南京邮电大学《自动化导论》课程报告
题目：自动控制系统的基本环节和分类专业：
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日期： 2016 年 12 月 15日
自动控制系统的基本环节、分类及负反馈
摘要：
自动控制系统（automatic control systems）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。
简称自控系统。
按照百度百科，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。
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。
反馈又称回馈，是控制论的基本概念，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。
反馈可分为负反馈和正反馈。
前者使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；后者使输出起到与输入相似的作用，使系统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。
对负反馈的研究是控制论的核心问题。
另外有电流负反馈的理论。
关键字：
控制器、被控对象、执行机构、变送器、给定信号、负反馈
1自动控制系统的基本环节
关于自动控制系统有哪几个基本环节，常见的说法有以下几种，一说：自动控制系统一般是由对象(被控制的过程)、控制器、变送器和调节阀4个环节组成；二说：自动控制系统一般是由传感器、调节器、执行器和被控对象所组成的闭环(或开环)控制系统。
三说：简单的过程控制系统一般由调节器(控制器执行器、被控对象(被控过程)和测量变送等环节组成；四说：系统由被控对象和自动控制装置(包括检
测仪表、调节仪表、执行器)组成五说：执行单元是构成自动控制系统的重要组成部分。
任何一个最简单的控制系统也必须由检测环节、调节单元及执行单元组成。
按照百度百科，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。
这与第三种说法最为贴近。
1.1变送器
变送器（transmitter）是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。
传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。
不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。
变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器、电流变送器、电压变送器等等。
1.2控制器
控制器（英文名称：controller）是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。
1.3被控对象
在自动控制系统中，一般指被控制的设备或过程为对象，如反应器、精馏设备的控制，或传热过程、燃烧过程的控制等。
从定量分析和设计角度，控制对象只是被控设备或过程中影响对象输入、输出参
数的部分因素，并不是设备的全部。
1.4执行机构
对于执行机构最广泛的定义是：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。
因为越来越多的工厂采用了自动化控制，人工操作被机械或自动化设备所替代，人们要求执行机构能够起到控制系统与阀门机械运动之间的界面作用，更要求执行机构增强工作安全性能和环境保护性能。
在一些危险性的场合，自动化的执行机构装置能减少人员的伤害。
某些特殊阀门要求在特殊情况下紧急打开或关闭，阀门执行机构能阻止危险进一步扩散同时将工厂损失减至最少。
对一些高压大口径的阀门，所需的执行机构输出力矩非常大，这时所需执行机构必须提高机械效率并使用高输出的电机，这样平稳的操作大口径阀门。
2自动控制系统的分类
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。
2.1恒值控制系统
恒值控制系统这类控制系统的输入量是一个常值，故又称为调节器。
但由于扰动的影响，被控量会偏离输人量而出现偏差，控制系统便根据偏差产生控制作用，以克服抗动的影响，使被控量恢复到给定的常值。
因此，恒值控制系统分析设计的重点是研究各种抗动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。
在恒值控制系统中，输入量可以随生产条件的变化而改变，但是输入量一经调整后被控量就应与调整好的输入量保持一致。
图1刨床速度控制系统就是一种恒值控制系统，其输入量u0是常值。
此外，还有温度控制系统压力控制系统液位控制系统等。
在工业控制中，如果被控量是温度、流量、压力、液位等生产
过程参量时，这种控制系统则称为过程控制系统，它们大多数都属于恒值控制系统。
图1 龙门刨床速度控制系统原理图
2.2随动控制系统
这类控制系统的输入量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随输入量的变化，故又称为跟踪系统。
在随动系统中，扰动的影响是次要的，系统分析设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。
图2的函数记录仪便是典型的随动系统，在随动系统中如果被控量是机械位置或其导数时，这类系统称之为伺服系统。
图2 函数记录仪原理图
2.3程序控制系统
这类控制系统的输入量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。
机械加工使用的数字程序控制机床便是一例，如图3所示。
程序控制系统和随动系统的输入量都是时间函数，不同之处在于前者是已知的时间函数，后者则是未知的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。
图3 数字程序控制机床
3负反馈
将一个系统的输出信号的一部分或全部以一定方式和路径送回到系统的输入端作为输入信号的一部分，这个作用过程叫——反馈。
按反馈的信号极性分类，反馈可分为正反馈和负反馈。
若反馈信号与输入信号极性相同或变化方向同相，则两种信号混合的结果将使放大器的净输入信号大于输出信号，这种反馈叫正反馈。
正反馈主要用于信号产生电路。
反之，反馈信号与输入信号极性相反或变化方向相反（反相），则叠加的结果将使净输入信号减弱，这种反馈叫负反馈放大电路和自动控制系统通常采用负反馈技术以稳定系统的工作状态。
负反馈的取样一般采用电流取样或电压取样。
因为负反馈有其独特的优点，在实际放大器中得到了广泛的应用，它改变了放大器的性能。
采用负反馈使得放大器的闭环增益趋于稳定，消除了开环增益的影响。
电子线路中阻抗匹配是一重要问题，负反馈还影响着放大器输入和输出阻抗，电压混合使输入阻抗增高，电流混合使输入阻抗降低; 电流取样使输出阻抗增高，电压取样使输出阻抗降低。
利用负反馈还可大大减少放大器在稳定状态下所产生的失真，并可减弱放大器内部各种干扰电平。
利用负反馈还可展宽放大器的频带，使得放大器的幅频特性变得比较平坦。
因此，负反馈可大大提高放大器的放大质量，改善许多性能指标，而且反馈越深，改善的程度也愈大，但过深的负反馈又可能引起放大器不能正常工作而导致自激，因而一个稳定的负反馈放大器通常不超过三级。
4结束语
中国拥有世界最大的工业自动控制系统装置市场，传统工业技术改造、工厂自动化、企业信息化需要大量的工业自动化系统，市场前景广阔。
工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。
基于工业自动化控制较好的发展前景，预计2015年工业自动控制系统装置制造行业市场规模将超过3500亿元。
随着工业自动控制系统装置制造行业竞争的不断加剧，大型工业自动控制系统装置制造企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的工业自动控制系统装置制造企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对产业发展环境和产品购买者的深入研究。