1.5 对自动控制系统的基本要求

第一章自动控制原理的基本概念主要内容：自动控制的基本知识开环控制与闭环控制自动控制系统的分类及组成自动控制理论的发展§1.1 引言控制观念生产和科学实践中，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。

同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的状态。

例如：卫星运行轨道，导弹飞行轨道，加热炉出口温度，电机转速等控制控制：为了满足预期要求所进行的操作或调整的过程。

控制任务可由人工控制和自动控制来完成。

§ 1.2 自动控制的基本知识1.2.1 自动控制问题的提出一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。

当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。

当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。

所谓控制就是强制性地改变某些物理量(如上例中的进水量)，而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。

人工控制的例子。

这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。

1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件1. 自动控制的定义自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(或过程)的某些物理量(或状态)自动地按预先给定的规律去运行。

当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。

这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。

2. 自动控制的基本职能元件自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。

画出以上人工控制与动控制的功能方框图进行对照。

比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：测量元件与变送器（代替眼睛）自动控制器（代替大脑）执行元件（代替肌肉、手）这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。

下图是典型控制系统方框图。

机电控制工程基础第1次作业第1章一、简答1．什么是自动控制？是相对于人工控制而言的，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使生产过程或被控对象的某一物理量(输出量)准确地按照给定的规律(输入量)运行或变化。

2．控制系统的基本要求有哪些？控制系统的基本要求：稳定性、快速性和准确性(稳态精度)，即稳、快、准3．什么是自动控制系统？指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。

它一般由控制装置和被控制对象组成。

4．反馈控制系统是指什么反馈？反馈控制系统是负反馈5．什么是反馈？什么是正反馈？什么是负反馈？从系统(或元件)输出端取出信号，经过变换后加到系统(或元件)输入端，这就是反馈。

当它与输入信号符号相同，即反馈结果有利于加强输入信号的作用时叫正反馈。

反之，符号相反抵消输入信号作用时叫负反馈。

6．什么叫做反馈控制系统？从系统(或元件)输出端取出信号，经过变换后加到系统(或元件)输入端，这样的系统称为反馈控制系统7．控制系统按其结构可分为哪3类？开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统8．举例说明什么是随动系统。

如雷达自动跟踪系统，火炮自动瞄准系统，各种电信号笔记录仪等9．自动控制技术具有什么优点？⑴极大地提高了劳动生产率；⑵提高了产品的质量；⑶减轻了人们的劳动强度，使人们从繁重的劳动中解放出来，去从事更有效的劳动；⑷由于近代科学技术的发展，许多生产过程依靠人们的脑力和体力直接操作是难以实现的，还有许多生产过程因人的生理所限而不能由人工操作，如原子能生产，深水作业以及火箭或导弹的制导等等。

在这种情况下，自动控制更加显示出其巨大的作用。

10．对于一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加某一给定值时，输出量的暂态过程可能有几种情况？单调过程、衰减振荡过程、持续振荡过程、发散振荡过程二、判断1．自动控制中的基本的控制方式有开环控制、闭环控制和复合控制。

正确2．系统的动态性能指标主要有调节时间和超调量，稳态性能指标为稳态误差。

第一章自动控制的一般概念1.1 引言自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。

自动控制理论的任务是研究自动控制系统中变量的运动规律以及改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。

1.2 自动控制和自动控制系统的基本概念1.2.1自动控制问题的提出在许多工业生产过程或生产设备运行中，往往需要对某些物理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。

如图1-l所示是锅炉给水人工控制示意图。

人工调节是一个“检测偏差、纠正偏差”的过程。

可以用一整套自动控制仪表(自动调节器)来代替操作人员的作用。

图1-2所示是锅炉给水汽包水位自动控制示意图。

图1-2 汽包锅炉给水自动调节示意图1—过热器；2—汽包；3—省煤器；4—给水凋节阀；5—水位计任何一个控制系统，都包含着被控对象和控制器两个组成部分。

1.2.2 开环控制系统常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控制和复合控制。

系统的控制输入不受输出影响的控制系统称为开环控制系统。

图1-3所示的烘箱温度控制系统是一个开环控制系统。

烘箱是被控对象，烘箱的温度是被控量，也称为系统输出量。

开关设定位置为系统的给定量或输入量，电阻及加热元件可看成是调压器（控制器）。

该系统中只有输入量对输出量的单向控制作用，输出量对输入量没有任何影响和联系。

烘箱温度开环控制系统可用图1-4所示的方框图表示。

1.2.3 闭环控制系统在图1-3所示的烘箱温度开环控制系统中，加入一些装置，构成了如图1-5所示的烘箱温度闭环控制系统。

系统中，烘箱是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u (表征烘箱温度的希望值)。

系统方框图如图1-6所示。

通常，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。

《自动控制原理》教学大纲课程名称：《自动控制原理》课程编号：课程学时：60学时课程学分： 4开设年级：大二第二学期教研室：电气教研室负责人：xxx目录第一部分：说明 (1)第二部分：《自动控制原理》的基本内容 (1)第三部分：附录 (6)《自动控制原理》教学大纲第一部分说明本课程是自动化、轨道交通、电气工程及其自动化的专业基础课，是该专业学生必修的重要专业理论课程。

主要讲授：自动控制的基本概念，控制系统的数学模型，时域分析法，根轨迹法，线性系统的频率响应法，控制系统的校正，非线性系统，离散控制系统。

第二部分《自动控制原理》的基本内容第一章自动控制的基本概念【教学目标】了解基础知识。

【教学重难点】明确控制系统的任务、组成及自动控制的基本概念(被控对象，被控量，给定量，干扰量等)。

侧重讲述开环控制和闭环控制的基本原理和特点，闭环（反馈）控制是本章的重要概念。

通过示例，建立起系统的基本概念，初步掌握由系统工作原理图画出系统方块图的方法。

正确理解对控制系统稳、准、快的要求。

【教学方法】课堂讲授【教学时数】4课时【教学内容】1．1 引言1．2 自动控制的基本知识1．3 自动控制系统的基本控制方式1．4 自动控制系统的分类及基本组成1．5 对控制系统的要求和分析设计1．6自动控制理论的发展概况【考核目标】每章布置作业，作业量1-2小时，主要针对通过示例，建立起系统的基本概念，初步掌握由系统工作原理图画出系统方块图的方法。

第二章控制系统的数学模型【教学目标】熟练掌握传递函数的概念、定义、性质及局限性。

【教学重难点】熟练掌握用拉氏变换方法求解线性常微分方程的方法；熟练掌握利用结构图等效变换和梅逊公式求系统传递函数的方法。

【教学方法】课堂讲授+实验【教学时数】8课时【教学内容】2．1 引言2．2 系统微分方程的建立2．3 非线性数学模型线性化2．4 线性系统的传递函数2．6 典型环节及其传递函数2．7 系统的结构图2．8 信号流图及梅逊公式【考核目标】每章布置作业，作业量2-4小时，主要针对结构图的等效变换、梅逊公式。

1.5 对自动控制系统性能的基本要求
稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。

稳定性：对恒值系统要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。

对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。

稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。

稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。

快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。

稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。

准确性：用稳态误差来表示。

如果在参考书如信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。

显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。

由于被控对象具体情况的不同，各种系统对上述三方面性能
要求的侧重点也有所不同。

例如随动系统对快速性和稳态精度的要求较高，而恒值系统一般侧重于稳定性能和抗扰动的能力。

在同一个系统中，上述三方面的性能要求通常是相互制约的。

例如为了提高系统的动态响应的快速性和稳态精度，就需要增大系统的放大能力，而放大能力的增强，必然促使系统动态性能变差，甚至会使系统变为不稳定。

反之，若强调系统动态过程平稳性的要求，系统的放大倍数就应较小，从而导致系统稳态精度的降低和动态过程的缓慢。

由此可见，系统动态响应的快速性、高精度与动态稳定性之间是一对矛盾。

化工仪表及自动化总复习第一章自动控制系统基本概念一、基本要求1. 掌握自动控制系统的组成，了解各组成部分的作用以及相互影响和联系；2. 掌握自动控制系统中常用术语，了解方块图的意义及画法；3. 掌握管道及控制流程图上常用符号的意义；4. 了解控制系统的分类形式，掌握系统的动态特性和静态特性的意义；5. 掌握闭环控制系统在阶跃干扰作用下，过渡过程的形式和过渡过程的品质指标。

二、常用概念1. 化工自动化的主要内容:自动检测，自动保护，自动操纵，自动控制系统2. 自动控制系统的基本组成: 被控对象和自动化装置（测量元件与变送器、控制器、执行器）。

3. 被控对象：对其工艺参数进行控制的机器或设备4. 被控变量：生产过程需保持恒定的变量5. 操纵变量：具体实现控制作用的变量6. 干扰作用：在生产过程中引起被控变量偏离给定值的外来因素7. 设定值：被控变量的期望值，可固定也可以按程序变化8. 偏差：给定值与测量值之间的差值9. 闭环系统：系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统10.开环系统：系统的输出被反馈到输入端，执行器只根据输入信号进行控制的系统11. 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12. 反馈:把系统的输出直接或经过一些环节后送到输入端，并加入到输入信号中的方法13. 负反馈：反馈信号的作用方向与给定信号相反，即偏差信号为两者之差（e=x—z）14. 正反馈：反馈信号的作用方向与原来的信号相同，使信号增强（e=x+z）三、问答题1. 控制系统按被调参数的变化规律可分为哪几类？简述每种形式的基本含义。

答：定值控制系统：给定值为常数随动控制系统：给定值随机变化程序控制系统：给定值按一定时间程序变化2.在阶跃扰动作用下，控制系统的过渡过程有哪几种形式? 其中哪些形式能基本满足控制要求？答：1.非周期衰减过程2.衰减振荡过程3.等幅振荡过程4.分散振荡过程1,2能基本满足控制要求，但1进程缓慢，只用于系统不允许震振荡时3. 试述控制系统衰减振荡过程的品质指标及其含义。

化⼯仪表及⾃动化总复习及答案（吉珠专⽤）化⼯仪表及⾃动化总复习第⼀章⾃动控制系统基本概念⼀、基本要求1. 掌握⾃动控制系统的组成，了解各组成部分的作⽤以及相互影响和联系；2. 掌握⾃动控制系统中常⽤术语，了解⽅块图的意义及画法；3. 掌握管道及控制流程图上常⽤符号的意义；4. 了解控制系统的分类形式，掌握系统的动态特性和静态特性的意义；5. 掌握闭环控制系统在阶跃⼲扰作⽤下，过渡过程的形式和过渡过程的品质指标。

⼆、常⽤概念1. 化⼯⾃动化的主要内容:⾃动检测，⾃动保护，⾃动操纵，⾃动控制系统2. ⾃动控制系统的基本组成: 被控对象和⾃动化装置（测量元件与变送器、控制器、执⾏器）。

3. 被控对象：对其⼯艺参数进⾏控制的机器或设备4. 被控变量：⽣产过程需保持恒定的变量5. 操纵变量：具体实现控制作⽤的变量6. ⼲扰作⽤：在⽣产过程中引起被控变量偏离给定值的外来因素7. 设定值：被控变量的期望值，可固定也可以按程序变化8. 偏差：给定值与测量值之间的差值9. 闭环系统：系统的输出被反馈到输⼊端并与设定值进⾏⽐较的系统10.开环系统：系统的输出被反馈到输⼊端，执⾏器只根据输⼊信号进⾏控制的系统11. 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12. 反馈:把系统的输出直接或经过⼀些环节后送到输⼊端，并加⼊到输⼊信号中的⽅法13. 负反馈：反馈信号的作⽤⽅向与给定信号相反，即偏差信号为两者之差（e=x—z）14. 正反馈：反馈信号的作⽤⽅向与原来的信号相同，使信号增强（e=x+z）三、问答题1. 控制系统按被调参数的变化规律可分为哪⼏类？简述每种形式的基本含义。

答：定值控制系统：给定值为常数随动控制系统：给定值随机变化程序控制系统：给定值按⼀定时间程序变化2.在阶跃扰动作⽤下，控制系统的过渡过程有哪⼏种形式? 其中哪些形式能基本满⾜控制要求？答：1.⾮周期衰减过程2.衰减振荡过程3.等幅振荡过程4.分散振荡过程1,2能基本满⾜控制要求，但1进程缓慢，只⽤于系统不允许震振荡时3. 试述控制系统衰减振荡过程的品质指标及其含义。

1。

线性控制系统最重要的特性是可以应用原理，而非线性控制系统则不能。

2的偏差进行调节的控制系统。

3. 控制系统可分为控制系统、控制系统。

4. 控制系统、控制系统和控制系统. 5。

,其输入、输出关系常用差分方程来描述。

6。

控制系统可分为控制系统、控制系统。

7。

方程来描述。

8。

9。

.10 。

11. ，并且只适于零初始条件下的系统。

12。

,13。

14 。

的拉氏变换为 。

16．在单位斜坡输入信号作用下， 0 型系统的稳态误差 e = .17. I 型系统在单位阶跃输入下,。

18. 一阶系统的单位阶跃响应的表达是. 19和。

20。

.21．二阶衰减振荡系统的阻尼比ξ的范围为.ss22。

二阶系统的阻尼比ξ为23。

之间的偏差称为误差。

24.25. 分析稳态误差时，将系统分为 0 型系统、 I 型系统、 II 型系统…，这是按开环传递函数26。

最常用27为。

28. ,29。

用频率法研究控制系统时，采用的图示法。

30．积分环节的对数幅频特性曲线是一条直线，直线的斜率为dB／dec。

31．0 型系统对数幅频特性低频段渐近线的斜率为dB/dec,高度为 20lgKp.32. ω从 0 变化到+∞时，惯性环节的频率特性极坐标图在象限，形状为33。

G(s)=的环节称为环节.3435。

反馈控制系统开环对数幅频特性三频段的划分是以ω (截止频率) 附近的区段为中频段，c。

36.二阶系统的阻尼系数ξ时，为最佳阻尼系数。

这时系统的平稳性与快速性都较理想。

37. 如果系统受扰动后偏离了原工作状态,扰动消失后，系统能自动恢复到原来的工作状态,这样的系统是.38. ，即系统39。

当且仅当闭环控制系统特征方程的所有根的实部都是时，系统是稳定的.40。

函数 te-at 的拉氏变换为。

1．一阶系统 G(s) =的时间常数 T 越小,则系统的输出响应达到稳态值的时间[ B ]A．越长 BC．不变 D．不定2。

传递函数反映了系统的动态性能，它与下列哪项因素有关？[ C ]A.输入信号B.初始条件C D.输入信号和初始条件3．惯性环节的相频特性，当时，其相位移为 [ C ]A．—270°B．—180°C D．0°4．设积分环节的传递函数为 G (s)=,则其频率特性幅值]A.B.C.D.5. 有一线性系统，其输入分别为 u (t) 和 u (t) 时，输出分别为 y (t)和 y (t)。

《自动控制原理》课程教案前言一、重要性1、自动控制原理是自动化专业主干课程，是最重要的专业基础课，该课程涉及到电路、电机拖动、电子技术等方面的知识，为学好专业课打下良好的基础。

2、自动控制原理课不仅是高校控制类专业必修课程，而且越来越多的非控制专业也列入必修课，也各高校研究生入学考试的课程。

3、自动化的核心是控制技术，控制技术的的基础是控制理论，没有先进的控制理论就没有先进的控制技术。

二、本课主要内容自动控制系统的基本概念、控制系统的数学模型建立、介绍线性系统的时域分析、根轨迹分析、频域分析三大分析设计方法，并介绍校正的相关概念与系统校正的设计方法。

三、如何学好该课程要学好这门课程主要把握几个环节：1、知识的连续性，一环扣一环，及时消化理解；2、要掌握好电路、电机拖动及模拟电子技术方面的知识；3、加强作业练习，作好课堂笔记；4、利用好答疑时间，发现问题及时解决；5、加强实践环节，上好实验课。

四、参考书1、卢京潮编著，自动控制原理，西北工业大学出版社，2004年9月2、蒋大明等编著，自动控制原理，清华大学出版社，2003年3月3、谢克明等编著，自动控制原理，电子工业出版社，2004年4月4、杨自厚编著，自动控制原理，冶金工业出版社，2002年5月卢京潮编著：主要特点：（1）内容较丰富；（2）有系统仿真分析；（3）第一章有相关新知识。

蒋大明等编著：主要特点：（1）系统实例较多，具有一定的实用性。

（2）主要参考第二章和第五章内容。

杨自厚编著主要特点：（1）系统设计方面讲述全面、系统。

（3）主要参考第三章、第五章和第六章内容。

五、学时分配（80学时）六、本课程自学内容1、动态误差系数（2学时）提纲：广义误差系数：动态位置误差系数、动态速度误差系数、动态加速度误差系数等。

要求：能求系统的动态误差。

所需知识：传递函数、稳态误差2、高阶系统（2学时）提纲：（1）高阶系统的单位阶跃响应。

（2）高阶系统的动态性能估算。