自动控制系统
自动控制系统概述.ppt
第四节 过渡过程和品质指标
二、控制系统的过渡过程
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。
举例
给定值 控制器 执行器
-
测量、变送
干扰
当干扰作用于对象，系
被控变量 统输出y发生变化，在
对象
系统负反馈作用下，经
过一段时间，系统重新
恢复平衡。
控制系统方块图
第四节 过渡过程和品质指标
系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控 变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰 形式。
液位人工操作图
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要
液位自动控制图
第一节 自动控制系统的组成
液位自动控制
常用术语 被控对象：需要实现控制的设备、机械和生产过程 被控变量：对象内要求保持一定数值的物理量，即输出量 控制变量：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值 的物料和能量 干扰：除控制变量以外，作用于对象并引起被控变量变化 的一切因素 给定值：工艺规定被控变量所要保持的数值 偏差：设定值与测量值之差
在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属 于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和 方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶 跃干扰。
第四节 过渡过程和品质指标
常见典型信号 阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号等。
阶跃信号
数学表达式为： r(t) A t≥0 0 t<0
阶跃干扰作用
第四节 过渡过程和品质指标
自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式
非周期衰减过程 √
衰减震荡过程
√
对于控制质量要求不 高的场合，如果被控
等幅震荡过程 ？变的量范允围许内在振工荡艺（许主可要
自动控制系统
自动控制系统*概述自动控制系统( automatic control systems )简称自控系统，是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。
自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。
在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。
在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。
在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。
在军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。
在航天、航空和航海方面，除了各种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。
此外，在办公室自动化、图书管理、交通管理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。
随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。
自动控制系统*组成自动控制系统主要由：控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。
在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象,简称对象。
自动控制系统*常用术语被控对象：需要实现控制的设备、机械和生产过程被控变量：对象内要求保持一定数值的物理量，即输出量控制变量：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料和能量干扰：除控制变量以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素给定值：工艺规定被控变量所要保持的数值偏差：设定值与测量值之差自动控制系统*分类自动控制系统有几种分类方法按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。
自动控制系统的工作原理
自动控制系统的工作原理
自动控制系统的工作原理是通过感知和测量外部环境的变化，将这些变化信息反馈给控制器，控制器根据预设的控制策略和目标，对执行器发出指令，调整系统的输出，使得系统能够稳定地运行在预期的状态。
其主要包括以下几个步骤：
1. 传感器感知外部环境：自动控制系统会通过传感器来感知外部环境中的各种变量。
这些传感器可以测量温度、压力、速度、位置等。
感知到的变量值会被传输到控制器中。
2. 数据处理和控制策略：控制器接收传感器传输的变量值后，会对这些数据进行处理和分析，根据预设的控制策略来确定下一步的动作。
控制策略可以是一系列的逻辑规则、数学模型或者以机器学习为基础的算法。
3. 输出信号和执行器操作：控制器根据控制策略计算得到的结果，生成对执行器的控制信号。
执行器接收到这些信号后，执行相应的操作，如控制电动机的转速、阀门的开关等。
4. 反馈信号和调整：自动控制系统通常还会有反馈环节，通过传感器监测系统的输出，并将这些信息反馈给控制器。
控制器根据反馈信号与预期值之间的差异，调整控制策略和执行器操作，使得系统能够持续地接近目标状态。
通过不断地感知、处理和调整，自动控制系统能够实现对系统变量的准确控制和稳定运行。
这种工作原理广泛应用于工业自动化、智能交通系统、机器人等各个领域。
自动控制系统的功能及组成
自动控制系统的功能及组成一、自动控制系统的功能哎呀，自动控制系统的功能可真是个超有趣的话题呢！自动控制系统就像是一个超级智能的小管家。
它能实现自动调节的功能，就好比我们家里的空调，能根据室内温度自动调整制冷或制热，让我们总是处在一个舒服的环境里。
再比如说汽车的定速巡航系统，这也是自动控制系统的一个体现，它能让汽车保持在设定的速度行驶，驾驶员就不用一直踩着油门啦，是不是很方便？而且啊，自动控制系统还能进行监测功能哦。
它就像一个警惕的小卫士，时刻盯着各种数据。
比如说在工厂里，它可以监测生产设备的运行状态，要是哪个设备有点小毛病，它能马上发现，然后通知工作人员来修理，这样就避免了很多大问题的发生呢。
另外，自动控制系统还有优化功能。
就像在物流配送系统里，它可以根据货物的数量、目的地、交通状况等各种因素，优化配送路线，节省时间和成本。
二、自动控制系统的组成自动控制系统的组成也是很有讲究的呢。
首先是控制器，这可是整个系统的大脑哦。
它就像我们人类的大脑一样，接收信息，然后根据设定好的规则做出决策。
比如说在一个智能灯光控制系统里，控制器会根据环境光线的强弱、人们的使用习惯等信息，来决定灯光是要亮一点还是暗一点。
然后是传感器啦，传感器就像是系统的小耳朵和小眼睛。
它能感知周围的各种信息，像温度传感器能感知温度，压力传感器能感知压力。
在智能家居系统中，门磁传感器可以感知门是否被打开或者关闭。
执行器也不能少呢，它是负责执行控制器的指令的。
就像在一个自动灌溉系统里，当控制器发现土壤湿度不够了，就会给执行器发出指令，执行器就会打开水龙头给植物浇水啦。
还有被控对象，这就是自动控制系统要控制的东西啦，比如在前面提到的空调系统里，房间就是被控对象，空调系统要控制房间的温度。
最后还有反馈环节，这个环节能让系统知道自己的控制效果好不好。
比如说在工业生产中，如果产品的质量没有达到标准，反馈环节就会把这个信息告诉控制器，然后控制器就可以调整控制策略啦。
自动控制系统的基本组成
自动控制系统的基本组成自动控制系统是指通过感知、计算、决策和执行等过程，实现对被控对象的控制，从而使其按照预定的要求或者期望值进行运动或者变化的系统。
它是现代工业生产中不可或缺的重要手段之一，广泛应用于生产、交通、能源、环保、医疗等各个领域。
自动控制系统的基本组成包括传感器、执行器、控制器、运算器和通信网络等几个方面。
一、传感器传感器是自动控制系统中的重要组成部分，它可以将被控对象的物理量转换成电信号，以便于控制器进行处理和判断。
传感器的种类非常丰富，包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、光电传感器等等。
不同的传感器可以感知不同的物理量，从而满足不同的控制要求。
传感器的选择要根据被控对象的特点和控制要求来进行。
二、执行器执行器是自动控制系统中的另一个重要组成部分，它可以将控制器输出的电信号转换成机械运动或者其他形式的能量输出，从而实现对被控对象的控制。
例如，电动机、气缸、阀门等都是常见的执行器。
执行器的种类也非常丰富，要根据被控对象的特点和控制要求来进行选择。
三、控制器控制器是自动控制系统中的核心部分，它可以根据传感器的反馈信号，计算出控制信号，从而实现对被控对象的控制。
控制器的种类也非常丰富，包括PID控制器、模糊控制器、神经网络控制器等等。
不同的控制器可以根据被控对象的特点和控制要求来进行选择。
四、运算器运算器是自动控制系统中的另一个重要组成部分，它可以对控制器输出的信号进行加工和处理，从而实现更加复杂的控制策略。
例如，运算器可以实现逻辑运算、数学运算、滤波运算等等。
运算器的种类也非常丰富，包括微处理器、DSP芯片、FPGA等等。
不同的运算器可以根据被控对象的特点和控制要求来进行选择。
五、通信网络通信网络是自动控制系统中的另一个重要组成部分，它可以实现控制器、运算器、传感器、执行器之间的信息交换和数据传输。
通信网络的种类也非常丰富，包括CAN总线、以太网、无线网络等等。
不同的通信网络可以根据被控对象的特点和控制要求来进行选择。
自动控制系统发展史
自动控制系统发展史
自动控制系统（Automation Control System）可以说是现代工业社
会的重要标志之一，其作用是用于控制各种设备或过程，以改善工艺质量、降低成本和加快生产效率。
在过去几十年来，自动控制系统和自动化技术
发展迅速，可以说是工业化和社会的重要支柱。
那么，自动控制系统的发
展史是怎样的呢？
自动控制系统起源于20世纪50年代，当时各种电动器件和控制技术
的发展为自动控制系统的制定奠定了基础。
在1950至1960年期间，自动
控制系统发展迅猛，许多新的电子元件和数字处理技术也出现了，为自动
控制系统的进一步发展提供了便利的条件。
随着20世纪90年代传统的电气元件，如电机、变频器等，和计算机
科学技术的发展，自动控制系统发生了重大变化，从模拟控制系统转变为
数字控制系统，可以说是一次大的变革。
数字控制系统又称智能控制系统，多方面提高了控制精度和功能，为自动控制系统的应用提供了一个新的理
论基础。
随着新一代信息系统的出现，自动控制系统也进入了新的发展阶段，
即网络控制系统。
自动控制系统流程设计
自动控制系统流程设计
自动控制系统流程设计是指将自动控制系统的各个部分组合起来，形成一个完整的流程，以实现对控制对象的有效控制。
该流程设计需要考虑控制对象的特性、控制系统的性能要求、控制器的类型和参数等因素，以确保控制系统的稳定性和精度。
具体而言，自动控制系统的流程设计主要包括以下几个步骤：
1. 确定控制对象和控制系统的性能要求。
这一步需要明确控制对象的特性和控制系统需要实现的功能，以及控制系统的稳定性、精度和可靠性等性能要求。
2. 选择控制器的类型和参数。
根据控制对象的特性和控制系统的性能要求，选择合适的控制器类型，如PID控制器、模糊控制器等，并确定控制器的参数，如增益、积分时间和微分时间等。
3. 设计控制系统的结构。
根据控制对象的特性和控制器的类型，设计控制系统的结构，包括传感器、执行器、信号调节器等组成的控制回路和信号处理模块等。
4. 设计控制算法和控制策略。
根据控制对象的特性和控制器的类型，设计合适的控制算法和控制策略，以实现对控制对象的精确控制。
5. 进行模拟和测试。
在进行实际控制之前，需要对控制系统进行模拟和测试，以验证其性能和稳定性，并进行必要的调整和优化。
6. 实施控制系统。
在完成测试和调整之后，可以将控制系统实施到实际应用中，进行实时控制。
同时，需要定期进行维护和检修，
以确保控制系统的正常运行。
自动控制系统的流程
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第1章 自动控制系统概述
(1)开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自 动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生 的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开 环控制是有利的。
(2)闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠负反馈 环节进行自动调节，以补偿扰动对系统产生的影 响。闭环控制极大地提高了系统的精度。但闭环 系统使系统稳定性变差，需要重视并加以解决。
本章作业
P15： 1-7 1-8
我国古代的自动控制技术
东汉时期张衡制造了浑天仪和地动仪
三国时期的马钧、南朝时的祖冲之创造和复制 了指南车。
产业革命时期，自动控制技术取得了巨大的发展
1748年瓦特发明的蒸汽机中的离心调节器
1868年麦克斯韦利用描述系统的微分方 程解释了这种现象，并提出了判别低阶 系统稳定性的判据 1877年和1895年劳斯[英]和数学家胡尔 维茨[瑞士]提出了可以判别高阶线性系统 的稳定性的判据
(3)自动控制系统通常由给定元件、检测元件、比较 环节、放大元件、执行元件、控制对象和反馈环节 等部件组成。系统的作用量和被控制量有：输入量、 反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。 框图可直观地表达系统各环节(或各部件)间的因果关 系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和传 递情况以及它们对输出量的影响。
特点：无反馈环节 优点：结构简单，系统稳定性好，成本也低 缺点：当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影 响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无法预计的 扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度时 ，开环控制 系统便无法满足技术要求
适用场合：在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参 数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差 可以预计确定并能进行补偿，应尽量采用开环控制系统。
自动化控制系统概述
自动化控制系统概述自动化控制系统是指能够使各种机械设备、工艺过程、制造流程和生产线自动运行的系统。
它是现代工业制造的关键技术之一，广泛应用于工业生产、交通运输、能源领域、机械设备等各个领域。
本文将对自动化控制系统的概述进行详细介绍。
一、自动化控制系统的定义自动化控制系统是由硬件设备、软件系统、通信网络和人机界面等组成的一套综合系统。
它通过采集、传输、处理和控制相关数据，来实现对设备、过程或生产线的自动控制和运行。
自动化控制系统利用传感器、执行器、控制器和计算机等技术手段，实现了对生产过程的监测、调节和优化，提高了生产效率和产品质量。
二、自动化控制系统的基本组成自动化控制系统一般由传感器、执行器、控制器和计算机等组件组成。
1. 传感器：传感器是自动化控制系统中的重要部件，用于采集和转换被控对象的物理量、化学量或电气量等信息，并将其转化为可供控制器处理的电信号。
2. 执行器：执行器是根据控制器的指令，通过做功元件将电能转化为机械能，控制作业对象的位置、速度、力、温度等参数。
3. 控制器：控制器是自动化控制系统的核心部件，其作用是根据传感器的数据和事先设定的控制策略，采取相应的控制方法对执行器进行控制。
4. 计算机：计算机作为自动化控制系统的主控设备，负责控制、监测、管理和优化自动化系统的运行。
它可以根据实时数据进行监控和调整，同时还可以通过网络传输数据，实现远程控制和管理。
三、自动化控制系统的应用领域1. 工业生产：自动化控制系统在工业生产中得到广泛应用，可以实现生产过程的全面自动化。
它可以提高产品的质量和生产效率，减少人力资源的浪费，降低能源消耗和排放。
2. 交通运输：自动化控制系统在交通运输中的应用包括交通信号控制系统、自动驾驶系统和航空航天系统等。
它可以提高交通运输的安全性和效率，并减少事故的发生率。
3. 能源领域：自动化控制系统在能源领域的应用主要包括电力系统控制、石油化工过程控制和新能源发电等。
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第一章
1.自动控制系统一般由控制器和被控对象组成
2.控制系统按照基本控制方式分为开环控制和闭环控制
3.开环控制系统：
①从输入到输出无反馈单向传递
②优点：结构简单成本低工作稳定性好
缺点：无法抑制扰动系统精度低
③多用于系统结构参数稳定和扰动信号可测量的场合
4.闭环控制系统（反馈控制、按偏差控制）：
①反馈：输出量送回到输入端并与输入信号比较的过程
②负反馈：反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小
③闭环控制系统中，真正对输入信号起控制作用的是偏差信号
④控制系统引入反馈之后，能够使系统对参数变化不敏感，有效地抑制了系统灵敏度
的影响，提高了系统的控制精度，但同时也降低了系统的稳定性
⑤优点：具有自动修正输出量的能力有较高控制精度
缺点：使用元件多结构复杂稳定性差可能出现超调、振荡
5.自动控制系统构成：
测量元件：检测被控制的物理量
整定元件：给出代表被控制量的整定值的信号
比较元件：对测量元件和整定元件给出的信号进行比较，给出二者差值
放大元件：将比较元件给出的误差信号放大，来驱动控制量的变化
执行元件：直接推动被控制对象或其中某一部件，使被控制量发生变化（电动阀门等）校正元件：校正控制器动态性质，与被控制对象的动态性质相适应
能源元件：提供能源
典型反馈控制系统的基本组成框图（及其对应元件）
6.分类
7.对自动控制系统的基本要求主要包括稳定性、快速性、精确度
第二章
1.列写微分方程：与输入有关的量放在右边，与输出有关的量放在左边，降幂排序
2.传递函数只取决于系统的结构、元件参数，与输入信号的形式无关
3.传递函数有量纲
4.结构图等效变换时：①反馈等效优先②引出点移向引出点，综合点移向综合点③相邻引
出点/综合点可以互换位置，也可以合并
5.开环传递函数：当闭环打开时，主反馈量还让参考输入的拉普拉斯变换象函数之比（组
成闭环的各串联框的传递函数相乘，反号）
6.闭环传递函数：当闭环闭合时，以外部加到闭环上的某变量为输入，以闭环内的某受控
量为输出的传递函数（①把A→B的传递函数作为分子②把组成闭环的各串联框的传递函数相乘，反号加1，作为分母）
闭环传递函数的分母＝开环传递函数+1
第三章
1.典型输入信号
①阶跃函数
②斜坡函数（等速度函数）
③抛物线函数（等加速度函数）
④单位脉冲函数
⑤正弦函数
2.动态性能指标
①上升时间tr：响应由零值上升到第一次到达稳态值所需的时间。
②峰值时间tp：阶跃响应由零值上升到第一个峰值所需的时间。
③最大超调量σ%：最大峰值与稳态值的差值和稳态值比值的百分比
④调整时间ts：当c（t）和稳态值之间误差达到规定的允许值，并且以后不再超过此
值所需的最短时间。
3.线性系统稳定的充分必要条件：系统闭环特征方程式所有的根均位于s平面左半部不包
括虚轴。
4.劳斯判据：①劳斯行列表左边第一列所有元素均为正值或同号，即特征根均位于s平面
左半平面，则系统稳定②出现几次符号变换则有几个s右平面根③若第一列出现0，则用一个很小的正数ε代替0，若ε上下两行首列元素符号相反，则系统有右根（不稳定），若相同，则系统有一对纯虚根（临界稳定，等幅振荡），可由上一行元素构造辅助方程求解振荡频率④若有整行全部为0，用上一行的系数组成辅助方程，再求导所得系数代替全0行。
5.判断在s＝α右侧有几个根：用s＝s’-α代入原方程，第一列变号几次则有几个根
6.三阶特征方程稳定依据：①系数全为正②内项系数积大于外项系数积
7.一阶系统的单位阶跃响应：
①c(t)＝1−e−t T
②滞后严重，快速性差，但无超调；绝对稳定性，BIBO稳定，非振荡特性，相对稳定
性好
8.一阶系统单位斜坡响应：
①c（t）＝t−T+Te−t T
②一阶系统可以有差跟踪速度信号（稳态误差ess＝T）
9.一阶系统单位加速度信号：
①c(t)=1
2
t2−Tt+T2−T2e−t T
②一阶系统不能跟踪加速度信号（ess＝∞）
10.一阶系统单位脉冲响应：
e−t T
①c(t)=1
T
11.典型二阶系统
①开环传递函数
②闭环传递函数
③特征方程
④特征根
12.典型二阶系统动态性能指标
①上升时间tr
②峰值时间tp
③最大超调量σ%
④调整时间ts
13.增加闭环零点①二阶系统σ↑，tr↓，tp↓②附加零点从极点左侧越向极点靠近，上述
影响越显著③当零点距离虚轴很远时（一般α＞5），零点影响可忽略
14.离虚轴比较近的极点称为主导极点
15.研究稳态误差的前提是系统稳定
稳态误差不仅与系统类型（传递函数）有关，还与输入信号有关
误差e（t）：给定信号r（t）和主反馈信号b（t）之间的差
e(t)=r(t)−b(t)
16.原理性误差传递函数：
稳态误差：
17.静态误差系数和稳态误差
第四章
1.根轨迹：当根增益从Ko＝0变化到Ko＝+∞时，闭环特征方程根的轨迹
2.根轨迹法：
第五章
1.频率特性：零初始条件的线性系统或环节在正弦信号下，稳态输出与输入的复数比
G(jw)＝G(s)|s＝jw
2.频率特性表示方法：
①幅相频率特性图（奈奎斯特图）
②对数频率特性图（Bode图）
3.典型环节的频率特性
①比例环节（放大环节）
②积分环节
③纯微分环节
④惯性环节。