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1 / 41 反馈控制系统的作用是把各种运行设备的参数如温度、压力、液位、黏度等控制在所希望的最佳值上。尽管机舱中众多设备参数的种类不同，其控制系统的结构形式也不相同，但是组成这些控制系统的基本单元及其工作过程大致是相同的。
1.系统的组成及基本概念
（1）控制对象
控制对象是指所要控制的机器、设备或装置。把所要控制的运行参数叫做被控制量。
（2）测量单元
测量单元的作用是，检测被控量的实际值，并把它转换成标准的统一信号，该信号叫被控量的测量值。在气动控制系统中，对应被控量的满量程，其统一的标准气压信号是0.02～0.1 MPa；在电动控制系统中，对应被控量的满量程。其统一的标准电流信号是0～10 mA或4～20 mA，现用4～20 mA居多。
（3）调节单元
调节单元是指具有各种调节作用规律的调节器把运行参数所希望控制的最佳值叫给定值，用r表示；被控量的测量值用z表示。把被控量的测量值离开给定值的数量叫偏差值，用e表示。显然e＝r－z。
e＞0，说明测量值低于给定值，叫正偏差；
e＜0，说明测量值大于给定值，叫负偏差；
e＝0，说明测量值等于给定值，为无偏差。
调节器首先接收测量单元送来的被控量的测量信号，并与被控量的给定值相比较得到偏差信号，再根据偏差信号的大小和方向（正偏差还是负偏差）。依据某种调节作用规律输出一个控制信号。对被控量施加控制作用，直到偏差等于零或接近零为止。
（4）执行机构
执行机构的输入量是调节单元输出的控制信号，执行机构的输出量是调节阀的开度。调节单元输出的控制信号经执行机构直接改变调节阀的开度，从而可改变流入控制对象物质或能量流量，使之能符合控制对象负荷的要求，被控量会逐渐回到给定值或给定值附近，系统将会达到一个新的平衡。在气动控制系统中，执行机构一般是气动薄膜调节阀或气动活塞式调节阀；在电动控制系统中，一般采用可逆转伺服电机或三相交流伺服电机。
1 图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。
题1-3图 炉温自动控制系统原理图
解 加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压cu的平方成正比，cu增高，炉温就上升，cu的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压fu。fu作为系统的反馈电压与给定电压ru进行比较，得出偏差电压eu，经电压放大器、功率放大器放大成au后，作为控制电动机的电枢电压。
在正常情况下，炉温等于某个期望值T°C，热电偶的输出电压fu正好等于给定电压ru。此时，0freuuu，故01auu，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使cu保持一定的数值。这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
当炉膛温度T°C由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程：
控制的结果是使炉膛温度回升，直至T°C的实际值等于期望值为止。
TCTuuuuucaef1C
系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压ru（表征炉温的希望值）。系统方框图见图。
2 图为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图，并说明为了保持热水温度为期望值，系统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置各是什么？
解 工作原理：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在温度控制器中与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。如果由于某种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通过温度控制器，开大阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷水流量进行顺馈补偿，保证热交换器出口的水温不发生大的波动。
第1章 自动控制的一般概念
例1-1 一个液位控制系统的原理图如图1.4所以。试画出该控制系统的原理方框图，简要说
明它的工作原理，并指出该控制系统的输入量，输出量及扰动量。
答：
本题考查液位控制系统。
当系统的工作原理为：浮标位置对应于电位计上一点，该点电压与设定液位对应的电压进行比
较，如果没有达到设定的液位，将产生偏差电压，功率放大后驱动直流电动机转动，调节输入液流
的阀门，改变进入水池的水流量，当输出液流发生改变，液面发生变化时，重复上述过程，使液面
保持在给定高度。
该系统的输入量为给定液位，输出量为实际水位，扰动量为输出液流量，系统原理方框图如
图1.5所示。
-
图1.5
习题：
1、什么是反馈控制原理？反馈控制系统的主要特点是什么？
2、试比较闭环系统与开环系统的优缺点。
3、水箱液位控制系统如图1.9所示。运行中无论用水流量如何变化（由开关12操纵），
希望水面高度（液位）H保持不变。
（1）简述工作原理。
（2）画出系统的原理方块图，并指明被控对象、被控量、给定值和干扰。
水池水位
浮标 进水阀门 电机 放大环节 出水量
4、图1.13为水温控制示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热
水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图，并说明为了保持热水温度为期望值，系
统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置是什么？
第2章 控制系统的数学模型
例2-1如图2.1所示的RLC电路，试建立以电容上电压uc(t)为输出变量，输入电压ui(t)为输入
量的运动方程。
图2.1
答：由基尔霍夫定律得：
消去中间变量，则有
例2-2图2.2所示是弹簧—质量—阻尼器机械位移系统。试列写质量m在外力F（t）
自动控制原理孙优贤教材
第一章：控制系统组成和概念
控制系统是一种由多个元素和过程组成的整体，它的主要目的是通过调节输入和输出之间的关系，以达到特定的性能指标。控制系统一般包括控制器、执行器、传感器和被控对象等组成部分。
第二章：控制系统的数学模型
控制系统的数学模型是用数学语言描述控制系统的方法，它可以帮助我们分析控制系统的性能和行为。常用的数学模型包括传递函数模型、状态空间模型和Laplace变换模型等。这些模型可以用来描述控制系统的动态特性，进行系统分析和设计。
第三章：控制系统的时域分析
时域分析法是一种基于时间域的控制系统分析方法。通过时域分析，可以了解控制系统的稳定性、响应速度、误差等性能指标，进而对系统进行优化设计。
第四章：频率特性分析法
频率特性分析法是一种基于频率域的控制系统分析方法。通过频率特性分析，可以了解控制系统的频率响应、相位和幅值等特性，进而对系统进行优化设计。
第五章：根轨迹分析方法
根轨迹分析法是一种基于根轨迹的控制系统分析方法。通过根轨迹分析，可以了解控制系统的稳定性、响应速度和阻尼比等性能指标，进而对系统进行优化设计。
第六章：采样控制系统
采样控制系统是一种数字控制系统，它通过对模拟信号进行采样、量化、编码等处理，将其转化为数字信号进行控制。采样控制系统的精度高、稳定性好、易于实现远程控制等优点，被广泛应用于工业自动化等领域。
第七章：状态空间方法
状态空间法是一种基于状态空间模型的控制系统分析方法。通过状态空间法，可以了解控制系统的动态特性和状态变量之间的关系，进而对系统进行优化设计。状态空间法还可以用于控制系统的稳定性和鲁棒性分析等方面。
第八章：非线性系统分析
非线性系统是指系统的输入和输出之间存在非线性关系的系统。非线性系统的分析和设计比线性系统更为复杂，但非线性系统的应用范围更广泛。非线性系统的分析方法包括相平面法、描述函数法等。
