控制仪表考试复习资料

1、第一章自动控制基本知识第一节自动控制的基本概念一、概述 1.自动化系统的组成：任何自动化系统都是由被控对象和自动化装置两大部分组成。 2.被控对象：是指需要控制的设备、机器或生产过程。 3.自动化装置：是指自动化控制中，实现自动化的工具。 4. 生产过程自动化的内容二、人工控制与自动控制这是一个热交换器加热过程的温度控制实例。受控制的设备是一个蒸气加热物料的热交换器，工艺要求其出口处的热物料必须加热到一定的温度，高于或低于这个温度均不合格。 人工控制时，首先是人眼观察热物料出口温度，然后通过大脑的思考、比较、分析，再根据物料出口温度与所要求给定温度间的偏差大小、方向及其变化趋向，决定应把蒸气阀

2、门的开度作如何变更，最后人手按大脑发出的控制命令去开大或关小阀门，其结果将使物料出口温度与要求的给定温度相一致，这就是人工控制的全过程。 自动控制时，用仪表及一些必要的自动装置来代替人的眼、脑、手三个器官的功能。 必须指出，任何自动控制过程，都是仪表装置根据人的意志，按照预先的设计和安排来动作的，它只能减轻和代替人们的部分劳动，而不能完全彻底地取代人的作用。第二节自动控制系统一、自动控制系统的组成自动控制系统的组成1.自动控制装置：即起控制作用的全套仪表、自动装置。通常包括测量元件、变送器、制器和执行器等。2.被控对象：即控制装置所要控制的生产设备。 1.被控对象：简称对象，亦称受控过程，是在

3、自动控制系统中，需要控制工艺参数的生产设备。对象不一定就是生产设备的整个装置，一个设备也不一定就只有一个控制系统。 2.测量元件与变送器：是用来检测被控变量的变化并将其转换为一种特定信号（如水位、流量、气压、电流或机械位移等）的装置。在自动控制系统中起着获取信息的作用。它的精确度、灵敏度及可靠性直接影响自动控制系统的品质指标。 3.控制器：它接收测量元件与变送器的信号，根据被控对象的数学模型及控制所要求达到的要求，按照一定的控制规律进行运算，并输出相应的信号（气压或电流等）给执行器。当用计算机来实现控制功能时，即构成计算机控制系统。 4.执行器：它接收来自控制器的信号，改变操纵变量的大小或符号

4、，从而实现对生产过程的控制，在过程控制系统中，常用的有电动、气动执行器。 5.定值器（给定机构）：将被控变量的给定值转换成统一信号的装置，以便使给定值送入控制器和测量信号进行比较。 自动控制系统除上述基本环节外，还有其他一些辅助装置，如电源、稳压装置、气源、减圧阀、显示仪表等。 显示仪表可以接收测量元件或变送器的信号，显示被控变量的数值及趋势。在自动控制系统中亦可以显示给定值、阀位或干扰量。必要时可采用图像显示和记录仪表来显示和记录控制系统的状态。 此外还有开方器、乘方器、比值器、限幅器、选择器等。 被控变量：是指在自动控制系统中，被控对象中需要控制的那个参数。 给定值：是指在自动控制系统中，

5、被控变量要求保持的那个规定值（也称为设定值）。 干扰：是指在自动控制系统中，影响被控变量偏离给定值的各种因素。干扰是客观存在的、随机的、不可避免的，干扰不断产生。二、自动控制系统的方框图方框图的单向传递性方框图表示自动控制系统的优点：只要依照信号的流向，便可将表示各元件或设备的方框连接起来，很容易组成整个系统，与纯抽象的数学表达式相比，它还能比较直观、形象地表示出组成系统的各个部分间的相互作用关系及其在系统中所起的作用。与物理系统相比，它能更容易地体现系统运动的因果关系。三、自动控制系统的负反馈 反馈：任何一个自动控制系统都是一个闭合的回路，这种把系统的输出信号又返回到输入端的作法叫作反馈。

6、正反馈与负反馈：如果反馈信号是正的称为正反馈，如果反馈信号是负的称为负反馈。 一般情况下，自动控制系统只有采用负反馈才能得到正确预期的控制作用，所以在实际应用中，自动控制系统绝不能单独采用正反馈。第三节自动控制系统的过渡过程及品质指标一、系统的静态和动态 1.系统的静态：也称稳态，是指在自动化领域内，把被控变量不随时间而变化的平衡状态。所谓的静态与习惯上所讲的静止概念不同。 2.系统的动态：是指在自动化领域内，把被控变量随时间而变化的不平衡状态叫动态。 3.静态是暂时的、相对的、有条件的，动态是普遍的、绝对的、无条件的。研究自动控制系统应以控制的动态过程为主。二、自动控制系统的过渡过程 1.定

7、义：是指自动控制系统在动态过程中被控变量随时间而变化的过程，也就是系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的全过程，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.阶跃干扰：是指一种突如其来的变化，一经加上就不再消失，它是一种对被控变量影响最大的干扰，也是一种对生产、设备最不利的干扰，如果一个自动控制系统能承受这种干扰，能及时消除这种干扰的影响，那么该系统对于其它形式的干扰影响就一定能很容易地加以克服，同时它是一种最符合生产实际情况的干扰形式。3.系统受到阶跃干扰时，可能出现的几种基本形式（a）.单调过程：被控变量在给定值的某一侧变化，最后能回到定值。（b）.非周期发散过程：被控变

8、量在给定值的某一侧，逐渐偏离给定值，而且随时间变化，偏差越来越大，永远回不到给定值。（c）.衰减振荡过程：被控变量在给定值附近上下波动，但振幅逐渐减小，最终回到给定值。（d）.等幅振荡过程：被控变量在给定值上下波动且振幅不变，最终不能回到给定值。（e）.发散振荡过程：被控变量在给定值附近来回滑动，而且振幅逐渐增大，偏离给定值越来越远。上述5种过程可以归纳为两类：（1）稳定的过渡过程：a和c。它表明当系统受到干扰，平衡被破坏，但经过控制器的工作，被控变量能逐渐恢复到给定值或达到新的平衡状态，这是我们所希望的。（2）不稳定的过渡过程：b、d和e，b和e所示的过程是被控变量随时间的增长而无限地偏离给

9、定值。d所示的过程是介于稳定和不稳定过渡过程之间的一种临界状态，实际生产中归为不稳定的范畴，因为这意味着组成系统的各种设备、机构等将不断频繁地来回动作，各种参数也将不断大幅度地来回波动，这在实际生产中一般是不允许的。当然，对于某些控制质量要求不高的场合，如果被控变量的波动是在工艺的允许范围之内，有时也有可能采用。三、自动控制系统的品质指标 1.对控制系统的要求（稳、快、准）（1）“稳”指动态过程的平稳性，振荡应逐渐减弱，振幅和频率都不能过大。（2）“快”指动态过程的快速性，即过程的总体建立时间应有所限制，应尽快进入稳态。（3）“准”指动态过程的最终精确度，即系统进入平稳工作状态后，被控变量对给

10、定值所达到的控制精确度。准则误差小，精确度高。2.过渡过程的品质指标 峰值时间(t1)：过渡过程达到第一个峰值所需要的时间 最大偏差a：被控变量与给定值之间的最大偏差 余差c：过渡过程终了时新稳态值与给定值之差 衰减比n：过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰（或波谷）之比 建立时间（恢复时间）tp：系统受到阶跃信号作用后，被控变量从过渡状态恢复到新的平衡状态所需要的时间。通常以从干扰开始作用之时起，直至被控变量进入稳态值的规定允差范围内并不再越出所经历的时间来表示 振荡周期t：过渡过程中，同向相邻两个波峰（或波谷）之间的间隔时间 振荡频率（工作频率）：=2/t第四节自动控制系统的数学模型一、环节

11、（或系统）的特性二、动态数学模型第六节自动控制系统的分类一、有差控制系统与无差控制系统二、开环控制系统与闭环控制系统三、定值控制系统、程序控制系统和随动控制系统四、简单控制系统与复杂控制系统五、连续控制系统与断续控制系统六、线性控制系统与非线性控制系统七、单变量控制系统与多变量综合控制系统第二章自动控制系统的传递函数与典型环节第一节传递函数的概念一、传递函数的定义传递函数定义为：零初始条件下，线性定常系统输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比。二、关于传递函数的几点说明第二节基本的典型环节及其动态特性基本的典型环节分为：比例环节、积分环节/惯性环节、微分环节、振荡环节、迟延环节一、比例环节 1.定

12、义：是指某一环节，在输入信号作用下，其输出立即成比例地反应，或者说，输出量在时间上没有延迟，在形状上没有任何失真地复现输入量，但幅度大小上可以有变化。比例环节不存在惯性，并具有放大或缩小的作用，故也称其为无惯性环节或放大环节。 2.动态特性二、积分环节 1.定义：输入量随着时间积累起来得到输出量，输出信号与输入信号的这种关系叫积分关系，具有这种动态特性的环节叫积分环节。 2.动态特性：三、惯性环节四、微分环节 1.微分环节被广泛应用于自动控制系统中，用来改善系统的动态特性（主要是用来克服被控变量的滞后），有两种类型：一种称为理想微分环节；另一种叫作实际微分环节。前者只有理论意义，后者是一种近似

13、微分作用的环节，实践中易于实现。五、振荡环节 1.定义：如果环节具有两个耦合容量，它们能分别存储两种形式的能量（如一个储存电能，另一个储存磁能）。在一定条件下，这两个容量中储存的能量又能相互交换，在储存和交换过程中，一种形式的能量可以转变成另一种形式的能量，从而产生能量交换的周期性过程，这类环节叫作振荡环节。六、迟延环节第三节环节的典型连接方式环节的连接是指环节之间的输入和输出信号的传递关系，不是指各个单元在结构上的关联。 一、串联：环节的串联连接是指每一个前置环节的输出量只作用于后一个环节的输入端，并作为后一个环节的输入量，最后一个环节的输出量是整个串联环节的输出量。若干个环节串联后的总传递

14、函数等于各个环节传递函数的乘积。 二、并联：环节的并联是指每一个环节都同时受到输入信号的作用，而总的输出信号为各个环节输出信号的代数和。即若干环节并联，其总传递函数等于各个环节的传递函数的代数和，各个环节传递函数的正负号决定于其信号的极性。可由物理分析来判断。 三、反向连接：也就是反馈连接。环节的反馈连接在分析控制系统和控制设备时是经常要用到的。被控对象和控制器组成的闭环系统，就是两个环节的反馈连接。又分为负反馈和正反馈两种情况。负反馈情况：其总的传递函数为正反馈情况：其总的传递函数为反向连接其总的传递函数为第四节动态方框图及其建立过程一、动态方框图 2.动态方框图的组成：是由局部传递函数和一

15、些如下图所示的基本符号组成的。1.信号线：表示信号输入，输出通道，箭头代表信号传递方向，如(a)所示。2.传递方框：方框两侧划出输入信号线和输出信号线，方框内写入该输入、输出之间的传递函数，如(d)所示。3.综合点：也称加减点，表示几个信号相加减，叉圈信号的输出量即为诸信号的代数和，负信号需在相应信号线的箭头附近示以负号，如(c)所示。4.引出点：表示同一信号传输到几个地方，如(b)所示。二、动态方框图的建立过程第五节方框图的等效变换 等效变换：根据需要，在保证总体动态关系不变的条件下（即输入和输出关系保持不变），设法将原方框图进行逐步的归并和简化，最终变换为输入量对输出量的一个方框是非常必要

16、的，这种简化即等效变换。在变换时可以借用以下介绍的三条法则进行。一、方框图的等效变换法则 任何复杂系统的方框图，都无例外地是由串联、并联和反馈三种基本方式交织而成。 1.串联结构的等效变换：几个串联的方框图等效变换为一个方框图，则总传递函数等于各传递函数之积。 2.并联结构的等效变换：几个并联的方框图等效变换为一个方框图，则总传递函数等于各传递函数之和（代数和）。各环节传递函数的正负号决定于其信号的极性，可由物理分析来确定。 3.反馈结构的等效变换：总传递函数的分母为1加（或减）正向通道g(s)与反馈通道h(s)之积，负反馈取“”号，正反馈取“”号。二、综合点与引出点的等效挪动原则 有的结构，

17、必须设法将某些综合点或引出点的位置，在保证总传递函数不变的条件下做适当挪动，消除交叉关系之后方能进一步等效变换，以下是等效挪动的四条原则：v 1.综合点前后移动v 2.综合点之间的移动v 3.引出点后移v 4.相邻引出点之间的移动三、用梅逊公式求传递函数是一种可不经过方框图的等效变换，利用梅逊公式就可一步写出系统总传递函数的方法，梅逊公式为第三章被控对象的特性第一节对象的容积及容积系数 对象的动态特性：简称对象特性，是指被控对象受到某一干扰作用后，其输出量、被控变量究竟如何变化，变化的快慢怎样，最终变化的数值多大？ 被控对象按贮存容积数目来分，有单容对象和多容对象。单容对象只有一个贮存容积，多

18、容对象是指含有多个贮存容积的对象。一、对象的容积 1.定义：对象的容积是指对象能够存放物质或能量的能力。 2.举例：二、对象的容积系数 1.定义：容积系数是指被控变量变化一个单位时所需要对象贮存量的变化量。换句话说，就是被控变量变化一个单位，必须从对象中加入或取出物质或能量的数量。 2.表达示：第二节对象的阻力与自衡一、对象的阻力 1.凡是运动着的物体都要受到阻力的作用，所以被控对象也总是存在或大或小的阻力，这是其结构所决定的。2.定义：当被控变量发生dc变化时，就会引起输入量或输出量的微小变化dq，两者的比值就是对象的阻力。二、对象的负荷和自衡 1.对象的负荷：是指在单位时间内流入或流出被控

19、对象的物质或能量的能力。 2.对象的自衡：对象处于平衡状态对象的平衡遭到破坏对象进入新的平衡状态，没有向对象施加任何外来的控制作用，而是完全依靠被控量本身的变化来恢复平衡的现象叫作对象的自平衡，简称自衡。三、自衡的产生及其影响因素 1.自平衡率：不同的被控对象有不同的自平衡能力。一般对象自平衡能力的大小用自平衡率来表示。 2.自平衡率物理意义：是被控变量每变化1单位所能克服的扰动量。第三节对象的滞后一、对象滞后与产生的原因 1.对象的滞后：由于种种原因，往往当扰动发生后，被控变量不能立即反应，要经过一段时间的延迟后，被控变量才发生变化，这种现象叫对象的滞后。 对象滞后的原因与种类：对象在动态过

20、程中的这种滞后的原因概括起来，有两方面原因，一是传递距离；二是对象的多个容积数。前者引起的滞后现象称为传递滞后；后者导致的滞后称为过渡滞后（或称容积滞后）。二、传递滞后（） 1.传递滞后又叫纯滞后，在实际生产过程中普遍存在。 2.存在原因：因为控制阀等的安装位置与对象本身之间总有一段距离，输入量（或输出量）的改变和信息的传递均需要时间；另一方面，被控变量发生变化量要在某些气动显示仪表上反映出来，也有一个信息传递问题。传递滞后一般用表示。 3.由于传递滞后的存在，将使被控变量不能立刻跟随负荷的变化而变化，而是要等一段时间之后，才开始变化，它是单纯地延迟了被控变量开始变化的时间。从测量方面来看，如

21、果测量点选择不当，测量元件安装不合适等，也会造成传递滞后。 图中，由于进口阀门离水箱较远，它的开度l变化后，输入的水量需要经过一段较长的明渠才能进入水箱，影响液位的变化，这段时间就叫传递滞后时间。三、过渡滞后（） 1.一般说，对象的容积个数越多，则过度滞后的时间越长，过渡过程越慢。 2.传递滞后与过渡滞后尽管本质上不同，但在实际对象中，传递滞后与过渡滞后往往同时存在，很难严格加以区别，通常把两者合起来称为总滞后时间r，r=。第四章自动控制的基本方式l 控制器的控制方式：是指控制器接受了偏差信号（即控制器的输入信号）以后，它的输出信号（即控制器发出的信号）的变化方式。l 简言之，就是控制器的输入

22、信号e(t)与其输出信号u(t)的关系。l 方式：位式控制、比例控制、积分控制、微分控制。第一节位式控制一、双位控制 1.定义：执行器只有开和关两个极限位置，被控变量始终不能稳定在给定值上，总是在给定值上下波动，这种控制称为双位控制。它是自动控制的最简单形式。 2.过程特点：是位式控制的最简单形式。方式是当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小），而当测量值小于给定值时，则控制器的输出为最小（或最大）。双位控制只有两个输出值，相应的执行器也只有两个极限位置，“开”和“关”。而且从一个位置到另一个位置是极其迅速的，这种特性亦称为继电特性。 二、具有中间区的双位控制 实际生产中被控变量与给

23、定值之间总是允许有一定偏差，因此，实际应用的双位控制器都有一个中间区（有时就是仪表的不灵敏区）。1.带中间区的双位控制方式 控制方式：当被控变量上升时，必须在测量值高于给定值某一数值后阀门才“关”（或开）；而当被控变量下降时，必须在测量值低于给定值某一数值后阀门才“开”（或关）。在中间区域，阀门是不动作的。 好处：可以大大降低执行器开、闭阀门的频繁程度。 § 2.带中间区的双位控制过程 （1）带中间区的双位控制过程是被控变量在它的上限值与下限值之间的等幅振荡过程。 （2）对于双位控制过程，一般采用振幅和周期（或频率）作为品质指标。 （5）双位控制结构简单，成本较低，易于实现，因此应用

24、很普遍。 （6）常见的双位控制器有：带有触点的压力表、带有触点的水银温度计、双金属片温度计等。三、多位控制 为了改善双位控制的不足，控制器的输出可以增加一个中间值，即当被控变量在某一范围内时，执行器可以处于某一中间位置，以使系统中物料量或能量的不平衡状态得到缓和，这就构成了三位式控制方式。第二节比例控制一、什么叫比例控制 1.阀门的开度与被控变量的偏差成比例的控制，称为比例控制。换句话说，就是控制器的输出信号与输入信号之间有一一对应的比例关系。比例控制简称p控制。二、比例控制方式上式比例控制方式的数学表达式中。放大系数kp是可调的，所以比例控制器实际上是一个放大系数可调的放大器。kp愈大，在同

25、样的偏差输入时，控制器的输出愈大，比例控制作用愈强。 由上式可以看出比例控制器的输出变化量与输入偏差成正比，在时间上是没有延滞的。或者说，比例控制器的输出是与输入一一对应的。 比例控制器的传递函数为： 显然比例控制器就是一个比例环节。三、比例度及其对控制过程的影响1.比例度（也叫比例范围或比例带） （1）比例度的引入：放大系数kp的大小可以反映比例作用的强弱，但对于使用在不同情况下的比例控制器，由于控制器的输入与输出是不同的物理量，因而kp的量纲不同，这样就不能直接根据kp的数值的大小来判断控制器比例作用的强弱，所以工业生产上所用的比例控制器，一般都用比例度p来表示比例作用的强弱。 （2）定义

26、：比例度是控制器输入的相对变化量与相应的输出相对变化量之比的百分数。（3）数学表示：下面举例说明。比例度与比例放大系数的关系为：对于一个具体的比例控制器，k为常数，因此控制器的比例度p与比例放大系数kp成反比关系，比例度p愈小，放大系数kp愈大，比例控制作用越强。其中举例2.比例度对过渡过程品质的影响四、比例控制系统特点及其应用场合 1.比例控制的优缺点：（1）优点：比例控制简单、及时、快速、控制作用强。（2）弱点：就是有余差（或称稳态偏差）。当扰动发生后，经过比例控制，系统虽然能达到新的稳定，但是永远回不到原来的给定值上。这种控制称为有差控制。 2.适用场合：比例控制系统适用于干扰较小且不频

27、繁，对象滞后较小而时间常数较大，控制精确度要求不高的场合。第三节 积分控制一、什么叫积分控制 比例控制因输出信号与偏差有一一对应的比例关系，导致有余差存在。如果采取某种措施，不让输出信号与偏差信号成正比关系，而是让输出信号的变化速度与偏差信号成正比的话，就可以消除余差，这种关系的数学表达式为： 可以把上式变为： 说明，控制器的输出u与偏差e对时间的积分成正比时就是积分控制方式。凡条符合这种关系的控制，称为积分控制，简称控制。二、积分控制的动态特性 积分控制作用使阀门的变化不是与被控变量的偏差成正比，而是与被控变量变化值的大小成正比，所以要到被控变量偏离最大时动作才最快。 积分控制作用的动态特性

28、，可以用阶跃输入下的输出来说明。当控制器的输入偏差是一个幅值为a的阶跃信号时 越大，积分作用越强，它是反映积分作用强弱的一个参数，和比例度相似，习惯上都用它的倒数来表示，即。 称为积分时间(单位：min)， 越小，表示积分作用越强。 图中，当控制器的输入是一常数a时，输出是一条倾斜的直线段，其斜率就是 ，直线段与横坐标之间的面积，即表征积分作用的大小。三、积分控制的特点 1. 只要偏差存在，控制器的输出就会变化，执行器变要动作。系统就不可能稳定。只有当偏差消除时，输出信号不再变化，执行器停止动作，系统才可能稳定下来。积分控制作用达到稳定时，偏差等于0，这是一个显著特点，也是一个主要优点。由积分

29、控制器构成的积分控制系统是一个无差系统。 2.积分控制在过程控制中造成“过调”现象，及至引起被控变量的振荡，也是它的弱点。 积分控制作用是不及时的，控制过程是缓慢的，而且波动大，不易稳定。第四节比例积分控制一、什么是比例积分控制 在实际应用中总是把两种控制动作结合起来，各取其长，组成一个比例控制（p控制）为主，积分控制（i控制）为辅（主要用来消除余差）的控制器。这样，既能控制及时，又能消除余差。这种控制器称为比例积分控制器，用它实现的控制称为比例积分控制，简称pi控制。二、比例积分控制及其动态特性 1.比例积分控制的动作方式是比例与积分两种控制方式结合起来。即： 2.当输入偏差是一幅值为a的阶

30、阶跃变化时，比例积分控制器的输出是比例和积分两部分之和，其特性如下图所示。 3.由于比例积分控制方式是在比例控制的基础上加上积分控制，所以既具有比例控制作用，及时、快速的特性，又具有积分控制能消除余差的性能，因此是生产上常用的控制方式。三、pi控制的积分时间及其对过渡过程的影响 1.比例积分控制器的过渡过程曲线与参数p和ti有关 2.当缩短积分时间ti时，积分控制作用加强，克服余差的能力增加，这是有利的一面，但另一方面会使过程振荡加剧，稳定性降低，积分时间越短，振荡倾向越强烈，甚至会出现不稳定的发散振荡，这是不利的一面。 3.对pi控制器的积分时间的选择一定要慎重。第五节微分控制 微分控制的作

31、用主要是用来克服被控变量的容积滞后。 在生产过程中，有经验的技术工人总是根据偏差的大小来改变阀门开度的大小（比例作用），同时又根据偏差变化速度的大小来修正控制。这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”的作用。因而能比较有效地改善容积滞后比较大的被控对象的控制质量。一、什么是微分控制 1.定义：是指控制器的输出的变化与偏差变化速度成正比。 2.数学表达式： 3.特点：偏差的变化速度越大，微分时间越长，则控制器输出的变化也即微分作用就越大。对于一个固定不变的偏差来说，不管这个偏差有多大，由于它的变化速度为0，微分作用的输出就总为0（不利）。 按微分控制数学表达式，如果在控制器输入端加入一个阶跃输入信号(a)，则在输入信号加入瞬间（t=t0），相当于偏差信号变化速度为无穷大，从理论上讲，这时微分作用的输出也应无穷大，其动态特性如(b)所示，但实际中这种控制作用是无法实现的，称为理想微分作用。实际微分作用如(c)所示，在阶跃发生时，