控制系统的基本概念与分类
第01章 自动控制系统基本概念
闭环与开环
闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较 的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测 量值的偏差进行控制，直至消除偏差。
+ SP － 测量变送装置 调节器 执行器 被控对象
开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根 据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时 系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。 要实现自动控制，系统必须闭环。
解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃ 2、余差C＝205—200＝5℃ 3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃ 第二个波峰值B’＝210—205＝5℃ 衰减比n＝25：5＝5：l。 4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20—5＝15(min) 5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2％， 就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×(±2％)＝±4℃，这时，可在 新稳态值(205℃)两侧以宽度为±4℃画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只 要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图 上可以看出，过渡时间为22min。 6、超调量 (230-205)/205×100%=12.2%
几种典型的过渡过程：
16
几种典型的过渡过程：
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
？ X
一般是不允许的 除开关量控制回路
单调发散过程
X 17
（3）过渡过程的品质指标
通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：
· 以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括： 最大偏差（超调量）、 衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（振荡频率）……
1—控制系统的基本概念1
分类法小结（补充28、29）
• 开环与闭环(Open-loop / Closed-loop)系统 • 线性与非线性 (Linear/Nonlinear)系统 • 集中参数与分布参数 (Lumped / Distributed Parameter)系统 • 时变与时不变 (Time-variant / Time-invariant or Stationary / Non-stationary)系统 • 确定性与随机(Deterministic / Random)系统 • 单变量与多变量 (Single variable / Multivariable or SISO / MIMO)系统 • 连续与离散(Continuous / Discrete)系统
§1-4 控制工程发展概况
控制工程是一门新型的技术科学，也是一 门边缘科学。它的理论基础是工程控制论。 早在一千多年以前，我国就先后发明了铜 壶滴漏计时器、指南针以及天文仪器等多种自 动控制装置，这些发明促进了当时社 会经济的发展。即使从1788年瓦特（J.Watt） 发明蒸汽机飞球调速器算起，控制工程也已有 了二百多年的历史。然而，控制工程作为一门 学科，它的形成并迅速发展却是最近五六十年 的事。
1.1.3 闭环控制系统的组成
§1-2 控制系统的基本类型
一、按输入量的特征分类 1.恒值控制系统 生产中温度、压力、流量、液面控制； 原动机速度控制、机床位置控制； 电力系统电网电压、频率控制 2. 程序控制系统
液位控制系统
§1-2 控制系统的基本类型
2. 程序控制系统（数字控制、计算机控制） 变化规律预知
不连续系统 (Discontinuous Variable System)
离散系统(Discrete Variable System)
控制系统的基本概念
1 控制系统的基本概念主要学习内容：（1）控制任务，被控制对象、输入量、输出量、扰动量。
（2）开环控制系统、闭环控制系统及反馈的概念。
（3）控制系统的组成、基本环节及对控制系统的基本要求。
被控制对象或对象──我们称这些需要控制的工作机器、装备为被控制对象或对象。
输出量（被控制量）──将表征这些机器装备工作状态需要加以控制的物理参量，称为被控制量（输出量）。
输入量（控制量）──将要求这些机器装备工作状态应保持的数值，或者说，为了保证对象的行为达到所要求的目标，而输入的量，称为输入量（控制量）扰动量──使输出量偏离所要求的目标，或者说妨碍达到目标，所作用的物理量称为扰动量。
控制的任务实际上就是形成控制作用的规律，使不管是否存在扰动，均能使被控制对象的输出量满足给定值的要求。
开环控制系统只有给定量影响输出量（被控制量），被控制量只能受控于控制量，而被控制量不能反过来影响控制量的控制系统称为开环控制。
开环控制系统可以用结构示意图表示，如图所示。
图开环控制结构图闭环控制系统为了实现闭环控制，必须对输出量进行测量，并将测量的结果反馈到输入端与输入量相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。
因此，整个控制系统形成一个闭合环路。
我们把输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环,参与控制的系统，称作闭环控制系统。
由于系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的，也叫作反馈控制系统或偏差控制系统。
闭环控制系统中各元件的作用和信号的流通情况，可用结构图表示。
图闭环系统结构图归纳一下开环与闭环控制系统各自的特点如下：（1）开环控制系统中，只有输入量对输出量产生控制作用；从控制结构上来看，只有从输入端到输出端的信号传递通道（该通道称为前向通道），控制系统简单，实现容易。
闭环控制系统中除前向通道外，还必须有从输出端到输入端的信号传递通道，使输出信号也参与控制，该通道称为反馈通道。
闭环控制系统就是由前向通道和反馈通道组成的，控制系统结构复杂。
1 控制系统的基本概念
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太原理工大学化学化工学院
—过程装备及控制系—贺鸿
1.3 自动控制系统的方块图
用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统
当进料流量或温度变化等 因素引起出口物料温度变化 时，可以将该温度变化测量 后送至温度控制器TC。温度 控制器的输出送至控制阀， 以改变加热蒸汽量来维持出 口物料的温度不变。
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过程装备控制技术及应用
1 控制系统基本概念
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本章主要内容：
控制系统概述
自动控制系统的基本组成
自动控制系统方块图
自动控制系统的分类
自动控制系统的过渡过程及性能指标 工艺管道及控制流程图
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1.3 自动控制系统的方块图 人工操作与自动控制比较图
图1-2 人工操作图
图1-3 液位自动控制系统图
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要
控制的原理
控制的原理控制的原理是指利用各种手段和方法，以确保系统能够按照既定的目标和要求进行有效运行的过程。
控制的原理涉及到了许多领域的学科知识，涵盖了自动化控制、信息工程、电子技术等方面。
下面将从控制原理的定义、分类、基本概念、常用方法以及控制系统的特点等方面进行详细阐述。
一、控制的定义及分类控制是一种对系统进行干预、改变和调节的技术，其目的是使系统的输出满足预定的要求和指标，以实现稳态和动态的良好控制效果。
控制的分类主要分为开环控制和闭环控制两种。
1、开环控制开环控制是指在控制过程中，仅对输入信号进行调节，不对输出信号进行测量和修正的一种控制方式。
这种控制方式的优点是结构简单，控制精度高。
但是由于其无法对外界干扰和内部变化作出实时反应，因此容易受到环境和工作条件的影响，不适用于要求较高的控制系统中。
二、控制系统的基本概念控制系统是由输入、处理、输出以及反馈四个基本部分组成的，其中输入和输出分别为控制系统的被控对象和控制结果，处理部分则是根据反馈信号进行控制计算的核心部分，反馈部分则是对系统输出进行监测和反馈调节的部分。
控制系统中最常见的术语包括控制器、传感器、执行器等。
1、控制器控制器是控制系统中实现控制计算和控制输出的重要部分，其基本功能是接受来自传感器的反馈信号，根据预设的控制算法和控制规律对控制对象进行控制，以实现对输出信号的调节和控制。
常见的控制器类型包括比例积分控制器、比例控制器、微处理机控制器等。
2、传感器传感器是控制系统中用于采集被控变量、参数等实时数据的装置，其基本功能是将采集到的实时信号转换成电信号，以供控制器进行控制计算和控制输出。
常见的传感器类型包括温度传感器、压力传感器、位移传感器、光电传感器等。
3、执行器执行器是控制系统中用于接受控制信号并对被控对象进行直接控制的装置，其基本功能是将控制器输出的电信号转换成机械作用力，对被控对象进行直接控制。
常见的执行器类型包括电机、阀门、气缸等。
(自动控制原理)2.4控制系统的结构图及其等效变换
实例二：复杂控制系统的等效变换
总结词
通过等效变换简化复杂控制系统的结构图，便于分析。
详细描述
以一个包含多个回路和元件的液压控制系统为例，介绍如何 通过等效变换简化其结构图。通过合并、化简等步骤，将复 杂的结构图简化为易于分析的形式，以便更好地理解系统的 工作原理和控制性能。
实例三：实际应用中的控制系统等效变换
控制系统的性能指标
总结词
控制系统的性能指标是用来评估控制系统性能优劣的一系列参数。常见的性能指标包括稳定性、快速 性、准确性等。
详细描述
稳定性是指控制系统在受到扰动后能够恢复到原来的平衡状态的能力。快速性是指控制系统对于输入 信号的响应速度。准确性是指控制系统对于输入信号的跟踪精度。这些性能指标可以通过数学分析和 实验测试等方法进行评估。
不断调整和完善结 构图，确保其准确 反映系统的工作原 理。
结构图的基本元件及其作用
控制器
根据设定值与实际值的偏差， 计算出控制量并输出给执行器。
被控对象
需要被控制的设备或系统，如 温度、压力、流量等。
传感器
用于检测被控对象的参数变化， 并将检测到的信号转换为电信 号或数字信号输出。
执行器
根据控制器输出的控制量，驱 动被控对象进行相应的动作或 调节。
课程背景
自动控制原理是自动化专业的一门核心课程，主要介绍控制系统的基本原理、分 析和设计方法。
本节内容是该课程的重要章节之一，通过学习结构图及其等效变换，学生可以深 入理解控制系统的组成和动态行为，为后续章节的学习打下基础。
02 控制系统的基本概念
控制系统的定义
总结词
控制系统的定义是指通过一定的控制装置，对被控对象施加控制作用，从而使 被控对象的输出量按照预期的规律变化的过程。
控制系统分类简述
控制系统分类简述控制系统是现代工程中不可或缺的一部分，它在各种领域中发挥着重要的作用。
从简单的家用电器到复杂的工业自动化系统，控制系统可以帮助我们实现精确的控制和调节。
在这篇文章中，我将简单概述控制系统的分类，以帮助你更好地理解这个领域。
1. 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制是最基本的控制系统分类。
开环控制是指输出信号不反馈到系统输入的控制方式。
简单来说，它根据预设的输入信号产生输出信号，但无法对输出进行实时调节。
闭环控制则是利用反馈信号来调节输出，使系统能够更准确地达到期望的状态。
闭环控制系统可以根据实时反馈信息对系统进行修正和调整，从而提高系统的稳定性和精确度。
2. 连续控制和离散控制根据控制系统的输入和输出信号是否连续，控制系统可以分为连续控制和离散控制两种类型。
连续控制系统使用连续变化的输入和输出信号进行控制，适用于需要实时调节和连续运行的系统，例如温度控制系统。
而离散控制系统则使用离散的输入和输出信号进行控制，适用于周期性的操作和采样，例如数字化的音频控制系统。
3. 线性控制和非线性控制线性控制系统和非线性控制系统是根据系统的数学模型来分类的。
线性控制系统的输入和输出之间存在线性关系，可以使用线性方程和传统的控制方法进行分析和设计。
非线性控制系统的输入和输出之间存在非线性关系，需要使用非线性的数学模型和先进的控制方法进行研究和设计。
非线性控制系统常见于复杂的工程和物理系统，例如飞机操纵系统和化学反应系统。
4. 单变量控制和多变量控制单变量控制和多变量控制是根据控制系统所涉及的变量个数来分类的。
单变量控制系统只涉及一个输入和一个输出变量，例如家庭中的温度控制系统。
而多变量控制系统涉及多个输入和输出变量之间的关系，例如工业过程控制系统。
多变量控制系统需要考虑不同变量之间的相互作用和影响，设计更复杂的控制策略来实现系统的稳定性和性能。
总结回顾：控制系统的分类涉及开环与闭环控制、连续与离散控制、线性与非线性控制以及单变量与多变量控制。
控制系统的构成和分类.
汽车内的测量与控制
1.4 自动控制系统的分类
开环控制 闭环控制(反馈控制) 复合控制
• 按控制方式分
按 元 件 类 型 分
机械系统——恒张力系统 电气系统
机电系统——全自动照相机，光机 电结合
液压系统——伺服液压缸，汽车发 动机，大型的仿真模拟台 气动系统
生物系统
• 温度控制系统
• 按系统功用分
三类基本资源
物质
材料、工具
能量
动力
信息
知识、智慧
社会发展与对资源认识
社会生产力的演进 时代 生产力发展标志 利用的资源 生产工具特征 生产力状况 古代 物质 人力工具 近代 物质+能量 动力工具 现代 物资+能量+信息 智能工具
农业社会生产力 工业社会生产力 信息社会生产力
• 决策与控制是人类的重要活动，而管 理的核心问题是对复杂事物的决策和 控制。
例:
直流电动机转速开环控制系统。
输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统
闭环控制
反馈
图示:
人工电动机转速闭环控制系统
控制任务：保持工作机械恒速运行.
控制过程的一种描述：
n u f u ua n
典型闭环系统方框图
• 反 馈： 输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程 • 负反馈： 反馈的结果削弱使原输入信号的效果
自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑 性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自 适应控制、优化控制、鲁棒控制、智能控制、智慧控 制
• 讨论的对象：因果系统 、工程系统 • 系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、 医学 • 课程特点：研究系统的共性问题
自动控制 基本原理和基本概念概要
第一篇基本原理和基本概念概要第一章绪论一、自动控制和自动控制系统基本概念1.自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制设备或装置，使被控对象的被控量自动的按预定的规律变化。
2.自动控制系统：能自动对被控对象的被控量（或工作状态）进行控制的系统。
3.被控对象（又称受控对象）：指工作状态需要加以控制的机械、装置或过程。
4.被控量：表征被控对象工作状态且需要加以控制的物理量，也是自动控制系统的输出量。
5.给定值（又称为参考输入）：希望被控量趋近的数值。
又称为规定值。
6.扰动量（又分为内扰和外扰）：引起被控量发生不期望的变化的各种内部或外部的变量。
7.控制器（又称调节器）：组成控制系统的两大要素之一（另一大要素即为被控对象），是起控制作用的设备或装置。
8.负反馈控制原理：将系统的输出信号反馈至输入端，与给定的输入信号相减，所产生的偏差信号通过控制器变成控制变量去调节被控对象，达到减小偏差或消除偏差的目的。
二、自动控制原理的组成和方框图典型的自动控制系统的基本组成可用图1.1-1的方框图来表示。
其中的基本环节有：1)受控对象：需要控制的装置、设备及过程。
2)测量变送元件：测量被控量的变化,并使之变换成控制器可处理的信号(一般是电信号)。
3)执行机构：将控制器发来的控制信号变换成操作调节机构的动作。
4)调节机构：可改变受控对象的被控量, 使之趋向给定值。
5)控制器：按照预定控制规律将偏差值变换成控制量。
自动控制装置图 1.1-1三、自动控制系统的基本控制方式：自动控制系统的基本控制方式有开环控制、闭环控制和复合控制三种。
开环控制适用于控制任务要求不高的场合。
工程上绝大部分的自动控制系统为闭环控制。
对控制任务要求较高，且扰动量可测量的场合，常采用复合控制系统（又称前馈——反馈复合控制系统）。
四、自动控制系统的分类1.按给定输入的形式分类：恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
2.按元件的静态特性分类：线性控制系统、非线性控制系统。
控制系统的分类
控制系统的分类控制系统是指通过对系统的输入、输出及状态进行监测和调节，使其达到预期目标的一种系统。
根据控制器的类型、控制对象的性质、控制方式等不同方面，可以将控制系统分为多种不同类型。
本文将从以下几个方面来介绍控制系统的分类。
一、按照控制器类型分类1.开环控制系统开环控制系统是指在整个过程中，只有输入信号与输出信号之间有关系，而没有对输出信号进行反馈调节。
这种控制方式适用于被测量对象稳定且受外部干扰少的情况下。
2.闭环控制系统闭环控制系统是指在整个过程中，通过对输出信号进行反馈调节，使得输出信号更加稳定可靠。
这种方式适用于被测量对象容易受外部干扰或者变化较大的情况下。
3.自适应控制系统自适应控制系统是指根据被测量对象的特性和工作状态，在不断地调整参数和策略的基础上实现自我优化和自我调节。
这种方式适用于被测量对象具有变化性或者难以确定其数学模型等情况下。
4.数字控制系统数字控制系统是指采用数字信号处理器（DSP）或者单片机等数字电路来实现控制的方式。
这种方式具有精度高、可靠性好、适应性强等优点，适用于需要高精度控制的场合。
5.模糊控制系统模糊控制系统是指采用模糊逻辑理论来进行控制的一种方式。
这种方式具有对复杂系统的适应能力强、易于实现等优点，适用于对被测量对象难以建立数学模型或者变化较大的情况下。
6.神经网络控制系统神经网络控制系统是指采用人工神经网络（ANN）来进行控制的一种方式。
这种方式具有自学习能力和自适应能力强、对非线性问题处理能力强等优点，适用于需要对非线性问题进行处理的场合。
二、按照被测量对象分类1.机电一体化控制系统机电一体化控制系统是指对机械和电气两个方面进行整体设计和综合调配的一种控制方式。
这种方式广泛应用于机床、自动化生产线等领域中。
2.过程控制系统过程控制系统是指对工业生产过程中的物理量、化学量等进行监测和调节的一种控制方式。
这种方式广泛应用于石油化工、电力、水利等领域中。
3.交通运输控制系统交通运输控制系统是指对交通流量、车辆速度等进行监测和调节的一种控制方式。
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控制系统的基本概念与分类
控制系统是指通过对某个被控对象的测量和调节，以实现特定目标
的系统。
在日常生活中，我们可以看到许多控制系统的应用，比如温
度调节系统、车辆自动驾驶系统等。
控制系统的基本概念和分类对于
我们理解和应用控制系统具有重要意义。
本文将介绍控制系统的基本
概念、分类及其特点。
一、基本概念
控制系统由被控对象（也称为系统）和控制器两部分组成。
被控对
象是指需要控制和调节的物理系统或过程，例如温度、压力、速度等。
而控制器则是根据系统反馈信息，产生相应的控制信号来调节被控对
象的设备或算法。
控制系统的基本概念还包括传感器和执行器。
传感器通过测量被控
对象的状态或输出信息，将其转化为电信号或其他形式的信号。
执行
器则接收来自控制器的信号，执行相应动作，调节被控对象的状态或
输出。
二、控制系统分类
根据系统的特点和结构，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控
制系统。
1. 开环控制系统
开环控制系统又称为非反馈控制系统，是指控制器的输出不受系统的反馈信号影响。
开环控制系统仅根据预设的控制信号来控制被控对象，无法对系统的实际输出进行调节。
这种控制系统的特点是简单、成本低、稳定性差。
2. 闭环控制系统
闭环控制系统又称为反馈控制系统，是指控制器的输出受到系统的反馈信号调节。
闭环控制系统通过比较被控对象的实际输出值和期望输出值，根据误差信息调整控制信号，使输出值接近期望值。
这种控制系统的特点是能够自动调节、稳定性好。
闭环控制系统又可以分为比例控制系统、积分控制系统、微分控制系统和PID控制系统等。
3. 模糊控制系统
模糊控制系统是基于模糊逻辑的控制系统，其特点是能够处理模糊和不精确的信息，适用于一些非线性、复杂的系统。
模糊控制系统通过建立模糊规则，并根据系统的输入和输出进行模糊推理，得到相应的控制输出。
4. 自适应控制系统
自适应控制系统是指具有学习和调整能力的控制系统，能够主动识别和调节系统参数，以适应不同环境和工况的变化。
自适应控制系统根据反馈信息和系统模型进行参数估计和调整，从而实现对被控对象的最优控制。
5. 数字控制系统
数字控制系统是利用计算机和数字信号处理技术实现的控制系统。
数字控制系统将传感器测得的模拟信号经过模数转换后，由计算机进
行数字信号处理和控制计算，再经过数模转换输出到执行器。
数字控
制系统具有高精度、高灵活性和可编程性等优点，广泛应用于工业自
动化领域。
总结：
控制系统的基本概念是被控对象、控制器、传感器和执行器。
根据
控制器的输出是否受到反馈信号的调节，控制系统可以分为开环控制
系统和闭环控制系统。
开环控制系统仅根据预设的控制信号进行控制，闭环控制系统根据反馈信号对输出进行调节，能够自动调节、稳定性好。
此外，还有模糊控制系统、自适应控制系统和数字控制系统等不
同类型的控制系统，适用于不同环境和应用领域。
随着技术的不断发
展和创新，控制系统在工业、农业、交通等领域的应用将更加广泛。