第一章 自动控制系统概述 1.1学习要求 1、通过实例学习掌握自动控制系统的发展、类型及自动化术语。 2、了解闭环控制系统的分类、组成、方框图及各个组成环节的作用：掌握反馈概念，以及 闭环控制系统过渡过程和品质指标。 3、了解过程控制技术的发展过程。 1.2内容简述 1.2.1自动化及仪表发展概述 1.22自动控制系统 1.2.2.1自动控制系统概述 1.2.2.2闭环控制与开环控制 1.2.2.3自动控制系统的组成及方框图 1.2.2.4自动控制系统的分类 1.2.3控制系统过渡过程及品质指标 1.2.3.1静态与动态 1.2.3.2自动控制系统的过渡过程 1.2.3.3自动控制系统的品质指标 1.3本章知识点 1、控制系统的方框图及根据方框图进行控制系统分析。 2、控制系统的分类：掌握系统的动态与静态。 3、过渡过程的性能指标及其含义。 1.4思考题 1、DDZ-Ⅱ型电动单元组合仪表的标准统一电流信号是，DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表的 标准统一电流信号是。(0-10mA;4-20mA) 2、通常，把工艺上要求控制的参数（或变量）称为，把那些影响被控变量使之偏离设定 值的因素称为。（被控变量，扰动） 3、按照设定值的不同，自动控制系统可以分为一、 。(定制、程序、随动】 4、评价控制系统的性能指标时，通常从一、一、一三个方面提出各种单项指标和综合性 能指标。（稳定、快速、准确） 5、描述衰减振荡过渡过程的主要指标有 一、一等。（衰减比，最大偏差，余差） 6、闭环控制系统与开环控制系统有何区别？ 提示：闭环控制中控制器与被控对象之间既有前向控制，又有反向联系。开环控制中， 控制器与被控对象之间只有前向控制。 7、什么是负反馈？为什么自动控制系统要采用负反馈？ 提示：反馈信号的作用方向与设定值相反，这种反馈称为负反馈。在自动控制系统中， 只有采取负反馈，控制系统输入变化后，经过负反馈作用，被控变量才可能稳定。 8、自动控制系统主要由哪些部分组成？ 提示：可以参考控制系统方框图。 1.5例题与习题
第一章 自动控制系统概述 1.1 学习要求 1、通过实例学习掌握自动控制系统的发展、类型及自动化术语。 2、了解闭环控制系统的分类、组成、方框图及各个组成环节的作用；掌握反馈概念，以及 闭环控制系统过渡过程和品质指标。 3、了解过程控制技术的发展过程。 1.2 内容简述 1.2.1 自动化及仪表发展概述 1.2.2 自动控制系统 1.2.2.1 自动控制系统概述 1.2.2.2 闭环控制与开环控制 1.2.2.3 自动控制系统的组成及方框图 1.2.2.4 自动控制系统的分类 1.2.3 控制系统过渡过程及品质指标 1.2.3.1 静态与动态 1.2.3.2 自动控制系统的过渡过程 1.2.3.3 自动控制系统的品质指标 1.3 本章知识点 1、控制系统的方框图及根据方框图进行控制系统分析。 2、控制系统的分类；掌握系统的动态与静态。 3、过渡过程的性能指标及其含义。 1.4 思考题 1、DDZ-Ⅱ型电动单元组合仪表的标准统一电流信号是 ，DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表的 标准统一电流信号是 。（0－10mA；4－20mA） 2、通常，把工艺上要求控制的参数（或变量）称为 ，把那些影响被控变量使之偏离设定 值的因素称为 。（被控变量，扰动） 3、按照设定值的不同，自动控制系统可以分为 、 、 。（定制、程序、随动） 4、评价控制系统的性能指标时，通常从 、 、 三个方面提出各种单项指标和综合性 能指标。（稳定、快速、准确） 5、描述衰减振荡过渡过程的主要指标有 、 、 等。（衰减比，最大偏差，余差） 6、闭环控制系统与开环控制系统有何区别？ 提示：闭环控制中控制器与被控对象之间既有前向控制，又有反向联系。开环控制中， 控制器与被控对象之间只有前向控制。 7、什么是负反馈？为什么自动控制系统要采用负反馈？ 提示：反馈信号的作用方向与设定值相反，这种反馈称为负反馈。在自动控制系统中， 只有采取负反馈，控制系统输入变化后，经过负反馈作用，被控变量才可能稳定。 8、自动控制系统主要由哪些部分组成？ 提示：可以参考控制系统方框图。 1.5 例题与习题 1
1、某换热器的温度控制系统（设定值是30℃）在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图1.1 所示，则该系统的余差、衰减比、最大偏差是()。 A、5、3;1、40B、5、3;1、45C、5、2.5,1、45D、5、4:1、45 T/℃ 75 45 3 30 5710 15/20 25 t/min 图1.1控制系统过渡过程 答：从图可以看出，这是一个衰减振荡过程。系统到达稳态后，稳态值是35℃，而设定值 是30℃，因此，余差是5℃。第一个波峰的数值是(75一35)=40，同方向第二波峰的数 值是(45一35)=10，因此衰减比是40：10=4：1：最大偏差是(75一30)=45℃。因此 正确答案是D。 2、硫酸生产中的沸腾炉的带控制点工艺流程图(PD)如图1.2所示，试说明图中的位号和 图形的意义： AR 101 炉气 TI 101 TI 沸腾炉 102 原料 TI 103 101 PRC 102 空气 图1.2硫酸生产中的沸腾炉带控制点工艺流程图 答：仪表位号T-101、T-102、T1-103表示第一工序第01、02、03个温度检测回路。其中： T T表示被控变量为温度：I表示仪表具有指示功能：©表示该温度指示仪表属于仪表盘正 面安装，用于操作员监视用。仪表位号P-101表示第一工序第01个压力检测回路。其中P 表示被测变量为压力：I表示仪表具有指示功能： ⑨表示该压力表按照在现场。仪表位号 P℉C-102表示第一工序第02个压力控制回路。其中：P表示被测变量为压力：RC表示仪表 具有记录、控制功能。仪表位号AR-101表示第一工序第01个成分分析回路。其中：A表 示被测变量为成分：R表示仪表具有记录功能。 3、简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义？ 答：自动控制系统中常用的几个术语其含义是： 被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。 2
1、某换热器的温度控制系统（设定值是 30 ℃ ）在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图 1.1 所示，则该系统的余差、衰减比、最大偏差是（）。 A、5、3;1、40 B、5、3;1、45 C、5、2.5;1、45 D、5、4;1、45 图 1.1 控制系统过渡过程 答：从图可以看出，这是一个衰减振荡过程。系统到达稳态后，稳态值是 35℃，而设定值 是 30℃，因此，余差是 5℃。第一个波峰的数值是（75－35）＝40，同方向第二波峰的数 值是（45－35）＝10，因此衰减比是 40：10＝4：1；最大偏差是（75－30）＝45℃。因此 正确答案是 D。 2、硫酸生产中的沸腾炉的带控制点工艺流程图（PID）如图 1.2 所示，试说明图中的位号和 图形的意义： 图 1.2 硫酸生产中的沸腾炉带控制点工艺流程图 答：仪表位号 TI-101、TI-102、TI-103 表示第一工序第 01、02、03 个温度检测回路。其中： T 表示被控变量为温度；I 表示仪表具有指示功能； 表示该温度指示仪表属于仪表盘正 面安装，用于操作员监视用。仪表位号 PI-101 表示第一工序第 01 个压力检测回路。其中 P 表示被测变量为压力；I 表示仪表具有指示功能； 表示该压力表按照在现场。仪表位号 PRC-102 表示第一工序第 02 个压力控制回路。其中：P 表示被测变量为压力；RC 表示仪表 具有记录、控制功能。仪表位号 AR-101 表示第一工序第 01 个成分分析回路。其中：A 表 示被测变量为成分；R 表示仪表具有记录功能。 3、简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定(给定)值和偏差的含义? 答：自动控制系统中常用的几个术语其含义是： 被控对象：自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。 2
被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。 操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。 扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。 设定值：被控变量的预定值。 偏差：被控变量的设定值与实际值之差。 4、图1.3所示为一自力式贮槽水位控制系统。 (1)指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量是什么？ (2)试画出该系统的方块图。 (3)试分析当出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制的？ 进水 就动 ho 杠杆系统一→针形阀一贮槽 出水 浮球 1、储槽2、浮球3、杠杠4、针形阀 图1.4储槽水位控制系统方框图 图1.3储槽水位控制系统 答：(1)该系统中贮槽为被控对象：贮槽中水的液位为被控变量：进水流量为操纵变量。 (2)贮槽水位控制系统方块图如图1一7所示。 (3)当贮槽的出水量突然增大，出水量大于入水量，使水位下降，浮球随之下移，通过 杠杆装置带动针形阀下移，增大了进水量，使出水量与入水量之差随之减小水位下降变缓， 直至进水量与出水量又相等，水位停止下降，重新稳定，实现了水位控制。 5、什么是控制系统的静态与动态？为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义？ 答：在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为控制系统的静态。在这种 状态下，自动控制系统的输入（设定值和干扰）及输出（被控变量）都保持不变，系统内各 组成环节都不改变其原来的状态，它们输入、输出信号的变化率为零。而此时生产仍在进行， 物料和能量仍然有进有出。因此，静态反映的是相对平衡状态。 系统的动态是被控变量随时间而变化的不平衡状态。当一个原来处于平衡状态的系统受到 扰动作用的影响，其平衡状态受到破坏，被控变量偏离没定位。此时，控制器就会改变原来 的状态，产生相应的控制作用、改变操纵变量克服扰动的影响，使系统恢复平衡状态。从扰 动发生，经过抑制，直到系统重新建立平衡，在这段时间巾整个系统都处于变动状态中。 在自动化工作中，了解研究控制系统动态比其静态更为重要。因为在生产过程中，干扰 是客观存在的，是不可避免的。在扰动引起系统变动后，就需要通过控制装置不断地施加控 制作用去消除干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指标上，以满足过 程控制的要求。一个正常工作的自动控制系统，时时刻刻都受到扰动的颇繁作用，总是处 在一种频繁的、不间断的动态过程中。因此说研究控制系统的动态比其静态更有意义
被控变量：被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。 操纵变量：受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。 扰动量：除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。 设定值：被控变量的预定值。 偏差：被控变量的设定值与实际值之差。 4、图 1.3 所示为一自力式贮槽水位控制系统。 （1）指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量是什么? （2）试画出该系统的方块图。 （3）试分析当出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制的? 1、储槽 2、浮球 3、杠杠 4、针形阀 图 1.4 储槽水位控制系统方框图 图 1.3 储槽水位控制系统 答：（1）该系统中贮槽为被控对象；贮槽中水的液位为被控变量；进水流量为操纵变量。 （2）贮槽水位控制系统方块图如图 1—7 所示。 （3）当贮槽的出水量突然增大，出水量大于入水量，使水位下降，浮球随之下移，通过 杠杆装置带动针形阀下移，增大了进水量，使出水量与入水量之差随之减小水位下降变缓， 直至进水量与出水量又相等，水位停止下降，重新稳定，实现了水位控制。 5、什么是控制系统的静态与动态？为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义? 答：在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为控制系统的静态。在这种 状态下，自动控制系统的输入（设定值和干扰）及输出（被控变量）都保持不变，系统内各 组成环节都不改变其原来的状态，它们输入、输出信号的变化率为零。而此时生产仍在进行， 物料和能量仍然有进有出。因此，静态反映的是相对平衡状态。 系统的动态是被控变量随时间而变化的不平衡状态。当一个原来处于平衡状态的系统受到 扰动作用的影响，其平衡状态受到破坏，被控变量偏离没定位。此时，控制器就会改变原来 的状态，产生相应的控制作用、改变操纵变量克服扰动的影响，使系统恢复平衡状态。从扰 动发生，经过抑制，直到系统重新建立平衡，在这段时间巾整个系统都处于变动状态中。 在自动化工作中，了解研究控制系统动态比其静态更为重要。因为在生产过程中，干扰 是客观存在的，是不可避免的。在扰动引起系统变动后，就需要通过控制装置不断地施加控 制作用去消除干扰作用的影响，使被控变量保持在工艺生产所规定的技术指标上，以满足过 程控制的要求。 —个正常工作的自动控制系统，时时刻刻都受到扰动的颇繁作用，总是处 在一种频繁的、不间断的动态过程中。因此说研究控制系统的动态比其静态更有意义。 3