1.4 自动控制系统的分类

自动控制系统的分类和品质指标1.根据控制对象的性质分类：连续控制系统和离散控制系统。

连续控制系统是指被控对象和控制器的输入和输出都是连续的，如电机的转速控制系统；离散控制系统是指被控对象和控制器的输入和输出是离散的，如数字逻辑控制系统。

2.根据控制方式分类：开环控制系统和闭环控制系统。

开环控制系统是指控制器的输出不受被控对象状态的反馈影响，控制结果只依赖于被控对象的输入，如电视遥控器控制电视机的开关和音量；闭环控制系统是指控制器的输出通过传感器获得被控对象的状态反馈信息，根据反馈信息进行调整，如汽车上的自动驾驶系统。

3.根据控制器的性质分类：线性控制系统和非线性控制系统。

线性控制系统是指被控对象和控制器之间的关系可以用线性方程或线性差分方程描述，如传统的PID控制系统；非线性控制系统是指被控对象和控制器之间的关系不可用线性方程或线性差分方程描述，需要使用非线性控制算法进行设计，如模糊控制和神经网络控制。

品质指标是用来评价自动控制系统性能好坏的指标，常见的有以下几个方面：1.稳定性：指系统的输出能够在有限时间内收敛到一个稳定的状态，不会产生震荡或发散。

稳定性是评价自动控制系统最基本且最重要的性能指标。

2.快速性：指系统的输出能够在规定的时间内快速达到稳定状态。

快速性越高，系统的响应速度就越快。

3.精确性：指系统的输出与期望值之间的偏差程度。

精确性越高，系统的控制效果越好。

4.鲁棒性：指系统对于参数变化、干扰和噪声的鲁棒性能。

鲁棒性越好，系统对外界干扰的抵抗能力越强。

5.动态性：指系统响应时间的快慢和输出过程中的波动程度。

动态性越好，系统越能够适应复杂的工况需求。

6.经济性：指系统的设计成本、运行成本和维护成本。

经济性越好，系统的运营费用越低。

以上是自动控制系统的分类和品质指标的基本介绍，不同的自动控制系统根据其应用领域、控制目标和技术要求的不同，可能会使用不同的分类标准，并要求不同的品质指标。

在实际应用中，需要根据具体的需求和情况进行系统设计和性能评估，以确保自动控制系统的性能和品质达到预期的要求。

简述自动控制系统的基本分类自动控制系统是现代工业生产中不可或缺的一部分，它可以实现对生产过程的自动化控制，提高生产效率和质量。

自动控制系统的基本分类主要有以下几种。

一、按照控制对象分类1.连续控制系统：主要用于对连续生产过程进行控制，如化工、石油、纺织等行业的生产过程。

2.离散控制系统：主要用于对离散生产过程进行控制，如自动包装、自动装配等行业的生产过程。

3.混合控制系统：是连续控制系统和离散控制系统的结合，主要用于对同时具有连续和离散生产过程的系统进行控制。

二、按照控制方式分类1.开环控制系统：是指控制器不对被控对象的输出进行反馈调节，而是直接根据预定的控制规律进行控制。

2.闭环控制系统：是指控制器对被控对象的输出进行反馈调节，根据输出与预定值之间的误差进行控制。

3.开闭环控制系统：是指同时采用开环和闭环控制方式的控制系统，主要用于对复杂系统进行控制。

三、按照控制器分类1.单变量控制器：是指控制单个变量的控制器，如PID控制器、比例控制器等。

2.多变量控制器：是指控制多个变量的控制器，如模型预测控制器、自适应控制器等。

3.分散控制器：是指控制系统中各个部分各自独立进行控制的控制器。

4.集中控制器：是指控制系统中各个部分通过中央控制器进行集中控制的控制器。

四、按照控制对象的数量分类1.单变量控制系统：是指控制系统中只有一个被控对象的控制系统。

2.多变量控制系统：是指控制系统中有多个被控对象的控制系统。

3.分布式控制系统：是指控制系统中各个被控对象通过分布式控制器进行控制的控制系统。

四、按照控制系统的层次分类1.基层控制系统：是指控制系统中最底层的控制系统，主要用于对现场设备进行控制。

2.中层控制系统：是指控制系统中处于中间层次的控制系统，主要用于对生产过程进行控制。

3.高层控制系统：是指控制系统中处于最高层次的控制系统，主要用于对整个生产过程进行规划和管理。

以上是自动控制系统的基本分类，不同的控制系统具有不同的特点和应用范围，选择合适的控制系统能够提高生产效率和质量，降低成本，提高企业的竞争力。

自动控制系统的分类、渡过程和品质指标(doc 40页)生影响的系统，称为开环控制系统。

把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输人端的做法叫做反馈。

反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈；反之为正反馈。

在闭环控制系统中，把输出信号（被控变量）经过测量元件和变送器后，又返回到系统的输入端，与给定值进行比较，这种系统的输出信号直接或经过一些环节返回到系统的输入端的做法叫反馈。

负反馈反馈信号能使原来的信号减弱。

与原来信号方向相反。

正反馈反馈信号能使原来信号加强。

自动控制系统控制方法基本上是采用负反馈的方法。

自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，§1.3自动控制系统的分类1. 按被控参数分类：温度、流量、压力、液位等控制系统。

2. 按控制系统所处理的信号方式来分：有模拟控制系统与数字控制系统。

模拟信号：在时间上是连续变化的，在任何瞬时都可以确定其数值的信号，可转换为电信号。

在生产过程中任何连续变化的物理量和物理量都属于模拟信号。

数字信号：以离散形式出现的不连续的信号，数字量的增减只能一个一个单位增加或减小。

模拟信号和数字信号可以互相转换。

4.按控制器具有的控制规律分类：位式自动控制系统、比例（P）、比例积分(PI)、比例微分(PD)、比例积分微分(PID)等控制系统。

5. 按控制系统的复杂程度简单控制复杂控制：均匀控制、串级控制、前馈控制（1）定值控制系统：被控变量的给定值恒定不变。

定值控制系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响，（2）随动控制系统（自动跟踪系统）：给定值是不断变化的且无规律，是随机变化的。

随动控制系统控制的目的，是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。

（3）程序控制系统（顺序控制系统）：工艺参数的给定值按一定的规律变化，是已知的时间函数。

即设定值按一定的时间程序变化。

9. 按信号种类分类：气动控制系统，电动控制系统§1.4 自动控制系统的过渡过程和品质指标在自动化领域内要研究两种状态：静态和动态。

自动控制系统的分类常用的自动控制系统分类方法如下。

1．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。

1）开环控制系统在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。

开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统，由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。

主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制及机械手和生产自动线。

2）闭环控制系统闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。

闭环控制系统又称反馈控制系统。

2．按给定信号（输入量）的变化规律分类自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

1）恒值控制系统若系统输入量为一定值，要求系统的输出量也保持恒定，此类系统称为恒值控制系统。

这类控制系统的任务是保证在扰动作用下被控量始终保持在给定值上，在生产过程中的恒转速控制、恒温控制、恒压控制、恒流量控制、恒液位高度控制等大量的控制系统都属于这一类系统。

对于恒值控制系统，着重研究各种扰动对输出量的影响，以及如何抑制扰动对输出量的影响，使输出量保持在预期值上。

恒值控制系统又称为自动调节系统，其主要特征是给定量不变。

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而变化，如跟踪卫星的雷达天线系统。

随动系统的输入信号是一个随时间任意变化的函数（事先无法预测其变化规律），系统的任务是在存在扰动的情况下，保证输出量以一定的精度跟随输入信号的变化而变化。

在这种系统中，输出量通常是机械位移、速度或加速度。

随动系统中，若给定量变化是任意的，则称为自动跟踪系统或伺服系统，研究的重点是系统输出量跟随输入量的准确性和快速性。

随动系统在工业、交通和国防等部门有着极为广泛的应用，如机床的自动控制、舰船的操舵系统、火炮控制系统及雷达导航系统等。

3）程序控制系统若系统的输入量按一定的时间函数变化，但其变化规律是预先知道和确定的，给定值按一定时间函数变化，要求输出量与给定量的变化规律相同，此类系统称为程序控制系统。

自动控制系统的组成及分类
一、系统组成
自动控制系统主要由控制器、受控对象、执行机构和反馈通路组成。

1. 控制器：控制器的功能是接受操作人员的指令，以及对由检测装置得到的被控量进行一定的处理，以控制受控对象的控制量的大小，以满足系统的性能要求。

控制器有多种分类，按能量关系可分为电动、气动、液压、机械和混合型等；按信息传递方式可分为开环和闭环等。

2. 受控对象：受控对象又称被控对象，是指在自动化系统中需要控制的设备或装置。

受控对象根据不同的要求和控制方案，可以是一个单台设备、一条生产线或一个系统。

3. 执行机构：执行机构是自动控制系统中的重要组成部分，它的作用是根据控制器的输出信号，产生相应的动作，驱动被控对象，以改变受控量的状态。

常见的执行机构有伺服电动机、步进电机等。

4. 反馈通路：反馈通路是指把被控量的变化通过传感器和转换装置变成电信号，再传输给控制器，以实现系统的闭环控制。

反馈通路由传感器、转换装置和控制器等组成。

二、分类方式
自动控制系统有多种分类方式，以下列举几种常见的分类方式：
1. 按控制系统类型分类：可分为开环控制系统和闭环控制系统。

开环控制系统是指系统的输出只受输入的控制，与系统的过去状态无关；而闭环控制系统是指系统的输出不仅受输入的控制，还与系统的过去状态有关。

2. 按控制方式分类：可分为程序控制和随动控制。

程序控制是指系统按照预定的程序进行控制；随动控制是指系统根据被控量的变化实时调整控制参数。

3. 按控制变量的数量分类：可分为单变量控制系统和多变量控制系统。

单变量控制系统是指系统只有一个被控量；多变量控制系统是指系统有多个被控量。

自动控制系统是指能够对某一系统的运行状态进行监测、比较和修正，以维持系统在某种期望状态或性能指标下运行的系统。

它主要包括感知部分、决策部分和执行部分。

感知部分负责获取系统的状态信息，决策部分进行状态比较和决策，执行部分则执行相应的控制操作。

自动控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。

开环控制系统（Open-Loop Control System）：开环控制系统是指控制器输出不受系统当前状态影响，只由输入信号决定的控制系统。

在开环系统中，控制器向执行器发送命令，执行器按照命令执行动作，但系统的实际状态变化不会反馈给控制器。

这种系统不具备自我调整的能力，对外界扰动和系统参数变化不敏感。

闭环控制系统（Closed-Loop Control System）：闭环控制系统是指控制器的输出受系统当前状态的反馈影响，通过不断调整输出来维持系统在期望状态。

在闭环系统中，感知部分负责获取系统状态信息，并将反馈信息传递给控制器，控制器根据反馈信息调整输出，实现对系统的动态调节。

这种系统能够更好地应对外界扰动和系统参数变化，具有自我调整的能力。

在闭环控制系统中，可以进一步根据控制器的结构和工作原理进行分类：比例-积分-微分（PID）控制系统：使用比例项、积分项和微分项来调节系统，以实现对系统的稳定性、精度和速度的控制。

状态空间控制系统：使用状态空间法描述系统，通过状态反馈或输出反馈来实现对系统的控制。

模糊控制系统：基于模糊逻辑的控制系统，适用于复杂、模糊和不确定的系统。

神经网络控制系统：利用神经网络模型进行控制，适用于非线性和复杂系统。

自适应控制系统：具有自适应性能，能够根据系统的变化实时调整控制策略。

总体而言，自动控制系统在工业、交通、航空航天、生活等领域有着广泛的应用，能够提高系统的稳定性、精度和鲁棒性。

1.4自动控制系统的分类•按控制方式分开环控制、闭环控制，反馈控制、复合控制•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•按系统功用分温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统•按系统性能分线性系统和非线性系统? 连续系统和离散系统定常系统和时变系统•按输入信号变化规律分恒值控制系统、随动系统、程序控制系统为了全面反映系统的特点，常常将上述分类方法结合应用。

□线性连续控制系统如果系统可用微分方程式描述，表示成输入量与输出量的微分方程，且微分方程的系数是常数，反之，如果微分方程的系数随时间变化，称为时变系统。

线性定常系统按其输入量的变化规律不同又可分为：恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。

① 恒值控制系统参据量是一个常值，要求被控量亦等于一个常值。

温度控制系统——恒温箱（刚出生的早产儿要放在保温箱里，做温度试验时）温度一经调整，被控量就应与调整好的参据量保持一致。

压力控制系统、液位控制系统等。

② 随动系统这类系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控制量以尽可能小的误差跟随参据量的变化。

在随动系统中，扰动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研究被控制量跟随的快速性和准确性。

函数记录仪、高炮自动跟踪系统便是典型的随动系统的例子。

在随动系统中，如果被控制量是机械位置（角位置）或其导数时，这类系统称之为伺服系统。

③ 程序控制系统这类控制系统的参据量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控制量迅速、准确地复现。

机械加工使用的数字程序控制机床便是一例。

程序控制系统和随动系统的参据量都是时间的函数，不同之处在于程序控制系统是已知的时间函数，随动系统是未知的任意的时间函数，而恒值控制系统可视为程序控制系统的特例。

线性定常离散系统随着计算机的发展利用数字计算机进行控制的系统越来越多。

连续信号经过开关的采样→（可以转换成）离散系统，离散系统用差分方程描述。

自动控制系统的基本组成与分类自动控制系统的基本组成如前所述，自动控制系统(即反馈控制系统)由被控对象和控制装置两大部分组成，根据其功能，后者又是由具有不同职能的基本元部件组成的。

图1．12是一个典型的自动控制系统的基本组成示意图，图中组成系统的各基本环节及其功能如下。

1．被控对象如前所述，被控对象是指对其莱个特定物理量进行控制的设备或过程出即为系统的输出员，即被控量，通常以c(r)(或y(f))表示。

2．阁量元件测量元件用于对输出量进行测量，并将其反馈至输入端。

如果输出量与输入量的物理单位不同，有时还要进行相应的量纲转换*例如，温度测量装置(热电偶)用于团量湿度并转换为电压(见固1．2)，测速发电机用于测量电动机轴转速井转换为电压(见田1．9)。

3．给定元件根据控制日的，给定元件将给定量转换为与期望输出相对应的系统治入量(通常以r(‘)表示)，作为系统的控制依据。

例如，图1．9中，给定电压M2的电位器即为给定元件。

4．比较元件比较元件对输入量与测量元件测得的输出量进行比较，并产生偏差信号中的电压比较电路。

通常，比较元件输出的偏差信号以‘(2)表示。

5．放大元件放大元件是特比较元件结出的(檄弱的)偏差信号进行放大(必要时还要进行物理量的转换)。

例如，图1．9中的ATMEL代理放大器和晶闸管整流装置等。

6．执行元件执行元件的功能是，根据放大元件放大后的偏差信号，推动执行元件去控制被控对象，使其被控量按照设定的要求变化。

通常，电动机、液压马达等都可作为执行元件。

7．校正元件校正元件又称补偿元件，用于改善系统的性能，通常以串联或反馈的方式连接在系统中。

在图1．12中，作用信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称为前向通路；系统治出量经测旦元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路；前向通路和主反馈通路构成的回路称为主反馈回路，简称主回路。

除此之外，还有局部反馈通路以及局部反馈回路等*将只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，将包含两个或两个以上反馈通路的系统称为多回路系统。

自动控制系统分类
自动控制系统分类◆对各种各样控制系统进行分类，从不同的观点出发可以有不同的分类方法：通常按下列方法进行划分。

 一、线性控制系统和非线性控制系统
 若组成控制系统的元件都具有线性特性，则称这种系统为线性控制系统。

这种系统的输入与输出间的关系，一般用微分方程,传递函数来描述，也可以用状态空间表达式来表示。

线性系统的主要特点是具有齐次性和适用叠加原理。

如果线性系统中的参数不随时间而变化，则称为线性定常系统；反之，则称为线性时变系统。

本书主要讨论线性定常系统。

 在控制系统中，至少要一个元件具有非线性特性，则称该系统为非线性控制系统。

非线性系统一般不具有齐次性，也不适用叠加原理，而且它的输出响应和稳定性与其初始态有很大关系。

 严格地说，绝对的线性控制系统(或元件)是不存在的，因为所用的物理系统和元件在不同的程度上都具有非线性特性。

为了简化对系统的分析和设计，在一定的条件下，可以用分析线性系统的理论和方法对它进行研究。

 工程上有时为了改善控制系统的性能，常常人为地引入某种非线性元件。

例如为了实现最短时间控制,采用开关型(Bang-Bang)的控制方式；又如在由晶闸管组成的整流装置的直流调速系统中，为了改善系统的动态特性和限制电动机的最大电流，人们有意识地把速度调节器和电流调节器设计成具有饱和非线性的特性。

 二、恒值控制系统和随动系统
 恒值控制系统的参考输入为常量，要求它的被控制量在任何扰动的作用下能尽快地恢复(或接近)到原有的稳态值。

由于这类系统能自动地消除各种扰动对。