自动控制系统的基本组成与分类
自动控制系统的基本组成与分类
自动控制系统的基本组成
如前所述，自动控制系统(即反馈控制系统)由被控对象和控制装置两大部分组成，
根
据其功能，后者又是由具有不同职能的基本元部件组成的。图1．12是一个典型的自
动控制
系统的基本组成示意图，图中组成系统的各基本环节及其功能如下。
1．被控对象
如前所述，被控对象是指对其莱个特定物理量进行控制的设备或过程
出即为系统的输出员，即被控量，通常以c(r)(或y(f))表示。
2．阁量元件
测量元件用于对输出量进行测量，并将其反馈至输入端。如果输出量与输入量的物
理
单位不同，有时还要进行相应的量纲转换*例如，温度测量装置(热电偶)用于团量湿度并
转换为电压(见固1．2)，测速发电机用于测量电动机轴转速井转换为电压(见田1．9)。
3．给定元件
根据控制日的，给定元件将给定量转换为与期望输出相对应的系统治入量(通常以
r(‘)表示)，作为系统的控制依据。例如，图1．9中，给定电压M2的电位器即为给
定元件。
4．比较元件
比较元件对输入量与测量元件测得的输出量进行比较，并产生偏差信号
中的电压比较电路。通常，比较元件输出的偏差信号以‘(2)表示。
5．放大元件
放大元件是特比较元件结出的(檄弱的)偏差信号进行放大(必要时还要进行物理量的转换)。例如，图1．9中的ATMEL代理放大器和晶闸管整流装置等。
6．执行元件
执行元件的功能是，根据放大元件放大后的偏差信号，推动执行元件去控制被控对
象，使其被控量按照设定的要求变化。通常，电动机、液压马达等都可作为执行元件。7．校正元件
校正元件又称补偿元件，用于改善系统的性能，通常以串联或反馈的方式连接在系
统中。
在图1．12中，作用信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称为前向通路；系
统治出量经测旦元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路；前向通路和主反馈通
路构
成的回路称为主反馈回路，简称主回路。除此之外，还有局部反馈通路以及局部反馈
回路
等*将只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，将包含两个或两个以上反馈通路的
系统称为多回路系统。
1．4．2 自动控制系统的分类
如前所述，自动控制系统的组成千差万别，所完成的控制任务也不尽相同，但可以
按
不同的分类方法，将其分为各种不同的类别。例如，按控制方式可分为开环控制系统、闭
环控制系统和复合控制系TI代理统；按元件类型可分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系
统、气动系统、生物系统等；按系统功能可分为温度控制系统、压力控制系统、位置
控制系
统等。
为便于研究自动控制系统的实质，确定正确的研究方法及选择合适的数学工具
重点讨论几种最基本和最常用的分类方法。
1．按输入量变换规律分类
(1)恒值控制系统。恒值控制系统的输入量为常值，要求系统在扰动存在的情况下，
输出量保持恒定。因此，恒值控制系统的任务就是要克服各种扰动对系统的影响而保
持输
出量为恒值。前述介绍的自动恒温控制系统和宣流电动机闭环调速系统均为恒值控制
系
统。此外，工业控制中的过程控制系统(输出量为温度、流量、压力、液位等生产过程参量)
也都为恒值控制系统。
(2)随动控制系统。随动控制系统又称伺服系统或跟踪系统，其输人量是预先未知的
随时间任意变化的函数，要求输出量能够迅速而准确地跟随输入量的变化。因而，随
动控
制系统的任务是在各种情况下保证输出量以一定相度和速度跟随输入量的变化而变化。武
器系统中的火炮跟踪系统、雷达导引系统，机械加工设备的伺服机构，天文望远镜的
跟踪
系统等都属于随动系统。
(3)程序控制系统。程序控制系统的输入量是按照预定规律随时间变化的函数。
数字控制机床、机械手控制系统等。
2．按组成系统元件特性分NXP代理商类
(1)线性系统。组成控制系统的所有环节(或元件)均为线性元件，即其输入／输出特性
都是线性的，这样的控制系统称为线性系统，线性系统可以用线性微分方程(或差分方程)
来描述。在线性系统中，环节(或元件)参数不随时间变化的控制系统称为定常系统(或时
不变系统)；参数随时间变化的控制系统称为时变系统。
(2)非线性系统。组成控制系统的所有环节(或元件)中，至少有一个为非线性元件，
其他为线性元件，这样的控制系统称为非线性系统。 3．按系统信号性质分类
(1)连续时间系统。系统中所有信号都是时间‘的连续函数的控制系统称为连续时间
系统，简称连续系统。
(2)离散时间系统。信号传输过程中存在间歇采样、脉冲序列等离散信号的控制系统
称为离散时间系统，简称离散AT89C2051系统，其运动规律可用差分方程描述。cjmc%ddz
自动控制系统组成
自动控制系统的组成及功能实现 自动控制系统作为目前工业领域控制的核心，已经为大家所熟悉。自动控制系统是指在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段，其组建了整个系统的大脑及神经网络。自动控制系统的组成一般包括控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。 一、自动控制系统的分类 自动控制系统按控制原理主要分为开环控制系统和闭环控制系统。 （一）开环控制系统 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。 （二）闭环控制系统 闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。 自动控制系统按给定信号分类，可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。（三）恒值控制系统 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。 （四）随动控制系统 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。（五）程序控制系统 给定值按一定时间函数变化。如程控机床。 在我们的工业领域中，因控制的工艺流程复杂、生产数多、对产品质量控制严格，所以一般控制系统均为闭环控制系统。 二、控制系统各部分的功能 （一）控制器 目前控制系统的控制器主要包括PLC、DCS、FCS等主控制系统。在底层应用最多的就是PLC控制系统，一般大中型控制系统中要求分散控制、集中管理的场合就会采用DCS 控制系统，FCS系统主要应用在大型系统中,它也是21世纪最具发展潜力的现场总线控制系
自动控制系统分类
1-3自动控制系统的分类 本课程的主要内容是研究按偏差控制的系统。为了更好的了解自动控制系统的特点，介绍一下自动控制系统的分类。分类方法很多，这里主要介绍其中比较重要的几种： 一、按描述系统的微分方程分类 在数学上通常可以用微分方程来描述控制系统的动态特性。按描述系统运动的微分方程可将系统分成两类： 1．线性自动控制系统描述系统运动的微分方程是线性微分方程。如方程的系数为常数，则称为定常线性自动控制系统；相反，如系数不是常数而是时间t的函数，则称为变系数线性自动控制系统。线性系统的特点是可以应用叠加原理，因此数学上较容易处理。 2．非线性自动控制系统描述系统的微分方程是非线性微分方程。非线性系统一般不能应用叠加原理，因此数学上处理比较困难，至今尚没有通用的处理方法。 严格地说，在实践中，理想的线性系统是不存在的，但是如果对于所研究的问题，非线性的影响不很严重时，则可近似地看成线性系统。同样，实际上理想的定常系统也是不存在的，但如果系数变化比较缓慢，也可以近似地看成线性定常系统。 二、按系统中传递信号的性质分类 1．连续系统系统中传递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统。 2．采样系统系统中至少有一处，传递的信号是时间的离散信号，则称为采样系统，或离散系统。 三、按控制信号r(t)的变化规律分类 1．镇定系统() r t为恒值的系统称为镇定系统(图1-2所示系统就是一例)。 2．程序控制系统() r t为事先给定的时间函数的系统称为程序控制系统(图1-11所示系统就是一例)。 3．随动系统() r t为事先未知的时间函数的系统称为随动系统，或跟踪系统，如图1-7所示的位置随动系统及函数记录仪系统。
自动控制系统的组成
1.1 自动控制系统的组成 自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的。为对自动控制有一个更加清晰的了解，下面对人工操作与自动控制作一个对比与分析。 图1-1所示是一个液体贮槽，在生产中常 用来作为一般的中间容器或成品罐。从前一个 工序出来的物料连续不断地流入槽中，而槽中 的液体又送至下一工序进行加工或包装。当流 入量Q i(或流出量Q0) 波动，严重时会溢出或抽空。解决这个问题的 最简单办法，是以贮槽液位为操作指标，以改 变出口阀门开度为控制手段，如图1-1所示。 当液位上升时，将出口阀门开度开大，液位上 则关小出口阀门，液位下降越多，阀门关得越 小。为了使液位上升和下降都有足够的余地，选择玻璃管液位计指示值中间的某一点为正常工作时的液位高度，通过改变出口阀门开度而使液位保持在这一高度上，这样就不会出贮槽中液位过高而溢出槽外，或使贮槽内液位抽空而发生事故的现象。归纳起来，操作人员所进行的工作有以下三个方面。 ①检测用眼睛观察玻璃管液位计（测量元件）中液位的高低。 ②运算、命令大脑根据眼睛所看到的液位高度，与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。 ③执行根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量Q0，从而使液位保持在所需要高度上。 眼、脑、手三个器官，分别担负了检测、运算/决策和执行三个任务，来完成测量偏差、操纵阀门以纠正偏差的全过程。 若采用一套自动控制装置来取代上述人工操作，就称为液位自动控制。自动 下面结合图1-2的例子介绍几个常 用术语。 ①被控对象需要实现控制的 简称对象，如图1-2中的液体贮槽。 ②被控变量对象内要求保
自动控制系统的基本组成与分类
自动控制系统的基本组成与分类 自动控制系统的基本组成 如前所述，自动控制系统(即反馈控制系统)由被控对象和控制装置两大部分组成， 根 据其功能，后者又是由具有不同职能的基本元部件组成的。图1．12是一个典型的自 动控制 系统的基本组成示意图，图中组成系统的各基本环节及其功能如下。 1．被控对象 如前所述，被控对象是指对其莱个特定物理量进行控制的设备或过程 出即为系统的输出员，即被控量，通常以c(r)(或y(f))表示。 2．阁量元件 测量元件用于对输出量进行测量，并将其反馈至输入端。如果输出量与输入量的物 理 单位不同，有时还要进行相应的量纲转换*例如，温度测量装置(热电偶)用于团量湿度并 转换为电压(见固1．2)，测速发电机用于测量电动机轴转速井转换为电压(见田1．9)。 3．给定元件 根据控制日的，给定元件将给定量转换为与期望输出相对应的系统治入量(通常以 r(‘)表示)，作为系统的控制依据。例如，图1．9中，给定电压M2的电位器即为给 定元件。 4．比较元件 比较元件对输入量与测量元件测得的输出量进行比较，并产生偏差信号
中的电压比较电路。通常，比较元件输出的偏差信号以‘(2)表示。 5．放大元件 放大元件是特比较元件结出的(檄弱的)偏差信号进行放大(必要时还要进行物理量的转换)。例如，图1．9中的ATMEL代理放大器和晶闸管整流装置等。 6．执行元件 执行元件的功能是，根据放大元件放大后的偏差信号，推动执行元件去控制被控对 象，使其被控量按照设定的要求变化。通常，电动机、液压马达等都可作为执行元件。7．校正元件 校正元件又称补偿元件，用于改善系统的性能，通常以串联或反馈的方式连接在系 统中。 在图1．12中，作用信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称为前向通路；系 统治出量经测旦元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路；前向通路和主反馈通 路构 成的回路称为主反馈回路，简称主回路。除此之外，还有局部反馈通路以及局部反馈 回路 等*将只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，将包含两个或两个以上反馈通路的 系统称为多回路系统。 1．4．2 自动控制系统的分类 如前所述，自动控制系统的组成千差万别，所完成的控制任务也不尽相同，但可以 按 不同的分类方法，将其分为各种不同的类别。例如，按控制方式可分为开环控制系统、闭 环控制系统和复合控制系TI代理统；按元件类型可分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系
自动控制系统主要有哪些环节组成
自动控制系统主要有哪些环节组 成 1?自动控制系统主要有哪些环节组成？各环节的作用是什么？ a测量变送器：测量被控变量，并将其转化为标准，统一的输出信号。b 控制器：接收变送器送来的信号，与希望保持的给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用标准，统一的信号发送出去。 c执行器：自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。 d被控对象：控制装备所控制的生产设备。 2?被控变量：需要控制器工艺参数的设备或装置； 被控变量：工艺上希望保持稳定的变量； 操作变量：克服其他干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。 给定值：工艺上希望保持的被控变量的数值； 干扰变量：造成被控变量波动的变量。 3?自动控制系统按信号的传递路径分：闭环控制系统，开环~ （控制系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不 发生影响的系统），复合~ 4?按给定值的不同分：定值控制系统，随动控制系统（随机变化），程序控制系统（给定值按预先设定好的规律变化） 5.自动控制系统的基本要求： 稳定性：保证控制系统正常工作的必要条件
快速性：反应系统在控制过程中的性能 准确性：衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。 提高动态过程的快速性，可能会引起系统的剧烈振荡；改善系统的平稳性，控制进程又可能很迟缓，甚至使系统稳态精度变差。 6.控制系统的静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态。 7?自动系统的控过渡过程及其形式 控制系统在动态过程中，被控变量从一个稳态到达另一个稳态随时间 变化的过程称为~ 形式：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 8.衰减振荡过渡过程的性能指标 衰减比：表振荡过程中的衰减程度，衡量过渡过程稳定性的动态指标。（以新稳态值为标准计算） 最大偏差：被控变量偏离给定值的最大值 余差：系统的最终稳态误差，终了时，被控变量达到的新稳态值与设定值之差。 调节时间：从过渡过程开始到结束所需的时间 振荡周期：曲线从第一个波峰到同一方向第二个波峰之间的时间 9.对象的数学模型：用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系，这种对象特性的数学描述叫~ 动态数学模型：表示输出变量与输入变量之间随时间而变化的动态关系的数字描述 10.描述对象特性的参数 放大系数K :数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。意义：若有一定的输入变化量Q i通过对象就被放大了K倍变为输出变量h。K越大，输入变量有一定变化时，对输出量的影响越大。描述了静态性质 时间常数T:当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需的时间，就是T，意义：被控变量受到阶跃作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。 T越大，表对象受干扰后，被控变量变化的越慢，到达新的稳态值所需
自动控制原理
《自动控制原理》综合复习资料 、简答题 1常见的建立数学模型的方法有哪几种？各有什么特点？ 2、 自动控制原理中，对线性控制系统进行分析的方法有哪些？ 3、 给出梅逊公式，及其中各参数意义。 4、 举例说明什么是闭环系统？它具有什么特点？ 5、 系统的性能指标有哪些？ 6、 幅值裕度，相位裕度各是如何定义的？ 7、 画出自动控制系统基本组成方框结构图？ &减小稳态误差的措施主要有？ 9、 闭环控制系统由哪几个基本单元组成？ 10、 增加开环零、极点对根轨迹有什么影响？ 二、计算题 1已知系统输入为U i ，输出为U o ，求出传递函数 G(s) U °(s)/U i (s)。 o ------- ------------------- ------ o R L U i c 丄 U o 2、试简化下图所示系统方框图求其传递函数: 3、已知某二阶系统的单位阶跃响应为 ct 1 0.2e 60t 1.2e 10t ， (2)确定系统阻尼比 、无阻尼振荡频率 试求：(1)系统传递函数 c -s R s （5 分）
7、已知系统的结构图如所示: 当K f 0、K a 10时，试确定系统的阻尼比 、固有频率 n 和单位斜坡输 入时系统的稳态误差； 8、已知系统如下图所示，求系统的单位阶跃响应，并判断系统的稳定性。 9、RC 无源网络电路图如下图所示，试列写该系统的微分方程，并求传递函数Uc(s)/Uc(s) 4、设某系统的特征方程式为 s 6 2s 5 8s 4 12s 3 20 s 2 16s 16 判断闭环系统的稳定性，若不稳定求其不稳定特征根个数。 (利用劳斯判据) 5、RC 无源网络电路图如下图所示 ，试列写该系统的微分方程 ，并求传递函数Uc(s)/Ui(s) O U i o R i o U c 6、试简化下图所示系统方框图求其传递函数 : X r
自动控制系统基本知识
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1．1/1.2 在工业生产过程或设备运行中，为了维持正常的工作条件，需要对某些物理量进行控制，使其维持在某个数值附近，或按一定规律变化，要满足这种要求，可用人工操作完成，又可用自动装置的操作完成，前者为手动控制，后者为自动控制。 自动控制和手动控制极为相似，自动控制系统只是把某些装置有机的组合在一起，代替人的职能。任何一个控制系统，都由被控对象和控制器两大部分组成。 自动控制定义： 自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（简称控制器）使整个生产过程或工作机械（被控对象）自动地按预定的规律运行，或使它的某些物理量（被控量）按预定的要求变化。 1．3 根据信号传送的特点或系统的结构形式，控制系统分为开环控制和闭环控制。 开环控制系统：只有输入量Ugd 对n 的单向控制作用，而输出量n 对输入量Ugd 却没有任何影响和联系，即系统的输入与输出之间不存在反馈回路。 开环系统没有抵抗外部干扰的能力，故控制精度低。但结构简单、造价低，所以在系统参数稳定、无干扰或小干扰的场合大量使用。 闭环控制系统：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。 闭环控制原理： 负反馈：指反馈信号Uf 的正负极性必须与给定值Ugd 的极性相反，以便取得偏差值作 为控制之用。 自动控制系统的特征： 1、 系统必须具有反馈装置，并按反馈的原则组成系统。 2、 由偏差产生控制作用。 3、 控制的目的是力图减小或消除偏差，使被控量尽量接近期望值。 1．4 自动控制系统的组成： 由测量反馈元件、比较元件、校正元件、放大元件、执行元件以及被控对象等基本环节组成。 Mfz zZz
自动控制系统主要有哪些环节组成
1.自动控制系统主要有哪些环节组成？各环节的作用是什么？ a测量变送器：测量被控变量，并将其转化为标准，统一的输出信号。b控制器：接收变送器送来的信号，和希望保持的给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用标准，统一的信号发送出去。 c执行器：自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。 d被控对象：控制装备所控制的生产设备。 2.被控变量：需要控制器工艺参数的设备或装置； 被控变量：工艺上希望保持稳定的变量； 操作变量：克服其他干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。给定值：工艺上希望保持的被控变量的数值； 干扰变量：造成被控变量波动的变量。 3.自动控制系统按信号的传递路径分：闭环控制系统，开环~（控制系统的输出端和输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统），复合~ 4.按给定值的不同分：定值控制系统，随动控制系统（随机变化），程序控制系统（给定值按预先设定好的规律变化） 5.自动控制系统的基本要求： 稳定性：保证控制系统正常工作的必要条件 快速性：反应系统在控制过程中的性能 准确性：衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。提高动态过程的快速性，可能会引起系统的剧烈振荡；改善系统的平稳性，控制进程又可能很迟缓，甚至使系统稳态精度变差。 6.控制系统的静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态。 7.自动系统的控过渡过程及其形式 控制系统在动态过程中，被控变量从一个稳态到达另一个稳态随时间变化的过程称为~ 形式：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 8.衰减振荡过渡过程的性能指标
衰减比：表振荡过程中的衰减程度，衡量过渡过程稳定性的动态指标。（以新稳态值为标准计算） 最大偏差：被控变量偏离给定值的最大值 余差：系统的最终稳态误差，终了时，被控变量达到的新稳态值和设定值之差。 调节时间:从过渡过程开始到结束所需的时间 振荡周期：曲线从第一个波峰到同一方向第二个波峰之间的时间 9.对象的数学模型：用数学的方法来描述对象输入量和输出量之间的关系，这种对象特性的数学描述叫~ 动态数学模型：表示输出变量和输入变量之间随时间而变化的动态关系的数字描述 10.描述对象特性的参数 放大系数K：数值上等于对象重新稳定后的输出变化量和输入变化量之比。意义:若有一定的输入变化量Q1通过对象就被放大了K倍变为输出变量h。K越大，输入变量有一定变化时，对输出量的影响越大。描述了静态性质 时间常数T：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需的时间，就是T，意义：被控变量受到阶跃作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。 T越大，表对象受干扰后，被控变量变化的越慢，到达新的稳态值所需的时间越长。动态特性 滞后时间：对象在受到输入作用后，被控变量不能立即而迅速的变化，要经过一段纯滞后时间以后，才开始等量地反应原无滞后时的输出量的变化~ 动态特性 11.测量范围：指仪表按规定的精度进行测量的被测量值得范围。 绝对误差=X-X0=测量-标准 引用误差=（绝对误差/量程）*100% 最大引用误差=（最大绝对误差/量程）*100%=+-A% 允许误差（允许最大引用误差） 灵敏度S：表示仪表对被测变量变化的灵敏程度=输出的变化量/输入
自动控制系统主要有哪些环节组成
1.自动控制系统主要有哪些环节组成各环节的作用是什么 a测量变送器：测量被控变量，并将其转化为标准，统一的输出信号。b控制器：接收变送器送来的信号，与希望保持的给定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用标准，统一的信号发送出去。 c执行器：自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。 d被控对象：控制装备所控制的生产设备。 2.被控变量：需要控制器工艺参数的设备或装置； 被控变量：工艺上希望保持稳定的变量； 操作变量：克服其他干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。给定值：工艺上希望保持的被控变量的数值； 干扰变量：造成被控变量波动的变量。 3.自动控制系统按信号的传递路径分：闭环控制系统，开环~（控制系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统），复合~ 4.按给定值的不同分：定值控制系统，随动控制系统（随机变化），程序控制系统（给定值按预先设定好的规律变化） 5.自动控制系统的基本要求： 稳定性：保证控制系统正常工作的必要条件 快速性：反应系统在控制过程中的性能 准确性：衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。提高动态过程的快速性，可能会引起系统的剧烈振荡；改善系统的平稳性，控制进程又可能很迟缓，甚至使系统稳态精度变差。 6.控制系统的静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态。 7.自动系统的控过渡过程及其形式 控制系统在动态过程中，被控变量从一个稳态到达另一个稳态随时间变化的过程称为~ 形式：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 8.衰减振荡过渡过程的性能指标
衰减比：表振荡过程中的衰减程度，衡量过渡过程稳定性的动态指标。（以新稳态值为标准计算） 最大偏差：被控变量偏离给定值的最大值 余差：系统的最终稳态误差，终了时，被控变量达到的新稳态值与设定值之差。 调节时间:从过渡过程开始到结束所需的时间 振荡周期：曲线从第一个波峰到同一方向第二个波峰之间的时间 9.对象的数学模型：用数学的方法来描述对象输入量与输出量之间的关系，这种对象特性的数学描述叫~ 动态数学模型：表示输出变量与输入变量之间随时间而变化的动态关系的数字描述 10.描述对象特性的参数 放大系数K：数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。意义:若有一定的输入变化量Q1通过对象就被放大了K倍变为输出变量h。K越大，输入变量有一定变化时，对输出量的影响越大。描述了静态性质 时间常数T：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量达到新的稳态值的%所需的时间，就是T，意义：被控变量受到阶跃作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。 T越大，表对象受干扰后，被控变量变化的越慢，到达新的稳态值所需的时间越长。动态特性 滞后时间：对象在受到输入作用后，被控变量不能立即而迅速的变化，要经过一段纯滞后时间以后，才开始等量地反应原无滞后时的输出量的变化~ 动态特性 11.测量范围：指仪表按规定的精度进行测量的被测量值得范围。 绝对误差=X-X0=测量-标准 引用误差=（绝对误差/量程）*100% 最大引用误差=（最大绝对误差/量程）*100%=+-A% 允许误差（允许最大引用误差） 灵敏度S：表示仪表对被测变量变化的灵敏程度=输出的变化量/输入
自动控制课后答案1
1 第一章 1 请解释下列名字术语：自动控制系统、受控对象、扰动、给定值、参考输入、反馈。 解：自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制装置与被控对象组成； 受控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程 扰动：扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。 给定值：受控对象的物理量在控制系统中应保持的期望值 参考输入即为给定值。 反馈：将系统的输出量馈送到参考输入端，并与参考输入进行比较的过程。 2 请说明自动控制系统的基本组成部分。 解： 作为一个完整的控制系统，应该由如下几个部分组成： ① 被控对象： 所谓被控对象就是整个控制系统的控制对象； ② 执行部件： 根据所接收到的相关信号，使得被控对象产生 相应的动作；常用的执行元件有阀、电动机、液压马达等。 ③ 给定元件： 给定元件的职能就是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考量）； ④ 比较元件： 把测量元件检测到的被控量的实际值与给定元 件给出的参考值进行比较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。 ⑤ 测量反馈元件：该元部件的职能就是测量被控制的物理量， 如果这个物理量是非电量，一般需要将其转换成为电量。常用的测量元部件有测速发电机、热电偶、各种传感器等； ⑥ 放大元件： 将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执 行元件去控制被控对象。如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大。 ⑦ 校正元件： 亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元 件，用串联或反馈的方式连接在系统中，用以改善系统的性能。常用的校正元件有电阻、电容组成的无源或有源网络，它们与原系统串联或与原系统构成一个内反馈系统。 4 请说明自动控制系统的基本性能要求。 解：（1）稳定性：对恒值系统而言，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。而对随动系统而言，被控制量始终跟踪参考量的变化。稳定性通常由系统的结构决定的，与外界因素无关，系统的稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。 （2）准确性：控制系统的准确性一般用稳态误差来表示。即系统在参考输入信号作用下，系统的输出达到稳态后的输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。 （3）快速性：对过渡过程的形式和快慢的要求，一般称为控制系统的动态性能。系统的快速性主要反映系统对输入信号的变化而作出相应的快慢程度，如稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。 第二章 2-1 设质量-弹簧-摩擦系统如图2-1所示，途中f 为黏性摩擦系数，k 为弹簧系数，系统的输入量为力() p t ，系统的 输出量为质量 m 的位移()x t 。试列出系统的输入输出微分 方程。 解：显然，系统的摩擦力为 dt t dx f )(，弹簧力为 )(t kx ，根据 牛顿第二运动定律有 2 2)()()()(dt t x d m t kx dt t dx f t p =-- 移项整理，得系统的微分方程为 )()() ()(2 2t p t kx dt t dx f dt t x d m =++ 2-3 求下列函数的拉氏变换。 （1）)sin 1(3)(t t f -= （2）at te t f =)( （3） ) 4 3cos()(π- =t t f 解：（1）[()][3(1sin )]L f t L t =- 2223([1][sin ])113() 13(1)(1) L L t s s s s s s =-=-+-+= + （2）at te t f =)( 2 1[]L t s = 2 1 [()][]()at L f t L te s a == - （3 ） ()cos(3))cos(3)] 4f t t t t π =-+ [()][sin(3)cos(3)] L f t t t + 2222 [sin(3)][cos(3)]) 3() 99 39 L t L t s s s s s ++++++ 2-5 试分别列写图2-3中各无源网络的微分方程（设电容C 上的电压为)(t u c ，电容1C 上的电压为)(1t u c ，以此类 推）。 (a) (b) (c) + －u R1(t)图2-3 习题 2-5 无源网络示意图 解：（a ）设电容C 上电压为)(t u c ，由基尔霍夫定律可写 出回路方程为 2 1) ()()()()()(R t u R t u dt t du C t u t u t u o c c o i c =+-= 整理得输入输出关系的微分方程为 1 21)()()()1 1()(R t u dt t du C t u R R dt t du C i i o o +=++（b ）设电容1C 、2C 上电压为)(),(21t u t u c c ，由基 尔 霍 夫 定 律 可 写 出 回 路 方 程 dt t du RC t u t u dt t du C R t u t u R t u t u t u t u t u c c o c c o c i o i c ) ()()() ()()()()() ()()(1 122 2221=-=-+--= 整理得输入输出关系的微分方程为 R t u dt t du C dt t u d C RC R t u dt t du C C dt t u d C RC i i i o o o ) ()(2)()()()2()(12 22121222 1+ +=+++ 2-6 求图2-4中各无源网络的传递函数。 (a)(b) (c) 图2-4 习题 2-6示意图 解：（a ）由图得 2 1) ()()(R s U R s U s CsU o C C =+ （1） ) ()()(s U s U s U o i C -= （2） （2）代入（1），整理得传递函数为 2 1212 212 11 111 )(R Cs R R R R Cs R Cs s U i o += + ++ = （b ）由图得 )()()(1s U s U s U o i C -= （1） ) () ()()()(2222s sU C R s U s U R s U s U C C o C i =-+- （2） )()()(211s U s U s sU RC C o C -= 整理得传递函数为 1 )2(122 2 1 )()(212112212221 21+++++= ++++ =C C Rs s C C R s RC s C C R s RC s RC s RC s RC s U s U i o 2-7 求图2-5中无源网络的传递函数。 解：由图得 12212()()1 ()() U s U s Cs U s R R Ls -=++整理得 21 22111212 121 ()11()()U s R R Ls U s R CLs R R C L s R R Cs R R Ls +==+++++++ 2-11 根据图2-7给出的系统结构图，画出该系统的信号流图， 并用梅森公式求系统传递函数)(/)(s R s C 。 解：根据结构图与信号流图的对应关系，用节点代替结构图中信号线上传递的信号，用标有传递函数的之路代替结构图中的方框，可以绘出系统对应的信号流图。如图2-11a 所示 由信号流图2-11a 可见，从源节点s R 到阱节点)(s C 之间， 有一条前向通路，其增益为 4 3 2 1 1 G G G G p = 有三个相互接触的单独回路，其回路增益分别为 1 321H G G L -=，2432H G G L -=，3 43213H G G G G L -= 没有互不接触回路。因此，流图特征式 3 43212431323211)(1H G G G G H G G H G G L L L +++=++-=?由于前向通路与所有单独回路都接触，所以余因子式 11=?根据梅森增益公式，得系统闭环传递函数为 3 43212431324 321111)()(H G G G G H G G H G G G G G G p s R s C +++=??= 3-3 已知二阶系统的单位阶跃响应为 1.2()101 2.5sin(1.65 3.1)t h t e t -=-+ ，试求系 统的超调量%σ，峰值时间和调节时间s t 。 解： 1.2()101 2.5sin(1.65 3.1)t h t e t -=-+ ＝ 1.210[1 1.25sin(1.653.1)] t e t --+ 由上式可知，此二阶系统的放大系数是10，但放大系数并不影 响系统的动态性能指标。 由于标准的二阶系统单位阶跃响应表达式 为 ()1sin() n t h t ζωβ-= 所以有 1.2 1.6 n ζω=? 0.62 n ζω=?? =? 所以，此系统为欠阻尼二阶系统，其动态性能指标如下 超调 量 0.6 1.25 %100%100%9.5%e e πσ--?==?≈ 峰值时间 1.9620.8 p t s π ≈? 调节时间 3.5 3.5 2.92 20.6 s n t = = =? 3-5 已知控制系统的单位阶跃响应为 6010()10.2 1.2t t h t e e --=+-，试确定系统的 阻尼比ζ 和自然频率n ω。 解： 系统的 单位 脉冲 响应 为60101060()()121212() t t t t k t h t e e e e ? ----==-+=-系统的 闭 环 传 递函数 为 211600 ()[()]12( ) 106010600 s L k t s s s Φ==-= ++++自然 频率 24.5 n ω 阻尼比 1.429 ζ 3-6 已知系统特征方程为2310520s s s s ++++=， 试用劳斯稳定判据和赫尔维茨稳定判据确定系统的稳定性。 解： 先用劳斯稳定判据来判定系统的稳定性，列出劳斯表 如下 4321 0 3 5 2 10 147 2 10153 47 2 s s s s s - 显然，由于表中第一列元素得符号有两次改变，所以 该系统在s 右半平面有两个闭环极点。因此，该系统不稳定。再用赫尔维茨稳定判据来判定系统的稳定性。显然，特征方程的各项系数均为正，则 2120310531470 a a a a ?=-=?-?=> 221423102 2001 a a a ?==>? 显然，此系统不稳定。 3-8 已知单位负反馈系统的开环传递函数为 (0.51) ()(1)(0.51) K s G s s s s s += +++，试确定系统稳定时的 K 值范围。 解：由题可知系统的特征方程为 432()34(2)20 D s s s s K s K =+++++=列劳斯表如下 4 3210 1 4 3 2+K 10-K 2K 3 (10-K)(2+K) 63 10-K 3 2K s s s K s s - 由劳斯稳定判据可得 1003[(10)(2)/3]60(10)/320K K K K K K -?>?? -+-?>? -? ?>?? 解上述方程组可得 0 1.705K << 3-9系统结构如图3-1所示， ) 1()(+= Ts s K s G ，定义误差 )()()(t c t r t e -=， (1) 若希望图a 中，系统所有的特征根位于 s 平面 上2-=s 的左侧，且阻尼比为0.5，求满足条件 的T K ,的取值范围。 (2) 求图a 系统的单位斜坡输入下的稳态误差。 (3) 为了使稳态误差为零，让斜坡输入先通过一个比例微分环节，如图b 所示，试求出合适的0 K 值。 解 ：（1） 闭环传 递函 数为 T K s T s T K K s Ts K s + += ++= 1/)(22φ 即 K T T T K n n n ,1 5.0,12,==?=== ωζζωω 2',)(2+=++=s s K s Ts s D 令，代入上式得， / 14')14('2')2'()('22++--=+-+-=T s T Ts K s s T s D 列出劳斯表， 210 T 4T+12 1-4T 4T+12 s T s s T -- 002/14,041,0< ?>-+>->T T T T 无解 或?<-+<-<02/14,041,0T T T T ∞<<<<∴K T 4,4/10 (2) t t R =)(，系统为I 型系统 ∴K e ss /1= (3) K s Ts K s KK K Ts s K s K s G +++= +++=200)1() 1()('1(1)]('1)[()()()(222s Ts KK Ts s s G s R s C s R s E + +-+= -=-=∴K KK K s Ts KK Ts s sE e s s ss 11lim )(lim 0 200 -= ++-+==→→令0K 并没有改变系统的稳定性。 3-10 已知单位反馈系统的开环传递函数： （1）100()(0.11)(5) G s s s = ++； （2） 50 ()(0.11)(5) G s s s s = ++ 试求输入分别为()2r t t =和2()22r t t t =++时， 系统的稳态误差。 解： （1） 10020 ()(0.11)(5)(0.11)(0.21) G s s s s s = = ++++ 由上式可知，该系统是 0型系统，且20K =。 0型系统在2 11(),,2 t t t 信号作用下的稳态误差分别为： 1 ,,1K ∞∞+。根据线性叠加原理有该系统在输入为 ()2r t t =时的稳态误差为22ss e =?∞=∞，该系统在 输入为 2 ()22r t t t =++时的稳态误差为 21221ss e K =? +?∞+∞=∞+ （ 2 ） 5010 ()(0.11)(5)(0.11)(0.21)G s s s s s s s == ++++ 由上式可知，该系统是I 型系统，且10K =。 I 型系统在 2 11(),,2 t t t 信号作用下的稳态误差分别为：1 0, ,K ∞。根据线性叠加原理有该系统在输入为 ()2r t t =时的稳态误差为 2 1 20.2ss e K =? = ，该系统在输入为 2 () 2 2r t t t =++时的稳态误差为 21 202 ss e K =+=∞+∞ 图2-1 习题2-1 质量 －弹簧－摩擦系统示意图 图图2-5 习题2-7 无源 图 3-2 习题 3-16 示意图
自动控制系统是按照什么分类
自动控制系统是按照什么分类，怎么分？ 自动控制系统的形式是多种多样的，用不同的标准划分，就有不同的分类方法。常见的有下述几种。 1.6.1恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统 按给定信号的形式不同，可将系统划分为恒值控制系统和随动控制系统。 (1) 恒值控制系统 恒值控制系统（也称为定值系统或调节系统）的控制输入是恒定值，要求被控量保持给定值不变。例如前面提到的液位控制系统，直流电动机调速系统等。 (2) 随动控制系统 随动控制系统（也称为伺服系统）的控制输入是变化规律未知的时间函数，系统的任务是使被控量按同样的规律变化并与输入信号的误差保持在规定范围内。例如函数记录仪，自动火炮系统和飞机-自动驾驶仪系统等。（访问https://www.360docs.net/doc/542001493.html,） (3) 程序控制系统 程序控制系统的给定信号按预先编制的程序确定，要求被控量按相应的规律随控制信号变化。机械加工中的数控机床就是典型的例子。 1.6.2定常系统和时变系统 按系统参数是否随时间变化，可以将系统分为定常系统和时变系统。 如果控制系统的参数在系统运行过程中不随时间变化，则称之为定常系统或者时不变系统，否则，称其为时变系统。实际系统中的温漂、元件老化等影响均属时变因素。（访问https://www.360docs.net/doc/542001493.html,）严格的定常系统是不存在的，在所考
察的时间间隔内，若系统参数的变化相对于系统的运动缓慢得多，则可近似将其作为定常系统来处理。 1.6.3线性系统和非线性系统 按系统是否满足叠加原理，可以将系统分为线性系统和非线性系统。 由线性元部件组成的系统，称为线性系统，系统的运动方程能用线性微分方程描述。线性系统的主要特点是具有齐次性和叠加性。系统的稳定性与初始状态及外作用无关。 如果控制系统中含有一个或一个以上非线性元件，这样的系统就属于非线性控制系统。非线性系统不满足叠加原理，系统响应与初始状态和外作用都有关。非线性控制系统的有关内容在第七章中介绍。 实际物理系统都具有某种程度的非线性，但在一定范围内通过合理简化，大量物理系统都可以足够准确地用线性系统来描述。本书主要研究线性定常系统。 1.6.4连续系统与离散系统 如果系统中各部分的信号都是连续函数形式的模拟量，则这样的系统就称为连续系统。1.5节中所列举的系统均属于连续系统。 如果系统中有一处或几处的信号是离散信号（脉冲序列或数码），则这样的系统就称为离散系统（包括采样系统和数字系统）。（访问https://www.360docs.net/doc/542001493.html,） 1.6.5单变量系统和多变量系统 按照系统输入信号和输出信号的数目，可将系统分为单输入-单输出(SISO)系统和多输入-多输出(MIMO)系统。
楼宇自动控制系统包含的子系统及其组成
楼宇自动控制系统包含的子系统及其组成楼宇自动化系统是智能建筑的主要组成部分之一。智能建筑通过楼宇自动化系统实现建筑物（群）内设备与建筑环境的全面监控与管理，为建筑的使用者营造一个舒适、安全、经济、高效、便捷的工作生活环境，并通过优化设备运行与管理，降低运营费用。楼宇自动化系统涉及建筑的电力、照明、空调、通风、给排水、防灾、安全防范、车库管理等设备与系统，是智能建筑中涉及面最广、设计任务和工程施工量最大的子系统，它的设计水平和工程建设质量对智能建筑功能的实现有直接的影响。智能楼宇弱电系统建设目标：以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化及通信网络系统，集结构、系统、服务管理及它们之间的最优化组合，提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境。 楼宇自动控制系统包含的系统有： 1．系统集成管理平台 2．综合布线系统 3．计算机网络系统（有线、无线） 4．安全防范管理系统（视频监控、防盗报警、门禁管理、一卡通系统、电子巡更） 5．有线电视及卫星接收系统 6．背景音乐和紧急广播系统 一、系统集成平台(大楼智能管理平台) 系统集成（IBMS）是智能建筑的核心，是建立在多个智能化子系统基础上，将各个独立运行的子系统连接起来，建立统一的系统平台，实现统一数据格式、统一表现形式，统一的数据交换和共享。从技术方面讲IBMS面向建筑自动化行业、采用子系统集成模式，集数据采集、网络通信、自动控制和信息管理于一体，是一种可快速二次开发的监控管理平台软件。它以计算机网络为基础、软件为核心，通过信息交换和共享，将各个具有完整功能的独立子系统整合成一个有机体。智能建筑的集成管理系统，把建筑物内若干个既相互独立，又相互关联的系统，包括通信网络系统CNS、信息系统IS、楼宇设备自动化系统BAS、火灾自动报
自动控制原理课后习题及答案
第一章 绪论 1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点. 解答：1开环系统 (1) 优点:结构简单，成本低，工作稳定。用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时，可得到满意的效果。 (2) 缺点：不能自动调节被控量的偏差。因此系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。 2 闭环系统 ⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量 偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。它是一种按偏差调节的控制系统。在实际中应用广泛。 ⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。 1-2 什么叫反馈为什么闭环控制系统常采用负反馈试举例说明 之。 解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。 闭环控制系统常采用负反馈。由1-1中的描述的闭环系统的优点所证明。例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。 1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非 线性，定常，时变） （1）22 ()()() 234()56()d y t dy t du t y t u t dt dt dt ++=+ （2）()2()y t u t =+ （3）()()2()4() dy t du t t y t u t dt dt +=+ （4）() 2()()sin dy t y t u t t dt ω+= （5）22 ()() ()2()3()d y t dy t y t y t u t dt dt ++= （6）2() ()2() dy t y t u t dt += （7）() ()2()35()du t y t u t u t dt dt =++? 解答： （1）线性定常 （2）非线性定常 （3）线性时变
自动控制系统通常由哪些环节组成
习 题 1-1 自动控制系统通常由哪些环节组成？它们在控制过程中担负什么功能? 1-2 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。 1-3 一晶体稳压电源如题1-3图所示。试画出其原理方框图，并说明被控量、给定值、干扰量是什么，哪些元件起着测量、放大和执行作用。 1-4 题1-4图中给出了一个反坦克导弹控制系统工作原理示意图。试分析其工作原理并画出系统原理方框图。 1-5 题1-5图为发电机电压调节系统，该系统通过测量电枢回路电流i 产生附加的激励电压b U 来调节输出电压c U 。试分析在电枢转速ω 和给定激励电压g U 恒定不变而负载变化的情况下系统的工作原理并画出原理方框图。 1-6 某住宅楼水池水位控制系统如题1- 6图所示。试简述系统各组成元件的作用及系统的工作原理，并画出系统的原理方框图。 1-7 题1-7图是仓库大门自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门开闭的工作原理并画出系统原理方框图。 题1-3图 稳压电源原理图 题1-4图 反坦克导弹控制系统工作原理示意图 题1-5图 发电机电压调节系统原理图
1-8 电冰箱制冷系统工作原理如题1-8图所示。试简述系统的工作原理，指出系统的被控对象、被控量和给定量，画出系统原理方框图。 1-9 函数记录仪是一种自动记录电压信号的仪器，其原理如题1-9图所示。试分析系统的工作原理并画出系统的原理方框图。 题1-8图 电冰箱制冷系统工作原理图 题1-7图 仓库大门自动开闭控制系统原理图 题1-9图 函数记录仪原理图
1-10 题1-10图所示为发电机-电动机组转速负反馈控制系统。图中，g U 为输入量，转速n 为输出量，s K 表示功率放大器的放大倍数，G 为发电机，M 为电动机，TG 为测速发电机。若不考虑扰动量，试画出系统的原理方框图。 1-11 题1-11图(a)和(b)均为自动调压系统。设空载时，图(a)与(b)发电机端电压均为110V 。试问带上负载后，图(a)与(b)哪个系统能保持110V 电压不变?哪个系统的电压会稍低于110V? 为什么? 1-12 题1-12图所示为带钢连轧机的轧辊转速自动控制系统原理图。试分析系统的工作原理并绘制其原理方框图。 题1-10图 发电机-电动机组转速负反馈控制系统原理图 题1-11图 自动调压系统