自动控制的一般概念和基本要求

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自动控制的一般概念

1-1自动控制的基本原理与方式

自动控制技术及其应用在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称控制对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。

在国民经济各部门中，由于广泛应用了自动控制技术，改善了劳动条件，提高了生产品质和劳动生产率。近几十年来，随着电子计算机技术的发展和应用，在宇宙航行、导弹制导以及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具有特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会生活中，自动控制已成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。

自动控制理论自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用装备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析和设计。

60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，采用的方法是以状态为基础的时域法。目前，自动控制理论还在继续发展，并且已跨越学科界限，正向已控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论发展。

自动控制原理基本概念总结

《自动控制原理》基本概念总结

1.自动控制系统的基本要求是稳定性、快速性、准确性

2.一个控制系统至少包括控制装置和控制对象

3.反馈控制系统是根据被控量和给定值的偏差进行调节的控制系统

4.根据自动控制系统是否形成闭合回路来分类，控制系统可分为开环控制系统、闭环控制系统。

根据信号的结构特点分类，控制系统可分为：反馈控制系统、前馈控制系统和前馈-反馈复合控制系统。根据给定值信号的特点分类，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。

根据控制系统元件的特性分类，控制系统可分为：线性控制系统、非线性控制系统。

根据控制信号的形式分类，控制系统可分为：连续控制系统、离散控制系统。

5.令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的特征方程

6.系统的传递函数完全由系统的结构和参数决定

7.对复杂系统的方框图，要求出系统的传递函数可以采用梅森公式

8.线性控制系统的特点是可以应用叠加原理，而非线性控制系统则不能

9.线性定常系统的传递函数，是在零初始条件下，系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换的比。

10.信号流图中，节点可以把所有输入支路的信号叠加，并把叠加后的信号传送到所有的输出支路。

11.从控制系统稳定性要求来看，系统一般是具有负反馈形式。

12.组成控制系统的基本功能单位是环节。

13.系统方框图的简化应遵守信号等效的原则。

14.在时域分析中，人们常说的过渡过程时间是指调整时间

15.衡量一个控制系统准确性／精度的重要指标通常是指稳态误差

16.对于二阶系统来说，系统特征方程的系数都是正数是系统稳定的必要条件

1自动控制的一般概念

用“○”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反，“+”号代表两号代表比较元件，“ 号代表两者符号相反，“ 者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。
原理方框图：原理方框图：
调节器 h0 比较器机械杠杆
-
执行机构活塞检测机构浮子
被控对象 q1(t) 水箱
h(t)
这就是负反馈控制系统，检测偏差，这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调使偏差减小，最后直至消除偏差。节，使偏差减小，最后直至消除偏差。 ——按偏按偏差控制。差控制。
1945年美国人Bode “网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础。主要内容：对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等。
3). 现代控制理论时期（50年代末年代初）现代控制理论时期（年代末年代初）年代末-60年代初
• （3）.准确性：指过渡过程结束后稳态误差准确性：）准确性越小越好。越小越好。 • 稳态误差：指过渡过程结束后，也就是进入稳态误差：指过渡过程结束后，稳态过程后，稳态过程后，希望的输出量与实际输出量之间的误差，是恒量系统稳态精度的重要指标。间的误差，是恒量系统稳态精度的重要指标。

春考自动控制专业大纲

课程名称：自动控制原理

适用专业：控制科学与工程、信息与通信工程

参考书目：胡寿松，《自动控制原理》(第六版) ，科学出版社，2017 年

考试内容:

第一章自动控制的一般概念

1-1 自动控制的基本原理与方式

1-2 典型自动控制系统及其分析

1-3 自动控制系统的分类

1-4 对自动控制系统的基本要求

1-5 自动控制系统分析与设计工具

第二章控制系统的数学模型

2-1 控制系统的时域数学模型

2-2 控制系统的复数域数学模型

2-3 控制系统的结构图与信号流图（只要求结构图）

第三章线性系统的时域分析法

3-1 系统时间响应及性能指标

3-2 一阶系统的时域分析

3-3 二阶系统的时域分析

3-5 线性系统的稳定性分析

3-6 线性系统的稳态误差分析与计算

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 根轨迹绘制的基本法则

4-3 广义根轨迹

4-4 系统性能的分析

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的频率特性5-3 频率域稳定判据

5-4 稳定裕度

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

第七章线性离散系统的分析与校正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

第八章非线性控制系统的分析

8-1 非线性控制系统的概述

8-2 常见非线性特性及其对系统运动的影响8-3 相平面法

8-4 描述函数法

自动控制的基本控制原理与方式

被控量：飞机的俯仰角。
2020/2/15
俯仰角控制系统原理方框图
1-3 自动控制系统的分类
2020/2/15
一、系统类型
按给定值操纵的开环控制
按控制方式分
按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制
复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅
恒值系统液位恒值控制
按给定值变化规律分随动系统天线随动控制
2、随动控制系统 •输入信号是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信号的变化。又称为跟踪系统。 •函数记录仪，雷达系统。
2020/2/15
3、程序控制系统 •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、准确的复现输入信号。 •数控机床。
2020/2/15
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、参考输入。
（6）偏差(error)
参考输入信号与反馈信号之差称为偏差信号（e= r - y）。
2020/2/15
（6）干扰量(disturbance)
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。干扰是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。
- 放大器
uf
测速机
2020/2/15

自动控制原理_详解

H 流出 Q2
水位自动控制系统
•给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度； •测量装置：
气动阀门流入 Q1
控制器
浮子水箱 H 流出 Q2
浮子；
•比较装置：控制器刻度盘； •干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；
水位自动控制系统
由此可见：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。

定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。
工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。
稳：指动态过程的平稳性。
快：指动态过程的快速性。准：指动态过程的最终精度。
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稳：
指动态过程的平稳性
控制系统动态过程曲线
如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线①所示；反之，输出如曲线②所示，则系统是不稳定的。
平衡位置附近的小偏差线性化
输入和输出关系具有如下图所示的非线性特性。
北京航空航天大学
在平衡点A（x0，y0）处，当系统受到干扰，y 只在A附近变化，则可对A处的输出—输入关系函数按泰勒级数展开，由数学关系可知，当 x 很小时，可用A处的切线方程代替曲线方程（非线性），即小偏差线性化。

自控基本知识

（一）基本概念

自动控制是指用专用的仪表和装置组成控制系统，以代替人的手动操作，去调节空调参数，使之维持在给定数值上，或是按给定的规律变化，从而满足空调房间的要求。现在国内自动控制采用的方法，都是先测出调节参数对给定值的偏差，然后根据这个偏差，经控制系统的调节，消除干扰的影响，使调节参数再回到给定值(或允许范围)。

（二）自动控制系统的组成

目前空调自动控制系统多采用电动调节。这样的控制系统可由下面所示方块图表示：

附图：自动控制系统方块图

由于外扰的作用，调节对象的调节参数发生变化，经敏感元件测量并传送给控制机构（调节器），调节器根据调节参数对给定值的偏差，指令执行机构使调节机构动作，去调节调节对象的负荷，使调节参数回到原来的给定值。在给执行机构供电的主电路上，为使调节稳定，常装有通断机构，以便对执行机构间断供电。

（三）自动调节常用术语

1．调节参数(也叫被调参数)

需要维持数值不变或在允许范围内变化的参数，叫做调节参数。空调中的调节参数主要是温度、湿度、压力，还有水位等等。

2．给定值(也叫定值值)

就是根据需要给调节参数预先规定的不变值或波动范围，叫做给定值。例如规定维持房间温度为23±0.5℃，这个数值(即波动范围22.5～23.5℃)就是室温调节系统的给定值(范围)。

3．偏差

调节参数的实际数值同给定值之间的差值，叫做偏差。例如，规

定控制温度(给定值)为20℃，而实际却是21℃，它们相差的1℃即为偏差。

4．扰动

能引起调节参数产生偏差的因素，叫做扰动或干扰。空调中引起空调房间温度变化的因素，象室外温度变化、送风温度变化以及室内余热变化等等，都是室温的扰动。自动调节的作用，也正是为消除扰动的影响，使调节参数恒定或在要求范围内。

自动控制的基本概念

12
❖控制系统方框图
同一个控制系统可以画出多种不同形式的方框图。画方框图的原则是要能正确地表示出信号之间的联接关系，可繁可简。如图1.2.1所示的锅炉给水自动控制系统方框图，可以按虚线框把执行器、控制阀和控制对象用一个环节表示，称之为广义控制对象（也简称为控制对象），则可画出图1.2.2 所示的方框图。
23
➢开环控制系统
如果控制系统中不存在被控量的反馈回路，控制器只是根据扰动（输入）信号来进行控制，则称为开环控制系统，也称为前馈控制系统，这种作用的控制器称为前馈控制器或补偿器。图1.5.1所示的控制系统就是典型的开环控制系统。
d (t) 汽汽汽汽汽 u1(t)
汽汽汽汽汽汽汽汽汽汽汽汽
d (t)
r(t) +- e(t) 汽汽汽 u(t) ++
c(t)
汽汽汽汽
b(t)
汽汽汽汽汽汽
图1.2.2 简化的自动控制系统方框图
13
❖反馈控制系统
在图1.2.2种也采用了自动控制原理中常用的变量表
示符号。其中： c为(t被) 控量（也称系统输出）；为r(给t)
定值（或设定值，也称给定输入）； d为(t扰) 动量（也称扰动输入）；为控u制(t量) 。方框图1.2.2清楚的表示了控制系统输出[被控量 ]和输c入(t)[扰动量和给定值d (t) ] 之间的变r(t化) 关系。

第一章自动控制系统的基本概念(修改) (2)

上篇自动控制原理

第一章自动控制系统概述

本章要点

本章简要介绍有关自动控制的基本概念、开环控制和闭环控制的特点、自动控制系统的基本组成和分类以及对自动控制系统的基本要求。

第一节自动控制的基本概念

自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。自动控制系统则是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。

在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。

给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。通常情况下，系统有两种外作用信号：一是有效输入信号（以下简称输入信号），二是有害干扰信号（以下简称干扰信号）。输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值，并作用于系统的输入端。干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号，它不但可以作用于系统的任何部位，而且可能不止一个。由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制，严重时必须加以抑制或补偿。

第二节开环控制和闭环控制

自动控制有两种基本的控制方式：开环控制和闭环控制。与这两种控制方式对应的系统分别称之为开环控制系统和闭环控制系统。

一、开环控制系统开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。

自动控制一般概念与基本要求

徐寿
黄鹄号自复原动图控制的一般
华蘅芳
➢ 1866年，英国J.M. Gray设计出第一艘明轮驱动的全自动蒸汽轮船“东方”号
自动控制的一般
3.2 劳斯-赫尔维茨稳定判据—第三章 ➢ 1877年，英国E.J. Routh提出根据
多项式的系数决定多项式在右半平面的根的数目，从而将当时各种有关稳定性的孤立的结论和非系统的结果统一起来，开始建立有关动态稳定性的系统理论。
稳定性
麦克斯韦
9
自动控制的一般
➢ 1872年，俄国维什聂格拉斯基对蒸汽机的稳定性问题进行研究，在论文《论调整器的一般原理》中将线性微分方程简化成由调整对象和调整器组成的系统，同时结合直接作用于蒸汽机的调速器的特性，指出如何选择参数才能保证系统稳定。 ➢ 1878年，他还对非线性继电器型调整器进行了研究。
自动控制的一般
劳斯
14
➢ 1895年，瑞士A. Hurwitz在不了解Routh工作的情况下，独立给出了根据多项式的系数决定多项式的根是否都具有负实部的另一种方法。
这两种判据实质是一样的，都是根据特征方程的系数来判断高阶系统的稳定性。
赫尔维茨
15
自动控制的一般
3.3 李雅普诺夫稳定判据—第九章 ➢ 1892年，俄国A.M.Lyapunov在其
维什聂格拉斯基在苏联被视为自动调整理论的奠基人。

自动控制原理一般概念讲解

（5）执行器：完成控制
信号
动作
控制原理框图（控制理念）
大脑（控制器）手脚（执行器）眼睛（传感器）控制器执行装置测量装置控制对象对象
1.1 自动控制的概念

自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利用控制装置（称控制器），使整个生产过程或工作机械（称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制器与控制对象组成。
控制系统
(自动控制系统方块图的绘制)
1.2 控制原理与方式
1.开环控制
开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统,即需要控制的是被控对象的某一量(被控量),而测量的只是给定信号,被控量对于控制作用没有任何影响的系统。结构如图所示。
扰动
给定值
输出量
控制器
控制对象
按给定值操纵的开环控制原理方框图
15
经典控制理论的形成
● 1948年，维纳出版《控制论》，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。维纳成为控制论的创始人！ ●维纳《控制论》是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门自然科学中，这些因素是十分重要的。 ● 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统的总体运动状态。

自动控制理论_01自动控制的一般概念讲义

四、复合控制
补偿装置
输入信号
(-)
控制装置
输出量被控对象
自动控制系统示例
例1 家用冰箱温度控制系统
例2 温度控制系统
炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图
例3 函数记录仪
例4 水温调节系统
水温调节系统工作原理图
水温调节系统
水温调节系统方框图
例5 学科前沿——倒立摆控制系统
倒立摆系统的输入为小车的位移和摆杆的倾斜角度期望值，计算机在每一个采样周期中采集来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。
3、自动控制发展史
★前期控制(1400 BC--1900) 古巴比伦、古埃及和中国.自动计时漏壶古罗马.采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯（凯撒时代）；传说秦
陵中也存在类似装置中国. 候风地动仪.张衡（东汉）；
利用齿轮传动自动指示方向的指南车 (三国时期)；曹军将之用于盗墓宋应星所著《天工开物》记载的提花织机结构图（明末）；
按给定值控制的原理方框图
给定值
控制装置
被控制对象
被控量
直流电机转速控制系统示意图
P
电
可
电网电压
压
控
u u u 放 r大
硅

自动控制原理一般概念

代表性成果庞特里亚金的极大值原理；
贝尔曼的动态规划。特点：采用状态空间法（时域法），研究“对输入-多输出”、时变、非线性系统等高精度和高复杂度的控制问题。
1.1 控制理论的发展
经典控制理论与现代控制理论比较
项目
经典控制理论
现代控制理论
研究对象描述方法研究办法
线性定常系统（单输入、单输出）
代表性成果
1942年哈里斯引入传递函数； 1948年伊万恩提出了根轨迹法；
1949年维纳关于经典控制的专著。
特点：以传递函数为数学工具，采用频率域法，研究“单输入—单输出” 线性定常控制系统的分析和设计，而对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力。
1.1 控制理论的发展
2. 现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）
② 输入信号——箭头进入方框的信号。输入信号就是使系统这个元件发生变化的原因。
③ 输出信号——箭头离开方框的信号。在输入信号作用下，引起元件变化的结果。对于整个系统而言，系统的输出量即为被控量，而系统的输入量则有两个：一个是给定值的变化，另一个是干扰的输入。不同的干扰起作用也不同。
1.3 自动控制系统的方框图
手动控制或称人工控制；自动控制。
1.2 自动控制及自动控制系统
② 基本概念
自动化（Automation 或 Automatization） 1. 自动控制——就是指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使

自动控制原理知识点

⾃动控制原理知识点

精⼼整理

动控制的⼀般概念

第⼀章⾃

1.1⾃动控制的基本原理与⽅式

1、⾃动控制、系统、⾃动控制系统

◎⾃动控制：是指在没有⼈直接参与的情况下，利⽤外加的设备或装置（称控制装置或控制

器），使机器、设备或⽣产过程（统称被控对象）的某个⼯作状态或参数（即被控量）⾃

动地按照预定的规律（给定值）运⾏。

◎系统：是指按照某些规律结合在⼀起的物体（元部件）的组合，它们相互作⽤、相互依存，

并能完成⼀定的任务。

◎⾃动控制系统：能够实现⾃动控制的系统就可称为⾃动控制系统，⼀般由控制装置和被

控对象组成。

除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。

测量元件：⽤以测量被控量或⼲扰量。

⽐较元件：将被控量与给定值进⾏⽐较。

执⾏元件：根据⽐较后的偏差，产⽣执⾏作⽤，去操纵被控对象。

参与控制的信号来⾃三条通道，即给定值、⼲扰量、被控量。

2、⾃动控制原理及其要解决的基本问题

◎⾃动控制原理：是研究⾃动控制共同规律的技术科学。⽽不是对某⼀过程或对象的具体控

制实现（正如微积分是⼀种数学⼯具⼀样）。

◎解决的基本问题：

建模：建⽴系统数学模型（实际问题抽象，数学描述） ?分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能） ?综合：控制系统的综合与校正——控制器设计（⽅案选择、设计）

3、⾃动控制原理研究的主要内容

4、室温控制系统

5、控制系统的基本组成◎被控对象：在⾃动化领

域，

被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空⽓）。

经典控制理论现代控制理论研究对象单输⼊、单输出系统（SISO ）多输⼊、多输出系统（MIMO ）数学模型

第一章+自动控制理论的一般概念

●反馈环节：由它将输出量引出，再回送到控
制部分。
●校正元件：为了改善或者提高系统性能而在
原来系统基本结构基础上附加的参数可以灵活
调整的元件。
1.3 典型控制系统举例
自动控制原理肖理庆
典型自动控制系统方框图：
系统中各种作用量和控制量： ●输入量
1.3 典型控制系统举例
自动控制原理肖理庆
●输出量
1.2 自动控制的基本方式
自动控制原理肖理庆
●正确的认识系统工作原理及其过程； ●把系统中各个组成部分用功能框表示； ●分析各环节之间的相互作用和传递关系；
绘制系统方框图时注意事项： ●通常我们把给定信号放在方框图最左端，输出信号放在最右端。 ●从同一信号线上取出的信号，其大小和性质
1.2 自动控制的基本方式
自动控制原理肖理庆
完全相同。 ●当多种信号叠加时我们需采用比较元件。比较点输出量为各输入量的代数和，因此在信号输入处要注明它们的极性，没有标明的默认为正。开环控制系统的特点： ●结构简单、系统稳定性好、成本低。 ●一个输入一个输出一一对应。 ●在方框图中，信号单方向传递。 ●无反馈环节。 ●抗干扰能力差。
1.2 自动控制的基本方式
自动控制原理肖理庆
●系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差（误差）信号，即影响控制作用的大小。 ●抗干扰能力比较强。 ●稳定性比较差（闭环控制的副作用）。典型闭环控制系统方框图：