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。缺点是抗干扰能力差，当受到来自系统内部或外部的各种扰动因素影响而使输出量发生变化
时，系统没有自动调节能力，因此控制精度较低。一般用于对控制性能要求不高，系统输入－输出之间的关系固定，干扰较小或可以预测并能进行补偿的场合。
图1-1人工控制的电炉箱
二、闭环控制系统
闭环控制则是在开环控制基础上引入人工干预过程演变而来的。如果要消除或减少扰动的影响,实现无论是否出现扰动，都能使炉温保持恒定的目标，常采用如图1-2所示系统。图中热电偶将检测到的温度信号T转变成电压信号U fT并以负反馈形式返回输入端与给定信号u T相比较，得到偏差电压Au,此偏差电压Au经过电压、功率放大后，改变电动机的转sT
速和方向，并通过减速器带动调压器，实现对炉温的闭环控制。输出量直接（或间接）地反馈到输入端形成闭环，使输出量参与系统的控制，这样的系统称为反馈控制系统，又称为闭环控制系统。在这里，控制装置和被控对象不仅有顺向作用，而且输出端和输入端之间存在反馈关系。图1-3表示控制系统组成框图。
图1-3电炉箱控制系统框图
当给定信号u sT固定不变时，而温度T因某些因素（如加热工件增加，或频繁开启炉
门等）降低时，通过负反馈的调节作用，将使温度T回升。其自动调节过程如下：
At/=_)/―—f r a/——砲动机正转亠4/f『f
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白副补恪宜至"给应值时止
闭环控制系统的突出优点是控制精度高，抗扰能力强，适用范围广。无论出现什么干扰，只要被控量的实际值偏离给定值时，闭环控制就会通过反馈产生控制作用来使偏差减小。这样就可使系统的输出响应对外部干扰和内部参数变化不敏感，因而有可能采用不太
精密且成本较低的元件来构成比较精确的控制系统。
闭环控制也有其固有的缺点：一是结构复杂，元件较多，成本较高；二是稳定性要求
较高。由于系统中存在反馈环节和元件惯性，而且靠偏差进行控制，因此偏差总会存在，
时正时负，很可能引起振荡，导致系统不稳定。可见控制精度与稳定性是闭环系统的基本
矛盾。
总结：开环控制与闭环控制系统的特点可归纳如下。
（1）在开环系统和闭环系统中，输入量和输出量都存在一一对应关系。
（2）在开环系统中，只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与系统的控
制，因而开环系统没有抗干扰能力；从控制结构上看，开环控制系统只有正向通道；而闭
环控制系统既有正向通道又有反向通道。
（3）闭环系统必须有检测环节和比较环节。
（4）闭环控制系统是利用偏差量作为控制信号来纠正偏差的，因此系统中必须具有
执行纠正偏差这一任务的执行机构。闭环系统正是靠放大了的偏差信号来推动执行机构，
进一步对控制对象进行控制。
第三节闭环控制系统的组成和基本环节
根据控制对象和使用元件的不同，一般控制系统主要由以下基本环节组成（见图1-4）。
1．控制对象或调节对象是指要进行控制的设备或过程，如前面所举例中的电炉箱等。
相应地，控制系统所控制的某个物理量，就是系统的被控制量或输出量，如电炉箱的温度等。闭环控制系统的任务就是控制这些系统输出量的变化规律，以满足生产工艺的要求。
2．执行机构一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。
3．检测装置或传感器该装置用来检测被控制量，如所举例中的热电偶等，并将其转换为与给定量相同的物理量。检测装置的精度和特性直接影响控制系统的控制品质，它是构成自动控制系统的关键性元件，所以一般应要求检测装置的测量精度高，反应灵敏，性能稳定等。
图1-4控制系统结构图
4．给定环节是设定被控制量的给定值的装置，如电位器。给定环节的精度对被控制量的控制精度有较大影响，在控制精度要求高时，常采用数字给定装置。
5．比较环节比较环节将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量。该偏差量由于功率较小或者由于物理性质不同，还不能直接作用于执行机构，所以在执行机构和比较环节之间还有中间环节。
6．中间环节中间环节一般是放大元件，将偏差信号变换成适于控制执行机构工作的信号。根据控制的要求，中间环节可以是一个简单的环节，如放大器；或者是将偏差信号变换为适于执行机构工作的物理量，如功率放大器。除此之外还希望中间环节能够按某种规律对偏差信号进行运算，用运算的结果控制执行机构，以改善被控制量的稳态和暂态性能，这种中间环节常称为校正环节。
在控制系统中，常把比较环节、中间环节合在一起称为控制器。
在图1-4所示自动控制系统结构图中，清楚地表明了各环节之间的关系和信号的传递方向。应注意，在结构图中，各环节的信号传递是有方向性的。如果在实际的环节中存在输出对输入的影响，那么这一影响可以用反馈的形式表示出来，这种反馈称为局部反馈，而系统输出量的反馈称为主反馈。按偏差原则和按扰动补偿原则结合起来构成的系统，称为复合控制系统。这种系统兼有二者的优点，并可构成精度很高的控制系统。
第四节自动控制系统的分类
自动控制系统分类方法很多，常见的主要有以下几种分类方法和基本类型。1．按输
宀输入饥 《扰动
*】触热4工件增减- 宀输出
«
】
別
速用
电减凋
反熾冋路
绪宦阳齿.務 ill#?电压
% 热电偶 检元杵
入信号的变化规律分
(1)恒值控制系统：此类系统中，输入信号在某种工作状态下一经给定就不再变化，控制的任务就是抑制各种干扰因素的影响，使被控量也维持恒定。如生产过程中的温度、压力、流量和液位等自动控制系统多属于此类。
(2)程序控制系统：此类系统中，输入信号按预定的规律变化，并要求被控量也按照同样的规律变化。如热处理温度控制系统就属于此类，因为它的升温、保温和降温过程就是按照预先设定的变化规律进行控制的。
(3)随动系统：此类系统中，输入信号的变化规律是预先不能确定的，并要求被控量精确的跟随输入量变化，如雷达天线跟随系统、火炮自动瞄准系统就属于此类。2．按系统传输的信号特征分
(1)连续控制系统：此类系统中，所有信号的变化均为时间t的连续函数，因此系统的运动规律可用微分方程来描述。
(2)离散控制系统：此类系统中，至少有一处信号是脉冲序列或数字量，因此系统的运动规律必须用差分方程来描述。如果用计算机实现采样和控制，则称为数字控制系统。3．按系统各环节输入－输出关系的特征分
(1)线性控制系统：此类系统中，所有环节或元件的输入－输出关系都是线性关系，因此满足叠加原理和齐次性原理，可用线性系统理论来分析。
(2)非线性控制系统：此类系统中，至少有一个元件的输入－输出关系是非线性的，因此不满足叠加原理和齐次性原理，必须采用非线性系统理论来分析。如存在死区、间隙和饱和特性的系统就是非线性控制系统。
4．按系统参数的变化特征分
(1)定常参数控制系统：此类系统中，所有参数都不会随着时间的推移而发生改变，因此描述它的微分方程也就是常系数微分方程，而且对它进行观察和研究不受时间限制。只要实际系统的参数变化不太明显，一般都视作定常系统，因为绝对的定常系统是不存在的。
(2)时变参数控制系统：此类系统中，部分或全部参数将会随着时间的推移而发生变化，因此描述它的运动规律就要用变系数微分方程，系统的性质也会随时间变化，当然也就不允许用此刻观测的系统性能去代替另一时刻的系统性能。此外，按照系统的结构特征还可分为开环控制系统和闭环控制系统，已如前述。
本书主要研究连续、线性、定常、恒值、随动和程序控制系统。
第五节自动控制系统的性能指标
按被控量处于变化状态的过程称为动态过程或暂态过程，而把被控量处于相对稳定的状态称为静态或稳态。自动控制系统的暂态品质和稳态性能可用相应的指标衡量。自动控制系统的性能指标通常是指系统的稳定性、稳态性能和暂态性能。对用于不同目的的自动控制系统，往往也有不同的具体要求。但就其共性，对自动控制系统的基本要求可以归纳为以下三个方面：
1．稳定性系统的稳定性是指系统在受到外部作用后，其动态过程的振荡倾向和能否恢复平衡状态的能力。由于系统中存在惯性，当其各个参数匹配不好时，将会引起系统输出量的振荡如果这种振荡是发散或等幅的，系统就是不稳定或临界稳定的，它们都没有实际意义的稳定工作状态，因而也就失去了工作能力，没有任何使用价值（这里不包括振荡器）。如图1-5a）尽管系统振荡常常不可避免，但只有这种振荡随着时间的推移而逐渐减小乃至消失，系统才是稳定的，才有实际工作能力和使用价值，如图l-5b）。由此可见，系统稳定是系统能够正常工作的首要条件，对系统稳定性的要求也就是第一要求。而且后面的分析会表明，线性控制系统的稳定性是由系统自身的结构和参数所决定的，与外部因素无关，同时它也是可以判别的。
图1-5稳定系统和不稳定系统
2．动态性能
由于控制系统总包含一些贮能元件，所以当输入量作用于系统时，系统的输出量不能立即跟随输入量发生变化，而是需要经历一个过渡过程，才能达到稳定状态。系统在达到稳定状态之前的过渡过程，称为动态过程。表征这个过渡过程的性能指标称为动态性能指标。通常用系统对突加给定信号时的动态响应来表征其动态性能指标。
动态性能指标通常用相对稳定性和快速性来衡量，其中相对稳定性一般用最大超调量O%来衡量。
最大超调量是输出量c(t)与稳态值c(8)的最大偏差△Cmax与稳态值c(^)之比。即
b%='max x100%
c(g)
最大超调量反映了系统的稳定性，最大超调量越小，则说明系统过度过程进行得越平稳。
系统响应的快速性是指在系统稳定性的前提下，通过系统的自动调节，最终消除因外
作用改变而引起的输出量与给定量之间偏差的快慢程度。快速性一般用调节时间t来衡量，
s
理论上t的大小也是可以计算的。毫无疑问，对快速性的要求当然是越快越好。但遗憾的s
是，它常常与系统的相对稳定性相矛盾。
3．稳态性能
系统响应的稳态性能指标是指在系统的自动调节过程结束后，其输出量与给定量之间仍然存在的偏差大小，也称稳态精度。稳态性能指标(即准确性)一般用稳态误差e来衡ss量，它是评价控制系统工作性能的重要指标，理论上同样可以计算。对准确性的最高要求就是稳态误差为零。
综上所述，对控制系统的基本要求就是稳、快、准。但在同一系统中，稳、快、准是相互制约的。快速性好，可能引起剧烈振动；改善稳定性特别是提高相对稳定程度，可能会使响应速度趋缓，稳态精度下降。因此，对实际系统而言，必须根据被控对象的具体情况，对稳、快、准的要求各有侧重。例如，恒值系统对准确性要求较高，随动系统对快速性要求较高。
从理论上分析线性控制系统的性能，定义并求算相应的性能指标，同时寻求改善控制性能的措施和方法，正是本课程的主要任务之一。
小结
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。
自动控制的基本方式有开环控制和闭环控制两种。开环控制系统结构简单，但抗扰动能力较差，控制精度也不高；闭环控制系统结构复杂，抗扰动能力强，控制精度高，但存
在稳定性的问题。
自动控制系统可按不同分类方法进行分类，不同类别的系统有着不同的特点和要求。
对自动控制系统性能指标的要求主要是稳、快、准。最大超调量o%反映系统的相对稳定性，稳态误差e反映系统的准确性，调整时间t反映系统的快速性。在同一系统中，三
SSS
者之间往往是相互制约的。在实际系统的分析与设计中，应在满足主要性能指标的同时，
兼顾其他性能指标。
思考题与习题
1-1分析比较开环控制系统与闭环控制系统的特征、优缺点和应用场合的不同。
1-2简述反馈控制系统的基本组成和基本原理。
1-3试列举开环控制和闭环控制的例子，并说明其工作原理。
1-4组成自动控制系统的主要环节有哪些？它们各有什么特点，起什么作用？
1-5衡量一个自动控制系统的性能指标通常有哪些？它们是怎样定义的？对自动控制系统最基本的要求是什么？
1-6图1-7为仓库大门自动控制系统。试说明自动控制大门开启和关闭的工作原理。如果大门不能全开或全关，则怎样进行调整？
图1-7仓库大门控制系统
1-7图1-8为一水位自动控制系统。试说明其工作原理，画出系统的方框图。如果要提高给定水位，则应怎样进行调整？
图1-8水位控制系统
自动控制原理名词11
自动控制原理名词解释 第一章：知识点 1 闭环系统（或反馈系统）的特征：采用负反馈，系统的被控变量对控制作用有直接影响，即被控变量对自己有控制作用。 2 典型闭环系统的功能框图。 一些重要的概念与名词 自动控制在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程按照预定的规律运行。 自动控制系统由控制器和被控对象组成，能够实现自动控制任务的系统。 被控制量在控制系统中．按规定的任务需要加以控制的物理量。 控制量作为被控制量的控制指令而加给系统的输入星．也称控制输入。 扰动量干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入或干扰掐入。 反馈通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。 负反馈反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。 负反馈控制原理检测偏差用以消除偏差。将系统的输出信号引回插入端，与输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。 开环控制系统系统的输入和输出之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。开环控制又分为无扰动补偿和有扰动补偿两种。 闭环控制系统凡是系统输出端与输入端存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接影响的系统，叫作闭环控制系统。 自动控制原理课程中所讨论的主要是闭环负反馈控制系统。 复合控制系统复合控制系统是一种将开环控制和闭环控制结合在一起的控制系统。它在闭环控制的基础上，用开环方式提供一个控制输入信号或扰动输入信号的顺馈通道，用以提高系统的精度。 自动控制系统组成 闭环负反馈控制系统的典型结构如图1．2所示。组成一个自动控制系统通常包括以下基本元件 1．给定元件
第一章 自动控制的一般概念
第一章自动控制的一般概念 教学目的： （1）了解基本概念：自动控制，开环控制系统，闭环控制系统； （2）通过学习，能分析闭环系统的动态过程； （3）了解自动控制系统的几个类型； （4）了解对自动控制系统的基本要求。 教学要求： （1）明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念； （2）正确理解三种控制方式，特别是闭环控制； （3）初步掌握系统工作原理图、画方框图的方法，并能正确判断系统的控制方式； （4）明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的方式； （5）明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。 教学重点：开环及闭环控制系统的原理及组成；开环及闭环系统动态分析及动态、静态概念；典型自动控制系统的类型。 教学难点：闭环控制系统的原理及组成；闭环系统动态分析及动态；典型自动控制系统的类型。 本章学时：6学时 主要内容： 1.1 控制系统的一般概念 1.2 开环控制和闭环控制 1.3 自动控制系统的分类 1.4对自动控制系统的基本要求
1.1控制系统的一般概念 1.1.1历史回顾 ?18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。在控制理论发展初期，做出过重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、黑曾和奈魁斯特。 ?1922年，Minorsky研制船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性。 ?1932年，Nyquist提出了一种相当简便的方法，根据对稳态正弦输入的开环响应，确定闭环的稳定性。 ?1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念。讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的继电式伺服机构。 ?19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，从20世纪40年代末到50年代初，伊凡思Evans提出并完善了根轨迹法。 ?19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能。因此，利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论应运而生，从而适应了现代设备日益增加的复杂性，同时也满足了军事、空间技术和工程应用领域对精确度、重量和成本方面的严格要求。 ?从1960年到1980，不论是确定性系统的最佳控制、还是随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。 ?从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。 1.1.2 术语 自动控制、自动控制系统、系统、被控对象、被控量、扰动 ?自动控制：在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。 举例：炉温控制系统，数控机床。 ?自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制系统。一般有控制器和控制对象组成。
自动控制原理部分重点
自动控制原理重点 第一章自动控制系统的基本概念 第二节闭环控制系统的基本组成 1、基本组成 结构方块图如图所示 2、基本元部件： （1）控制对象：进行控制的设备或过程。（工作机械） （2）执行机构：执行机构直接作用于控制对象。（电动机） （3）检测装置：用来检测被控量，并将其转换成与给定量相同的物理 量（测速发电机） （4）中间环节：一般指放大元件。（放大器，可控硅整流功放） （5）给定环节：设定被控量的给定值。（电位器） （6）比较环节：将所测的被控量与给定量比较，确定两者偏差量。 （7）校正环节：用于改善系统性能。校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。前者称为串联校正，后者称为并联校正或反馈校正。第三节自控控制系统的分类 一、按数学描述形式分类： 1．线性系统和非线性系统 （1）线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。 （2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。 2．连续系统和离散系统 （1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。
（2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。 二、按给定信号分类 （1）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。（2）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。 （3）程序控制系统：给定值按一定时间函数变化。如程控机床。 第四节对控制系统的基本要求 对控制系统的基本要求归纳为稳定性、动态特性和稳态特性三个方面 1、系统的暂态过程 2、稳定性 3、动态特性 4、稳态特性 值得注意的是，对于同一个系统体现稳定性、动态特性和稳态特性的稳、快、准这三个要求是相互制约的。 第二章线性连续系统的数序模型 第三节传递函数 传递函数的定义：线性系统在零初始条件下，输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比。 第四节系统动态结构图 一、概念 1.动态结构图：是描述系统各组成元件之间信号传递关系的数学图形，它表示了系统的输入输出之间的关系。 2.结构图的组成： （1）信号线：带箭头的直线，箭头表示信号传递方向。 （2）引出点（分离点）：表示信号引出或测量的位置。 （3）比较点（相加点）：对两个以上信号加减运算。
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。缺点是抗干扰能力差，当受到来自系统内部或外部的各种扰动因素影响而使输出量发生变化
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。 3.按信号是连续的还是离散的分类：连续（时间）控制系统、离散（时间）控 制系统。 4.其它分类：多变量控制系统、计算机控制系统、最优控制、模糊控制、神经 网络控制等等。 五、对控制系统的性能要求 对控制系统的性能要求是稳定性、快速性、准确性和鲁棒性。 六、控制系统的典型输入信号 控制系统的典型输入信号有阶跃、斜坡、抛物线、脉冲、正弦信号等。
自控原理第1、第2章
第一章自动控制系统概念 【教学目的】 1了解自动控制系统的工作原理、分类和特点。 2．掌握负反馈在自动控制系统中的作用。 3．掌握自动控制系统的组成和各部分的作用。 4．根据工作原理图，确定控制系统的被控对象、控制量和被控制量正确 画出系统的方框图。 5．了解对控制系统的要求。 【教学重点】 1 闭环系统（或反馈系统）的特征：采用负反馈，系统的被控变量对控制作用有直接影响，即被控变量对自己有控制作用。 2 典型闭环系统的功能框图。 【教学难点】 由系统的物理结构图或工作原理示意图绘出系统元件框图。 【教学方法及手段】 通过课堂授课讲解几个典型例题使学生对概念能够理解，建立负反馈概念，并举一些生活例子来说明。 【课外作业】 系统分析例题，完成课后习题1-1，1-4。 【学时分配】 2课时。 【教学内容】 第一节一些重要的概念与名词 自动控制在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程按照预定的规律运行。 自动控制系统由控制器和被控对象组成，能够实现自动控制任务的系统。 被控制量在控制系统中．按规定的任务需要加以控制的物理量。 控制量作为被控制量的控制指令而加给系统的输入星．也称控制输入。 扰动量干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入或干扰掐入。 反馈通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。 负反馈反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。 负反馈控制原理检测偏差用以消除偏差。将系统的输出信号引回插入端，与输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。 开环控制系统系统的输入和输出之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。开环控制又分为无扰动补偿和有扰动补偿两种。 (l)无扰动补偿开环控制原理方框图如图1．1(a)所示。信号由控制信号到被控制信号单向传递，对扰动引起的误差无补偿作用。这种方式结构简单，适用于结构参数稳定、扰动信号较弱的场合。(2)有扰动补偿开环控制如图1．1(b)所示。利用对扰动信号的测量，补偿扰动对被控制量的影响。由于扰动信号经测量装置、控制器至被控对象是单向传递的．所以属于开环控制。对于不可测扰动及各元件内部参数变化给被控制量造成的影响，系统无抑制作用。
自动控制原理期末复习
2013~2014学年度第二学期期末复习 自动控制原理（基础知识） 第一章：自动控制的一般概念 1、自动控制系统 指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。 2、控制装置 （1）除被控对象外的其余部分统称为控制装置。 （2）控制装置的三个职能元件：测量元件、比较元件、执行元件。 （3）参与控制的信号来自三条通道：给定值、干扰量、被控量。 3、几种基本控制方式 （1）开环控制 系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。 ①按给定值操纵的开环控制 特点：控制装置只按给定值来控制受控对象。 优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。 缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。 ②按干扰补偿的开环控制 定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。 特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。 适用范围：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。 （2）按偏差调节的闭环控制 特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。 优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起的变动。 （3）复合控制 复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。 4、对控制系统的性能要求 （1）动态过程（过渡过程）：通常把系统受到外作用后，被控量随时间变化的全过程。（2）工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 ①稳：指控制系统的稳定性与平稳性。系统稳定是保证系统正常工作的必要条件。 ②快：指控制系统的快速性。 稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。 ③准：指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。 稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。 第二章：自动控制系统的数学模型 1、数学模型 （1）定义：描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。 （2）建立方法 ①解析法：依据系统及元件各变量之间所遵循的物理、化学定律列写出变量间的数学表达式，并经实验验证。 ②实验法：对系统或元件输入一定形式的信号（阶跃信号、单位脉冲信号、正弦信号等），根据系统或元件的输出响应，经过数据处理而辨识出系统的数学模型。 解析法适用于简单、典型、常见的系统，而实验法适用于复杂、非常见的系统。实际上常常是把这两种方法结合起来建立数学模型更为有效。 2、非线性微分方程的线性化
自动控制原理习题 (2)
自动控制原理基本知识测试题 第一章自动控制的一般概念 二、单项选择题 1.下列系统中属于开环控制的为（）。 A.自动跟踪雷达 B.无人驾驶车 C.普通车床 D.家用空调器 2.下列系统属于闭环控制系统的为（）。 A.自动流水线 B.传统交通红绿灯控制 C.普通车床 D.家用电冰箱 3.下列系统属于定值控制系统的为（）。 A.自动化流水线 B.自动跟踪雷达 C.家用电冰箱 D.家用微波炉 4.下列系统属于随动控制系统的为（）。 A.自动化流水线 B.火炮自动跟踪系统 C.家用空调器 D.家用电冰箱 5.下列系统属于程序控制系统的为（）。 A.家用空调器 B.传统交通红绿灯控制 C.普通车床 D.火炮自动跟踪系统 6.（）为按照系统给定值信号特点定义的控制系统。 A.连续控制系统 B.离散控制系统 C.随动控制系统 D.线性控制系统 7.下列不是对自动控制系统性能的基本要求的是（）。 A.稳定性 B.复现性 C.快速性 D.准确性 8.下列不是自动控制系统基本方式的是（）。 A.开环控制 B.闭环控制 C.前馈控制 D.复合控制 9.下列不是自动控制系统的基本组成环节的是（）。 A.被控对象 B.被控变量 C.控制器 D.测量变送器 10.自动控制系统不稳定的过度过程是（）。 A.发散振荡过程 B.衰减振荡过程 C.单调过程 D.以上都不是 二、单项选择题 1.C 2.D 3.C 4.B 5.B 6.C 7.B 8.C 9.B 10.A 第二章自动控制系统的数学模型 一、填空题 1.数学模型是指描述系统（）、（）变量以及系统内部各变量之间（）的数学表达式。 2.常用的数学模型有（）、（）以及状态空间表达式等。 3.（）和（），是在数学表达式基础演化而来的数学模型的图示形式。 4.线性定常系统的传递函数定义为，在（）条件下，系统的（）量的拉氏变换与（）量拉氏变换之比。 5.系统的传递函数完全由系统的（）决定，与（）的形式无关。 6.传递函数的拉氏变换为该系统的（）函数。 7.令线性定常系统传递函数的分子多项式为零，则可得到系统的（）点。 8.令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的（）点。 9.令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的（）方程。 10.方框图的基本连接方式有（）连接、（）连接和（）连接。 二、单项选择题 1.以下关于数学模型的描述，错误的是（） A.信号流图不是数学模型的图示
自动控制习题第1章
第一章自动控制的一般概念 (1) 1.1 基本概念 (1) 1.2 自动控制系统的分类 (1) 1、按结构分类 (1) 2、按系统功用分类 (2) 3、按系统性能分类 (2) 1.3 对自动控制系统的性能要求 (3) 思考题 (3) 习题解答 (3) 水平测试题 (6) 测试题答案 (8)
第一章自动控制的一般概念 1.1 基本概念 自动控制：在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预订的规律运行。 自动控制系统：将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，构成一个具有特定功能的有机整体，以实现自动控制的目的，即构成自动控制系统。 被控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。 被控量：被控对象的输出量，要求加以控制的物理量c。 控制量：作用于被控对象，能够影响输出量，使之按照要求变化的物理量u。 输入量：作用于控制系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量r。 控制器：对控制对象起控制作用的控制装置总体，根据被控量和输入量计算控制量。 扰动：破坏系统输入量和输出量之间预定规律的信号。 1.2 自动控制系统的分类 1、按结构分类 开环控制 图1-1 开环控制结构 闭环控制 图1-2 闭环控制结构 复合控制 图1-3 按扰动的前馈开环控制
图1-4 按扰动的前馈闭环控制 图1-5 按设定值的前馈闭环控制 2、按系统功用分类 镇定系统：又称调节器。系统输入量为常值，或者随时间缓慢地变化。系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出量保持为恒定的希望值。如水位控制系 统，恒压调节系统等。 随动系统：又称跟踪系统。系统的输入量随时间任意变化。系统的基本任务是使系统输出量以要求的精度跟随输入量变化。系统的输出量常是机械位置、速度 或加速度。火炮控制系统、自动化仪表系统等属于这一类。 程序控制系统：系统输入量按既定规律变化，系统的控制过程按预定的程序进行。系统的输出量常为温度、压力、流量等物理量。如石油化学工业中的反应塔， 加热炉的自动温度控制等，均采用程序控制系统。 3、按系统性能分类 线性与非线性系统：可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线性系统。如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线性定常系统；否则为线性时 变系统。用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。 连续与离散系统：若输入量和输山量都是时间连续函数的系统，称为连续系统。在连续系统中，信号在全部时间上都是已知的。若系统中信号有一处或一处以 上为离散时间函数，称为离散系统。在离散系统中，信号仅定义在离散时 间上。 确定性与不确定性系统：系统的结构、参数和输入量都是确定的、已知的系统，称为确定性系统。反之，当系统本身的结构或参数以及作用于该系统的信号有 不确定性或模糊性时，则系统为不确定性系统。现实的工程系统，多为不 确定性系统。
【自动控制原理经典考试题目整理】第一章-第二章
自动控制原理经典考试题目整理 第一章-第二章 第一章自动控制的一般概念 1．自动控制是在人不直接的情况下，利用外部装置使被控对象的某个参数（被控量）按的要求变化。 2．由被控和自动按一定的方式连接起来，完成一定的自动控制任务，并具有预定性能的动力学系统，称为自动控制系统。 3．闭环控制系统的特点是：在控制器与被控对象之间不仅有正向控制作用，而且还有控制作用。此种系统高，但稳定性较差。 4．开环控制系统的特点是：在控制器与被控对象之间只有作用，没有反馈控制作用。此种系统低，但稳定性较高。 5．在经典控制理论中，广泛使用的分析方法有__________和__________。 6．温度控制系统是一种控制系统，一般对系统的指标要求比较严格。7．对于一个自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面：________、快速性和________。8．火炮跟踪系统是一种控制系统，一般对系统的指标要求较高。9．反馈控制系统是根据给定值和__________的偏差进行调节的控制系统。 第二章自动控制的数学模型 1．数学模型的形式很多，常用的有微分方程、_____________和状态方程等。 2．线性定常系统的传递函数，是在__________条件下，系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换的比。 3．传递函数只取决于系统的参数，与外作用无关。 4．根据欧拉公式和拉普拉斯变换的线性法则，可以示出的拉氏变换为，的拉氏变换为。
5．根据拉普拉斯变换的定义，单位斜坡函数t 的拉普拉斯变换为 ，指数函数的拉普拉斯变换为 。 6．二阶振荡环节的标准传递函数是 。 7．多个环节的并联连接，其等效传递函数等于各环节传递函数的________。 8．正弦函数sin ωt 的拉氏变换为__________。函数的拉氏变换为__________。 9．利用__________公式可以根据复杂的信号流图直接求出系统总的传递函数。 10．比较点从输入端移到输出端，“加倒数”；引出点从输入端移到输出端，“加本身”。（ ） 11．比较点从输出端移到输入端，“加本身”；引出点从输出端移到输入端，“加倒数”。（ ） 12．梅逊公式可用来求系统的输入量到系统中任何内部变量的传递函数。（ ） 13．梅逊公式可用来求系统任意两个内部变量C1(s)到C2(s)之间的传递函数。（ ） 13．正弦函数sin 的拉氏变换是（ ） 14．传递函数反映了系统的动态性能，它与下列哪项因素有关？（ ） A.输入信号 B.初始条件 C.系统的结构参数 D.输入信号和初始条件 15．当忽略电动机的电枢电感后，以电动机的转速为输出变量，电枢电压为输入变量时，电动机可看作一个（ ） A.比例环节 B.微分环节 C.积分环节 D.惯性环节 16．对复杂的信号流图直接求出系统的传递函数可以采用( ) A.终值定理 B.初值定理 C.梅森公式 D.方框图变换 17．采用系统的输入、输出微分方程对系统进行数学描述是（ ） A.系统各变量的动态描述 B.系统的外部描述 ω+s A 1.22.ωω +s B 22.ω+s s C 22 1.ω+s D
自动控制原理总复习资料(完美)
自动控制原理总复习资料(完美) 总复 第一章的概念 典型的反馈控制系统基本组成框图如下： 输出量串连补偿放大执行元被控对元件元件件象－－反馈补偿元件测量元件 自动控制系统有三种基本控制方式：反馈控制方式、开环控制方式和复合控制方式。基本要求可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。 第二章要求： 1.掌握运用拉普拉斯变换解微分方程的方法。 2.牢固掌握传递函数的概念、定义和性质。
3.明确传递函数与微分方程之间的关系。 4.能熟练地进行结构图等效变换。 5.明确结构图与信号流图之间的关系。 6.熟练运用梅森公式求系统的传递函数。 例1：某一个控制系统动态结构图如下，求系统的传递函数。 C1(s)C2(s)C(s)C1(s)G1(s)G2(s)G3(s) R1(s)R2(s)R1(s)R2(s) 传递函数为：C(s) = G1(s)C1(s) / [1 - G1(s)G2(s)G3(s)R1(s)R2(s)]
例2：某一个控制系统动态结构图如下，求系统的传递函数。 C(s)C(s)E(s)E(s) R(s)N(s)R(s)N(s) C(s)G1(s)G2(s)-G2(s) 传递函数为：C(s) = G1(s)C(s) / [1 + G1(s)G2(s)H(s)N(s)] 例3： i1(t)R1 i2(t)R2 R(s)+ u1(t) c1(t)C1 C2 r(t) I1(s)+
U1(s)112+ I2(s) 将上图汇总得到：R1I1(s)U1(s) C1s r(t)-u(t) = i(t) R U1(s) u(t) = [i(t) - i(t)]dt C u(t) - c(t) = i(t) R
自动控制原理知识点
自动控制原理知识点 The document was finally revised on 2021
第一章自动控制的一般概念 自动控制的基本原理与方式 1、自动控制、系统、自动控制系统 ◎自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制 器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自 动地按照预定的规律（给定值）运行。◎系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存， 并能完成一定的任务。 ◎自动控制系统：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被 控对象组成。 除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。 测量元件：用以测量被控量或干扰量。 比较元件：将被控量与给定值进行比较。
执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象。 参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。 2、自动控制原理及其要解决的基本问题 ◎自动控制原理：是研究自动控制共同规律的技术科学。而不是对某一过程或对象的具体控 制实现（正如微积分是一种数学工具一样）。 ◎解决的基本问题： 建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述） 分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能） 综合：控制系统的综合与校正——控制器设计（方案选择、设计） 3、自动控制原理研究的主要内容
4、室温控制系统 5、控制系统的基本组成 ◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。 ◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放大 器）。 ◎执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空调器）。 ◎测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量 的装置称
过程装备控制技术课后习题及参考答案
过程装备控制技术课后习题及参考答案 第一章控制系统的基本概念 1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？ 答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。 2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？ 答：自动控制系统主要有被控对象,测量元件和变送器，调节器，执行器等环节组成。 自动控制系统常用的术语有： 被控变量y；给定值y s；测量值y m；操纵变量m；干扰f；偏差信号（e）；控制信号u 3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？ 答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。 4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？ 答：干扰作用是指除操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是通过对被控变量的测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号。这个信号按一定规律计算出控制信号来改变操纵变变量克服干扰作用。两者关系是控制作用的一部分职能就是减小或消除干扰对被控变量的影响。 5.什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统？答：闭环控制是控制系统的输出信号的改变回返回影响操纵变量的控制方式。 开环控制是控制系统的输出信号不会影响操纵变量的控制方式。 定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统。定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响，当输出信号变大时，反馈影响操纵变量使输出信号减小，反之则影响操纵变量是输出信号增大。可见定值控制系统满足闭环负反馈系统的要求。
自动控制原理
第一章自动控制的一般概念 1-1自动控制的基本原理与方式 1.自动控制技术 所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。 2.自动控制理论 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析和设计问题。 3.反馈控制理论 为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，这就是自动控制理论。 在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。 人取物视为一个反馈控制系统时，手是被控对象，手位置是被控量（即系统的输出量），产生的控制作用的机构是眼睛、大脑和手臂，统称为控制装置。我们可以用图1-1的系统方框图来展示这个反馈系统的基本组成及工作原理。 通常，我们把取出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称闭环控制。 控制装置：测量元件、比较元件和执行元件。 4.反馈控制系统的基本组成 它是由各种不同的元件组成的，有以下几种： 测量元件其职能是检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要再转换为电量。 给定元件其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考量）。 比较元件其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比
第一章控制系统的一般概念
第一章控制系统的一般概念 一、教学目的及基本要求 1、明确自动控制的任务，正确理解受控对象、控制量、被控量、输入量、输出量、 控制装置和自动控制系统等概念。 2、正确理解两种控制方式——开环控制和闭环控制，特别是反馈控制。 3、初步掌握控制系统的分类。 4、掌握反馈控制系统的组成及基本要求。 二、重点与难点 1、理解控制系统中的各个物理量的含义 2、理解开环控制和闭环控制的含义 3、理解反馈的含义 4、掌握基本控制系统的组成 三、授课内容与课时 第一章控制系统的一般概念（共 4 课时） （1）引言 （2）开环控制与闭环控制 （3）控制系统举例 （4）控制系统的组成与对控制系统的基本要求 四、教学方法与手段
采用多媒体教学及其它方法 五、教学过程 1.1引言 所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。 由控制器、被控对象等部件为了一定的目的有机地联结成一个进行自动控制的总体，称为自动控制系统。 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反 馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用装备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。二战后，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为数学工具，采用频率域方法，研究单输入一单输出的线性定常系统的分析和设计问题。 20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段一一现代控制理论。它主要研究多输入一多输出、时变和非线性等控制系统的分析与设计问题。基本方法是时域方法，研究内容十分广泛，主要有线性系统理论、最优控制理论、最佳滤波、自适应控制、系统辩识、随机控制等。 近年来，随着技术革命和大规模复杂系统的发展，已促使自动控制理论开始向第三代发展即第三代控制理论一一大系统理论和智能控制理论发展。 本书重点阐述经典控制理论。 1.2开环控制与闭环控制 1. 2. 1开环控制系统 一个控制系统，如果控制装置与被控对象之间只有正向控制作用而没有反向联系的控制过程，按这种方式组成的系统称为开环控制系统，如图1-1所示。 输入量・控制器控制量.受控对象
自动控制原理基本概念
第一章控制系统导论 1、自动控制系统的组成：控制器、被控对象、反馈环节、给定装置等。 2、自动控制系统基本控制方式：开环控制、闭环控制和复合控制三种方式。 3、反馈是将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入量进行比较的过程。反馈有正反馈和负反馈 1 pj(j=1,2,…,n)分别称为传递函数的零点和极点,K1称为传递函数的增益（或根轨迹增益）。 4、传递函数的概念适用于线性定常系统，传递函数的结构和各项系数包括常数项完全取决于系统本身结构； 它是系统的动态数学模型，与输入信号的具体形式和大小无关，不反映系统的内部信息。
5、传递函数是在零初始条件下定义的。但是，对输入量加于系统之前, 系统处于稳定工作状态的情况同 样适用。 6、传递函数不能（能或不能）反映系统或元件的学科属性和物理性质。物理性质和学科类别截然不同 的系统可能（可能或不可能）具有完全相同的传递函数。 1 3 4 5、二阶系统的阶跃响应性能定性分析可知，ωn 一定，ζ与系统性能的关系：0< ζ <1欠阻尼，衰减振 荡；ζ＝1临界阻尼，单调上升；ζ >1过阻尼，单调上升； ζ =0无阻尼，等幅振荡。 6、二阶系统的阶跃响应性能定性分析可知，ωn 一定，ζ越大，平稳性越好，但是，上升速度越慢，快速
性越差。 0.4＜ζ＜0.8，快速性和平稳性均较好。 7、二阶系统的阶跃响应性能定性分析可知，ζ一定时，ωn越大，上升速度和调节速度越快，且ωn 的变 化不改变系统的平稳性。 7、二阶系统，阻尼比ζ越小，超调量越大，平稳性越差，调节时间ts长；ζ过大时，系统响应迟钝，调节时间ts也长，快速性差；ζ=0.7，调节时间最短，快速性最好，而超调量σ%<5%，平稳性也好，故称ζ 8 9 12 13. 14那么其相应的瞬态分量持续时间较短。对系统暂态性能的影响就小。 15、当某极点pj靠某零点zi很近，相应瞬态分量的系数就越小，极端情况下, 当pj和zi重合时，该零 极点为偶极子，对系统的瞬态响应没有影响。 16、在系统中，某极点距虚轴的距离小于其他所有极点距虚轴的距离的1/5，在其附近没有零点存在, 则该
化工化工仪表及自动化
化工仪表及自动化 考试复习资料 金刚葫芦娃
注意啦啦啦----任课教师为试题出题人。工大著名的某某某教授。 适合专业：应化，工艺，生命。 化工仪表及自动化考试综述： 考试题型有：填空题，选择题，计算题，分析综述题。 填空题为每章中的重要语句，在此资料中指出，黑体标出。 选择题为一些重要的知识点以及一些干扰项。资料中有指出。 计算题类型为课本第15页例题，第35页例题，不会出原题，但类型大致如此！ 分析综述题类型为课本第169页例题13和14题，控制器的正反作用，及方框图内容。备注：由于SB教务处的SB临时决定，将六门专业课压缩至四天考完，没有充足时间做资料，但本资料已覆盖考试题90%的内容。资料内容全为老师讲的考试重点，给的范围，希望能帮助同学们顺利通过考试。 第一章自动控制系统基本概念 1 为了实现化工生产自动化，一般要包括自动检测自动保护自动操作和自动控制等方面的内容。 自动控制系统是自动化生产中的核心部分分。 2自动控制系统的基本组成： 测量元件与变送器 自动化装置自动控制器 组成执行器 被控对象 3自动控制系统的表示形式：
方块图中，x 指设定值；z 指输出信号；e指偏差信号；p 指发出信号；q指出料流量信号；y 指被控变量；f 指扰动作用。当x取正值，z取负值，e= x- z，负反馈；x 取正值，z取正值，e= x+ z，正反馈。 4系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端的做法叫反馈。能够使原来的信号减弱的信号叫负反馈，使原来的信号加强的反馈信号叫正反馈。 开环系统：自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。 闭环系统：有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。 5自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。 6管道及仪表流程图（PID）：是自控设计的文字代号，图形符号在工艺流程图上描述生产过程控制的原理图，是控制系统设计，施工中采用的一种图示形式。在工艺流程图基础上，按其流程顺序标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等。 7图形符号：见课本第9页。 8字母代号：C：控制(调节) F：流量 I：指示 L：物位 P：压力或真空 Q：积分累积 R：记录打印 T:温度或传送 9自动控制系统的分类：将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制
自控第一二章习题
第一章自动控制的基本概念 显示所有|| 隐藏所有•例1－1 一晶体稳压电源如图1-1所示。试画出其方块图，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。 •例1－2 图1－3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功能方块图。
解：该控制系统采取光学跟踪和有线制导。由于采用光学制导系统（红外线、激光），射手只需将与光学跟踪器（如红外线测角仪）同步的瞄准镜的十字线对准目标，光学制导系统能测出目标与导弹的偏差角，产生偏差控制信号，操纵导弹自动修正它与瞄准线间的偏差而飞向目标。 该系统导弹是被控对象，导弹运动的航迹是被控量，光学瞄准具是测量比较装置，目标运动是给定输入信号，其功能方块图如图所示。 •例1－3 图1－5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Ub来调节输出电压Uc。试分析在电枢转速ω和激励电压Ug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。
•例1－4 某住宅楼水池水位控制系统如图1-7所示。试简述系统各组成元件的作用及系统的工作原理，并画出系统的方块图。
解：该系统的控制任务是保持水池水位基本不变。水池是被控对象，水位H是被控量，而Hr 是水位的希望值。 浮子随水位上下浮动，可以反映水位的实际高度H，也可以表示水位给定（希望）高度与实际高度的偏差Hr-H，相当于测量元件和比较元件。 浮子带动铰链机构控制进水阀开度，调节进水量，从而控制水位高度，故铰链和控制阀相当于放大元件和执行元件。 系统的工作原理：设系统原来处于进、出水量相等，水位高度等于给定值（即H = Hr）的工作状态下，如出水量Q2增大（而进水量一时没有改变），则Q1
(2015更新版)自动控制原理网上作业题参考答案20150512
自动控制原理网上作业题参考答案（2015更新版） 第一章基本概念 一、简答题 1 简述自动控制的基本概念 参考答案： 不需要人直接参与，控制器使被控制量自动按预定规律运行的控制过程 2 简述自动控制系统的基本组成 参考答案： 由控制器和被控对象组成。被控对象是指控制系统中受控的目标元件或装置；控制器 3 简述控制系统的基本控制过程 参考答案： 检测被控制量，计算偏差量，调整控制参量，消除偏差 4 简述自动控制系统的基本分类 参考答案： 按控制方式分为：开环控制和闭环控制；按输入信号的性质分为：恒值调节系统、随动控制系统和程序控制系统；按系统组成元件的性质分为：现行系统和非线性系统；按系统组成元件参数的时变性分为：定常系统和时变系统；按内部信号性质分为：连续系统和离散系统 5 试比较开环控制和闭环控制的特点 参考答案： 开环控制：输出对系统没有控制作用；对系统元器件的性能要求较高；无抗干扰能力；结构简单。闭环控制：输出参与系统的控制；对系统元器件的性能要求不太高；抗干扰能力强；结构复杂。 6 简述自动控制系统的性能评价指标 参考答案： 稳定性：是保证自动控制系统正常工作的首要条件；准确性：表征控制系统的控制精度，通常用稳态误差来表示；快速性：是系统稳定时表征系统的灵敏度、系统调节的快慢及调节过程的平稳性。系统设计时，要统筹兼顾，全面考虑。 二、分析计算题 1 液位自动控制系统如图所示。试分析该系统工作原理，画出系统原理框图，指出被控对象、被控参量和控制量参考答案： 工作原理：液面位于期望高度，此时，与浮子连接的滑动端位于电位器中间位置，电动机不动，控制阀的进水量与用水的出水量相同；液面低于希望高度，浮子带动电位器的滑动头偏离中间位置，电动机转动，调整控制阀开度开大，液面升高，直至液面位于期望高度，电机不动，进水量等于出水量；液面高于希望液位，电动机转动，调整控制阀开度开小，直至液面位于期望高度，电机不动，进水量等于出水量。 系统原理框图：