是一种能够自动调节和控制设备、过程或系统的机制。
它使用各种传感器、控制器和执行器来实现对被控对象的监测、分析和操作。
在自动控制系统中，传感器用于检测被控对象的状态或参数，如温度、压力、流量等，并将其转换为电信号或数字信号。
控制器接收这些信号，并使用预定的控制算法进行处理，以确定所需的控制动作。
执行器则根据控制器的指令，对被控对象进行实际的操作，如调节阀门开度、改变电机转速等。
自动控制系统的目标是实现被控对象的稳定运行、精确控制和优化性能。
它可以应用于各种领域，如工业生产、航空航天、交通运输、能源管理、环境保护等。
常见的自动控制系统包括反馈控制系统、前馈控制系统、比例积分微分（PID）控制系统等。
它们的设计和实现需要考虑到被控对象的特性、控制要求、传感器和执行器的性能以及控制算法的选择。
自动控制系统的优点包括提高生产效率、降低劳动强度、提高产品质量、增强安全性和可靠性等。
它的发展和应用对于现代工业和社会的进步起到了重要的推动作用。
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。
自动控制系统的概念和组成
自动控制系统的概念和组成
自动控制系统是一种将输入信号转化为输出信号的系统，以实现对系统或过程的自动调节、控制和运行。
它通过感知和测量系统的状态或参数，并根据预设的目标或规则对系统进行调节和控制，使系统能够稳定运行、实现所需的输出。
自动控制系统由以下几个基本组成部分构成：
1. 传感器或测量器件：用于感知和测量系统或过程的状态、参数或特征。
传感器可以采集温度、压力、流量、速度等物理量，或者采集图像、声音等非物理信号。
2. 控制器：根据传感器采集到的信号，经过计算和处理后，生成控制信号。
控制器的核心功能是对系统进行实时的监测、分析和决策，以保证系统能够达到所需的输出。
3. 执行器：根据控制信号的指令，改变系统或过程的状态或参数。
执行器可以是电机、阀门、喷嘴等，用于控制机械、电气、流体等系统。
4. 反馈环路：用于实现对系统输出的连续监测和修正。
通过将执行器的输出信号再次反馈给控制器进行比较，可以实时检测和修正系统的偏差，确保系统稳定工作。
5. 人机界面：为操作员提供对系统的监控和操作界面，方便操作员设置参数、监测状态、进行诊断和故障处理等。
人机界面可以是显示屏、键盘、鼠标等。
综上所述，自动控制系统的概念是以传感器为输入，通过控制器生成控制信号，再通过执行器改变系统状态，最后通过反馈环路不断修正，实现对系统或过程的自动调节、控制和运行。
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§1.2.4 四大组成环节
自动控制器（controller）
接受变送器送来的测量信号，与设定 值相比较得出偏差，并按某种运算规 律算出结果，然后将此结果用特定信 号(气压或电流)发送出去
执行器（actuator）
自动地根据控制器送来的信号值来改 变阀门的开启度。
§1.2.5 自动控制系统方块图
它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录 （人眼）。
§ 1.1.2 自动信号和联锁保护系统
对某些关键性参数设有自动信号联锁装置。
当工艺参超过了允许范围，系统自动地发出声光报警信号，以提
示及时采取措施。
§ 1.1.3 自动操纵及自动开停车系统
根据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。
过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。
自动化装置的选择和调整不当，会直接影响控制质量。
自动化装置的性能也会影响控制质量。 自动化装置应按对象性质加以选择和调整，两者要很好地配合。
控制流程图常见字母意义
第一位字母 字 母 C F 流量 (Flow) 被测变量 后继字母 功能 控制 (Control)
自动控制系统的工作过程
LT测量出液体储槽的液位值L 将液位L的高低转化为一种特定的、统一的输出信号Z 将L与液位给定值Lst相比较得出偏差e= L- Lst LC根据偏差e大小，按某种规律（p=f(e)）发出控制信号P 执行器根据P信号的大小改变出口流量Q 最终使L稳定或回到给定值Lst
不稳定过程（2）Βιβλιοθήκη §1.4.3 控制系统的品质指标
品质指标
评定过渡过程优劣
控制系统质量好坏
克服干扰是否有效
前提条件
定值控制系统 过渡过程是一衰减过程（阶跃干扰）
控制系统的品质指标-1
最大偏差A（超调量B ）------------“稳”
A：瞬间被控变量偏离给定值的最大值emax B：B=A-C，C：新的稳态值
自动控制器（LC）------------ “脑”
接受变送器送来的信号，与液位设定值相比
测量变送器 控制器
执行器
较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，
然后将此结果用特定信号发送出去
执行器 --------------------------- “手”
自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门
的开启度
基本内容
化工自动化的主要内容 自动控制系统的组成及方块图 自动控制系统的分类
自动控制系统的过渡过程和品质指标
§1.1 化工自动化的主要内容
自动检测系统
自动信号和联锁保护系统 自动操纵及开停车系统
自动控制系统
§ 1.1.1 自动检测系统
利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量 、指示或记录
x
e -
p
q 执行器 对象
控制器
y
z 测量值 （液位信号）
测量变送器
克服干扰影响，使被控变量保持设定值的变量 被控对象内要求保持设定数值的工艺参数 测量变送器测量被控变量的结果 除 q 外，作用于对象并引起被控变量变化的因素 被控变量的预定值 控制器的输出信号，驱动执行器动作 （水槽液位） 被控变量的设定值与测量值之差（ e = x – z） （液位信号）
液位自动控制
§1.2.4 四大组成环节
被控对象（controlled object）
需要控制其工艺参数的生产设备或
机器 （液体贮槽）
测量元件与变送器
（measuring element and sensor） 把所测的工艺参数值（液位）变换为 一种特定的、统一的输出信号（如气 压信号或电压、电流信号等）。
过渡过程：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡过程
研究动态的重要性
静态是暂时的，动态是普遍的 干扰作用使被控变量偏离给定值，打破平衡，控制作用使被控
变量变化一段时间内重新稳定，建立新的平衡。
自动控制系统总是处于一种频繁的、不间断的动态过程中（扰动作用） 化学工程：关心过程静态，物料、能量静态平衡（无累积量） 化工控制：关心过程动态，物料、能量动态平衡（有累积量）
振荡周期------------“快”
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间 反映了自动控制系统克服干扰的能力。
生产要求：尽量短
y
T
0
t
§1.4.4 影响过渡过程的主要因素
工艺过程（被控对象）
与自动控制系统相关的工艺部分。
自动化装置
为实现自动控制所必需的自动化仪表设备。
L
P T
物位 (Level)
压力 (Pressure) 温度 (Temp) 变送 (Transmit)
本 章 小 结
自动控制系统的组成及方块图 自动控制系统的分类
自动控制系统的过渡过程和品质指标
作 业
P16 ：4，9，11，15，16，22
第一章 自动控制系统基本概念
基本要求
自动控制系统的组成
自动控制系统各部分的作用与相互联系
（掌握）
（了解）
自动控制系统方块图的意义及画法
自动控制系统中常用的各种术语
（掌握）
（理解）
控制系统的几种分类形式
系统的动态和静态
（了解）
（掌握）
过渡过程的几种基本形式及品质指标
（掌握）
Lst
f 液位 L
e Z
P LC 执行器
Q 储槽
LT
§1.3 自动控制系统的分类
结构形式 给定值
§1.3.1 控制系统分类：结构
闭环系统
信号构成回路，输出信号引回到 输入端，对控制作用有影响 反馈：输出信号返回到输入端。 负反馈：反馈信号取负值，与输入 x e
p 控制 器 执行器 q f
给定值不断地随机变化。 （例：比值控制系统） 作用：使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪设定值的变化而变化。
程序控制系统（顺序控制系统）
给定值是变化的，已知的时间函数。（例：金属热处理的温度控制）
作用：使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪设定值的变化而变化。
§1.4 自动控制系统的过渡过程和品质指标
静态与动态
过渡过程 品质指标 影响过渡过程的主要因素
§1.4.1 控制系统的静态和动态
静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态
动态：被控变量随时间变化的不平衡状态（研究重点）
例：Qi ≠ Qo时，L变化 例：Qi = Qo时，L不变
控制过程：动态
控制
静态
干扰
动态
控制
新的静态
眼看---------------------检 测
用眼睛观察玻璃管液位计中液位的高低，并 通过神经系统告诉大脑
？ ？？
脑想---- 运算(思考)、命令
大脑根据液位高度，与液位设定值进行比较， 得出偏差的大小和正负，然后发出命令
手动---------------------执行
根据大脑发出的命令．通过手去改变阀门开
B
B’
0
t
控制系统的品质指标-3
余差C ------------“准”
过渡过程终了时，被控变量所达到的新稳态值与给定值之差
C=y(∞)-X 反映了控制的精确程度，希望余差足够小。 C≠0，有余差，有差调节，有差系统。 C = 0，无余差，无差调节，无差系统。 y
C
0
t
控制系统的品质指标-4
稳定在某一数值上
稳定过程（1）
衰减振荡过程
被控变量上下波动，但幅度逐渐 减少，最后稳定在某一数值上
稳定过程（2）
§1.4.2 过渡过程的几种形式
等幅振荡过程
被控变量在给定值附近来回波
动，且波动幅度保持不变
不稳定过程（1）
发散振荡过程
被控变量来回波动，且波动幅度
逐渐变大，即偏离给定值越来越 远
过渡时间Ts ------------“快”
系统从受到干扰作用发生变化开始，到建立新平衡所需时间Ts 反映了克服干扰的能力。
一般认为被控变量进入新稳态值的5%（或2%）范围内就已达到。
Ts越小，表示系统恢复稳定快。Ts越大，表示系统恢复稳定慢。 y
Ts
0
t
控制系统的品质指标-5
表征被控变量偏离给定值的程度，A越大，偏离越大，对生产越不利。
工艺上对最大偏差有所限制。 y
B
A
0
C
t
控制系统的品质指标-2
衰减比n（=B/B’） ------------“稳”
过渡过程曲线上同方向相邻两波峰（或波谷）值之比n=B/B‘
习惯用n：1表示，一般要求n=4~10（经验值） 表示衰减程度的指标 n>1，衰减振荡； n→1，接近等幅振荡；n<1，发散振荡； n 越大，系统越稳定；n→∞，接近于非振荡衰减。 y
§1.4.2 过渡过程的几种形式
过渡过程
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡过程
控制过程：动态 阶跃干扰
控制
平衡
干扰
动态
控制
新平衡
在某一瞬间，干扰突然地阶
跃式的加到系统上，并继续 保持在这个幅度。
§1.4.2 过渡过程的几种形式
非周期衰减过程
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
液位人工控制
度（出口流量），使液位保持在所需液位上
§1.2.2 局限性及改进
人工控制受到人的生理上的限制，控制速度和精度上
满足不了生产的需要
用自动化装置代替上述人工操作，可提高控制精度和 减轻劳动强度