复合控制系统.

第三章例3-1 系统的结构图如图3-1所示。

已知传递函数 )12.0/(10)(+=s s G 。

今欲采用加负反馈的办法，将过渡过程时间t s减小为原来的0.1倍，并保证总放大系数不变。

试确定参数K h 和K 0的数值。

解 首先求出系统的传递函数φ（s ），并整理为标准式，然后与指标、参数的条件对照。

一阶系统的过渡过程时间t s 与其时间常数成正比。

根据要求，总传递函数应为)110/2.0(10)(+=s s φ即HH K s K s G K s G K s R s C 1012.010)(1)()()(00++=+= )()11012.0(101100s s K K K HHφ=+++=比较系数得⎪⎩⎪⎨⎧=+=+1010110101100H HK K K 解之得9.0=H K 、100=K解毕。

例3-10 某系统在输入信号r (t )=(1+t )1(t )作用下，测得输出响应为：t e t t c 109.0)9.0()(--+= （t ≥0）已知初始条件为零，试求系统的传递函数)(s φ。

解 因为22111)(ss s s s R +=+=)10()1(10109.09.01)]([)(22++=+-+==s s s s s s t c L s C 故系统传递函数为11.01)()()(+==s s R s C s φ 解毕。

例3-3 设控制系统如图3-2所示。

试分析参数b 的取值对系统阶跃响应动态性能的影响。

解 由图得闭环传递函数为1)()(++=s bK T Ks φ系统是一阶的。

动态性能指标为)(3)(2.2)(69.0bK T t bK T t bK T t s r d +=+=+= 因此，b 的取值大将会使阶跃响应的延迟时间、上升时间和调节时间都加长。

解毕。

例 3-12 设二阶控制系统的单位阶跃响应曲线如图3-34所示。

试确定系统的传递函数。

解 首先明显看出，在单位阶跃作用下响应的稳态值为3，故此系统的增益不是1，而是3。

第1页一.填空题。

（10分）1.传递函数分母多项式的根，称为系统的2. 微分环节的传递函数为3.并联方框图的等效传递函数等于各并联传递函数之4.单位冲击函数信号的拉氏变换式5.系统开环传递函数中有一个积分环节则该系统为型系统。

6.比例环节的频率特性为。

7. 微分环节的相角为。

8.二阶系统的谐振峰值与有关。

9.高阶系统的超调量跟有关。

10.在零初始条件下输出量与输入量的拉氏变换之比，称该系统的传递函数。

二．试求下图的传第函数(7分)三．设有一个由弹簧、物体和阻尼器组成的机械系统（如下图所示），设外作用力F（t）为输入量，位移为y（t）输出量，列写机械位移系统的微分方程（10分）第2页四．系统结构如图所示，其中K=8，T=0.25。

（15分）（1）输入信号x i（t）=1（t），求系统的响应；（2）计算系统的性能指标t r、t p、t s（5%）、бp；（3）若要求将系统设计成二阶最佳ξ=0.707，应如何改变K值第 3 页)1001.0)(11.0()(++=s s s Ks G 五．在系统的特征式为A （s ）=6s +25s +84s +123s +202s +16s+16=0，试判断系统的稳定性（8分）（12分）七．某控制系统的结构如图，其中 要求设计串联校正装置，使系统具有K ≥1000及υ≥４５。

的性能指标。

（13分）s T s s s G 25.0,)4(1)(=+=.八．设采样控制系统饿结构如图所示，其中 试判断系统的稳定性。

（10分）九． 已知单位负反馈系统的开环传递函数为： 试绘制K由0 ->+∞变化的闭环根轨迹图,系统稳定的K 值范围。

(15分),)4()1()(22++=s s Ks G第5页一、填空题：(每空1.5分，共15分)1.当扰动信号进入系统破坏系统平衡时，有重新恢复平衡的能力则该系统具有。

2.控制方式由改变输入直接控制输出，而输出对系统的控制过程没有直接影响，叫。

《过程控制系统》习题解答1-2 与其它自动控制相比，过程控制有哪些优点？为什么说过程控制的控制过程多属慢过程？过程控制的特点是与其它自动控制系统相比较而言的。

一、连续生产过程的自动控制连续控制指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量控制，而且应是连续可调的。

若控制动作在时间上是离散的（如采用控制系统等），但是其被控量需定量控制，也归入过程控制。

二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。

一个过程控制系统是由被控过程和检测控制仪表两部分组成。

三、被控过程是多种多样的、非电量的现代工业生产过程中，工业过程日趋复杂，工艺要求各异，产品多种多样；动态特性具有大惯性、大滞后、非线性特性。

有些过程的机理（如发酵等）复杂，很难用目前过程辨识方法建立过程的精确数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。

四、过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制因为大惯性、大滞后等特性，决定了过程控制的控制过程多属慢过程；在一些特殊工业生产过程中，采用一些物理量和化学量来表征其生产过程状况，故需要对过程参数进行自动检测和自动控制，所以过程控制多半为参量控制。

五、过程控制方案十分丰富过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。

过程特性：多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等。

单变量控制系统、多变量控制系统；仪表过程控制系统、计算机集散控制系统；复杂控制系统，满足特定要求的控制系统。

六、定值控制是过程控制的一种常用方式过程控制的目的：消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在给定值上，使工业生产能实现优质、高产和低耗能的目标。

1-3 什么是过程控制系统，其基本分类方法有哪些？过程控制系统：工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度和pH等这样一些过程变量的系统。

1.控制概念（1）开环控制：开环控制是最简单的一种控制方式。

它的特点是，按照控制信息传递的路径，控制量与被控制量之间只有前向通路而没有反馈通路。

闭环控制：凡是将系统的输出量反送至输入端，对系统的控制作用产生直接的影响，都称为闭环控制系统或反馈控制系统。

复合控制：是开、闭环控制相结合的一种控制方式。

（2）反馈：指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程，即将输出量通过恰当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。

（3）传递函数：在零初始条件下，系统输出信号的拉手变换与输出信号的拉氏变换的比。

（4）被控对象：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。

执行机构：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。

（5）线性化：a条件：连续且各阶导数存在 b方法：工作点附近泰勒级数展开。

2.时域指标（1）上升时间tr：响应从终值10%上升到终值90%所需时间；对有振荡系统亦可定义为响应从零第一次上升到终值所需时间。

上升时间是响应速度的度量。

峰值时间tp：响应超过其终值到达第一个峰值所需时间。

调节时间ts：响应到达并保持在终值内所需时间。

（2）超调量σ%：响应的最大偏离量h(tp)与终值h(∞)之差的百分比。

振荡次数：是在阶跃信号作用下，系统在达到指定deta范围下，系统所震荡的总次数。

（3）动态降落：系统稳定运行时，突然加一个扰动量N，在过度过程中引起输出量的最大降落值Cmax称为动态降落。

恢复时间：系统从波动回复到稳态时候所需要的时间。

（4）稳态误差：对单位负反馈系统，当时间t趋于无穷大时，系统对输入信号响应的实际值与期望值（即输入量）之差的极限值，称为稳态误差，它反映系统复现输入信号的（稳态）精度。

3.频域特性（1）频率特性：对于线性系统来说，当输入信号为正弦信号时，稳态时的输出信号是一个与输入信号同频率的正弦信号，不同的只是其幅值与相位，且幅值与相位随输入信号的频率不同而不同。

R(s) ＋ －
校正装置 Gc (s)
原有部分 Go(s)
C(s)
R(s)
＋ －
＋ －
原有部分 Go(s) 校正装置 Gc (s)
C(s)
(a) 串联校正
(b ) 反馈校正
R(s) ＋ －
校正装置 Gc1(s)
＋ －
原有部分 Go(s) 校正装置 Gc2(s)
C(s) R(s)
校正装置 Gc (s) ＋ － ＋ ＋ 原有部分 Go(s) C(s)
第六章 线性系统的校正方法
系统的设计与校正问题 常用校正装置及其特性 串联校正 反馈校正
前面几章，我们主要学习了如何分析一个控制系统， 分析控制系统是否稳定，并且通过求解系统暂态性能指标、
稳态误差我们可以评价此系统性能的好坏。
这一章，我们着重介绍如何设计校正装臵使原不满足性 能指标要求的系统满足所要求的性能指标。
制器对系统性能的影响。
R(s) ＋ － E(s) Kp(1 ＋Tds)
1 Js 2
C(s)
图 6-3 比例-微分控制系统
解 无PD控制器时, 系统的特征方程为
Js2+1=0
显然, 系统的阻尼比等于零, 系统处于临界稳定状态, 即 实际上的不稳定状态。 接入PD控制器后, 系统的特征方程
为
Js2+KpTds+Kp=0
系统由原来的Ⅰ型系统提高到了Ⅱ型系统。若系统的输入 信号为单位斜坡函数, 则无PI控制器时, 系统的稳态误差为1/K;
接入PI控制器后, 稳态误差为零。表明Ⅰ型系统采用PI控制器
后, 可以消除系统对斜坡输入信号的稳态误差, 控制精度大为 改善。 采用PI控制器后, 系统的特征方程为

前馈控制属于开环控制，单纯的前馈控制一般不宜采用。在实 际生产中往往同时存在若干扰动，采用前馈控制，需对每个扰动 都使用一套测量变送器和一个前馈控制器，这使得系统庞大且复 杂，并且有的扰动还无法在线测量，这些因素限制了前馈控制的 应用范围。
为解决前馈控制上述局限，工程上将前馈控制和反馈控制结合 起来。发挥前馈控制能及时克服主要扰动对被控量的影响，又保 持了反馈控制能克服多个扰动影响，同时降低了系统对前馈补偿 器的要求，使其在工程上便于实现。
前馈—反馈复合控制系统
Gff
+
TC
FS
F
θ1
图上.换热器前馈-反馈控制系统
馈控制器
+ — —
执行器 测量、变送
对象
Wff(s)
f
Wd(s)
r _
Wc(s)
y
Wv(s)
Wo(s)
Wm(s)
前馈控制器应用场合
（1）干扰幅值变化大且频繁，对被控变量影响剧烈，仅 采用反馈控制达不到要求的对象。 （2）主要干扰是可测而不可控的变量。 （3）当对象的控制通道滞后时间较长、反馈控制不及时， 可采用前馈或前馈—反馈控制系统，以提高控制质量。
limy(t)0 (f(t)0)
t
静态前馈系统就属于此类系统，其控制规律为
Wff
(s)

Wd (s) Wo(s)
这是一个比例环节，它是前馈控制中最简单的形式。
2 动态前馈控制系统
当工艺上对控制精度要求高，其他控制方案难以满足时，且存 在一个“可测不可控”的主要扰动时，可考虑使用动态前馈控制 方案。
前馈控制系统
前馈控制原理
所谓前馈控制，它是与反馈控制相对而言的。反馈控制是在 系统受到扰动，被控量发生偏差后再进行控制，而前馈控制的基 本思想就是根据进入过程的扰动量（包括外界扰动和设定值变 化），产生合适的控制作用，使被控量不发生偏差。

反馈控制系统:同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。

但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。

为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。

反馈控制系统（即闭环控制系统）是基于反馈原理建立的自动控制系统。

所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。

在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。

因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。

反馈控制是自动控制的主要形式。

在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。

反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成（见图）。

图中带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。

这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。

以炉温控制为例，受控对象为炉子；输出变量为实际的炉子温度;输入变量为给定常值温度,一般用电压表示。

炉温用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。

反馈控制系统包括：（一）负反馈（negative feedback）：凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相反，对控制部分的活动起制约或纠正作用的，称为负反馈。

即使系统的输出值与目标值的偏差越来越小。

1. 意义：维持稳态2. 缺点：滞后、波动（二）正反馈（positive feedback ）：凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相同，对控制部分的活动起增强作用的，称为正反馈意义：加速生理过程，使机体活动发挥最大效应。

即使系统的输出值与目标值的偏差越来越大，正反馈并不是都是好的，有的时候系统需要正反馈的作用。

1.控制概念（1）开环控制：开环控制是最简单的一种控制方式。

它的特点是，按照控制信息传递的路径，控制量与被控制量之间只有前向通路而没有反馈通路。

闭环控制：凡是将系统的输出量反送至输入端，对系统的控制作用产生直接的影响，都称为闭环控制系统或反馈控制系统。

复合控制：是开、闭环控制相结合的一种控制方式。

（2）反馈：指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程，即将输出量通过恰当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。

（3）传递函数：在零初始条件下，系统输出信号的拉手变换与输出信号的拉氏变换的比。

（4）被控对象：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。

执行机构：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。

（5）线性化：a条件：连续且各阶导数存在 b方法：工作点附近泰勒级数展开。

2.时域指标（1）上升时间tr：响应从终值10%上升到终值90%所需时间；对有振荡系统亦可定义为响应从零第一次上升到终值所需时间。

上升时间是响应速度的度量。

峰值时间tp：响应超过其终值到达第一个峰值所需时间。

调节时间ts：响应到达并保持在终值内所需时间。

（2）超调量σ%：响应的最大偏离量h(tp)与终值h(∞)之差的百分比。

振荡次数：是在阶跃信号作用下，系统在达到指定deta范围下，系统所震荡的总次数。

（3）动态降落：系统稳定运行时，突然加一个扰动量N，在过度过程中引起输出量的最大降落值Cmax称为动态降落。

恢复时间：系统从波动回复到稳态时候所需要的时间。

（4）稳态误差：对单位负反馈系统，当时间t趋于无穷大时，系统对输入信号响应的实际值与期望值（即输入量）之差的极限值，称为稳态误差，它反映系统复现输入信号的（稳态）精度。

3.频域特性（1）频率特性：对于线性系统来说，当输入信号为正弦信号时，稳态时的输出信号是一个与输入信号同频率的正弦信号，不同的只是其幅值与相位，且幅值与相位随输入信号的频率不同而不同。

可靠性
许多自动控制系统在关键任务中起到重要作用，如何保证 系统的可靠性和稳定性，防止因故障导致生产事故或安全 事故，也是一个重要的技的行业和应用领域具有 各自的特点和需求，如何根 据具体需求定制和优化自动 控制系统是一个挑战。
人员培训
自动控制系统的应用需要对 操作人员进行专业培训，以 确保他们能够正确地使用和 维护系统。
物联网和通信技术的进步将推动自动控制 系统向网络化方向发展，实现远程监控和 控制。
模块化
安全性
模块化设计将有助于提高自动控制系统的 可维护性和可扩展性，方便系统升级和功 能扩展。
随着网络安全问题的日益突出，自动控制 系统的安全性将受到更多关注，将会有更 多的安全防护措施被应用到系统中。
技术挑战
数据处理
和稳定性。
反馈回路
反馈回路是自动控制系统中不可或缺 的部分，它能够将受控对象的输出信 号反馈给控制器，形成一个闭环控制 系统。
通过反馈回路，控制器可以实时地了 解受控对象的当前状态，并根据需要 调整控制动作，以达到更好的控制效 果。
03
自动控制系统类型
开环控制系统
开环控制系统是指系统中各个环节之 间没有反馈，只将系统输出量直接反 馈到输入端，通过输入端控制输出量 。
系统集成
将自动控制系统与其他设备 和系统集成时，需要解决不 同设备和系统之间的通信和 接口问题。
成本效益
自动控制系统的建设和运行 需要投入大量的资金和技术 支持，如何平衡成本和效益 的关系是一个挑战。
THANKS
感谢观看
传感器的种类和规格非常多，需根据具体的控制 要求进行选择和配置。
传感器的精度和稳定性对整个控制系统的性能有 着至关重要的影响。
受控对象

控制原理习题1、试求如下系统的传递函数 R(S)C(S)2、已知控制系统的开环传递函数为:G(S)H(S)＝1)+1)(2S +S(4S 1)+K(S （1） 绘制系统的根轨迹草图(若有分离点可估计，不必求出)；（2） 确定使系统闭环稳定时K 的取值范围。

3、具有扰动输入n(t)的控制系统如图所示,试求n(t)=1(t)（单位阶跃）时系统的稳态误差。

4、试求下图控制系统的阻尼比，并判断当T=2，K=6时，系统是否振荡。

其中，G(S)= 1+S 1, H(S)=1+TS K .5、已知某系统如下图所示，当τ取何值时系统才能稳定？（ 四题图 ）（ 一题图 ）（三题图 ）绘制系统稳定时开环频率特性的极坐标图（即幅相曲线）和Bode 图（即对数频率特性曲线）的幅频特性图（用渐近线表示）。

6、设系统如下图所示，试求闭环系统的脉冲传递函数。

7、设非线性系统的方程为x+ x+2.5x+x 2=0试确定系统奇点的位置和类型，大致画出奇点附近的相轨迹图。

8、设复合控制系统如图（1）所示，其中，K 1=2K 2=1，K 2K 3=1，T 2=0.25 ，要求：1）当r （t ）=1+t+21t 2 时，系统的稳态误差。

2）系统的单位阶跃响应表达式。

9、已知系统的开环传递函数为G(S)H(S)＝1)S(S 3)K(S -+ 1） 画出系统开环幅相曲线（即极坐标图）的大致形状。

2） 试用奈魁斯特稳定判据，分析K 值与系统稳定性的关系。

10、设控制系统如图（2）所示：（3） 绘制系统的根轨迹图；（4） 分析系统的稳定性；（ 五题图 ）（ 六题图 ）（图1）（图2）11、设校正装置的传递函数为G c (S)＝PS S ++Z 1）将其用作超前校正，z 及p 应怎样选取？分别画出其零、极点分布图和对数幅频特性、相频特性曲线。

最大超前角频率及最大超前角为何值？2）在用于串联校正时，为使最大超前相角发生在被校正系统希望的幅值穿越频率（即截止频率）ωc 上，G c (S)的零、极点z 及p 的位置如何选取？12、设非线性系统由下述方程描述：x+0.5x+2x+x 2=0试求系统的奇点，说明奇点的类型，大致绘出系统在奇点附近的相平面图。

一、控制系统的基本组成控制系统是指控制对象与控制器的总称。

(一)控制对象控制服务的对象，称控制对象。

发动机是发动机控制系统的控制对象，它受两种干扰量的作用：一种是外界条件（如P1*、T1*)的作用，这种作用量称干扰作用量；另一种是通过调准机构改变的控制量的作用，这种作用称控制作用量(如：油门转角α)。

(二)控制器用来完成控制的装置，称控制器。

例如控制发动机转速的装置，称为转速控制器。

控制器由多个元件组成。

不同的控制器有不同的元件，但都有敏感元件、放大随动装置和执行机构这三个基本部分。

1.敏感元件敏感元件又称测量元件，它感受被控参数或引起被控参数变化的干扰量的变化。

例如，感受被控参数转速变化的离心飞重，就是转速敏感元件；感受引起被控参数转速变化的干扰作用量P1*变化的膜盒，就是压力敏感元件。

2．放大随动装置放大随动装置由放大元件和随动装置两部分组成。

在控制器中，由于放大元件与随动装置是联合使用的，有着密切的联系，因此，通常把它们一起称为放大随动装置。

将敏感元件感受的变化信号加以放大的元件称为放大元件。

例如分油活门便是转速控制器的放大元件，它将离心飞重感受到的转速变化转变成位移而去控制油孔开度，使控制器进行工作。

利用外界能源，借放大元件的输出信号推动执行机构工作的元件，称为随动装置。

例如随动活塞便是转速控制器的随动装置，它是借分油活门的油孔开度变化，利用工作油液的压力去推动斜盘的。

3. 执行机构执行机构也称控制机构，用来改变控制量的大小。

发动机转速控制系统中的油门开关、柱塞式油泵的斜盘都是执行机构。

控制器除了具有上述三个基本元件外，还常常设有一些其它元件。

如比较元件、计算元件和校正元件等，在此不再叙述。

为了简单形象地表现控制系统的结构特点及相互关系，常用方块图表示控制系统的各组成部分，用带箭头的线段表示输入量或输出量，这祥组成的图形称为方块图。

又称结构简图，如图1-2所示。

有时，有两个或两个以上的输入量同时作用在某一元件上，为了用一个输入量就能等效地表示出这些输入量的作用，需用综合点对这些输入量进行综合。

控制系统分类控制系统是一种工程技术，可以帮助人们控制和管理各种工业、农业和日常生活中的过程。

控制系统按照控制对象、反馈方式、控制器等多种方式进行分类。

下面我们来逐一了解。

一、按照控制对象分类1.连续控制系统：通过连续变量来描述被控量和控制量，控制对象是连续的，例如温度、电压、电流、压力等。

控制系统的输入和输出都是连续信号，控制器通常是以电子元件为基础的PID控制器。

2.离散控制系统：通过离散变量来描述被控量和控制量，控制对象是离散时间或者离散状态的，例如计数器，固定的转速等。

控制器通常是以数字电路为基础的数字控制器。

二、按照反馈方式分类1.开环控制系统：开环控制系统直接将控制信号输入到控制对象，不用进行反馈调节。

这种控制方式精度低、鲁棒性差，但是简单易行。

2.闭环控制系统：闭环控制系统是在输出端和输入端之间引入反馈回路，对输出量和目标量的差异进行反馈调节。

这种控制方式可以根据反馈信号来调整输出信号，具有更高的精度和更好的鲁棒性。

三、按照控制器分类1.比例控制器：按照被控量和控制量之间的比例关系进行调节，例如温度控制系统中的普通比例控制器。

2.积分控制器：按照被控量和控制量之间的积分关系进行调节，可以用来消除系统的静态误差，例如航空控制系统中的积分控制器。

3.微分控制器：按照被控量和控制量之间的微分关系进行调节，可以用来消除系统的动态误差，例如机器人控制系统中的微分控制器。

4.PID控制器：PID控制器是由比例、积分和微分三个控制器组成的复合型控制器，可以保证系统从理论上实现更高的响应速度和稳态精度。

应用比较广泛。

总的来说，控制系统是一种高科技的技术，可以帮助人们控制各种运动和过程。

分别按照控制对象、反馈方式和控制器三个角度进行分类，有助于人们更好地了解和运用控制系统。

第1章 习题答案1-3题 系统的控制任务是保持发电机端电压U 不变。

当负载恒定发电机的端电压U 等于设定值0U 时，0U ∆=，电动机不动，电位器滑臂不动，励磁电流f I 恒定；当负载改变，发电机的端电压U 不等于设定值0U 时，0U ∆≠，U ∆经放大器放大后控制电动机转动，电位器滑臂移动动，使得励磁电流f I 改变，调整发电机的端电压U ，直到0U U =。

系统框图为：1-4题 （1）在炉温控制系统中，输出量为电炉内温度，设为c T ；输入量为给定毫伏信号，设为r u ；扰动输入为电炉的环境温度和自耦调压器输入电压的波动等；被控对象为电炉；控制装置有电压放大器、功率放大器、可逆电动机、减速器、调压器等。

（2）炉温控制系统的任务是使炉内温度值保持不变。

当炉内温度与设定温度相等时，r u 等于f u ，即0u =，可逆电动机电枢电压为0，电动机不转动，调压器滑臂不动，炉温温度不改变。

若实际温度小于给定温度，0r f u u u =->，经放大后控制可逆电动机转动使调压器滑臂上移，使加热器电压增大，调高炉温；若实际温度大于给定温度，0r f u u u =-<，经放大后控制可逆电动机转动使调压器滑臂下移，使加热器电压减小，降低炉温。

使得f u 和r u 之间的偏差减小甚至消除，实现了温度的自动控制。

1-5题 （1） 在水位控制系统中，输出量为水位高度H ；输入量为给定电压g u ；扰动输入为出水量等。

（2）当实际水位高度H 为设定高度时，与受浮球控制的电位器滑臂位置对应的f u 与给定电压g u 相等，电动机不转动，进水阀门维持不变。

若水位下降，电位器滑臂上移，f u 增大，偏差0g f u u u ∆=-<，经放大后控制电动机逆转调大进水阀门，加大进水量使水位升高；若水位升高降，电位器滑臂下移，f u 减小，偏差0g f u u u ∆=->，经放大后控制电动机正转调小进水阀门，减小进水量使水位下降，实现了水位的自动控制。

2-1 试求出图P2-1中各电路的传递函数。

图P2-12-2 试求出图P2-2中各有源网络的传递函数。

图P2-22-3 求图P2-3所示各机械运动系统的传递函数。

（1）求图（a ）的 ()()?=s X s X r c （2）求图（b ）的()()?=s X s X r c （3）求图（c ）的()()?12=s X s X （4）求图（d ）的 ()()?1=s F s X图P2-32-4 图P2-4所示为一齿轮传动机构。

设此机构无间隙、无变形，求折算到传动轴上的等效转动惯量、等效粘性摩擦系数和()()()s M s s W 2θ=。

图P2-4 图P2-52-5 图P2-5所示为一磁场控制的直流电动机。

设工作时电枢电流不变，控制电压加在励磁绕组上，输出为电机角位移，求传递函数()()()s u s s W r θ=。

2-6 图P2-6所示为一用作放大器的直流发电机，原电机以恒定转速运行。

试确定传递函数()()()s W s U s U r c =，设不计发电机的电枢电感和电阻。

图P2-62-7 已知一系统由如下方程组组成，试绘制系统方框图，并求出闭环传递函数。

()()()()()()[]()s X s W s W s W s W s X s X c r 87111--=()()()()()[]s X s W s X s W s X 36122-= ()()()()[]()s W s W s X s X s X c 3523-= ()()()s X s W s X c 34=2-8 试分别化简图P2-7和图P2-8所示的结构图，并求出相应的传递函数。

图P2-7 图P2-82-9 求如图P2-9所示系统的传递函数()()()s X s X s W r c =1，()()()s X s X s W N c =2。

图P2-92-10 求如图P2-10所示系统的传递函数。

图P2-102-11 求图P2-11所示系统的闭环传递函数。

全⾯的DCS系统基础⼊门什么是DCS？集散控制系统（Distributed Control System）：以微处理器为基础，对⽣产过程进⾏集中监视、操作、管理和控制，简称DCS系统。

DCS系统的主要特点归结为⼀句话就是：“分散控制，集中管理”。

DCS与PLC的区别：DCS PLC硬件上位机、⽹络、控制器、I/O接⼝、现场仪表等；单⼀的控制器；软件上位机组态软件、控制器编程软件、通讯接⼝软件、操作及设计画⾯⼈机接⼝软件等；控制器编程软件；运算周期相对长；由于点数少，周期快；特点分布式控制，全局性，控制回路⼤；顺序扫描机制，以时间基准的控制，⽤于单⼀控制单元⼩系统；PLC可以说只是DCS系统的⼀个控制器。

现场控制如何实现？DCS输⼊信号：热电阻；热电偶；0～10mA、4～20mA电流；0～5V、1~5V电压；开关量（数字量）输⼊；即现场⼲触点或电平信号；其他信号；DCS输出信号：开关量（数字量）输出；即对外提供触点，DCS通过触点的通断控制现场设备。

4～20mA输出。

过程控制基本原理：DCS控制简单实例：加热炉温度控制系统：温度变送器控制器⽓动调节阀负反馈：Gc(s)：控制器；Gv(s)：调节阀；Gm(s)：测量变送Gp(s)：控制通道；Gd(s)：⼲扰通道。

⼏个专业术语：被控变量；操作变量；被控对象；PV：Process Value/Present Value，实时测量值；SV：SetPoint (SP)/SetPoint Value，⽬标值/设定值MV：Manipulated Value，操作输出值。

⽬标：⽬标通过调节燃料流量（操纵变量），使进料温度（被控变量）保持在其设定值；安全性：确保⽣产过程中⼈⾝及设备安全，保护或减少⽣产过程对环境的影响；稳定性：确保产品质量及产品的长期稳定，抑制外部的⼲扰；经济性：实现效益最⼤化及成本最⼩化。

过程控制系统的分类：反馈控制系统--反馈控制系统是根据系统被控量与给定位的偏差进⾏⼯作的，最后达到消除或减⼩偏差的⽬的，偏差值是控制的依据。

∑∆∆=i i i s s Q s H )()(1)(zidpngkongzhi1 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。

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 ．给定元件 给出与被控制量希望位相对应的控制输入信号(给定信号)，这个控制输入信号的量纲要与主反馈信号的量纲相同。

给定元件通常不在闭环回路中。

2．测量元件 测量元件也叫传感器，用于测量被控制量，产生与被控制量有一定函数关系的信号。