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1、第一章1、自动控制定义、系统作用、系统构成定义：在人不直接参与的情况下，利用外加的设备火装置（称自动控制装置）使整个 生产过程或工作机械（称作对象）自动地按预定规律运行，或使其某个参数（被控 量）按预定的要求变化系统作用：使得在没有人直接参与的情况下通过该系统照样可以实现同样的控制目 的。系统构成：整定文件（给出了被控量应取的值） 测量元件（监测被控量的大小） 比较元件（用来得到给定与被控量之间的差误） 放大元件（用来将误差信号放大，用以驱动执行机构） 执行元件（执行控制命令，推动被控对象） 校正元件（改善系统控制的动静态性能） 能源元件（提供控制系统所需能量）2、自动控制系统基本概念由被控对
2、象和自动控制装置按一定方式连接起来的、完成一定自动控制任务的有效 组合体。3、开、闭环控制系统的区别，应用范围区别：闭环控制系统用负反馈并利用偏差进行控制，开环控制信号只能由给定值单 向传递到被控量，信号只有倾向，无反向联系；前者与后者相比，抗干扰能力强，控制 精度高。应用范围：总体上闭环的应用范围比开环的更广泛点。闭环控制适用于控制精度要 求高，抗干扰能力强，元件多，线路复杂，系统分析和设计比较麻烦的系统；开环控制 适用于控制精度低，抗干扰能力差的系统，成本低。4、传感器性能对控制系统性能的影响 传感器是决定系统重要的性能重要部件，它的每项指标都直接影响测量结果的好 坏和整个控制系统过程的准
3、确性； 以精确的传感器做基础，可以组成各种不同用途的自动控制系统，提高控制系统的 适用范围。5、自动控制系统的分类及每一种类型的特点注：括号里的内容是为了出于选择题填空的考虑，简答题时可不写。 按按数学模型分线性：具有叠加性和齐次性，可用线性微分方程描述（课件版）非线性：不适用叠加原理，用非线性方程描述（课件版）连续:数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同事进行严格连续控制，控制准确。（百度版）离散：控制功能分散，管理集中。（百度版）按给定值分(课件版)定值控制系统：输入量是恒定的常值，其主要任务是使输出量在各种扰动作用下都能保持在恒定希望值附近，(如恒温、水位、恒压控制系统)随动系统：也叫伺
4、候系统，跟踪系统，其输入量是事先不知道的任意时间函数，主 要任务是使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化;(如飞机和舰船分操舵系统， 雷达自动跟踪系统)程序控制系统：其输入量按照给定的程序变化，主要任务是使输出量按预先给定的 程序指令而动作(典型的为数控车床，机器人控制系统，水处理工艺中滤池的反冲洗过 程控制)按系统结构分(课件版)负反馈系统：系统的输出控制输入，调整过度行为前馈控制系统:前馈通路由对输入信号或扰动作用的补偿装置组成，不能单独使用。复合控制系统:系统由两个及两个以上的简单控制系统组合起来可控制一个或同时 控制多个参数，能显著减小扰动对系统的影响，有利于提高控制精度(如前馈-
5、反馈控 制系统)。1. 21、传递函数的定义、数学基础、在经典控制理论中的重要地位。1) 定义：线性定常系统在输出初始条件均匀为零的条件下，输出拉氏变换与输入拉 氏变换之比。2) 数学基础：拉氏变换，即将微分积分函数转化为代数幕函数形式，将微分方程 转化代数方程，包括线性定理、移位定理、延迟定理、终值定理、初值定理、微分定理 和积分定理；反拉式变换3) 在经典控制理论中的重要地位：经典控制理论的研究对象是单输入、单输出的 自动控制系统，特别是线性定常系统，所以传递函数是经典控制理论的基础。2、系统结构未知时，如何用实验方法获取系统传递函数。当系统或环节的物理过程不清，不知其传递函数时，可以输入
6、一特定信号X (s)，通 过对输出的观察记录得到Y(s)，再通过G(s)= Y(s)/X(s)，就可求出该环节或系统的传递函 数。这就是利用实验方法求取系统或环节传递函数的过程。3、为何要了解典型环节特性？各典型环节的特性、实例。1) 原因：因为一个实际的系统模型可以用若干个典型环节组合而成，了解典型环节的 特性，将有助于复杂系统的分析和设计。2) 各典型系统环节的特性及实例 比例环节：表达式为G (s) =K (k为增益，比例系数，放大系麴，其特点是输入 输出量成比例，无失真和时间延迟；主要实例有电子放大器、齿轮、电阻(电位器)、感应 式变送器 积分环节：表达式为G (s) =K/Tis,其
7、特点为输出量与输入量的积分成正比例。当输 入消失，输出具有记忆功能；主要实例有电动机转角速度与角度间的传递函数，模拟计算机 中的积分器。 振荡环节：表达式为G(s)=1/(T2s2+2Z Ts+1)，T为时间常数，Z为阻尼系数；其特点为环节有两个独立的储能元件，并可进行能量交换其输出出现振荡；实例为RLC电路的输 出与输入电压间的传递函数。 微分环节：主要表达式包括理想微分（G（s）=KS）、一阶微分（G（s）=T s）和二阶微分（G（s）=T 2S2+2Z T S+1）；特点是输出量正比输入量变化的速度，能预示输入信号的变化趋 势；主要实例有测速发电机输出电压与输入角度间的传递函数； 延迟环
8、节：表达式为G（s）=e-T s，其特点为输出量能准确复现输入量，但是延迟一段 纯滞时间；主要实例为管道压力、流量等物理量的控制。1. 31、典型输入信号典型输入信号包括：1）阶跃函数（指令的突然转换，电源的突然接通，负荷的突变）；2）速度函数（斜坡函数）；3）加速度函数（抛物线函数）；4）脉冲函数引入原因：在分析和设计系统时，为了比较系统性能的优劣，对于外作用信号和初始状 态做典型化处理。规定了一些具有特殊形式的试验信号作为系统的输入信号，这些典型的输 入信号反映系统的大部分实际情况，尽可能简单，便于分析处理，并且是对系统工作最不利 的信号。2、过渡过程的定义，对过渡过程的要求，过渡过程的性
9、能指标。1）定义：自动控制系统在动态过程中被控量随时间不断变化的，使系统由一个平衡状 态过渡到另一个平衡状态的过程（或者说是自动控制系统的控制作用不断克服干扰影响 的全过程。）2）过渡过程要求： 总的来说是希望实际调节过程尽可能接近与理想的调节过程 工程上有快、准、稳三方面的要求：A快速性：系统在稳定的前提下，响应的快速性是指系统消除实际输出量与稳态输出量 之间误差的快慢程度。B准确性：指在系统达到稳定状态后，系统实际输出量与给定的希望输出量之间的误差 大小，它又称为稳态精度。C稳定性:对恒值系统要求当系统受到扰动后经过一定时间的调整能够回到原来的期望 值；对随动系统，被控量始终跟踪参据量的变
10、化。3）过渡过程的性能指标 指标：超调量、过渡时间、稳态误差（余差）、衰减比、最大偏差、振荡周期等。 指标间的相互关系：对一个调节系统总是希望能够做到余差小，最大偏差小，调节时 间短，回复快。但上述几个指标往往是互相矛盾的。一般讲，抑制最大偏差，就要产生较强 的波动；要求余差小，相应的调节过程就要长些。因此，这些指标在不同的系统中其重要性 也不相同，应根据具体情况，分清主次，保证重要的指标。1. 41、常用控制器的特点（答案结合课本与百度）控制器控制方式优点缺点双位控制双位控制有最大最小两个输出值，周期长些比较有利；结构简单、成本较低、易于实现、应用普遍动作频繁，部件容易损坏多位控制控制效果比
11、双位好，位数增加，控制效果提高位数高同时使控制器复杂程度增大比例控制输出与输入成比例，反应快，控制及时，没有时 间延迟，参数整定方便产生余差比例积分控制无差控制，以比例控制为主，积分控制为辅，比例 积分作用的参数相配合积分控制缓慢，会使系统的稳定性变慢比例积分微分控制控制质量高、无余差参数整定麻烦2、控制方式的选择 当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化不大，工艺要求不高时，选用比例控制方式； 当广义对象控制通道时间常数较小，负荷变化较大，工艺要求无余差时，选用比例积分控制 方式。 当广义对象控制通道时间常数较大或容量滞后大时，采用微分作用 当广义通道时间常数较小，负荷变化很大时，选用微分作
12、用和积分作用都容易引起振荡。 如果时间常数很小时，采用反微分作用来降低系统的反应速度提高控制质量 当广义对象滞后很小或噪声严重时，应避免引入微分作用，否则会导致系统不稳定 当广义对象控制通道时间常数很大（或存在较大的纯滞后），负荷变化很大时，单回路控 制系统往往已不能满足要求，应设计其他控制方案，根据具体情况选用前馈、串级、采样等 复杂控制系统。 当对象数学模型可用G0（s）=Ke-T s/（Ts+1）近似时，则可根据纯滞后时间T与时间常数T的比值T /T来选择控制方式，即当T /T0.2时，选用比例或比例积分控制方式；当0.2t /T1时采用单回路控制系统，往往不能满足要求，应选用其他控制方
13、案。3、调节作用的实现方法 模拟式：如气动调节器、电动调节器都属于模拟调节器，其气压、电流、电压信号随 时间连续变化； 数字式调节器：DCS，单回路（半数字）；FCS （全数字）1. 61、计算机控制系统的常用形式，各自的特点。1）操作指示控制系统：（优）结构简单、控制灵活、安全可靠（缺）要由人工操作，速度受到人为限制，不能同时多个回路。该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据检测，处理及试验新的数学模型， 调试新的控制程序等。2）直接数字控制系统DDC：（优）计算能力强，可有效实现复杂控制，改善控制质量，提高效益；控制回路较多时，采 用DDC系统常规控制器控制系统更经济合算。3）监
14、督控制系统-SCC（优）不仅可以进行给定值控制，还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等，比DDC系统更接4）集散控制系统-DCS（优）可靠性高，速度快，结构灵活，易扩展，设计开发简单，维护简便。5）现场总线控制系统-FCS 采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少大量导线，调高可靠性和抗干扰能力； 采用统一的国际标准，不同厂家产品相互兼容，整个系统具有开放性、便于操作，维护和 扩展； 控制功能下放在现场仪表中，控制室内装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协 调控制和管理自动化等功能 硬件相对简化，初期系统投资相对较低，同时，现场总线可提供来自现场仪表的设备管理 数据作为维护的
15、参考，将非正常停工损失降为最低； 采用功能块方式组态，现场总线已有大量可满足过程控制的功能模块，如输入、输出、PID调节等 采用完全分散的数据库概念，只使用一个数据库，任何间现场总线接口的人机界面都课室 显示有关仪表与控制回路的信息。1、2. 11、常见过程控制系统的基本组成部分。检测装置的重要性。（1）检测仪表功能及组成：检测：利用适当的物理转换手段和信号形式的转换并以数量方式达成对被测物理量的确 切认识。检测仪表功能：确定被测参数的量值。（2）检测仪表的重要性：检测装置是控制系统的重要组成部分。如果系统中的控制器 是理想的，无静差的，则系统的静态误差唯一地取决于检测装置的精度等级。2、检测装置的单元形式为变送单元仪表，其两个基本组成部分。（传感器、变送器）组成：a传感器（含敏感元件）：检测仪表中的首要部件，它直接与被测对象发生联系 （但不一定直接接触），感受被测参数的变化并发出与之相适应的信号（压力变化、电 阻变化等）。b、变送器：能输出标准信号
