自动控制原理简明教材胡寿松
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自动控制原理第一章胡寿松.
第一章
控制系统导论
要把数吨重人造卫星送入数百公里高空的轨道， 使其所携带的各种仪器能长期使用、准确地工作， 就必须保持卫星的正确姿态，使它的太阳能电池一 直朝向太阳，无线电发射天线一直指向地球；
第一章
控制系统导论
• 要使数控机床能加工出高
• 精度的工件，就必须保证 • 其工作台或刀架的进给量 • 准确地按照程序指令的设 • 定值变化； 要想使轮船安全顺利 的航行，就必须按照 领航员的命令改变尾 舵的方向；
2. 《自动控制原理》高国燊，华南理工大学出版 社； 3.《自动控制原理》第二版 ，夏德钤，机械工业 出版社 4.《自动控制理论》第二版，文锋、贾光辉，中 国电力出版社。
第一章
控制系统导论
主要内容
• • • • • • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 控制系统导论 控制系统的数学模型 控制系统的时域分析法 控制系统的根轨迹分析法 控制系统的频域分析法 控制系统的校正
第一章
控制系统导论
信息控制类专业最重要的专业基础课之一
自动控制原理
电子信息学院控制理论与控制工程课程组
第一章
控制系统导论
学时安排： • • • • 总学时：60学时 理教学时：54学时 实验学时：6学时 考核方式：闭卷
第一章
控制系统导论
★参考书
1.《自动控制原理》第五版，胡寿松，科学出版 社；（使用教材）
控制系统导论
家用电器：
• 电扇：控制转速
• 洗衣机：控制水位、强弱、时间等
• 电冰箱、空调、电饭煲：控制温度
第一章
控制系统导论
智能建筑：
通信 电梯 供水 通风
空调
安防
抄表
…
《自动控制原理》胡寿松自动控制原理简明教程第5章详解
bm1s bm an1s an
➢ 惯性环节：1/(Ts+1)，式中T>0
➢ 一阶微分环节：(Ts+1)，式中T>0
➢ 积分环节：1/s
➢ 微分环节：s
➢ 振荡环节：1/[(s/ωn)2+2ξs/ωn+1]；式中ωn>0，0 < ξ <1 ➢ 二阶微分环节：(s/ωn)2+2 ξ s/ωn+1；式中ωn>0，0 < ξ <1
线性分度，单位是分贝（dB）；对数相频曲线的纵坐标按 φ(ω) 线性分度，单位是度（°）。由此构成的坐标系称为 半对数坐标系。
ω和lgω的关系表
① ω轴为对数分度， 即采 用相等的距离代表相等的 频率倍增，在伯德图中横 坐标按μ=lgω均匀分度。 ② ω=0在对数分度的坐标系中的负无穷远处，ω =0不可能 在横坐标上表示出来，横坐标上表示的最低频率由所感兴 趣的频率范围确定。 ③ 从表中可以看出，ω的数值每变化10倍， 在对数坐标 上lgω相应变化一个单位。 频率变化10倍的一段对数刻度 称为“十倍频程”， 用“dec”表示。
arctg
2
曲线起自幅角
为－v90°的
无穷远处。
1. 极坐标图的起点
2T T 2
2
tan
1
2T T 2 2
1
0 L 0dB
-40
0 90
0
180
L 20 lgT 2 40 lgT
180
n
1 T
90
1 10 TT
40dB dec
(a) (b)
➢ 延迟环节
Gs eTs
G j e jT G j 1 G j T
精确曲线
自动控制原理_胡寿松_第五版_第一章_绪论(简)
ua u0 ke
图1-12 直流电动机转速闭环控制方框图
闭环控制的特点：
① 控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏差信号，由
偏差产生对系统被控量的控制；
② 信息的传递路径为一个闭合的环路，称为闭环。 ③ 控制精度高，抗干扰能力强。
闭环控制系统的典型方框图如图所示。
输入 偏差 输出
+
-
控制器
人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。比如，人可以用 手拿到放在桌上的书等物，体现了闭环控制的原理。图1.11是直流电动机转 速闭环控制的例子。
电 位 器
功率 放大器 M 电动机 测速发动机 F 负载
图1-11 直流电动机转速闭环控制系统 负载扰动 给定位置 电位器 ur +uf 测速发动机 e 功率 放大器 ua 电动机 转速
优点：结构简单，调整
方便
缺点：精度差，抗干扰 性差
图1－6 直流电动机转速开环控制
当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，从而改变电动
机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的控制过程，用方框图简单直 观地表示出来。
控制精度取决于所用 元件性能的优劣及校准的
滑臂位置 电位器 转速
功率放大器
对象
测量变送元件
图1－5 控制系统典型方框图
1.2.3 自动控制中的一些术语及方框图 1.常用术语 控制对象：被控设备或物体，也可是被控过程（炉温）。 控制器：使被控对象具有所要求的性能或状态的控制设备。接收输入或偏差信 号按控制规律给出操作量，送到控制对象。
系统：一个整体，是一些部件的组合，完成一定任务。
产生影响。“防患未然”， 起到抗干扰的作用。
控制过程可用方框图表示成如图1.9所示的形式。
自动控制原理课件胡寿松
系统开环频率响应相位在临界 频率处的值与180度之间的差值 。
带宽频率
系统开环幅频特性等于0.707时 的频率。
剪切频率
系统开环幅频特性等于0.707时 的频率。
稳定性与性能的关系
稳定性是控制系统的重要性能指 标，它决定了系统能否正常工作
。
系统的稳定性与其性能指标密切 相关，如系统的超调量、调节时
自动控制原理课件胡 寿松
目录
• 自动控制概述 • 控制系统稳定性分析 • 控制系统的性能指标 • 控制系统的设计方法 • 控制系统的校正与补偿 • 控制系统的应用实例
01
自动控制概述
定义与分类
定义
自动控制是利用控制装置，使被 控对象按照预设规律自动运行的 系统。
分类
开环控制系统、闭环控制系统、 复合控制系统等。
通过分析系统的频率特性 ，研究系统的稳定性、带 宽和阻尼特性。
现代控制理论设计方法
状态空间法
01
基于系统的状态方程进行系统分析和设计，适用于线性时变系
统和非线性系统。
线性二次型最优控制
02
通过优化性能指标，设计最优控制律，适用于多输入多输出系
统。
滑模控制
03
设计滑模面和滑模控制器，使得系统状态在滑模面上滑动，适
无人机飞行控制系统通过自动控制算法，实现无人机的稳定飞行 和精确控制。
卫星姿态控制
卫星姿态控制系统通过传感器和执行机构，实现卫星的稳定指向 和精确姿态调整。
航空发动机控制
航空发动机控制系统通过调节燃油流量和点火时间等参数，实现 发动机的稳定运行和性能优化。
工业自动化控制系统的应用
智能制造
智能制造系统通过自动化设备和传感器，实现生产过程的自动化控 制和优化。
带宽频率
系统开环幅频特性等于0.707时 的频率。
剪切频率
系统开环幅频特性等于0.707时 的频率。
稳定性与性能的关系
稳定性是控制系统的重要性能指 标，它决定了系统能否正常工作
。
系统的稳定性与其性能指标密切 相关，如系统的超调量、调节时
自动控制原理课件胡 寿松
目录
• 自动控制概述 • 控制系统稳定性分析 • 控制系统的性能指标 • 控制系统的设计方法 • 控制系统的校正与补偿 • 控制系统的应用实例
01
自动控制概述
定义与分类
定义
自动控制是利用控制装置，使被 控对象按照预设规律自动运行的 系统。
分类
开环控制系统、闭环控制系统、 复合控制系统等。
通过分析系统的频率特性 ，研究系统的稳定性、带 宽和阻尼特性。
现代控制理论设计方法
状态空间法
01
基于系统的状态方程进行系统分析和设计，适用于线性时变系
统和非线性系统。
线性二次型最优控制
02
通过优化性能指标，设计最优控制律，适用于多输入多输出系
统。
滑模控制
03
设计滑模面和滑模控制器，使得系统状态在滑模面上滑动，适
无人机飞行控制系统通过自动控制算法，实现无人机的稳定飞行 和精确控制。
卫星姿态控制
卫星姿态控制系统通过传感器和执行机构，实现卫星的稳定指向 和精确姿态调整。
航空发动机控制
航空发动机控制系统通过调节燃油流量和点火时间等参数，实现 发动机的稳定运行和性能优化。
工业自动化控制系统的应用
智能制造
智能制造系统通过自动化设备和传感器，实现生产过程的自动化控 制和优化。
自动控制原理胡寿松第三版第1章
群时延
系统对信号的延迟时间随频率的变化， 反映了系统对信号速度的影响。
稳定性
通过判断系统的极点和零点分布，分 析系统的稳定性，即系统在受到扰动 后恢复平衡状态的能力。
开环频率特性的绘制和分析
开环系统的频率特性
开环系统是指没有反馈控制的系统，其频率特性由系统的开环传 递函数决定。
开环频率特性的绘制方法
自动控制系统的基本要求
总结词
自动控制系统的基本要求包括稳定性、快速性和准确 性。
详细描述
稳定性是自动控制系统的基本要求之一，它是指系统 在受到扰动或输入信号变化时，能够恢复到原来的平 衡状态或达到新的平衡状态的性能。快速性则是指系 统能够快速地响应输入信号的变化，减小调节时间和 超调量。准确性则是指系统能够准确地跟踪输入信号 的变化，减小误差和提高控制精度。这些基本要求相 互关联，在实际应用中需要根据具体情况进行权衡和 优化。
构建方法
通过将系统各部分表示为方框， 并使用信号线连接，构建出整个 系统的动态结构图。
应用
动态结构图便于对控制系统进行 直观分析和设计，可以用于模拟 系统的动态行为和输出响应。
梅森公式
定义
梅森公式是控制系统分析中的一种重要公式，用 于计算系统的传递函数。
公式形式
梅森公式以级数展开的形式表示传递函数，可以 用于分析系统的稳定性、频率响应等特性。
自动控制原理胡寿松第三版 第1章
• 自动控制系统的基本概念 • 自动控制系统的数学模型 • 控制系统的时域分析法 • 控制系统的频率分析法
01
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的定义与组成
总结词
自动控制系统是由控制器、受控对象和反馈通路组成，通过自动调节输入信号，使输出 信号按照预定规律变化。
自动控制原理(胡寿松)第三章ppt
非线性控制系统
非线性控制系统是指系统中各部分之间的数学关 系不能用线性方程描述的系统。非线性控制系统 具有非均匀性和非叠加性，分析和设计较为复杂 。
控制系统的基本要求
稳定性
稳定性是控制系统的基本要求之一，是指系统受到扰动后能够回到原始平衡状态的能力。系统稳定性的判断依据是系 统的极点和零点分布情况。
实验法
通过系统输入和输出数据的实验测量，采用系统辨 识的方法得到系统的数学模型。
混合法
结合解析法和实验法的优点，先通过机理分 析建立部分数学模型，再通过实验数据进行 系统参数的调整和优化。
控制系统数学模型的分类
线性时不变系统
描述线性、时不变系统的动态特性，是最常 见的控制系统数学模型。
非线性系统
描述非线性系统的动态特性，其数学模型通 常较为复杂。
时变系统
描述时变系统的动态特性，其数学模型中包 含时间变量。
离散系统
描述离散时间系统的动态特性，其数学模型 通常采用差分方程或离散状态方程。
控制系统数学模型的转换与化简
01
线性化处理
将非线性系统通过泰勒级数展开 等方法转换为线性系统，便于分 析和设计。
化简模型
02
03
模型降阶
对复杂的控制系统模型进行化简 ，如采用等效变换、状态空间平 均等方法。
控制系统设计的步骤与方法
选择合适的控制策略
根据系统特性和要求选择合适 的控制算法。
控制器设计
基于系统模型设计控制器，满 足性能指标。
确定系统要求
明确控制目标，确定性能指标 。
系统建模
建立被控对象的数学模型，为 后续设计提供依据。
系统仿真与调试
通过仿真验证设计的有效性， 并进行实际调试。
非线性控制系统是指系统中各部分之间的数学关 系不能用线性方程描述的系统。非线性控制系统 具有非均匀性和非叠加性，分析和设计较为复杂 。
控制系统的基本要求
稳定性
稳定性是控制系统的基本要求之一，是指系统受到扰动后能够回到原始平衡状态的能力。系统稳定性的判断依据是系 统的极点和零点分布情况。
实验法
通过系统输入和输出数据的实验测量，采用系统辨 识的方法得到系统的数学模型。
混合法
结合解析法和实验法的优点，先通过机理分 析建立部分数学模型，再通过实验数据进行 系统参数的调整和优化。
控制系统数学模型的分类
线性时不变系统
描述线性、时不变系统的动态特性，是最常 见的控制系统数学模型。
非线性系统
描述非线性系统的动态特性，其数学模型通 常较为复杂。
时变系统
描述时变系统的动态特性，其数学模型中包 含时间变量。
离散系统
描述离散时间系统的动态特性，其数学模型 通常采用差分方程或离散状态方程。
控制系统数学模型的转换与化简
01
线性化处理
将非线性系统通过泰勒级数展开 等方法转换为线性系统，便于分 析和设计。
化简模型
02
03
模型降阶
对复杂的控制系统模型进行化简 ，如采用等效变换、状态空间平 均等方法。
控制系统设计的步骤与方法
选择合适的控制策略
根据系统特性和要求选择合适 的控制算法。
控制器设计
基于系统模型设计控制器，满 足性能指标。
确定系统要求
明确控制目标，确定性能指标 。
系统建模
建立被控对象的数学模型，为 后续设计提供依据。
系统仿真与调试
通过仿真验证设计的有效性， 并进行实际调试。
《自动控制原理》 胡寿松 自动控制原理简明教程(专业教学)
i 1
j1, j x
= 180 + 1 + 2 + 3 1 2 3
=180 + 56.5 + 19 + 59 技1术0教8育.5 37 90 = 79 23
n
m
zx 180 (zx p j ) (zx zi )
j 1
i1,i x
=180 117 90 + 153 + 63.5 + 119 + 121 =149.5
1）劳斯判据法 应用劳斯判据求出系统处于稳定边界的临界值K’， 由K’值求出相应的ω值。
2）代数法 把 s j 代入特征方程 1 G( j)H ( j) 0
1 1 1 0 d 0 d 1 d 5
3d 2 + 12d + 5 = 0
d1 = 0.472 d2 = 3.53(不在根轨迹上，
舍去，也可代入幅值方程看Kg>0否？) 分 离点上根轨迹的分离角为±90°。
d1 = 0.472
d 180 / k
如果方程的阶次高时，可用试技探术教法育 确定分离点。
j1, ji
p j zi
j 1
;
k 0, 1, 2,
z1
(p1－z1) ( p1－p2 )
( p1－p3 )
p3
0
p2
Im
A
a
s1
pa
3 p3
1 z1
1
0 p1
Re
p2 2
p1 180 (2k 1) ( p1 z1)
(( p1 p2 ) ( p1 p3))
例：起始角 技a 术教育180 (2k 1) 1 (1 2 232)
实轴上的交点 n
自动控制原理胡寿松第一张
时间离散：系统中存在某些信号，仅在特定旳时间点上有定义。 离散系统描述旳特点：用差分方程来描述。
•非线1-4 对自动控制系统旳基本要求
1.基本要求旳提法 2.经典外作用
怎样评价系统？
•基本要求旳提法
1.稳定性：系统在没有外加信号鼓励条件下，能否最终停留在一种 固定旳位置上。
位置测量
•电阻炉微型计算机温度控制系统
控制目旳：电炉温度在设定旳范围内。 工作原理：电阻丝经过晶闸管主电路加热。温度依托电阻丝中旳电
流大小来调整。
温度检测：热电偶。 控制器：微型计算机。 计算机控制器特点：微型计算机采用数字量，按节拍工作。
设定温度
微型计算机
D/A转换
晶闸管
炉温
电阻丝
A/D转换
热电偶
•锅炉液位控制系统
控制目的：锅炉内水位在设定范围（进水量与蒸发水量平衡）。
调整量：经过调整进水阀门开赌旳大小，变化进水量。 工作原理：由液位测量装置（变送器）测出液位信号，与设定值比
较，若液位降低，则加大阀门开度，反之则减小。
设定水位
调整器
阀门
干扰 水位
锅炉
液位测量
§1-3 自动控制系统旳分类
1.线性连续控制系统 2.线性定常离散控制系统 3.非线性控制系统
1.函数统计仪 2.飞机自动驾驶仪 3.电阻炉微型计算机温度控制系统 4.锅炉液位控制系统
•函数统计仪
控制目的：纪录笔按要求到达要求位置。
控制量：纪录笔位置。 控制对象：纪录笔。
纪录笔运动原理：给定一种电压信号，设定位移量。在输入作用下 开启电机，带动齿轮、绳系，拖动纪录笔运动。
位置精度考虑：为了使纪录笔能精确到达指定位置，应将纪录笔旳 位置测量出来，用来反馈。
自动控制原理-胡寿松-第二章
G(s)
C(s) R(s)b0 s m a Nhomakorabea s n
b1sm1 a1sn1
bm1s bm an1s an
bm
(1s
1)(
2 2
s
2
222s 1)
式中， i
an (T1s 1)(T22s2 22T2s
、T j 称为时间常数；
1)
(is 1)
(2) t≥0 时 f(t)是分段连续的
(3) ∫ ∞ f(t)e -st dt <∞
0
f(t)的拉氏变换为：
F(s)=∫
∞ 0
f(t)e-stdt
记作 F(s)=L[f(t)]
拉氏反变换为：
f(t)=L-1 [F(s)]
第一节控制系统的时域数学模型
2．常用函数的拉氏变换
(3()1(6))单单指位位数斜阶函坡数跃函函数e-数att I(t)
(Tjs 1)
m
K bm
K*
(zi )
i
为传递系数或增益。
an
n
( p j )
j 1
第二节控制系统的复数域数学模型
三、 典型环节的传递函数
不同的物理系统，其结构差别很大。但若 从系统的数学模型来看，一般可将自动控制系 统的数学模型看作由若干个典型环节所组成。 研究和掌握这些典型环节的特性将有助于对系 统性能的了解。
第二节控制系统的复数域数学模型
1．比例环节
放大倍数
微分拉氏方反程变: 换得c(:t)=Kr(t) c(取t)=拉K氏变换:
单位阶跃响应曲线
得传递函数: Gcr(((tts)))
K
自动控制原理教学大纲胡寿松
自动控制原理课程教学大纲◆层次：☑本科☐专科◆课程英文名称：Automatical control principle◆课程类别：本科选☐通识必修☐通识选修☑专业必修☐专业选修专科选☐公共必修☐公共选修☐职业技术必修☐职业技术选修◆适用专业：自动化◆配套教学计划：2011级教学计划◆开课系部：自动化系◆学分：5◆学时：80 其中：实验（实践）学时：10 ；课外学时：0◆执笔人：张海燕教研室审核人：张海燕系部审核人：一、课程性质和教学目标《自动控制原理》是自动化专业的一门必修课，通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基本原理和概念，并具备对自动控制系统进行分析，计算，实验的初步能力，为专业课的学习和参加控制工程实践提供必要的理论基础。
通过对本课程的学习，要求学生掌握自动控制的基本理论和基本分析方法，能应用控制理论对自动控制系统进行性能分析，能对系统进行校正和提出改善系统性能的途径和方法，具体要求如下：1．掌握常规控制器和自动控制系统的组成及其相互关系。
2．了解对自动控制系统的性能要求及分析系统性能的方法。
3．掌握用传递函数，方框图，信号流图及状态空间描述建立系统数学模型的方法。
4．掌握常规控制器的基本控制规律、动态特性和对控制系统的作用。
5．掌握对控制系统进行分析和综合的方法：时域分析法、频域分析法、根轨迹法及状态空间分析法。
6．初步掌握控制系统的校正和设计方法，为解决实际问题打好基础。
7．掌握脉冲传递函数的概念，了解离散控制系统的一般分析方法。
8．初步了解非线性系统的基本知识。
二、本课程与其他课程的联系与分工本课程在自动化专业教学计划中被列为专业基础课,本课程以工程数学、电路、电机拖动等为前序课程,也是过程控制系统等课程必需的理论基础，因此本课程的学习对全面掌握各门专业课程起着重要的作用。
本课程的重点是第三、第四、第五章章，次重点是第一、第二章，一般章节为六章。
三、教学内容和教学方式第一章自动控制的一般概念（4学时）（一）教学要求（1）明确什么是自动控制；正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念；（2）正确理解三种控制方式，特别是闭环控制；（3）初步掌握由系统工作原理画方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式；（4）明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的方式；（5）明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。
第4章自动控制原理课件胡寿松..
2.零极点表示法主要用于根轨迹分析中。
2018年10月5日
EXIT
第4章第7页
开环有两个极点：
开环没有零点。 闭环特征方程为：
p1= 0， p2=－2
D(s) = s2 +2s + Kg = 0
解得闭环特征根（亦即闭环极点）
s1 1 1 K g , s2 1 1 K g
s2 : 0 (s2 p1 ) (s2 p2 ) (116.6 ) (63.4 ) 180
满足相角条件， s2在根轨迹上。
2018年10月5日 EXIT 第4章第16页
（2）. 用幅值条件确定kg的值
Kg
s p sz
i 1 j 1 m
n
j
180 2k 1 180 2k 1 nm 3
-5
θ1
-2 -1 0
σ
k时， 0 k 时， 1 1 60 2 180 当 ；当 ；当 根轨迹的起点和三条渐近线如图4.4所示。
s p1 s p2 s z1 s z2
s pn s zm
各开环极点至测试点向量长度之积 各开环零点至测试点向量长度之积
i
例：求上例中根轨迹上 解：
s2 (0.5, j1) 点对应的Kg 。
K g s2 p1 s2 p2 0.5 j 0 0.5 j 1 1.118 1.118 1.25
EXIT
第4章第10页
由上述分析过程可知，系统的根轨迹分析的意义在于：
由较易获取的开环零极点分布分析闭环极点的性质，从而， 对系统的动态性能和稳态性能进行分析。 但是，试探法不是绘制根轨迹的最合适方法，而且也 太费时间。对于高阶系统，用这种解析的方法绘制出系统 的根轨迹图是很麻烦的。实际上，闭环系统的特征根的轨 迹都是根据开环传递函数与闭环特征根的关系，以及已知 的开环极点和零点在根平面上的分布，按照一定的规则用
自动控制原理(胡寿松)第一章ppt课件
智能家居
智能家居是自动控制系统在家庭生活中的应用，通过智能家居设备 实现家庭生活的智能化和自动化。
交通工具
交通工具是自动控制系统的重要应用领域之一，如自动驾驶汽车、无 人机等，通过自动化控制技术提高交通工具的安全性和效率。
03
控制系统的传递函数
线性时不变系统的描述
线性时不变系统
在一定的输入下，输出量与输入量成正比，且与 时间无关的系统。
稳定的。
05
控制系统的性能指标
时域性能指标
峰值时间
控制系统达到其最大超调量的 时间。
调节时间
控制系统从设定值稳定到误差 带内的所需时间。
上升时间
控制系统输出从0上升到稳态值 所需的时间。
最大超调量
控制系统输出超过稳态值的最 大偏差量。
频域性能指标
幅值裕度
系统开环频率响应幅值下降到稳态值所需的 分贝数。
传递函数的性质
01
02
传递函数具有复数域上的函数性质，如连续 性、可微性等。
传递函数的分子和分母都是多项式，且分 母多项式的阶数高于分子多项式的阶数。
03
04
传递函数的计算方法
根据系统的结构图或微分方程，计算传递 函数。
05
06
通过系统元件的传递函数，组合得到整个 系统的传递函数。
04
控制系统的稳定性分析
03 如果劳斯表格中的所有符号都是负的，则系统是 稳定的；否则，系统是不稳定的。
奈奎斯特稳定判据
01
02
03
奈奎斯特稳定判据是通 过分析系统的频率响应 来判定系统稳定性的方
法。
它基于奈奎斯特曲线（频 率响应曲线）的计算，通 过判断奈奎斯特曲线是否 包围点（-1，0）来确定
智能家居是自动控制系统在家庭生活中的应用，通过智能家居设备 实现家庭生活的智能化和自动化。
交通工具
交通工具是自动控制系统的重要应用领域之一，如自动驾驶汽车、无 人机等，通过自动化控制技术提高交通工具的安全性和效率。
03
控制系统的传递函数
线性时不变系统的描述
线性时不变系统
在一定的输入下，输出量与输入量成正比，且与 时间无关的系统。
稳定的。
05
控制系统的性能指标
时域性能指标
峰值时间
控制系统达到其最大超调量的 时间。
调节时间
控制系统从设定值稳定到误差 带内的所需时间。
上升时间
控制系统输出从0上升到稳态值 所需的时间。
最大超调量
控制系统输出超过稳态值的最 大偏差量。
频域性能指标
幅值裕度
系统开环频率响应幅值下降到稳态值所需的 分贝数。
传递函数的性质
01
02
传递函数具有复数域上的函数性质，如连续 性、可微性等。
传递函数的分子和分母都是多项式，且分 母多项式的阶数高于分子多项式的阶数。
03
04
传递函数的计算方法
根据系统的结构图或微分方程，计算传递 函数。
05
06
通过系统元件的传递函数，组合得到整个 系统的传递函数。
04
控制系统的稳定性分析
03 如果劳斯表格中的所有符号都是负的，则系统是 稳定的；否则，系统是不稳定的。
奈奎斯特稳定判据
01
02
03
奈奎斯特稳定判据是通 过分析系统的频率响应 来判定系统稳定性的方
法。
它基于奈奎斯特曲线（频 率响应曲线）的计算，通 过判断奈奎斯特曲线是否 包围点（-1，0）来确定
自动控制原理电子课件胡寿松版
π
- 取其解中的最小值，S1,2= 得ωntp= ±jωωd n √1- 2
e 由σ%=
h(t)=
h(tp) －h(∞)
1－h(∞) 1
√1- 2
100%
-
e 得 σ% = -π ωnt sin(ωd t +β
100%
)
（0 ﹤ ≤ 0.8） 由包络线求调节时间
设系统特征方程为： 劳思表介绍
s6+2s5+3s4+4s3+5s2+6s+7=0
• 课件10先要讲清H1和H3的双重作用，再讲分解就 很自然了。
• 课件11 ､12 ､13是直接在结构图上应用梅逊公式 ，制作者认为没必要将结构图变为信号流图后再 用梅逊公式求传递函数。
说明3
• 课件17~30为第三章的内容。
• 课件17~19中的误差带均取为稳态值的5%，有超 调的阶跃响应曲线的上升时间为第一次到达稳态 值的时间。
1 按扰动的全补偿
Gn(s)
N(s )
R(s) E(s )
k1 T1s+1
k2
C(s
s(T2s+1) )
令R(s)=0,En(s) = -C(s) =
s
(T1s+1)+ k1Gn(s) (T1s+1)(T2s+1) + k1k2
N(s)
令分子=0，得Gn(s) = - (T1s+1)/k1
2 按扰动的稳t态从补0→偿∞全过设程系统这稳就定是，按N(扰s)=动1/的s ,则全补偿
串联
并联
反馈
G1 G2
G1
G1
G2
G2
G1 G2
- 取其解中的最小值，S1,2= 得ωntp= ±jωωd n √1- 2
e 由σ%=
h(t)=
h(tp) －h(∞)
1－h(∞) 1
√1- 2
100%
-
e 得 σ% = -π ωnt sin(ωd t +β
100%
)
（0 ﹤ ≤ 0.8） 由包络线求调节时间
设系统特征方程为： 劳思表介绍
s6+2s5+3s4+4s3+5s2+6s+7=0
• 课件10先要讲清H1和H3的双重作用，再讲分解就 很自然了。
• 课件11 ､12 ､13是直接在结构图上应用梅逊公式 ，制作者认为没必要将结构图变为信号流图后再 用梅逊公式求传递函数。
说明3
• 课件17~30为第三章的内容。
• 课件17~19中的误差带均取为稳态值的5%，有超 调的阶跃响应曲线的上升时间为第一次到达稳态 值的时间。
1 按扰动的全补偿
Gn(s)
N(s )
R(s) E(s )
k1 T1s+1
k2
C(s
s(T2s+1) )
令R(s)=0,En(s) = -C(s) =
s
(T1s+1)+ k1Gn(s) (T1s+1)(T2s+1) + k1k2
N(s)
令分子=0，得Gn(s) = - (T1s+1)/k1
2 按扰动的稳t态从补0→偿∞全过设程系统这稳就定是，按N(扰s)=动1/的s ,则全补偿
串联
并联
反馈
G1 G2
G1
G1
G2
G2
G1 G2
《自动控制原理》胡寿松自动控制原理简明教程课件
2020年1月15日
第1章第6页
1.1 引言
2020年1月15日
EXIT
第1章第7页
一、控制系统基本概念
1. 控制（Control ）：根据某种原理或方法，使特定对象 （被控对象）的某些物理量（被控量）按照预期规律变化 的操纵过程。
2.人工控制（Manual Control）：由人直接或间接操作执 行装置的控制方式。
2020年1月15日
第1章第20页
自动控制实例实例3（示意图）炉温控制系统
炉温控制系统的理想温度由电压ur给出，热电偶检测箱温输出 电压uf，偏差电压ue= ur- uf，经电压和功率放大后控制电机的速度 和转向，从而改变调压器滑动触头的位置，改变炉温控制系统的
外施电压达到恒定炉温的目的。
2020年1月15日
2020年1月15日
第1章第13页
电位计+连杆—人脑：记住水位的期望值； 浮子—人眼：观察水池的实际水位； 电位计+连杆—人脑： 反映误差（=水位的期望值-实际值）； 电动机—人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。
是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望 值与实际值间的差值减为0，即误差为0。
第1章第21页
炉温自动控制系统方框图
扰动
Tr 给定装置 ur + ue 放大器 ua 电机减速器 调压器 -
2020年1月15日
EXIT
第1代的高新技术让 导弹长上了“眼睛”和 “大脑”，利用负反馈 控制原理去紧紧盯住目 标
2020年1月15日
第1章第18页
人造地球卫星 控制其准确地进入预定轨道运行并回收
哈勃望远镜－特殊地卫星
中巴资源卫星
2020年1月15日
自动控制原理课件第六版第一章胡寿松
控制系统的性能指标
性能指标
描述控制系统在特定条件下表现出的性能特征的参数或标准。性能指标是控制系统设计和评价的重要 依据，常见的性能指标有超调量、调节时间、稳态误差等。
性能指标的确定
根据实际应用需求和系统要求，选择合适的性能指标，并进行相应的计算和分析。性能指标的选择和 确定需要考虑系统的动态特性和稳态特性，以及系统的抗干扰能力和鲁棒性等。
03
控制系统的数学模型
微分方程
定义
微分方程是描述控制系统动态行为的数学模型，它描述了系统输出 变量对时间的变化率与输入变量之间的关系。
建立方法
通过分析系统的工作原理和物理特性，列出系统各部分之间的物理 量关系，然后转化为微分方程。
求解方法
常用的求解微分方程的方法包括分离变量法、常数变易法、线性化 法等。
02
控制系统的基本概念
开环与闭环控制系统
开环控制系统
系统的输出只受输入信号的控制，系统没有反馈回路，即系统输出对系统没有 控制作用。开环控制系统结构简单，控制精度低，容易实现，但抗干扰能力差。
闭环控制系统
系统的输出量能够直接或间接地反馈到输入端，并构成一个闭合回路。闭环控 制系统具有较好的抗干扰能力，能够实现精确控制，但系统结构复杂，设计和 调试难度较大。
自动控制系统的工作流程
输入信号通过传感器检测 被控对象的输出，并转换 为控制器可以接收的信号。
控制信号通过执行器作用 于被控对象，调节其工作 状态。
ABCD
控制器根据输入信号和设 定值进行比较，根据控制 算法计算出控制信号。
被控对象的输出信号通过 传感器检测并反馈给控制 器，形成一个闭环控制回 路。
传递函数
定义
传递函数是描述线性时不变控 制系统动态特性的数学模型， 它描述了输出变量与输入变量
自动控制原理课件第一章 胡寿松
⑴ 恒值控制系统 输入信号是恒定常值，被控量也是一个与之对应的常值， 输入信号是恒定常值，被控量也是一个与之对应的常值，当外 界有扰动时，系统要求被控量保持为一个不变的常值。 界有扰动时，系统要求被控量保持为一个不变的常值。如电压控制 系统。对系统的要求是稳定性和稳态误差。 系统。对系统的要求是稳定性和稳态误差。 ⑵ 随动系统 输入信号是时间的任意函数，其变化规律事先不知道。系统要 输入信号是时间的任意函数，其变化规律事先不知道。 求输出量以尽可能小的误差跟随输入信号的变化。系统分析、 求输出量以尽可能小的误差跟随输入信号的变化。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。 的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。 ⑶程序控制系统 这类控制系统的输入信号是按预定规律随时间变化的函数, 这类控制系统的输入信号是按预定规律随时间变化的函数,要 求被控量迅速、准确地复现. 求被控量迅速、准确地复现.机械加工使用的数字程序控制机床便 是一例. 是一例. 22
第一章
自动控制的一般概念
1
1.1 1.2 1.3 1.4
自动控制的基本原理与方式 自动控制系统示例 自动控制系统的分类 对自动控制系统的基本要求
2
1.1 自动控制的基本原理与方式
1.1.1 自动控制技术及其应用 自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器 自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器，使被 控对象或过程自动地按预定的规律运行。 控对象或过程自动地按预定的规律运行。 应用：工业、农业、交通、国防、宇航、社会。 应用：工业、农业、交通、国防、宇航、社会。 自动控制的优点： 节省人力； 自动控制的优点：① 节省人力； 提高系统的精度； ② 提高系统的精度； 可以完成人工控制系统无法完成的工作。 ③ 可以完成人工控制系统无法完成的工作。 自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分 3
胡寿松.自动控制原理简明教程[m]自控1
![胡寿松.自动控制原理简明教程[m]自控1](https://img.taocdn.com/s3/m/91b59a0fe2bd960590c67779.png)
反馈信号
•方框图中的几种表示法：
输入量 环节名称 输出量 (或特性)
r
(+)
e=r-b 或 r
(-)
e=r-b
(-)
c c
引出点 c
b (b)
b
(a)
(c)
闭环控制
+ ug uf
放大器 热电偶
给定电位计
-
Δu
放大器
工件
ua
热处理炉 阀门 煤气 混 合 器
电动机
M
动画： 开闭环控制比较 Ti 给定 装置
•开环控制
+
GT V udo M 给定信号 (电压)
扰动量
ug
晶闸管可 触发 控整流器 器 控制装置
(b) 方块图
输出量
(转速) 受控对象
电动机
(a) 原理图
•控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。 •前馈控制(开环)
+ ug
ui +udo R
放大 i 器 (a) 原理图
M 负载 n ug
第一章 自动控制的一般概念
1.1 一般概念 1.2 基本控制方式 1.3 控制系统的类型 1.4 对控制系统的基本要求
End
1.1 一般概念
1.2 1.3 1.4
何谓控制 何谓自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用控制 装置使被控对象按照预定的技术要求进行工作。 手动控制 自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控 制的系统，它由被控对象和控制装置组成。 自动控制理论所研究的问题 •被控对象 ：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被控对 象是控制系统的主体，例如火箭、锅炉、机器人、电冰箱等。 控制装置则指对被控对象起控制作用的设备总体，有测量变换 部件、放大部件和执行装置。 •被控量 ：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的 物理量。被控量又称输出量、输出信号 。 •给定值 ：是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物 理量。给定值又称输入信号、输入指令、参考输入。 •干扰量 ：除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干 扰。干扰又称扰动。
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自动控制原理简明教材胡寿松
图书目录
前言
第一章控制系统导论
1-1 自动控制的基本原理
1-2 自动控制系统示例
1-3 自动控制系统的分类
1-4 自动控制系统的基本要求
习题
第二章控制系统的数学模型
2-1 傅里叶变换与拉普拉斯变换2-2 控制系统的时域数学模型
2-3 控制系统的复数域数学模型2-4 控制系统的结构图与信号流图2-5 数学模型的实验测定法
习题
第三章线性系统的时域分析法
3-1 系统的时域性能指标
3-2 一阶系统的时域分析
3-3 二阶系统的时域分析
3-4 高阶系统的时域分析
3-5 线性系统的稳定性分析
3-6 线性系统的稳态误差计算
习题
第四章线性系统的根轨迹法
4-1 根轨迹法的基本概念
4-2 常规根轨迹的绘制法则
4-3 广义根轨迹
4-4 系统性能的分析
习题
第五章线性系统的频域分析法
5-1 频率特性
5-2 典型环节与开环系统频率特性5-3 频域稳定判据
5-4 频域稳定裕度
5-5 闭环系统的频域性能指标
习题
第六章线性系统的校正方法
6-1 系统的设计与校正问题
6-2 常用校正装置及其特性
6-3 串联校正
6-4 反馈校正
习题
第七章线性离散系统的分析
7-1 离散系统的基本概念
7-2 信号的采样与保持
7-3 ｚ变换理论
7-4 离散系统的数学模型
7-5 离散系统的稳定性与稳态误差
7-6 离散系统的动态性能分析
习题
第八章非线性控制系统分析
8-1 非线性控制系统概述
8-2 常见非线性特性及其对系统运动的影响8-3 描述函数法
习题。