G (s ) = Y (s ) X (s )
第1章 基础知识
例如：在输出电压uc与输入电压ui之间有如下关系：
duc dt
=ห้องสมุดไป่ตู้
1 RC
(u i
-
uc )
经拉氏变换为：Y (s ) =
1 X (s )
(RCs + 1)
则阻容环节的传递函数G(s)为： G (s ) = Y (s ) = 1 X (s ) RCs + 1
以水池水位控制为例，说明人工控制系统与自动控制系统。
两者对比可知，一般自控应有以下几部分： (1)测量元件(感知被控量)； (2)比较元件(感知与要求比较得到偏差)； (3)调节元件(偏差按调节规律变为控制信号)；(4)执行元件(执行控制)。
重庆大学城市科技学院
通常用方框图表示控制系统的组成以及各组成部分信号传送的关系。 上述水池水位控制方框图如下。所以，控制系统的元件作用图，简称方框 图。
按要求给出相应的控制信号。 • 计算机式：以计算机为中心控制单元，以测试仪
表、执行机构等单元为外围设备的系统。
重庆大学城市科技学院
第1章 基础知识
二、自动化及仪表发展 从自动控制系统结构看，经历四个阶段： 1、20世纪50年代以基地式控制器组成的控制系统； 2、20世纪60年代以单元组合仪表组成的控制系统； 3、20世纪70年代出现了计算机控制系统； 4、20世纪80年代以后出现二级优化控制。
用方框图表示阻容环节，就可将填入其中。如图。 当系统或环节的物理过程不清，不知其传递函数时，可以输入一特定 信号X(s)，通过对输出的观察记录得到Y(s)，传递函数公式，就可求出该环 节或系统的传递函数。这就是在工程中利用实验求取系统或环节传递函数 的方法。
重庆大学城市科技学院
第1章 基础知识
传递函数的优点： 比较简单；当系统输入典型信号时，输出与传递函数有一定的关系； 零极点分布决定系统响应过渡过程。
重庆大学城市科技学院
第1章 基础知识
第二节 传递函数与环节
一、方块图与传递函数
方块图：控制系统的元件作用图用一个方块表示，一个方块可以对应 于一个元件或一个设备，或几个设备的组合，或一个局部生产过程， 代表一个环节。
拉普拉斯变换：一种积分变换，微积分函数 代数幂函数，微分方程 代数方程。
重庆大学城市科技学院
第1章 基础知识
积分环节：输出信号正比于输入信号对时间的积分，传递 函数为：
G (s) K Ti s
式中 Ti——积分时间；K——比例系数。
重庆大学城市科技学院
第1章 基础知识
微分环节：
a. 理想微分环节：输出量与输入量的变化速度成正比，其传
递函数为：
G (s ) = Td s
重庆大学城市科技学院
City College Of Science and Technology,Chongqing University
城市水工程仪表与控制
陈俐
重庆大学城市科技学院
第一章 自动控制基础知识
第一节 自动控制系统的作用与构成
一、控制仪表的分类： • 基地式：检测控制显示组合在一起的仪表。 • 单元组合式：在系统规定的统一的通讯方式下，
传递函数：一个环节或一个自动控制系统，输出拉氏变换与输入拉氏 变换之比。拉氏变换基础上，以系统本身参数描述的线性定常系统输 入量与输出量的关系式，表达了系统内在的固有特性，与输入量无关。
用Y(s)代表输出的拉氏变换，用X(s)代表输入的拉氏变换，则传递函数
G(s)可表示为：
重庆大学城市科技学院
每个组成部分用一个方框表示，并标上名称，通常又称为环节。 信号用箭头表示。信号可有分支点(分成多路输出)和相加点(多个倍 号的代数相加)。
重庆大学城市科技学院
介绍几个常用的控制理论和控制工程专用术语： (1)被控量和控制量(Controlled variable and controlling variable)： 被控量是指被测量和被控制的量或状态，如水箱水位； 控制量是由控制器要改变的量或状态，它能影响被控量值，如给水阀开 度。 (2)对象(Plant)：一般是设备或装置，通常被控物体称为对象，如阀门。 (3)系统(system)：系统是指与完成一定任务有关的部件组合。系统可以 是物理系统，也可是特定的动态现象，如股市、或汇率、或人口的变化。 (4)扰动(disturbance)：是指对系统输出量产生不利影响的因素或信号。 如果扰动来自于系统内部，称为内部扰动；如果扰动来自于系统外部，则 称为外部扰动。如进水管内压力增大或降低，显然会改变进水流量大小， 这种因素对系统来说是外部扰动。如果水箱发生渗漏，则是内部扰动。
重庆大学城市科技学院
二、自动控制系统的构成 通过前面的分析，可以看出，自控系统的基本元件构成： (1)整定元件：也称给定元件，给出了被控量应取的要求值。 (2)测量元件：检测被控量的大小，并将信号传送。也叫做传感器。高精 度传感器，决定自控系统的好坏，是自控系统最重要的基础工作。 (3)比较元件：得出给定值与被控量的偏差，常用差动放大器、电桥等。 在计算机控制系统中，可直接进行数值计算，不需要特定的比较元件。 (4)放大元件：将差信号放大，输出控制信号驱动执行机构。 (5)执行元件：执行控制命令，推动被控对象。如电机、电动阀等。 (6)校正元件：用于改善系统的动、静态性能。 (7)能源元件：用于提供控制系统所需的能量。
必须指出，开环控制和闭环控制之间的基本区别在于有无负反馈作用。
重庆大学城市科技学院
第1章 基础知识
(2)按干扰补偿。控制原理是：需要控制受控对象的被控量，测量干扰 信号，利用干扰信号产生控制作用，以减小或抵消干扰对被控量的影响， 故称为按干扰补偿，也可称顺馈控制。
由于测量的是干扰，故只能对可测量的干扰信号进行补偿。控制精度受 到原理的限制。常用于电源系统稳压、稳频控制。
第1章 基础知识
第三节 自动控制系统的过渡过程及品质指标
一、典型输入信号 为了比较系统性能优劣，需对输入信号和初始状态做典型化处理。 规定控制系统的初始状态均为零状态，规定了一些尽量简单，便于分析， 并让系统工作最不利的试验信号作为典型系统输入信号。一般常用的有 四种典型输入函数信号。 (1)阶跃函数。如图。其表达式为：
多种扰动
在控制精度与稳定性
矛盾
控制及时、具有 一定的自适应能 力可克服多种干 扰、调节精度高
缺点
元件多，线路复杂。不能消除偏差,只能克
控制滞后
服所测量的扰动
重庆大学城市科技学院
第1章 基础知识
自动控制系统的其他分类方法： 4、线性连续控制系统
这类系统可以用线性微分方程式描述。按参数量的变化规律不同又可分 为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。
重庆大学城市科技学院
第1章 基础知识
方框中列数学式，可表征该环节的数学形式，该数学式称为传递函数。 自控系统由控制器和控制对象组成。通常把自控系统的被控量叫做 系统输出量。而把外界输入系统的量叫做系统输入量。一般系统的输入 有两类：给定输入和扰动输入。如图。
重庆大学城市科技学院
通过前面讨论，可以看出自控系统的工作原理： 测量元件测得被测量，变换为输入量→比较元件将其与给定值比较算 出偏差→偏差经放大、调节运算，得出使被控量回归的要求值→执行元件 产生控制动作，使偏差消除或减少。这种自控系统的主要特点是： (1)信号的传送。输出量经测量回送到输入端，构成闭环，称为反馈，反 馈有正、负反馈两种方式。负反馈闭环是这种自动控制系统结构特点。 (2)控制的产生。由偏差产生控制作用，使系统沿减少或消除偏差方向运 动。由偏差产生控制作用叫做偏差控制。 具有上述两个特点的自动控制系统叫做反馈控制系统、闭环控制系统或 偏差控制系统。这一系统的工作原理叫做反馈控制原理。
控制系统 恒值系统 随动系统 程序系统
特点
应用
输入量和被控量为常值
恒温箱温度控制
流量等控制系统
输入量不断地任意变化，被控量 雷达跟踪系统
随之变化
测量仪中变送器
给定值按一定时间程序变化
滤池反冲洗过程控制
重庆大学城市科技学院
第1章 基础知识
5、线性定常离散系统。 6、非线性控制系统。 7、SISO系统和MIMO系统。
重庆大学城市科技学院
第1章 基础知识
三、自动控制系统的分类 从信息传送的特点或系统的结构特点，控制系统可分为开环控制系统和 闭环控制系统，以及开环和闭环构成的复合控制系统。 1、闭环控制。
比较机构
给定值
偏差 调节器
调节阀
干扰
被调参数 调节对象
测 量
测量变送
闭环控制按箭头方向传递信号有三大特点： ①封闭(闭环)；②负反馈； ③按偏差控制。因此，闭环控制也称为反馈控制或按偏差控制。
二、典型环节的动态特性及传递函数 动态特性：当输入信号加入环节，其输出信号随时间变化的规律。 自控系统是按其动态特性来分类。尽管构造、原理不同，但只要它们
的传送函数相同，动态特性就相同。所以，各种自控系统都可用五种 基本典型环节来概括。掌握这些基本环节的动态特性，了解其连接方 式，就能熟练地掌握自控系统。五种基本的典型环节及其动态特性介 绍如下：
第1章 基础知识
按系统的结构特点
系统 项目
反馈/闭环控制
前馈/开环控制
复合/前馈-反馈 控制
给定值或干扰量的大 被控变量的偏差
控制依据 被控变量的偏差
小
干扰量的大小
发生时间 偏差出现后
偏差出现前
优点
结构简单、投资省、控制及时、不受系统
操作方便、消除或 滞后的影响、补偿较
减小偏差、可克服 为频繁的扰动、不存
重庆大学城市科技学院
第1章 基础知识
3、复合控制。 虽然干扰控制较反馈控制简单，但要求扰动可测，且每个干扰单独需 一个补偿装置。因此，常常把按偏差控制与按干扰控制相结合，主要干 扰采用干扰补偿控制；同时对被控量采用按偏差控制的反馈系统，消除 其他偏差，提高控制效果。这种控制方式称为复合控制方式。