第1章 控制系统的基本概念
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第01章 自动控制系统基本概念
11
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）……
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)
第一章控制系统的基本概念
图1.5 闭环控制系统的组成
1．给定元件 主要用于产生给定信号或输入信号。例如，图1.2中电位计 里的可变电阻。 2．反馈元件 它测量被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便 于传输，主反馈信号多为电信号。因此，反馈元件通常是一些用 电量来测量非电量的元件。 必须指出，在机械、液压、气动、机电、电机等系统中存在 着内在反馈。这是一种没有专设反馈元件的信息反馈，是系统内 部各参数相互作用而产生的反馈信息流，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。内在反馈回路由系统动力学特性确定，它所 构成的闭环系统是一个动力学系统。 3．比较元件 用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差 值的偏差信号。例如，图1.2中的电位计。
准确地复现控制信号
的变化规律（此即伺
服的含义）。控制指
令可以由操作者根据
需要随时发出，也可
以由目标物或相应的 测量装置发出。
图1.7 液压仿形车床工作原理图
图1.7所示为液压仿形车床工作原理图。当阀心8处于图示中 间位置时，没有压力油进入液压缸前后两腔，液压缸不动。当阀 心偏离中位，例如向前伸出时，节流口2、4保持关闭，节流口1、 3打开，压力油经节流口3进入液压缸前腔，而其后腔的油液经 节流口1流回油箱，缸体带动刀具向前运动；同样，当阀心偏离 中位向后收缩时，节流口1、3关闭，2、4打开，压力油经节流 口2进入液压缸后腔，而缸前腔的油液则经节流口4流回油箱， 缸体带动刀具向后运动。图中，液压缸缸体和控制阀阀体连成一 体，形成液压缸运动的负反馈，使液压缸缸体与阀心的运动距离 和方向始终保持一致，所以液压缸缸体（刀具）完全跟随阀心 （触销8）运动。因此，这是一个随动（伺服）系统。
若参数配置不当，很容易引起振荡， 由11台小型电动机驱动
1．给定元件 主要用于产生给定信号或输入信号。例如，图1.2中电位计 里的可变电阻。 2．反馈元件 它测量被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便 于传输，主反馈信号多为电信号。因此，反馈元件通常是一些用 电量来测量非电量的元件。 必须指出，在机械、液压、气动、机电、电机等系统中存在 着内在反馈。这是一种没有专设反馈元件的信息反馈，是系统内 部各参数相互作用而产生的反馈信息流，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。内在反馈回路由系统动力学特性确定，它所 构成的闭环系统是一个动力学系统。 3．比较元件 用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差 值的偏差信号。例如，图1.2中的电位计。
准确地复现控制信号
的变化规律（此即伺
服的含义）。控制指
令可以由操作者根据
需要随时发出，也可
以由目标物或相应的 测量装置发出。
图1.7 液压仿形车床工作原理图
图1.7所示为液压仿形车床工作原理图。当阀心8处于图示中 间位置时，没有压力油进入液压缸前后两腔，液压缸不动。当阀 心偏离中位，例如向前伸出时，节流口2、4保持关闭，节流口1、 3打开，压力油经节流口3进入液压缸前腔，而其后腔的油液经 节流口1流回油箱，缸体带动刀具向前运动；同样，当阀心偏离 中位向后收缩时，节流口1、3关闭，2、4打开，压力油经节流 口2进入液压缸后腔，而缸前腔的油液则经节流口4流回油箱， 缸体带动刀具向后运动。图中，液压缸缸体和控制阀阀体连成一 体，形成液压缸运动的负反馈，使液压缸缸体与阀心的运动距离 和方向始终保持一致，所以液压缸缸体（刀具）完全跟随阀心 （触销8）运动。因此，这是一个随动（伺服）系统。
若参数配置不当，很容易引起振荡， 由11台小型电动机驱动
工程控制原理 章云
工程控制原理- 章云
一、控制系统的基本概念
1.1 控制系统的定义与分类
1.2 控制系统的发展历程与重要性
二、控制系统的数学模型
2.1 线性微分方程
2.2 传递函数与方块图
2.3 状态空间模型
三、控制系统的时域分析
3.1 稳定性分析
3.2 动态响应分析
3.3 稳态误差分析
四、控制系统的频域分析
4.1 频率特性
4.2 Nyquist图与Bode图
4.3 稳定性分析
4.4 性能指标估算
五、控制系统的稳定性分析
5.1 稳定性定义与条件
5.2 稳定性判据
5.3 不稳定性的影响与处理方法
六、控制系统的误差分析
6.1 误差定义与分类
6.2 误差传递与控制精度分析6.3 减小误差的方法与途径
七、控制系统的优化设计
7.1 最优控制问题概述
7.2 线性二次型最优控制问题7.3 极小值原理及其应用
7.4 动态规划及其应用
八、控制系统的工程实现
8.1 控制系统的硬件实现8.2 控制系统的软件实现8.3 控制系统的调试与维护。
1 控制系统的基本概念解析
系统稳定性的数学含义是指系统去掉扰动时的动态过程，即当方程
xo (t ) 是否收敛。 右边 为零时（即齐次方程），
d n xo (t ) d ( n1) xo (t ) dxo (t ) an a a a0 xo (t ) 0 n 1 1 n n 1 dt dt dt
HG/T 20505-2000 《过程测量与控制仪表的功 能标志及图形符号》适用于化工自控专业的初步 设计/基础设计、工程设计/施工图设计中仪表位号 编制，监控系统原理图等设计工作。
（一）仪表位号
工艺管道及仪表流程图中每个系统、每台仪表都
有一个唯一的标识，这个标识叫作位号。
仪表位号由仪表功能标志与仪表回路编号两部
操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置。
2018/10/5 19
4、自动控制系统
作用：利用一些自动控制仪表及装置，对生
产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节，
使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，
能够自动地重新回复到规定的范围之内，从
而保证生产的正常进行。
2018/10/5 20
二、过程装备控制的任务和要求
i 1
i t
e it ( Ai cosi t Bi sin i t )
i 1
x o (t ) 0 ， 只有当实数根λ i，复数根的实部 σi 为负值时，有 lim t
系统稳定。否则系统是不稳定的。
控制系统稳定的充要条件
线性系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根均 具有负实部；或者说，闭环传递函数的极点均位于s平面的左
PID
2018/10/5 42
§1-4 控制系统的分类
按给定值的 不同特点
定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统 闭环控制系统 开环控制系统
xo (t ) 是否收敛。 右边 为零时（即齐次方程），
d n xo (t ) d ( n1) xo (t ) dxo (t ) an a a a0 xo (t ) 0 n 1 1 n n 1 dt dt dt
HG/T 20505-2000 《过程测量与控制仪表的功 能标志及图形符号》适用于化工自控专业的初步 设计/基础设计、工程设计/施工图设计中仪表位号 编制，监控系统原理图等设计工作。
（一）仪表位号
工艺管道及仪表流程图中每个系统、每台仪表都
有一个唯一的标识，这个标识叫作位号。
仪表位号由仪表功能标志与仪表回路编号两部
操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置。
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4、自动控制系统
作用：利用一些自动控制仪表及装置，对生
产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节，
使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，
能够自动地重新回复到规定的范围之内，从
而保证生产的正常进行。
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二、过程装备控制的任务和要求
i 1
i t
e it ( Ai cosi t Bi sin i t )
i 1
x o (t ) 0 ， 只有当实数根λ i，复数根的实部 σi 为负值时，有 lim t
系统稳定。否则系统是不稳定的。
控制系统稳定的充要条件
线性系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根均 具有负实部；或者说，闭环传递函数的极点均位于s平面的左
PID
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§1-4 控制系统的分类
按给定值的 不同特点
定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统 闭环控制系统 开环控制系统
过程控制技术-第一章过程控制系统的基本概念
1 过程控制系统的基本概念
过程控制系统有多种分类方法，每一种 分类方法都是反映了控制系统某一方面的 特点。为了便于分析反馈控制系统的特性， 我们将按设定值的形式不同，分为三种类 型。
定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统
1 过程控制系统的基本概念
过程控制系统的方块图及其号联系，常用方块 图来表示，如图１-２所示。
1 过程控制系统的基本概念
若系统的输出信号对控制作用没有影响，则称 作开环控制系统，即系统的输出信号不反馈到 输入端，不形成信号传递的闭合环路，如图１３所示。
1 过程控制系统的基本概念
由于闭环控制系统采用了负反馈，因而使 系统的输出信号受外来扰动和内部参数变化小， 具有一定的抑制扰动提高控制精度的特点。开 环控制系统结构简单容易构成，稳定性不是重 要问题，而对闭环控制系统稳定性始终是一个 重要问题。
1 过程控制系统的基本概念
当锅炉汽包水位控制系统处于平衡状态即 静态时，扰动作用为零，设定值不变，系统中 控制器的输出和控制阀的输出都暂不改变，这 时被控变量汽包水位也就不变。一旦设定值有 了改变或扰动作用于系统，系统平衡被破坏， 被控变量开始偏离设定值，此时控制器、控制 阀将相应动作，改变操纵变量给水量的大小， 使被控变量汽包水位回到设定值，恢复平衡状 态。
过程控制系统的组成及其分类 自动控制是在人工控制的基础上发展起来
的。下面先通过一个示例， 将人工控制与过程 控制进行对比分析，看过程控制系统是由哪些 部分组成的。
1 过程控制系统的基本概念
➢ 通过上述示例的对比 分析知道，一般过程 控制系统是由被控对 象和自动控制装置两 大部分或由被控对象、 测量变送器、控制器、 控制阀四个基本环节 所组成。
这里“过程”是指在生产装置或设备 中进行的物质和能量的相互作用和转换过 程。
孙炳达版 《自动控制原理》第1章 自动控制系统的基本概念-1
1.1 自动控制的基本方式
3、复合控制方式 开环控制+闭环控制 两种结构：按输入信号补偿 按扰动信号补偿
1.1 自动控制的基本方式
4、控制方式比较 (1) 从系统组成结构看，开环控制方式简单，复 合控制方式复杂，闭环控制方式介于两者间； (2) 从性能看，开环控制方式较差，闭环控制方 式较好；复合控制方式最好；
+ 5 ΔU -5 功 率 放 大 器
1.1 自动控制的基本方式
方法一：人工控制 眼（观察） 脑（判断） 手（操作） 目的：减少或消除Δh
1.1 自动控制的基本方式
方法二：自动控制 受控对象：水池； 输出量：实际水位（h实）； 输入量：要求水位（h要）； 浮子——检测装置； 控制电源——检测Δh，转变为电信号； 电动机——执行机构； 干扰输入量：对系统输出起反作用的输入量， 例如功率放大器信号的飘移。
开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统 输出量即电动机转速并转换为电压。 反馈电压与给定电压比较 (相减)后，产生一偏差电压， 经电压和功率放大器放大后去控制电动机的转速。 当系统处于稳定运行状态时，电动机就以电位器滑动 端给出的电压值所对应的希望转速运行。 当系统受到某种干扰时(例如负载变大)，电动机的转速 会发生变化(下降)，测速反馈电压跟着变化(变小)，由于 给定电压值未变，偏差电压值发生变化(变大)，经放大后 使电动机电枢电压变化(提高)，从而电动机转速也变化(上 升)，以减小或消除由于干扰引起的转速偏差。
1.1 自动控制的基本方式
基本名词：
1 控制器：实现控制功能的装置； 2 被控对象：被控制的设备或机械； 3 被控量（输出量）：被控对象内要求自动控 制的物理量； 4 输入量：影响系统输出量的外界输入，包括 给定输入量和扰动输入量。
过程控制第1章_绪论
36
§1-3 方块图与流程图
反馈： 闭环控制系统中，输出变量（或信号）沿着回路中的 信号流动方向总会返回到系统的输入端，与给定值进 行比较。这种把系统（或方块）的输出信号引回到系 统输入端的做法叫做反馈。
若反馈信号（被控变量测量值z）与给定值信号的方 向相反，即反馈信号z 取负值，则叫做负反馈。 测量信号与给定值信号方向相同，则叫做正反馈。 闭环控制系统是靠负反馈来达到控制的目的。 例：储槽液位控制系统；炉温控制系统
1
一、生产过程及其特点 连续生产过程主要有以下几种形式： 1 ．传热过程 通过冷热物流之间的热量传递，达到控制介质温 度、改变介质相态或回收热量的目的。典型设备：换 热器 2 ．燃烧过程 通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程提供动力 和热源。典型设备：加热炉
2
一、生产过程及其特点 3 ．化学过程 由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的 产品的反应过程。典型设备：反应器
按被控变量的名称分类 温度，压力，流量，液位，成分等控制系统
按被控变量的数量分类 单变量控制系统，多变量控制系统
按控制器的控制规律分类 比例P控制系统，比例积分PI控制系统，比例微积分PID 控制系统 按控制系统的结构分类 反馈控制系统，前馈控制系统，前馈-反馈控制系统，
21
二、过程控制系统的分类
41
§1-3 方块图与流程图
图1-7 液体贮槽的工艺控制流程图
图中所示，工艺控制流程图主要是由工艺设备、 管道、元件以及构成控制系统的仪表符号及信号线等 图形符号组成。
42
§1-3 方块图与流程图 仪表图形符号： 仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所 处理的被测变量和功能，还可以表示仪表或元件 的名称。 仪表图形符号是直径为12mm的细实圆圈， 并在其中标有仪表位号。 仪表位号由字母代号和数字编号组成，如下例所示：
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。
第1章 自动控制系统的基本概念
第1章 自动控制系统的基本概念1－1 水位控制装置如图1-12所示。
试分析它的控制原理，指出它是开环控制还是闭环控制系统？说出它的被控量及扰动输入量是什么？绘制出其系统框图。
在该液位控制系统中，水箱的进水量来自进水阀门，出水量由用户阀门确定。
该系统能在用户用水量随意变化的情况下，保持水箱水位在希望的高度上不变。
工作原理：当水箱水位低于设定值H 2时，浮子下移，通过杠杆使阀门开合度增大，从而加大进水量，使水箱水位提高；反之，当水箱水位高于设定值H 2时，浮子上移，通过杠杆使阀门开合度减小，从而减小进水量，使水箱水位降低。
最终调节液位在一个相对稳定的高度。
控制任务：保持水位H 1在设定值；被控制量：实际水位H 1；扰动量：出水量；被控对象：水箱；测量元件：浮子；执行元件：进水阀门。
根据上析分析，给出系统的原理方框图如图1-13所示。
1－2某生产机械的恒速控制系统原理图如图1-14所示。
系统中除了速度反馈外，还设置了电流正反馈以补偿负载变化的影响。
试标出速度负反馈、电流正反馈的信号的正、负号并画出框图。
被控对象：电动机；被控量：电动机转速n ；给定量：电位器的电压u 1；扰动量：负载力矩的变化。
工作原理：电位器电压u 1与转速设定值相对应。
当转速n 低于设定值时，测速发电机输出电压u 2减小，电压偏差信号 增大，电压放大器1的输出电压提高，经功率放大器放大后加到电机电枢两端电压u 4提高，从而使电动机的转速提高。
另一方面，当负载转矩增大时，电枢回路中的电流增大，电压放大器2的输出电压u 3增大，经功率放大器后加到电机上的电压u 4也提高，起到了扰动补偿作用。
由此可见，当转速低于设定值时，可通过反馈回路和扰动补偿两方面的共同作用使转速提高，从而达到了复合控制转速的目的。
反之亦然。
根据题意，可得系统原理方框图如图1-15所示。
21u u u -=∆1-3图1-16所示为一温度控制系统的原理图。
指出系统的输入量、被控量和控制原理，并画出系统框图。
自动控制原理各章知识精选全文完整版
⑴ 偏差、误差的概念
(s), (t) E(s), e(t) cdesired (t) c(t)
E(s) 1 (s)
H
G (s)
1
H
H
⑵ e(t) ets (t) ess (t)
暂态 稳态
单位负反馈系统开环传函
r(t)
1 2
t2
时稳态误差
Ts 1 E(s) Ts 1 s3
e(t)
T
2. 运动方程式
确定输入量、输出量 列写各元件运动方程 消除中间变量 化为标准形式
RL
u1
C u2
Fi
K
m
f
y
L
C
u1
u2
R
R1
u1
C
R2 u2
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
u1
m
d2y dt 2
f
dy dt
Ky
Fi
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
RC
du1 dt
tg1 1 2 cos1
p e 1 2 100 %
d. c(t) c() c() t ts
2%或5%
4 ts n
2%
3 ts n
5%
d. N : 振荡次数
N ts Td
Td
2 d
d n 1 2
tr , t p 评价响应速度
p , N 评价阻尼程度
ts
以分析，并将分析结果应用于工程系统的综合和自然界 系统的改善。 自动控制
毋需人直接参与，而是被控制量自动的按预定规律变 化的控制过程。
4. 开环控制、闭环控制、反馈控制原理
(s), (t) E(s), e(t) cdesired (t) c(t)
E(s) 1 (s)
H
G (s)
1
H
H
⑵ e(t) ets (t) ess (t)
暂态 稳态
单位负反馈系统开环传函
r(t)
1 2
t2
时稳态误差
Ts 1 E(s) Ts 1 s3
e(t)
T
2. 运动方程式
确定输入量、输出量 列写各元件运动方程 消除中间变量 化为标准形式
RL
u1
C u2
Fi
K
m
f
y
L
C
u1
u2
R
R1
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C
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LC
d 2u2 dt 2
RC
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Ky
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LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
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du1 dt
tg1 1 2 cos1
p e 1 2 100 %
d. c(t) c() c() t ts
2%或5%
4 ts n
2%
3 ts n
5%
d. N : 振荡次数
N ts Td
Td
2 d
d n 1 2
tr , t p 评价响应速度
p , N 评价阻尼程度
ts
以分析，并将分析结果应用于工程系统的综合和自然界 系统的改善。 自动控制
毋需人直接参与，而是被控制量自动的按预定规律变 化的控制过程。
4. 开环控制、闭环控制、反馈控制原理
计算机控制系统知识点
（一）基本概念第一章1、什么是计算机控制系统？与传统的控制系统相比，计算机控制系统的优点是什么？答：计算机控制系统：用计算机代替常规控制系统中的模拟控制器对系统进行控制的系统。
优点：具有精度高速度快、存储容量大和逻辑判断功能，看完实现高级复杂的控制方法，获得快速静谧的控制效果。
2、简述计算机控制系统的硬件组成和各自的功能。
答：计算机控制系统的硬件一般由主机、接口和输入/输出通道、通用外部设备、执行机构、检测元件、仪表、操作台等部分组成。
主机：采用一台或多台计算机，通过接口和I/O口通道，接收检测设备传来的信息并向控制系统的各个部件发出命令，同时计算机对系统的各个参数进行巡回检测、数据处理、控制计算、分析报警、逻辑判断等。
接口与I/O通道：主机与被控对象之间进行信息交换的纽带。
通用外部设备：扩大计算机的功能，是计算机系统与操作人员的交互界面，用来完成信息的记录、存储、显示、打印、传送。
检测元件、仪表、执行机构：检测元件和仪表用来测量生产对象的某些参数，并将非电量的被测参数转换为电量表示；执行机构接受CPU的命令使被控对象完成规定的控制动作。
操作台：用来实现人机之间的交互功能。
3、计算机控制系统应当有哪些主要特征？答：1.实时性 2.良好的输入/输出能力 3.标准化和系列化 4.模块化的系统结构 5.可靠性（平均无故障时间、抗干扰能力强、具有定时自动启动功能和硬件自检功能）4、计算机控制系统大致可分为哪几类？简述各类计算机控制系统的结构和特点。
答：计算机控制系统大致可分为以下五类：1）数据采集系统（DAS，Data Acquision System）2）直接数字控制系统（DDC，Direct Digital Control）3）计算机监督系统（SCC，Supervisory Computer Control）4）分布式控制系统（DCS，Distributed Control System）5）现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）1）数据采集系统简称：DAS计算机只对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理，并将处理后的数据输出。
自动控制原理总经典总结
自动控制原理总经典总结《自动控制原理》总复习控制线性非线连续离散描述函相平面建模－时域法串联(频率法)建模－求稳定性负倒描述函数曲线自振点振幅、频绘制相求奇点和极限环求运动校正第一章 自动控制的基本概念一、学习要点1. 自动控制基本术语：自动控制、系统、自动控制系统、被控量、输入量、干扰量、受控对象、控制器、反馈、负反馈控制原理等。
2. 控制系统的基本方式：①开环控制系统；②闭环控制系统；③复合控制系统。
3. 自动控制系统的组成：由受控对象和控制器组成。
4. 自动控制系统的类型：从不同的角度可以有不同的分法，常有：恒值系统与随动系统；线性系统与非线性系统；连续系统与离散系统；定常系统与时变系统等。
5. 对自动控制系统的基本要求：稳、快、准。
6. 典型输入信号：脉冲、阶跃、斜坡、抛物线、正弦。
二、基本要求1. 对反馈控制系统的基本控制和方法有一个全面的、整体的了解。
2. 掌握自动控制系统的基本概念、术语，了解自动控制系统的组成、分类，理解对自动控制系统稳、准、快三方面的基本要求。
3. 了解控制系统的典型输入信号。
4. 掌握由系统工作原理图画方框图的方法。
三、内容结构图自动控制的由系统工作原对控制系统常用术语、基本控反馈控制系控制系控制系四、知识结构图第二章 控制系统的数学模型一、学习要点1．数学模型的数学表达式形式（1）物理系统的微分方程描述；（2）数学工具—拉氏变换及反变换； （3）传递函数及典型环节的传递函数；（4）脉冲响应函数及应用。
2．数学模型的图形表示（1）结构图及其等效变换，梅逊公式的应用；（2）信号流图及梅逊公式的应用。
二、基本要求1、正确理解数学模型的特点，对系统的相似性、简化性、动态模型、静态模型、输入变 量、输出变量、中间变量等概念，要准确掌握。
2、了解动态微分方程建立的一般方法及小偏差线性化的方法。
3、掌握运用拉氏变换解微分方程的方法，并对解的结构、运动模态与特征根的关系、零输入 响应、零状态响应等概念有清楚的理解。
自动控制原理第一章绪论控制系统的一般概念
模糊控制 神经网络
智能控制理论
遗传算法
温度计
炉子 电热丝
调压器 220
自动控制
炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
u
ub
ur
电压 放大器
电动机
功率 +
放大器 _E
减速器 调压器
220
二.自动控制要解决的基本问题
自动控制是使一个或一些被控制 的物理量按照另一个物理量即控制量 的变化而变化或保持恒定，一般地说 如何使控制量按照给定量的变化规律 变化，就是一个控制系统要解决的基 本问题。
缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
适用场合：系统元件参数变化和扰动无法预计的场合。
§3 反馈控制系统的组成
校正元件：基于偏差信号按一定函数规律产生供执行元件执行的 控制命令对系统进行校正以改善系统的动态和静态性能
如：由放大器、电阻、电容组成的具有预定传递函数的电路。 执行元件：也称执行器。用来执行校正元件产生的控制命令，以便
• 闭环控制(closed-loop control)
闭环控制工作原理： 外部作用：
给定量：使 c跟踪r 干扰量：使 c偏离r
控制目的：排除干扰因素、影响、使被控量随给定量变化。
1)、有反馈，能够成闭回路 是按偏差控制的、
2)、偏差信号起控制作用
具有负反馈的闭环系统
优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修 正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精 度高。
• 被控变量：简称被控量，指被控对象输出需按控制要 求变化的物理量，在单输出系统中，也就是系统得输 出量。
• 控制通道：控制变量通过被控对象（被控过程）到控 制系统输出的通道。
第一章 自动控制系统基本概念(化工工艺)
Qi
眼 看 脑 想 手 动
Qo
一.自动控制系统的基本组成
Qi
眼 看 脑 想 手 动
Qo
人工操作进行工作的三个方面: (1).检测:用眼睛看液位的高低。 (2).运算、命令:大脑根据眼睛看到液位的高低,加以思考 和比较得出偏差,发出命令。 (3).执行:根据大脑发出命令,改变阀门开度,以改变出口流 量Qo,保持液位的高低在规定位置。
四、现代自动化技术特点
• 已发展为综合自动化,其应用的领域和规模越来越大, 控制与管理一体化的系统已提到日程,因此,其社会、 经济效益也越来越大。 • 显示了知识密集化、 高技术集成化的特点,它是信息技 术、自动化技术、管理科学等相结合的现代高技术。 • 自动化过程中的智能化程度日益增加,各种智能仪表不 断出现,控制的精度越来越高,控制的方式日益多样化, 它不仅减轻和代替了人们的体力劳动,而且也在很大程 度上代替了人们的脑力劳动。
自动控制系统方框图
自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统
反馈:把系统的输出信号直接或经过一些环节后送回到系 统的输入端,并加入到输入信号中的作法。 负反馈:反馈信号使原来的输入信号减弱(e=x-z)。 正反馈:反馈信号使原来的输入信号增强(e=x+z)。 负反馈系统
给定值 偏差
↓
控制器
x
z ↑
e
测量值
第一节 生产自动化的主要内容
生产自动化,一般包括自动检测、自动保护、自动操纵、 自动控制系统。 1.自动检测系统 ׃利用各种检测仪表对生产过程的主要 工艺参数(如温度、流量等)进行测量、指示或记录的。
压力 流量 温度
第一节 生产自动化的主要内容
2.自动信号和联锁保护系统(自动保护) 当生产过程出现危险时,自动信号系统发出声、光等报警 信号,自动联锁保护系统立即作出反应,通过改变阀门的开 启度或切断某些通路,或进行紧急停车,以防止事故的发生 或扩大。它是生产过程中的一种安全装置。 3.自动操纵及自动开停车系统(自动操纵) 自动操纵系统:按照预先规定的步骤自动地对生产设备进 行某种周期性的操作。可减轻工人的重复性体力劳动。 自动开停车系统:按照预先规定的步骤自动地将生产过程 投入运行或自动停车。
眼 看 脑 想 手 动
Qo
一.自动控制系统的基本组成
Qi
眼 看 脑 想 手 动
Qo
人工操作进行工作的三个方面: (1).检测:用眼睛看液位的高低。 (2).运算、命令:大脑根据眼睛看到液位的高低,加以思考 和比较得出偏差,发出命令。 (3).执行:根据大脑发出命令,改变阀门开度,以改变出口流 量Qo,保持液位的高低在规定位置。
四、现代自动化技术特点
• 已发展为综合自动化,其应用的领域和规模越来越大, 控制与管理一体化的系统已提到日程,因此,其社会、 经济效益也越来越大。 • 显示了知识密集化、 高技术集成化的特点,它是信息技 术、自动化技术、管理科学等相结合的现代高技术。 • 自动化过程中的智能化程度日益增加,各种智能仪表不 断出现,控制的精度越来越高,控制的方式日益多样化, 它不仅减轻和代替了人们的体力劳动,而且也在很大程 度上代替了人们的脑力劳动。
自动控制系统方框图
自动控制系统是一个具有负反馈的闭环系统
反馈:把系统的输出信号直接或经过一些环节后送回到系 统的输入端,并加入到输入信号中的作法。 负反馈:反馈信号使原来的输入信号减弱(e=x-z)。 正反馈:反馈信号使原来的输入信号增强(e=x+z)。 负反馈系统
给定值 偏差
↓
控制器
x
z ↑
e
测量值
第一节 生产自动化的主要内容
生产自动化,一般包括自动检测、自动保护、自动操纵、 自动控制系统。 1.自动检测系统 ׃利用各种检测仪表对生产过程的主要 工艺参数(如温度、流量等)进行测量、指示或记录的。
压力 流量 温度
第一节 生产自动化的主要内容
2.自动信号和联锁保护系统(自动保护) 当生产过程出现危险时,自动信号系统发出声、光等报警 信号,自动联锁保护系统立即作出反应,通过改变阀门的开 启度或切断某些通路,或进行紧急停车,以防止事故的发生 或扩大。它是生产过程中的一种安全装置。 3.自动操纵及自动开停车系统(自动操纵) 自动操纵系统:按照预先规定的步骤自动地对生产设备进 行某种周期性的操作。可减轻工人的重复性体力劳动。 自动开停车系统:按照预先规定的步骤自动地将生产过程 投入运行或自动停车。
自动控制原理 第一章 自动控制系统的基本概念(2011-1)
现代控制理论
•以状态空间为基础； 研究多输入-多输出、 时变、非线性一类控 制系统的分析与设计 问题。 •具有高精度和高效能 的特点。
1.2 自动控制系统基本概念
自动控制 控制对象 控制量 给定 扰动 自动控制系统 反馈 反馈控制系统 随动系统 过程控制系统
○自动控制 在没有人直接参与的情况下，通过控制器 使被控对象的某些物理量自动地按照预定 规律进行。 控制器 控制对象 控制量
控制系统动态过程曲线
如上图，系统在外作用作用下，输出逐渐与期望值一 致，则系统稳定的，如曲线１所示； 反之，输出如曲线２所示，则系统是不稳定的。
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。 □形式 □快慢
◆快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明
系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝。如曲线２所示。
○随动系统 □ 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，
输出量是机械位移、速度或者加速度。
□ 随动系统这个术语，与位置（速度或加速度）控
制系统是同义语。
□ 在现代工业中，广泛采用着随动系统。
○过程控制
在工业生产过程中，对诸如压力、温度、湿度、流 量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制， 称为过程控制。
自动控制原理
Automatic Control Principle
Version 2011
中国矿业大学（北京）
自动控制原理
第一章 自动控制系统的基本概念
第一章 自动控制系统的基本概念
1.1 引言 1.2 自动控制系统的基本概念 1.3 闭环控制和开环控制 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的基本要求
◆稳和快反映了系统过渡过程的性能的好坏。既快又稳，表明
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“数控机床的开环控制系统”如下：
note: 开环系统的优点：结构简单，系统稳定性好，成本低； 开环系统的缺点：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。
滑动台面系统 （开环系统）
2.闭环控制系统
定义： 如果系统的输出端和输入端之间存在 反馈回路，输出量对控制过程产生直接影 响，这种系统称为闭环控制系统。
总结：人工控制过程就是 “检测偏差再纠正偏差 ”的过程
当然可以用一个控制器来代替人的职能，把人工控制变成 一个自动控制系统。
note: ∆u=u1-u2 当偏差信 号∆u=0时 电动机才 停转！！
综上所述，可以归纳控制系统的工作原理如下：
(1) 检测输出量的实际值； (2) 将实际值与给定值(输入量)进行比较得出偏差 值； (3) 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。
附加实例
实例1：
恒值控制系统、随动系统和程序（过程）控制系统的主要区别是什么？判 断下列系统属于哪一类系统？ 电饭煲、空调机、热水器、仿形加工机床、自动跟踪雷达、交流稳压器、 数控加工中心和啤酒生产自动线等。
[答]：1.恒值控制系统的特点：系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地
保持恒定； 随动系统的特点：系统的输入量是变化着的（甚至是随机的），并且要求系统 的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化； 程序(过程)控制系统的特点：生产过程中的各物理量按照程序指令作协调的调 整和变化。
3.半闭环控制系统
定义：如果控制系统的反馈信号不是直接
从系统的输出端引出，而是间接地取自中 间的测量元件（例如在数控机床的进给伺 服系统中，若将位置检测装置安装在传动 丝杠的端部，间接测量工作台的实际位 移），则这种系统称为半闭环控制系统。
1.1.3 闭环控制系统的组成
包括：给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、 执行元件及校正元件 。
第1章 控制系统的基本概念
1.0 绪论
时不变线性定常系统 研究内容 单输入、 单输出系统( SISO system) 拉普拉斯变换（拉氏变换） 经典控制理论 数学基础 有关复数、 微分方程的计算 数学（拉普拉斯变换／复数／微分方程） 自动控制理论 先导课程电工学（RLC／运算放大器／直流电机电枢回路等计算） 力学（“质量－弹簧－阻尼”系统） 时变非线性系统 研究内容 多输入、 多输出系统( MIMO system) 现代控制理论 矩阵 数学基础 状态方程
1.2 控制系统的基本类型
1.2.1 按输入量的特征分类 1.恒值控制系统 定义：系统的输入量是恒量，并且要求系统的输 出量相应地保持恒定。
[实例]空调机、交流稳压电源等就是恒值控制系统
2. 随动系统 定义：系统的输入量是变化着的（甚至是随机 的），并且要求系统的输出量能跟随输入量的 变化而作出相应的变化。
上图表示一个用于“机床切削加工”的程序控制系统 （上图：构成开环；下图：构成闭环）
1.2.2 按系统中传递信号的性质分类
1.连续控制系统
定义：系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统称 为连续控制系统。
note: ① 连续控制系统分为线性系统和非线性系统； ② 能用线性微分方程描述的系统称为线性系统， 不能用线性微分方程描述、存在着非线性部件的系统 称为非线性系统。
右 图 ： 为 一 随 动 系 统
液压缸缸体(刀具6)完全跟 随阀芯(触销8)运动_____ 随动系统
3.程序控制系统 定义：这种系统的输入量不为常值，但其变 化规律是预先知道和确定的。可以预先将 输入量的变化规律编成程序，由该程序发 出控制指令，在输入装置中再将控制指令 转换为控制信号，经过全系统的作用，使 控制对象按指令的要求而运动。
“恒温箱温度自动控制系统”的职能框图如下：
note:⊗代表比较元件；箭头代表作用方向；每个职 能框代表一个环节。
1.1.2 开环控制和闭环控制
1.开环控制系统
定义：如果系统只是根据输入量和干扰量 进 行控制，而输出端和输入端之间不存在反馈 回路，输出量在整个控制过程中对系统的控 制不产生任何影响，这样的系统称为开环控 制系统。
续
实例4：
续
第一章结束 作业：习题 1-1 1-2 1-4
thank you！！！
1948年
：维纳→《控制论》→形成了经典 控制理论； 1968年 ：麦克斯威尔→ 〖调速器原理〗 → “反馈控制理论”； 劳斯（1884年）、霍尔维茨（1895年） →代 数稳定判据； 1932年 ：Nyquist(奈奎斯特)→Nyquist 稳 定判据；
此后：Bode(波特)→负反馈放大器； 1948年：伊万斯→根轨迹法→充实《控制理论》； 二战后：控制理论(扩充)→民用、化工、炼油、冶 金中→使之发展！ 1954年 ：钱学森→《工程控制论》！ 50、60年代：→导弹制导、数控、空间技术→
⒞ 快速性： 快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差 时，消除这种偏差的快慢程度。
note: ⒜由于控制对象的具体情况不同，各种系统对稳定、精确、 快速这三方面的要求是各有侧重的： 例如，调速系统对 稳定性要求较严格，而随动系统则对快速性提出较高的要 求； ⒝即使对于同一个系统，稳、快、准也是相互制约的。提高 快速性，可能会引起强烈振荡；改善了稳定性，控制过程 又可能过于迟缓，甚至精度也会变差。
【答】★ 家用洗衣机为定时设定，无反馈环节；普通车床、多 速电风扇、调光台灯、自动报时电子钟等均为预先的设定控 制，并无反馈环节，它们都是开环控制； ★ 而电冰箱、空调器、电饭煲等都有测温元件和温度反 馈控制； ★ 高楼水箱、抽水马桶等都有水位检测和水位反馈控制， 因此，它们是闭环控制。
实例3：
1.1.1
工作原理
下面以恒温控制系统分析控制系统的控制工程
人工调节过程可归结如下：
(1)观测由测量元件(温度计)测出的恒温箱内的温度(被控制 量)； (2)与要求的温度值(给定值)进行比较，得出偏差的大小和 方向。
(3)根据偏差的大小和方向再进行控制。当恒温箱内温度高 于所要求的给定温度值时，调整调压器使电压减小，温度 降低。若温度低于给定的值，则调整调压器，使电压增加， 温度升到正常范围。
控制工程：是一门新型的科学技术，也是一门 边缘学科。它的理论基础是工程控制论； 历史：一千多年前〈铜壶滴漏计时器、指南针、天文 仪器〉(四大发明:火药/造纸术/指南针/印刷术)； 瓦特：(1788年)发明了蒸汽机飞轮调速器，充实了 “经典控制理论”； 战争：二次大战前 〈试凑法〉，二次大战期间 【由 于建造】〈飞机、自动驾驶仪、雷达跟踪系统、火炮 瞄准系统〉，从而推动了控制论的发展！
2.离散控制系统
定义：系统中某一处或数处的信号是脉冲序列或数字量 传递的系统称为离散控制系统(也称数字控制系统)。 note: 由计算机参与的控制系统肯定是离散控制系统
note:
连续控制系统和离散控制系统的信号形式
有较大差别，因此在分析方法上也有明显 的不同； 连续控制系统以微分方程来描述系统的运 动状态，并用拉氏变换法求解微分方程； 而离散系统则用差分方程来描述系统的运 动状态，用Z变换法引出脉冲传递函数来研 究系统的动态特性。
2.恒值控制系统:电饭煲、空调机、热水器、交流稳压器；
随动系统：仿形加工机床、自动跟踪雷达； 程序（过程）控制系统：数控加工中心和啤酒生产自动线。
实例2：
指出下列系统中，哪些属于开环控制？哪些属于闭环控制？ ①家用电冰箱；②家用空调器；③家用洗衣机；④抽水马桶； ⑤普通车床；⑥电饭煲；⑦多速电风扇；⑧高楼水箱；⑨调 光台灯；⑩自动报时电子钟。
说明：
给定元件：用于产生给定信号或输入信号； 反馈元件：测量被控制量或输出量； 比较元件：用来接收输入信号和反馈信号并进行 比较，产生反映两者差值的偏差信号； 放大元件：对偏差信号进行放大的元件； 执行元件：直接对控制对象进行操纵的元件； 校正元件：校正元件又称校正装置。串接在系统 前向通路上的称为串联校正装置，并接在反馈回 路上的称为并联校正装置。
1．3 对控制系统的基本要求
稳定、精确、快速
⒜ 稳定性： 稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平 衡状态的能力。 ⒝ 精确性： 控制系统的精确性即控制精度，一般以稳态误差来 衡量。所谓稳态误差是指以一定变化规律的输入 信号作用于系统后，当调整过程结束而趋于稳定 时，输出量的实际值与期望值之间的误差值。
电子计算机技术→形成了 “现代控制理论”！
【总之】对“现代控制理论”有突出贡献的科学 家
1892年(沙俄)：李稚普诺夫； 1956年(前苏联)：邦特略京(极大值理论)； 1957年(美国)
：贝尔曼(动态规划理论)； 1960年(美国) ：卡曼(卡曼滤波理论)。
1.1 控制系统的工作原理及其组成
note: ①.反馈控制系统必是闭环控制系统； ②.前述的恒温箱温度自动控制系统就是一 个闭环控制系统；
note:
③.闭环系统的优点：控制精度高，不管遇到什么
干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值，闭环 控制就会产生控制作用来减小这一偏差； 闭环系统的缺点：由于是靠偏差进行控制的，因此， 在整个控制过程中始终存在着偏差，由于元件的 惯性(如负载的惯性)，若参数配置不当，很容易 引起振荡，使系统不稳定，而无法工作。所以， 在闭环控制系统中精度和稳定性之间总存在着矛 盾，必须合理地解决。