自动控制系统的类型与组成
自动控制系统的原理与应用
自动控制系统是指通过使用传感器、执行器和控制器等设备，实现对一定过程或系统的自动化监测、分析和调节，从而控制系统的行为、性能和输出。
下面是对自动控制系统原理与应用的简述：1. 原理：自动控制系统的基本原理是反馈控制。
它包括四个主要组成部分：输入（参考信号或设定值）、输出（被控对象的测量值）、误差信号（输入与输出之间的差异）、控制器。
基于误差信号，控制器会根据预先设定的算法和策略，生成相应的控制命令，通过执行器作用于被控对象，从而实现系统输出的调节和稳定。
2. 反馈调节：自动控制系统中的核心是反馈回路，它使得系统能够根据实际输出情况进行动态调节。
通过比较输出与设定值的差异，系统可以及时感知并纠正偏差，使得输出能够稳定在目标值附近。
3. 控制器类型：自动控制系统中常见的控制器类型包括比例控制器（P控制器）、比例积分控制器（PI控制器）和比例积分微分控制器（PID控制器）。
这些控制器根据误差信号的大小和变化率，调节控制命令的输出，以实现系统响应的快速性、稳定性和精度。
4. 应用领域：自动控制系统广泛应用于工业、交通、能源、农业和生活等各个领域。
在工业领域，自动控制系统被用于控制和调节生产过程中的温度、压力、流量、速度等参数。
在交通领域，自动控制系统被用于交通信号灯、轨道交通、航空航天等实现交通流量的优化和安全性的提升。
在能源领域，自动控制系统被用于电力系统的稳定运行和能源供应的优化。
在农业领域，自动控制系统被用于智能化的农业设施控制和农业机械的自动化操作。
在生活领域，自动控制系统被用于家庭中的智能家居系统、自动化的机器人和电子设备等。
5. 优势和挑战：自动控制系统的优势包括提高生产效率、降低能源消耗、减少人工干预，增强安全性和精确性。
然而，设计和实施自动控制系统也面临一些挑战，例如系统建模的复杂性、参数调节的困难性、系统故障的可能性等。
总而言之，自动控制系统通过实现自动化的监测、分析和调节，使得系统能够稳定、高效地运行，并在多个应用领域中发挥重要作用。
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的基本概念自动控制系统是指能够接受输入信号，并对输出信号进行调节以控制设备或进程的一种系统。
它在工业、交通、军事、医疗等许多领域中得到广泛应用。
本文将以自动控制系统的基本概念为主题，介绍其定义、组成要素以及工作原理。
一、定义自动控制系统是根据设定的目标和规则，通过测量和比较反馈信号与目标信号的差异，以闭环控制模式下进行调节的系统。
它的目标是使输出信号尽量接近设定值，从而实现对被控对象的稳定控制。
二、组成要素1. 输入信号：输入信号来源于外界环境或人为设定，作为系统的参考，用于与反馈信号进行比较分析。
2. 反馈信号：反馈信号是根据被控对象的输出结果，通过传感器测量得到的实际信号，用于对输入信号进行调节。
3. 控制器：控制器是自动控制系统的核心部件，负责根据输入信号和反馈信号进行计算和逻辑判断，并输出控制信号。
4. 执行机构：执行机构接收控制信号，根据信号调节设备或进程的运行状态，将输入信号转化为输出信号。
5. 被控对象：被控对象是自动控制系统中需要调节或控制的设备、过程或系统。
三、工作原理自动控制系统的工作原理可以分为开环控制和闭环控制两种模式。
1. 开环控制开环控制是指控制器仅根据输入信号进行调节，不考虑反馈信号的影响。
它的工作模式简单，但对外界干扰和被控对象的变化敏感。
开环控制常用于对被控对象的要求较低或误差可以容忍的场景下。
2. 闭环控制闭环控制是指控制器根据输入信号和反馈信号进行比较分析后进行调节。
它能够实时捕捉到被控对象的实际状态，并根据误差进行修正，使输出信号更加接近设定值。
闭环控制具有稳定性强、适应性好的特点，广泛应用于需要高精度控制的场景。
在闭环控制中，控制器会根据输入信号和反馈信号之间的差异进行计算和判断，输出相应的控制信号，通过执行机构对被控对象进行调节。
这个过程是一个持续反馈、修正的过程，直至输出信号接近设定值为止。
通过不断的比较和调节，自动控制系统能够实现对被控对象的准确控制。
自动控制知识
(三)、大系统理论和智能控制论（第三阶段）
1970年以后
1.大系统理论 是指规模庞大、结构复杂、变量众多的 信息与控制系统，交通运输、生物工程、社会经 济和空间技术等复杂系统。
2.智能控制论 是具有某些仿人智能的工程控制与信
息处理系统， 如智能机器人、无人驾驶飞机。
vcd
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§1-2 基本控制方式
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§1-4 自动控制系统的分类
一、按给定信号分类: 1、恒值控制系统： 输入为常数，系统能排除扰动影响，使输
出保持恒定不变。 2、随动控制系统： 输入是时间的未知函数，要求输出跟随输
入信号变化。 3、程序控制系统： 输入量是时间的已知函数，要求输出以一
定精度跟随输入信号变化。
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二、按数学描述分类:
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四、自动控制系统举例 恒温箱自动控制系统
§1-3 自动控制系统的组成及术语
一、自动控制系统的组成 二、控制系统中的常用术语
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一、自动控制系统的组成
由控制器与被控对象组成,控制器是系统 中对被控对象起控制作用的各部分的总称。
被 控 对 象
自
控
系
统件 比调较节元元件件校 放 执 行 元 件
1、线性系统：用线性方程描述的系统。 性质：1）组成系统的所有元件都是线性元件； 2）具有齐次性和叠加性。
2、非线性系统：用非线性方程描述的系统。 性质：1）系统中只要有一个非线性元件就是
非线性系统。 2）不满足叠加原理。
三、按时间信号的性质分类
1.连续时间系统： 系统中所有信号都是连续函数形成的模拟量。
• 误差的稳态分量称为稳态误差；
• 稳态误差表示到达平衡状态（过渡过程 结束）的精度。
自动化控制系统的组成部分及作用
自动化控制系统的组成部分及作用自动化控制系统是利用计算机技术和控制理论相结合，实现对生产过程、设备和系统的自动控制和管理的系统。
它由多个组成部分构成，每个部分都有不同的作用和功能。
本文将详细介绍自动化控制系统的组成部分及其作用。
1. 传感器和执行器：传感器是自动化控制系统的重要组成部分，用于感知和采集被控对象的信息，如温度、压力、流量等。
传感器将感知到的信息转换为电信号，并传输给控制器进行处理。
执行器则根据控制器的指令，将电信号转换为相应的力、速度或位置控制信号，控制被控对象的运动或动作。
传感器和执行器的作用是实现自动化控制系统与外部环境的信息交互和物理控制。
2. 控制器：控制器是自动化控制系统的核心部分，它接收传感器采集到的信息，经过处理和分析后，生成控制信号，并将控制信号发送给执行器，实现对被控对象的控制。
控制器根据预设的控制策略和算法，对系统状态进行监测和调节，以达到所需的控制目标。
不同类型的自动化控制系统采用不同的控制器，如PID控制器、模糊控制器、神经网络控制器等。
3. 人机界面：人机界面是自动化控制系统与操作人员之间的交互界面。
它通过显示屏、键盘、触摸屏等设备，将系统状态、参数设置、报警信息等信息直观地展示给操作人员，同时接收操作人员的指令和参数设定。
人机界面的作用是实现操作人员对自动化控制系统的监控、控制和管理，提高系统的可操作性和人机交互效率。
4. 通信网络：通信网络是自动化控制系统中各个组成部分之间进行信息传输和共享的媒介。
它可以是局域网、广域网或互联网等不同类型的网络，通过有线或无线通信方式实现设备之间的数据交换和远程访问。
通信网络的作用是实现不同设备之间的数据传输和共享，使得自动化控制系统能够实现分布式控制和远程监控。
5. 数据存储与处理：数据存储与处理是自动化控制系统中的重要环节，它涉及到对大量的数据进行采集、存储和处理。
自动化控制系统可以通过采集和存储历史数据，进行数据分析、建模和优化，从而改进控制策略和算法，提高系统的控制性能和效率。
自动控制系统
自动控制系统1. 概述自动控制系统是指利用计算机和传感器等设备通过反馈控制方法，自动地对某一对象或过程进行控制的系统。
它广泛应用于工业生产、交通运输、环境监测等领域，起到提高生产效率和质量、节约能源、保护环境等作用。
自动控制系统由四个基本组成部分组成：测量装置、控制装置、执行机构和控制对象。
测量装置用于采集控制对象相关的数据，控制装置根据测量结果制定控制策略，执行机构根据控制装置的指令完成对控制对象的控制。
2. 控制方式自动控制系统有多种控制方式，常见的有开环控制和闭环控制。
2.1 开环控制开环控制是指控制装置根据预先设定的规律或规则向执行机构发送控制信号，而没有根据实际输出进行调整。
开环控制容易受到外界干扰的影响，控制精度较低。
2.2 闭环控制闭环控制是通过测量控制对象的实际输出，并将其与预期输出进行比较，从而调整控制装置的输出信号，使得实际输出与预期输出尽可能接近。
闭环控制具有较高的控制精度和鲁棒性，能够适应不断变化的工作条件。
3. 控制算法自动控制系统的控制算法是实现控制策略的核心。
常见的控制算法包括比例控制、积分控制和微分控制。
3.1 比例控制比例控制是根据误差的大小，按照一定的比例关系进行调整控制装置的输出信号。
比例控制能够快速响应系统的变化，但对于系统的稳定性和超调量控制较差。
3.2 积分控制积分控制是根据误差的累积值进行调整控制装置的输出信号。
积分控制能够消除稳态误差，但对于系统的动态响应较差。
3.3 微分控制微分控制是根据误差的变化率进行调整控制装置的输出信号。
微分控制能够增强系统的动态响应，但对于噪声的敏感性较高。
4. 应用领域自动控制系统广泛应用于各个领域，以下是几个典型的应用领域。
4.1 工业生产在工业生产中，自动控制系统可以进行生产过程的自动化控制，提高生产效率和质量。
例如，在汽车制造过程中，自动控制系统可以精确控制机器人的动作，完成车身焊接、喷涂等工作。
4.2 交通运输自动控制系统在交通运输领域可以实现交通信号灯的智能控制、自动驾驶汽车的导航和路径规划等功能，提高交通效率和安全性。
自动控制原理总结
⾃动控制原理总结⾃动控制原理1. ⾃动控制的⼀般概念反馈系统的基本组成测量元件给定元件⽐较元件放⼤元件执⾏元件校正元件⾃动控制系统的基本控制⽅式反馈控制⽅式⽆论什么原因使被控量偏离期望值⽽出现偏差时，必定会产⽣⼀个相应的控制作⽤去降低或消除这个偏差。
开环控制⽅式特点是控制装置与被控对象之间只有顺向作⽤⽽没有反向联系，系统的输出量不会对系统的控制作⽤产⽣影响。
⾃动控制系统的分类线性连续控制系统线性定常离散控制系统⾮线性控制系统系统只要有⼀个元部件的输⼊-输出特性是⾮线性的，这类系统就称之为⾮线性控制系统。
对⾃动控制系统的基本要求稳定性我们先讨论为什么控制系统会不稳定。
由于⼀般的控制系统都含有⼀个储能元件或者惯性元件，这类元件的能量不可能发⽣突变。
因此从被控量偏离期望值，到控制量做出反应，需要⼀定的延缓时间，这个过程称为过渡过程。
当控制量已经回到期望值⽽使偏差为零时，执⾏机构本应⽴刻停⽌，但是由于过渡过程的存在，使得控制量反⽽向反向变化，如此反复进⾏，使得被控量在期望值附近来回摆动，这个过程呈现振荡形式。
如果这个振荡是逐渐减弱的，即控制量最终会回到期望值，我们称这个系统是稳定的；如果振荡逐渐增强，我们称这个系统是不稳定的。
快速性前⾯提到，虽然稳定系统最终会回到稳定状态，但是这个回到稳定状态的快慢对于⼀些系统来说是⾮常关键的。
⼀般从控制开始，到系统的输出量在期望值的⼀定误差范围内来回摆动的时间，我们称之为调节时间。
这个时间⼀般可以⽤来反映系统调节的快慢。
⽽在调节过程，⼀般振荡都会有个最⼤振幅，最⼤振幅⼀般也对于⼀些系统来说也⾮常重要，我们⽤来这个最⼤振幅与期望值的差与期望值的⽐值来反映系统的这个性质，称之为超调量。
准确性尽管前⾯我们提到稳定系统最终会趋于稳定，但是是在期望值的允许误差范围内，即使在很⼤的时间长度上，最终输出量也难以与期望值完全⼀致。
我们将⽆穷的时间尺度下，最终输出量与期望值之差成为稳态误差，稳态误差为⽆穷⼤的系统说明不稳定。
第一章 自动控制系统的基本概念(修改) (2)
上篇自动控制原理第一章自动控制系统概述本章要点本章简要介绍有关自动控制的基本概念、开环控制和闭环控制的特点、自动控制系统的基本组成和分类以及对自动控制系统的基本要求。
第一节自动控制的基本概念自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。
自动控制系统则是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。
在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。
扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。
给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。
通常情况下，系统有两种外作用信号：一是有效输入信号（以下简称输入信号），二是有害干扰信号（以下简称干扰信号）。
输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值，并作用于系统的输入端。
干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号，它不但可以作用于系统的任何部位，而且可能不止一个。
由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制，严重时必须加以抑制或补偿。
第二节开环控制和闭环控制自动控制有两种基本的控制方式：开环控制和闭环控制。
与这两种控制方式对应的系统分别称之为开环控制系统和闭环控制系统。
一、开环控制系统开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。
这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。
电加热系统的控制目标是，通过改变自耦变压器滑动端的位置，来改变电阻炉的温度，并使其恒定不变。
因为被控制的设备是电阻炉，被控量是电阻炉的温度，所以该系统可称为温度控制系统，如图1-1所示。
开环控制系统的优点是系统结构和控制过程简单，稳定性好，调试方便，成本低。
自动控制系统简介
第二章自动控制系统随着生产和科学技术的发展，自动控制广泛应用于电子、电力、机械、冶金、石油、化工、航海航天、核反应等各个学科领域及生物、医学、管理工程和其他许多社会生活领域，并为各学科之间的相互渗透起到促进作用。
自动控制技术的应用，不仅使生产过程实现了自动化，改善了劳动条件；同时全面提高了劳动生产率和产品质量、降低了生产成本、提高了经济效益；在人类征服大自然、探索新能源、发展新技术和创造人类社会文明等方面都具有十分重要的意义。
可以说，自动控制已成为推动经济发展，促进社会进步所必不可少的一门技术，掌握有关自动控制的知识显得越来越重要。
§2.1自动控制系统概述所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使整个生产过程或工作机械自动地按预选规定的规律运行，达到要求的指标；或使它的某些物理量按预定的要求变化。
所谓系统，就是通过执行规定功能、实现预定目标的一些相互关联单元的组合体。
自动控制系统就是为实现某一控制目标所需要的所有装置的有机组合体。
例如，家用电冰箱能保持恒温；高楼水箱能保持恒压供水；电网电压和频率自动保持不变；火炮根据雷达指挥仪传来的信息，能够自动地改变方位角和俯仰角，随时跟踪目标；人造卫星能够按预定的轨道运行并返回地面；程序控制机床能够按预先排定的工艺程序自动地进刀切削，加工出预期几何形状的零件；焊接机器人能自动地跟踪预期轨迹移动，焊出高质量的产品。
所有这些自动控制系统的例子，尽管它们的结构和功能各不相同，但它们有共同的规律，即它们被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。
自动控制系统中常用的名词术语系统——系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。
在工程领域中，系统可以是电气、机械、气动和液压或它们的组合。
不同的系统所要完成的任务也不同。
有的要求某物理量(如温度、压力、转速等)保持恒定，有的则要求按一定规律变化。
输入信号——作用于系统的激励信号定义为系统的控制量或参考输入量。
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对象施加控制作用，如电动机。 ⑦ 被控对象：控制系统所要控制的设备或生产过程，它的
输出就是被控量。
5
自动控制系统的框图(不同阶段的学习行为)
扰
动
给定环节
给定输 入
+
误差 _
控制器
放大环 节
执行环 节
输 被控对 出 象
反馈信 号
反馈环节
图3.4 自动控制系统框图（反馈控制系统）
6
3.5 自动化仪表
4
3.4 自动控制系统的组成
① 给定环节：产生给定的输入信号。 ② 反馈环节：对系统输出（被控制量）进行测量，将它转
换成反馈信号。 ③ 比较环节：将给定的输入信号和反馈信号加以比较，产
生“误差”信号。 ④ 控制器（调节器）：根据误差信号，按一定规律产生相
应的控制指令。 ⑤ 放大环节：将控制信号进行功率放大。 ⑥ 执行环节（执行机构）：接受控制器来的信息并对被控
12
3.8 线性和非线性控制系统
线性元件：输入输出成正比
a 极化继电器
输 出
Hale Waihona Puke Vb 串激直流电动机
0
输入(误差)mV
图4.20 电子放大器的静特性
图4.21 极化继电器带动直流电动机
13
非线性元件：输入输出之间不再是正比关系
输 出 (V)
0 不灵敏0 区
输入(误差)mV
图4.22 极化继电器的静特性
① 传感器：实现对信号的检测并将被测的物理量变换为另一 个物理量 (通常是电量) ，例如热电偶；见图片
② 变送器：与传感器配套，使输出成为标准信号。例如DDZ Ⅲ 电动单元组合仪表，标准信号为4 –20mA；见图片
③ 控制器（调节器）：采用模拟信号的调节器使用较多，它 接受来自被控对象的测量值和给定值或它们的误差，并根据 一定的控制（调节）规律产生输出信号以推动执行机构（执 行器）。控制器起了图3.4中给定环节、比较环节和控制器 三者的作用；
数-模 转换器
保持器
被控对象
模拟信号
采样样本
离散控制系统、采样控制系统。 9
3.7 生产过程控制
在一个自动化系统中各设备和自动化仪表之间的距离往往 是较短的。
10
远距离测量（遥测）系统
来
自
传
被
感
测
单
对 元
象
数
变
据
换
采
单
编
元
单
元
发送端
存
发
接
解
储 纪
送 有线 收
编
录 重
单
无线 单
单
放
单
元
元
元
元
纪
数
录
4.23 饱和特性
非线性系统会出现一些在线性系统中不可能发生的奇特现 象。非线性系统的分析和综合远比线性系统为复杂。
14
3.9 多变量自动控制系统
单输入－单输出系统（单变量控制系统）：系统只 有一个输入量和一个输出量，如炉温自动控制系统， 输入电压，输出炉温。
多输入或多输出系统 （多变量控制系统）：多于 一个输入，或多于一个输出。如工业热水锅炉自动 控制系统，见锅炉图片。输入燃料量、引风量、给 水量，输出炉膛负压、出水温度等。控制方式比单 变量控制系统要复杂得多，大多数情况一个输入往 往影响一个以上的输出，需要进行解耦控制（即一 个输入仅控制一个输出）。
11
远距离控制(遥控)系统
遥发
控 指
生
令器
指
调
发
信
接
解
译
执
被
令
编
制
射
码
行
控
收
调
码
机
对
器
器
机
道
机
器
器
构
象
反馈环节
发送端把所需传送的控制命令、测量数据、反馈信号等经 过调制、编码等变换处理之后，再经过（通）信道传递。在接 收端，即（通）信道的另一端，把收到的信号经过解调、译码 等反变换处理，恢复为原来的形式。
计算机控制系统的特点是系统中一处或几处 的信号具有数字代码，此外还有离散信号（采样 信号）的出现。系统的另一个特点是以计算机程 序来实现PID控制规律或更复杂的控制规律。
8
计算机控制框图
输入 给定值
+
连续 偏差
_
离散
数字
数字
离散
连续
连续
偏差
偏差
控制量
控制量
控制量
输出
模-数 转换器
计算机中 央处理器
④ 放大器：用以增加信号的幅度或(和)功率，如如晶体管放大 器，也可以由电信号放大到气动信号（如电-气转换器）；
⑤ 执行机构：接受控制器来的信息并对被控对象施加控制作 用，如电动机。工业控制常用的执行机构是气动薄膜调节阀、 液压伺服马达、电动调节阀等。见图片
7
3.6 计算机控制
自动控制系统的各个信号：输入信号、误差、 控制器输出和输出量等都是模拟信号，即随时间 连续变动的信号。在一些现代的控制系统中常用 微型计算机来代替控制器，这对于实现复杂的控 制性能很有必要，如最优控制、自适应控制等等。
单
据
元
处
显
理
示 单
单
元
元
接收端
在一个自动化系统中，若是设备之间有较长的距离，例如 数十、或数百、数千公里就不能用通常的电气或机械的联系来 传递测量信号、反馈信号和控制信号。这时，需要在分离的设 备之间设立专门的（通）信道。（通）信道是传输信息的媒质 或通道，如架空明线、同轴电缆、射频波束和光导纤维等。
3 自动控制系统的类型和组成
1
3.1 恒值自动调节系统
图3.1 炉温自动控制系统
2
3.2 程序自动控制系统
指令 运
算 控制
变
换
脉冲 控制器 脉冲 放大器
电动机
反馈测 量元件
工作 机床
切削 位移 刀具
3
3.3 随动系统（伺服系统）
在反馈控制系统中，若给定环节给出的输入信号是预先未 知的随时间变化的函数，这种自动控制系统称为随动系统 （Servo-mechanism）。国防上的炮跟踪系统、雷达导引系统 和天文望远镜的跟踪系统等都属于随动系统。