第三节 控制系统框图(1课时)
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）。
自动控制原理控制系统的结构图
比较点后移
R(s)
G(s)
比较点前移
＋
Q(s)
C(s)
R(s)
＋
C(s) G(s)
比较点后移
Q(s)
R(s)
＋
C(s) G(s)
Q(s)
C(s) R(s)G(s) Q(s)
[R(s) Q(s) ]G(s) G(s)
R(s)
C(s) G(s)
＋
Q(s)
G(s)
C(s) [R(s) Q(s)]G(s)
R(s)G(s) Q(s)G(1s6 )
（5）引出点旳移动（前移、后移）
引出点前移
R(s)
G(s)
分支点（引出点）前移
C(s) C(s)
引出点后移
R(s)
G(s)
R(s)
分支点（引出点）后移
R(s)
G(s)
C(s)
G(s)
C(s)
C(s) R(s)G(s)
G(s) R(s)
C(s) R(s)
将 C(s) E(s)G(s) 代入上式，消去G(s)即得：
E(s) R(s)
1
H
1 (s)G(s)
1
1 开环传递函数
31
N(s)
+ E(s)
++
C(s)
R(s)
G1(s)
G2 (s)
-
B(s)
H(s)
（1）
打开反馈
C(s) R(s)
1
G(s) H (s)G(s)
前向通路传递函数 1 开环传递函数
注意：进行相加减旳量，必须具有相同旳量纲。
X1 +
+
X1+X2 R1(s)
控制系统的方块图及其基本组成
Υ Υ
1
3
-
Υ 1-Υ 2+Υ 3
-
Υ2
R2 (s)
图2-15比较点示意图
Υ2
注意：进行相加减的量，必须具有相同的量刚。 (3)分支点（引出点、测量点）Branch Point 表示信号测量或引出的位置 C(s) 注意：同一位置引出的信号 R(s) P(s) G1 (s) G2 (s) 大小和性质完全一样。
注意：由于N(s)极性的随机性，因而在求E(s)时，不能认
为利用N(s)产生的误差可抵消R(s)产生的误差。 2.4.3 方块图的绘制 （1）考虑负载效应分别列写系统各元部件的微分方程或传递 函数，并将它们用方框（块）表示。 （2）根据各元部件的信号流向，用信号线依次将各方块连接 起来，便可得到系统的方块图。 系统方块图-也是系统数学模型的一种。
**
R(s)
+ -
E(s)
G1 (s)
+
+
G2 (s)
C(s)
B(s)
H(s)
打开反馈
N(s)
G1 (s)
G2 (s)
C(s)
H(s)
图2-18 输出对扰动的结构图 利用公式**，直接可得：
M N ( s) G2 ( s ) C ( s) N ( s) 1 G( s) H ( s)
（7）误差对扰动的传递函数 假设R(s)=0
(4)闭环传递函数 Closed-loop Transfer Function 假设N(s)=0 输出信号C(s)与输入信号R(s)之比。
G1 ( s)G2 ( s) C ( s) G( s) R( s) 1 H ( s)G( s) 1 H ( s)G( s)
控制系统的方块图
控制系统的方块图为了能清楚地说明控制系统各元件间的作用关系或信号传递关系，可用方块团来描述系统。
所谓方块图，就是用若干方块表示系统中的每一个元件，按系统中各信号作用的顺序，用信号线(带有箭头的直线)将方块连接起来的图形。
图中，系统的物理量(即信号)，如电流、电压、温度、压力、位移、速度等，标注在信号线上。
每个方块的输入，即为输入至该元件的作用量；方块的输出，则为该元件受到输入作用后的响应。
使用方块图不仅有助于分析控制系统的工作原理，也便于建立控制系统的数学模型。
例如，根据图自动恒温控制系统的工作原理，可以绘制其方块图如图所示。
图中，符号“O”表示比较元件或比较器(也可用符号“＠”表示)，它将温度测量装置测量出的实际温度与给定温度进行比较，比较结果即为误差信号。
其中，“一”号或“十”号表示信号极性，即信号在此进行减法或加法运算。
图1中比较元件的输出即为实际温度与给定温度的差值，它既是系统的偏差(或误差)信号，也是温度控制器的输入员。
cjmc%ddz1．3 自动控制系统的基本控制方式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，但基本的控制方式是开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程开环控制方式组成的系统称为开环控制系统，其方块图如图1．5所示。
图1．6所示为直流电动机开环调速系统原理团。
电位器输出电压Mr经触发装置和晶间管整流器构成的晶闸管整流装置转换并放大为宽度可调的直流电压M2，作为直流电动机的电相电压，电动机带动负载以转速M旋转。
改变yr，即改变x8，从而改变了转速n。
图1．6中，输入量为给定电压ol，被控对象为负载，输出量为直流电动机转速n。
显见，电动机转速M由电位器控制，不同的电位器位置即给定电压9f，就有相应的电动机转速M与之对应*而转速n对电位器的控制作用(给定电压yr)没有影响。
但是，当晶闸管整流装置的特性发生变化或负载力矩发生变化时(相当于系统受到扰动)，即使电位器位置不变，即电压Mf不变，电动机的转速M也将变化。
控制系统设计PPT课件
三、系统的过渡过程和性能指标
(1)稳态性能 对于单输入单输出系统来说，在时域中稳态响
应的性能指标是稳态误差，它等于系统在典型信号 作用下，时间t趋向于无穷大时的稳态输出与参考 输入整定的希望输出之差。
对于单位反馈系统，在不同参考输入信号作用下 的系统响应的稳态误差就是：
• (2). 参量模型 • 当数学模型是采用数学方程式来描述时，
称为参量模型。参量模型按其讨论域可分 为时域模型、复数域模型和频域模型。 •
三、 数学模型的建立
建立数学模型的主要方法有： 分析法和实验法
分析法特点：方程复杂，难解算
实验法关键：测试方法和测试信号的选 择；常用测试方法有：时域法、频率 法和统计法；常用的测试信号：单位 阶跃信号
4．按系统输出的变化规律分类 (2)程序控制系统 特点：在外界条件的作用下系统的输出按预定程
序变化 这类系统的给定值是变化的，但它是一个已知的
时间函数，或按预定的规律变化。比如金属热处理的 温度控制装置、数控机床的数控程序加工，就是这类 系统的例子。
4．按系统输出的变化规律分类 (3) 随动控制系统
(Qi Qo )dt Adh
三、 数学模型的建立
• Q变、i量Q，、o得h出都只是有时间Qi和的h变为量变，量因的而关还系需式消。去考中虑间到
变化量很微小，可以近似认为Qo与h成正比，与
阀门2的阻力系数Rs成反比，即
h
Qo
和上式合并，可得：
Rs
h (Qi Rs )dt Adh
三、 数学模型的建立
随机系统、集中参数系统与分布参数系统、时变 系统与时不变系统
自动控制原理控制系统的结构图
I1(s)
I2 (s)
CR1s
7
i2
C
i
i1 R1
ui
R2
uo
（3）
I(s) I1(s) I2 (s)
I2 (s)
I (s)
I1(s)
（4）U o (s) R2 I (s)
I (s)
Uo (s)
R2
8
（1）Ui (s)
（3）
- Uo(s)
I2 (s)
（2）
1
I1(s)
I1(s)
I2 (s)
－ Uo (s)
（d）
将图（b）和(c)组合起来即得到图(d)，图(d)为该 一阶RC网络的方框图。
11
2.3.3 系统结构图的等效变换和简化
为了由系统的方框图方便地写出它的闭环传递函 数，通常需要对方框图进行等效变换。
方框图的等效变换必须遵守一个原则，即： 变换前后各变量之间的传递函数保持不变
在控制系统中，任何复杂系统的方框图都主要由 串联、并联和反馈三种基本形式连接而成。
u
o
idt c
对其进行拉氏变换得：
I (s)
U
o
(s)
U
i (s)
I (s) sC
U R
o
(s)
(1) (2)
10
I (s)
U
o
(s)
U
i (s)
I (s) sC
U R
o
(s)
(1) (2)
Ui (s)
I(s)
（b）
Uo (s)
I(s)
（c）
Uo (s)
Ui (s)
I(s)
Uo (s)
《控制系统框图》课件
总结词
掌握绘制框图的正确方法是学习控制系统框图的关键。
详细描述
在绘制控制系统框图时，需要遵循一定的规则和步骤。首先，确定系统中的各个组成部分，并为其分配相应的方框。然后，根据各部分之间的相互关系，使用箭头将它们连接起来，箭头方向表示信号或信息的流向。为了使框图更加清晰易懂，可以使用不同的符号或标记来表示不同类型的框图元素。
《控制系统框图》ppt课件
目录
控制系统概述控制系统框图基础控制系统框图的实例分析控制系统框图的优化与改进控制系统框图的应用与发展
01
CHAPTER
控制系统概述
03
控制系统的性能指标包括稳定性、快速性、准确性和鲁棒性等。
01
控制系统是由控制器和被控对象组成的，通过改变被控对象的输入信号，使得被控对象的输出信号达到期望的输出值。
03
CHAPTER
控制系统框图的实例分析
总结词
描述了温度控制系统的组成和工作原理，包括温度传感器、控制器、加热器和冷却器等部件。
详细描述
温度控制系统框图包括温度传感器、控制器、加热器和冷却器等部件。温度传感器负责检测当前温度，并将信号传输给控制器。控制器根据设定温度与实际温度的差值，输出控制信号给加热器或冷却器，以调节温度。
交通管理
通过控制系统框图，实现农业设备的自动化控制，提高农业生产效率。
农业自动化
A
B
C
D
THANKS
感谢您的观看。
总结词
学会解读和分析框图是学习控制系统框图的重要目标。
要点一
要点二
详细描述
在掌握绘制方法的基础上，学会解读和分析控制系统框图是至关重要的。通过解读框图，可以了解系统的整体结构和各部分的功能，分析系统的工作原理和控制逻辑。同时，还可以通过分析框图来评估系统的性能、稳定性以及可能存在的问题。在分析过程中，需要运用相关的控制理论知识，如开环与闭环控制、稳定性分析等。
自动控制系统的基本组成及方块图
y
100%
y
2.余差C（静态偏差） ：新的稳态值与给定值之差。
反映了控制系统的控制精确度，希望余差越小越好。
3.衰减比和衰减率 ：
衰减比:表示过渡过程的衰减程度。 过渡过程同方向前后相邻两峰值的比。
n B B
n＜1，过渡过程是发散振荡；
n＝1，过渡过程是等幅振荡；
n＞1，过渡过程是衰减振荡。
测量变送器:直接测量被控变量，并转换成标准统一信 号的仪表（TT表示）。
第四节 过程控制系统的质量指标
一、系统的静态、动态和扰动作用 自动控制系统在运行中有两种状态：
1. 静态(稳态):干扰及给定值保持不变，被控参数 不随时间变化，整个系统处于相对的平衡状态， 系统的各个组成环节都暂不动作，输出信号处 于相对静止状态。 各变量(或信号)的变化率为零。
控 制 器: 根据测量值与给定值所的偏差按一定的数学 运算规律输出操纵值（TC表示）。
控制作用u:控制信号。
执 行 器: 通常指调节阀，也可以是变频调速机构等。
控制参数q: 受执行器控制的工艺变量。
被控参数y:要求实施控制的参数，一般是工艺操作的物 理量。
控制过程: 被控制的机器或设备（换热器）。 干 扰 f:引起被控变量发生变化的各种因素。
LC—液位控制器 FC—流量控制器 TC—温度控制器 PC—压力控制器
AT—成分变送器 AC—成分控制器
如图所示为一反应器温度控制系统流程图，A、 B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套 的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。试画出 该温度控制系统的方框图，并指出该系统的被控过 程、被控参数、控制参数及可能影响被控参数的干 扰是什么？
一般取 n=4:1--10:1
控制系统的方块图及其基本组成
Υ Υ
1
3
-
Υ 1-Υ 2+Υ 3
-
Υ2
R2 (s)
图2-15比较点示意图
Υ2
注意：进行相加减的量，必须具有相同的量刚。 (3)分支点（引出点、测量点）Branch Point 表示信号测量或引出的位置 C(s) 注意：同一位置引出的信号 R(s) P(s) G1 (s) G2 (s) 大小和性质完全一样。
(2)反馈回路传递函数 假设N(s)=0 主反馈信号B(s)与输出信号C(s)之比。
B( s ) H ( s) C ( s)
(3)开环传递函数 Open-loop Transfer Function 假设N(s)=0 主反馈信号B(s)与误差信号E(s)之比。 B( s ) G1 ( s)G2 ( s) H ( s) G ( s) H ( s) E ( s)
(1) (2)
图2-20一阶RC网络
U i ( s)
I(s)
I(s) （c）
U o ( s)
U o ( s) （b）
U i (s) － U o ( s)
I(s)
U o ( s)
（d）
将图（b）和(c)组合起来即得到图(d)， 图(d)为该一阶RC网络的方块图。
例2
画出下列R-C网络的方块图
由图清楚地看到，后一级 R2-C2网络作为前级R1-C1网 络的负载，对前级R1-C1网 络的输出电压 u c1 产生影响，这就是负 载效应。 解：（1）根据电路定理 列出方程，写出对应的拉 氏变换，也可直接画出该 电路的运算电路图如图 (b)；（2）根据列出的4 个式子作出对应的框图； （3）根据信号的流向将 各方框依次连接起来。
信号线：带有箭头的直线，箭头表示 信号的流向，在直线旁标记信号的时 间函数或象函数。
第三节___控制系统框图__学生用
第四章第三节控制系统框图目标：1、学会用框图描述与表达控制系统。
2、能针对具体的控制系统绘制其控制系统框图。
3、学会运用信息的思想分析控制系统，加深对控制设计的技术思想和方法的理解。
重难点：1、系统控制框图的绘制。
2、控制过程中的信息和信息流。
一、知识回顾：1、控制系统的组成：2、二、控制系统框图的绘制方法：1、绘制步骤：①按顺序确定系统各个环节：②③④2、绘制技巧：先画，再画，接着画、，最后画，连线，标注各量。
练一练⑴：画出课本111页图4—12水位自动控制系统的框图三、控制系统框图中的通道与环节的作用1、通道及其作用：2、环节及其作用：传感器：控制器：执行器：随堂练习1、画出开环控制系统和闭环控制系统的方框图学案92、下列说法中，正确的是（）A、在控制系统的框图中，闭环控制系统有两个基本通道，即前向通道和闭合回路B、在控制系统的前向通道中，信息流自系统输入量，经控制器到执行器C、在开环系统中，控制器根据传感器直接传送过来的信号，产生输出信号并传送给下一个环节D、执行器是控制器输出信号的执行机构3、在加热炉温度自动控制系统的设计中，下列分析不正确的是A．被控对象是加热炉B．被控量是炉内的温度C．设定量是设定温度D．执行器是加热炉4．如图所示，抽水马桶水箱的控制系统的设计中，下列设计分析不正确的是A．左图出水阀打开，水箱冲水，浮球带动进水阀开启，水箱进水B．右图水箱进水到指定水位，进水阀关闭C．该水位控制过程属于手动控制5、在家用空调器的温度自动控制系统中，下列分析不正确的是A．被控对象是空调房间 B．执行器是制冷制热装置C．输入量是房内实际温度 D．控制器是一种电子或微机控制装置6、闭环控制系统中的反馈环节的主要作用是A．减少输入量的偏差 B．减少输出量的偏差C．消除干扰因素 D．实现自动控制7、家用压力锅的压力控制系统是闭环控制系统，完成其控制系统框图①执行器是，被控对象是，检测装置是。
②框图：8、为了保证奥运期间北京的交通顺畅有序，北京启用了一种智能化的地感线圈，通过它能够感应车流量的多少，使红绿灯指挥更加智能化。
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比较熟悉，容易结合实例理解概念。
在第二个小节中涉及到比较多的概念，诸如通道、闭环、传感器、控制器、执行器等，也应结合实际案例进行讲解，避免枯燥的概念学习，使学生能够将抽象的概念与实际相联系，对控制系统框图的绘制有很大帮助作用。
学情分析
学生通过前几次课的学习已对控制系统的基本概念与工作过程有了一定的了解，在分析的过程中绘制过框图，同时通过流程章节的学习对流程图有一定的掌握，具有信息传递的基本知识和体验，也具有观察和使用简单控制系统的生活体验，所有这些知识和经验储备，为教学中师生共同进行案例分析归纳画图，提供了学习行为的保障。
由于很多学生之前没有学过电子课，对传感器、控制器、执行器的具体实例没有太多的认识，因此在学习的过程中可能会产生一些困难，因此在教学中可以结合一些关于传感器、执行器的电子知识使学生更好的理解。
板书设计
第三节控制系统框图
一、水箱水位控制系统
二、控制系统框图的绘制方法
1．绘制框图方法
①按下面的顺序确定系统各个环节
a:被控对象b:执行器c:控制器d:反馈环节
②确定被控量(输出量)、控制量、输入量、反馈量和偏差量
③用带箭头的直线表示信息在系统中流动、传递的方向
④加上比较环节
三、控制系统框图中通道与环节的作用
1．通道及其作用（结合框图说明）
2．环节及其作用
（1）传感器
（2）控制器
（3）执行器
（4）比较环节
教学环节教师活动学生活动
设计
意图
导入环节复习：
空调控制系统是开环系统还是闭环系统？
回答问题
复习开环和闭
环的概念，引
入框图
新课实践一、水箱水位控制系统
分析控制系统的工作过程，根据学生描述画出
框图
在框图中标出各个组成部分及各量的对应名
称：传感器，控制器，执行器，输入，输出，
偏差，输出量，控制量，反馈量
二、控制系统框图的绘制方法
1．绘制框图方法
①按下面的顺序确定系统各个环节
a:被控对象（关键，是具体的事物）
b:执行器
c:控制器（一般是控制电路）
d:反馈环节(仅闭环系统)
②确定被控量(输出量)、控制量、输入量、反
馈量和偏差量
③用带箭头的直线表示信息在系统中流动、传
递的方向
④加上比较环节
2．绘制的技巧
我们看图时，一般习惯自左向右看。
但是，绘
制框图时先找到被控对象会更方便，即自右往
左画：先画被控对象，再依次画执行器接着画
控制器、反馈环节最后画比较环节，连线闭
环，并标注各量。
（1）问题：书中P113
（2）案例分析：
介绍空调的工作原理
练习：绘制空调控制系统的框图
3．教师对完成情况及存在的问题作总结
回忆水位控制系统
的工作过程
分析作答
找出控制系统的四
个环节及各量
结合流程的学习，
信息流的传递
完成P113中另一种
水位控制系统的框
图和空调系统框图
的绘制，讨论交流
思考，讨论
结合水箱实例分析
通道中的信息指的
是什么
将具体案例抽
象为一般形的
框图
学以致用，巩
固知识
纠正问题。