自动控制系统

自动控制系统( automatic control systems )简称自控系统，是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段。

自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。在军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。此外，在办公室自动化、图书管理、交通管理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。

自动控制系统*组成

自动控制系统主要由：控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。 在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备

在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象,简称对象。

自动控制系统*常用术语

被控对象：需要实现控制的设备、机械和生产过程

被控变量：对象内要求保持一定数值的物理量，即输出量

控制变量：受执行器控制，用以使被控变量保持一定数值的物料和能量 干扰：除控制变量以外，作用于对象并引起被控变量变化的一切因素 给定值：工艺规定被控变量所要保持的数值 偏差：设定值与测量值之差

自动控制系统*分类

自动控制系统有几种分类方法

按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。 开环控制系统

在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统;由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。

闭环控制系统

闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。

2.按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

1)恒值控制系统

给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。

特点：设定值是固定不变的闭环控制系统

作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上 2)随动控制系统

给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。如跟随卫星的雷达天线系统。

特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统 作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化 3)程序控制系统 给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中应用比较普通。如程控机床。程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况，其分析研究方法与随动控制系统相同。

特点：设定值是变化的，且按一定时间程序变化的时间函数 作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化

3.按系统的结构形式可以分为简单控制系统和复杂控制系统; 4.按描述系统运动的微分方程可将系统分成两类：

1).线性自动控制系统 描述系统运动的微分方程是线性微分方程。如方程的系数为常数，则称为定常线性自动控制系统;相反，如系数不是常数而是时间t的函数，则称为变系数线性自动控制系统。线性系统的特点是可以应用叠加原理，因此数学上较容易处理。

2).非线性自动控制系统 描述系统的微分方程是非线性微分方程。非线性系统一般不能应用叠加原理，因此数学上处理比较困难，至今尚没有通用的处理方法。

严格地说，在实践中，理想的线性系统是不存在的，但是如果对于所研究的问题，非线性的影响不很严重时，则可近似地看成线性系统。同样，实际上理想的定常系统也是不存在的，但如果系数变化比较缓慢，也可以近似地看成线性定常系统。

5.按系统中传递信号的性质分类

1).连续系统 系统中传递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统。 2).采样系统 系统中至少有一处，传递的信号是时间的离散信号，则称为采样系统，或离散系统。

自动控制系统*系统运行的基本要求

1. 自动控制系统的基本要求是系统运行必须是稳定的，并应保证满足一定的精度要求和规定的性能指标。

2.要实现自动控制，系统必须是闭环，闭环控制系统稳定运行最基本的必要条件是负反馈。

3. 测量变送环节一般具有正作用特性，被控对象和执行器的特性由实际的工艺条件决定，可以通过控制器的正、反作用来满足系统负反馈的要求。

自动控制系统*应用领域

自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。

在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及

具有控制与管理双重功能的过程控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。

在军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。

此外，在办公室自动化、图书管理 、交通 管 理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。

自动控制系统*控制系统的过渡过程

1. 系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。 2.系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰形式。

3.在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶跃干扰。

自动控制系统*过渡过程的品质指标

控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。控制指标主要有两类,一类是时间域的单项指标,另一类是时间域的综合指标。

1.时间域的各种单项指标

假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如下图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程

2.五种重要品质指标之一 ( 1 )最大偏差或超调量

最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。

超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。 (2)衰减比

衰减比是衰减程度的指标，它是前后相邻两个峰值的比。习惯表示为 n:1，一般 n 取为4～10之间为宜。

( 3 ) 余差

当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差，或者说余差就是过渡过程终了时的残余偏差。有余差的控制过程称为有差调节，相应的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。

(4) 过渡时间

从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的±5%(也有的规定为±2%)。

(5)震荡周期或频率

过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。