自动控制原理课件第一章
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自动控制原理课件
输入输出描述仅揭 示系统在初始松弛 假定下输入输出间 的关系，不能揭示 系统的内部行为 复杂的线性系统， 求状态空间描述较 困难，可借助于直 接量测求取输入输 出描述。
A
B
动态方程能够推广 到时变情形，而传 递函数向时变情形 的推广是不成功的
C
D
若采用动态方程 描述，较容易在 计算机上对系统 进行仿真
约当规范形
3 特征值的代数重数和几何重数
det (I A) ( i ) i i ( ) i ( ) 0 则称 i 为特征值 i 的
代数重数 i
代数重数。
几何重数 i i 对应的约当小块 的个数，也是 i 对 应的线性无关特征 向量的个数。
称G(t,τ)为系统的单位脉冲响应矩阵。
元素 gij (t, ) (i 1,2,, q; j 1,2,, p)
为在系统第j个输入端单独施加单位脉冲函数 时（而其他输入为零），系统第i个输出端的 响应。 Harbin Engineering University
三 线性定常系统的传递函数矩阵
1.1.3 状态方程的对角规范形和约当规范形
对角规范形
状态方程中的 系统矩阵A具 有对角形的形 式。
约当规范形
状态方程中的 系统矩阵A具 有分块对角形 的形式。
Harbin Engineering University
一 对角线规范形
化对角规 范形的条件
当A的n个特征值
1 , 2 ,, n 两两互异时，
初始条件不为零 时如何处理？
初始条件不为零时，可以将非零的初始条件
等效成在初始时刻的一个脉冲输入。
单位脉冲函数（δ函数 ）
令
0 t t1 1 (t t1 ) t1 t t1 t t1 0
A
B
动态方程能够推广 到时变情形，而传 递函数向时变情形 的推广是不成功的
C
D
若采用动态方程 描述，较容易在 计算机上对系统 进行仿真
约当规范形
3 特征值的代数重数和几何重数
det (I A) ( i ) i i ( ) i ( ) 0 则称 i 为特征值 i 的
代数重数 i
代数重数。
几何重数 i i 对应的约当小块 的个数，也是 i 对 应的线性无关特征 向量的个数。
称G(t,τ)为系统的单位脉冲响应矩阵。
元素 gij (t, ) (i 1,2,, q; j 1,2,, p)
为在系统第j个输入端单独施加单位脉冲函数 时（而其他输入为零），系统第i个输出端的 响应。 Harbin Engineering University
三 线性定常系统的传递函数矩阵
1.1.3 状态方程的对角规范形和约当规范形
对角规范形
状态方程中的 系统矩阵A具 有对角形的形 式。
约当规范形
状态方程中的 系统矩阵A具 有分块对角形 的形式。
Harbin Engineering University
一 对角线规范形
化对角规 范形的条件
当A的n个特征值
1 , 2 ,, n 两两互异时，
初始条件不为零 时如何处理？
初始条件不为零时，可以将非零的初始条件
等效成在初始时刻的一个脉冲输入。
单位脉冲函数（δ函数 ）
令
0 t t1 1 (t t1 ) t1 t t1 t t1 0
自动控制原理课件1
一、开环控制系统、闭环控制系统和复合控制 系统
（一）开环控制系统 例
概念: 如果控制系统的输出量对系统没有 控制作用,这种系统称为开环控制系统.
输入 控制器
被控对象
输出
一、开环控制系统和闭环控制系统 举例：炉温控制系统
uc
特点：
本系统的输入量是自耦变压器的输出电压uc，输 出量是电阻炉的输出温度T； u唯一对应T；
§1-1 控制理论的发展历程
3、本课程与相关课程的关系 现制 代理 控论
过制 程系 控统
后续课程
各业 其 类课 它 专程
自动控制原理 先修课程 大 学 物 理 微 积 分 积 分 变 换 复 变 函 数 电 子 技 术 电 路 理 论 电 机 拖 动
§1-1 控制理论的发展历程
4、课程的理论体系
给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 执行 机构
§1-2 控制系统的基本概念 （三）关于传递方框图的几点说明
执行机构 直接作用于控制对象（调节机构、传 动装置、电机）
给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 执行 机构 被控 对象
§1-2 控制系统的基本概念 （三）关于传递方框图的几点说明
§1-2 控制系统的基本概念 举例: 液位自动控制系统
手臂,手
+
大 脑
M
—
目标液位
放大器
§1-2 控制系统的基本概念 一、基本术语 自动控制：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按一定的规律变化。
如液位，炉温，轧辊辊速，带钢张力等控制。
古代
在二次世界大战期间，由于军事上 的需要，雷达和火力控制系统有了 较大的发展，N.Winner在总结前 人成果的基础上发表了《控制论》 一书，标志着控制理论学科的诞生。
自动控制原理课件1
直流电动机的电枢两端， 由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，随着电枢电压值的不同， 电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改变 Ug的大小，便控制了电动机转速的高低。 系统中，Ug 是给定输入量；电动机的转速n是系统的输出量即被控量，功率放大器的电源电压波动 、放大系数漂移、拖动负载的变化等，是扰动输入量。
功 率 放 大 器
方法一：人工控制 眼（观察） 脑（判断） 手（操作） 目的：减少或消除Δh
方法二：自动控制 受控对象：水池；输出量：实际水位（h实）；输入量：要求水位（h要） 浮子——检测装置 控制电路——检测Δh，转变为电信号； 电动机——执行机构 干扰输入量：对系统输出起反作用的输入量，例如功率放大器信号的飘移。
（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。 重要性质：不满足叠加性和齐次性 注意：任何的物理系统都是非线性的，但是在一定条件下可以将某些非线性特性线性化，近似
地用线性微分方程去描述，这样就可以按照线性系统来处理。
2．连续系统和离散系统 （1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。连续系统的运动规律
可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。 （2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系
统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。
二、按给定信号分类 （1）恒值控制系统：
给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温 度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。
可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控制。
开环控制系统功能框图 任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。
功 率 放 大 器
方法一：人工控制 眼（观察） 脑（判断） 手（操作） 目的：减少或消除Δh
方法二：自动控制 受控对象：水池；输出量：实际水位（h实）；输入量：要求水位（h要） 浮子——检测装置 控制电路——检测Δh，转变为电信号； 电动机——执行机构 干扰输入量：对系统输出起反作用的输入量，例如功率放大器信号的飘移。
（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。 重要性质：不满足叠加性和齐次性 注意：任何的物理系统都是非线性的，但是在一定条件下可以将某些非线性特性线性化，近似
地用线性微分方程去描述，这样就可以按照线性系统来处理。
2．连续系统和离散系统 （1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。连续系统的运动规律
可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。 （2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系
统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。
二、按给定信号分类 （1）恒值控制系统：
给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温 度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。
可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控制。
开环控制系统功能框图 任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。
自动控制原理课件 黄坚第一章
第一节 自动控制与自动控制系统
一、自动控制的基本概念 二、控制系统的基本构成 及控制方式
第一节 自动控制与自动控制系统
一、自动控制的基本概念
自动控制： 自动控制： 自动控制示意图
给定值 被控量
在无人直接参与下， 在无人直接参与下，利用控制装制操 受控对象 控制器 纵受控对象， 纵受控对象，使受控对象的被控量按给定 信号变化。 信号变化。 检测元件 控制装置 自动控制原理的主要任务： 自动控制原理的主要任务： 自动控制系统 受控对象 。 分析和设计自动控制系统的性能。 分析和设计自动控制系统的性能
的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力 差，控制精度不高。
二、按干扰补偿的开环控制
定义：利用干扰信号产生控制作用， 定义：利用干扰信号产生控制作用，以 及时补偿干扰对被控量的直接影响。 及时补偿干扰对被控量的直接影响。
干扰
测量
被控量
计算
执行
受控对象
特点：只能对可测干扰进行补偿，不可测干扰以及受控对象、 特点：只能对可测干扰进行补偿，不可测干扰以及受控对象、 各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控 各功能部件内部参数变化对被控量的影响， 制。 适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。 适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。
流入 Q1
气动阀门 浮子 水箱 H
浮子； 浮子；
流出 Q2
•比较装置： 比较装置： 比较装置 控制器刻度盘； 控制器刻度盘； •干扰： 干扰： 干扰 水的流出量和流入量的 变化都将破坏水位保持 恒定； 恒定；
水位自动控制系统
第一节 自动控制与自动控制系统
例 水温自动控制系统 系统组成： 系统组成： 通过电机调 控制器 节阀门的开度 电机 从而调节蒸 工作原理： 工作原理 汽流入， ： 汽流入，控制 加入给定信号 自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是： 自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是： 现没有人直接 检测实际温度 在无人直接参与情况下，只利用控制装置操纵被控对 在无人直接参与情况下， 参与的自动水 产生控制信号 使被控制量等于给定值。 象，使被控制量等于给定值。 温控制. 温控制
第一章自动控制原理(1)(共59张PPT)
分类：正反馈和负反馈 一定的给定值对应一定的输出量。
下面是非线性系统的一些例子： 如步进电机，继电器开关。 人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造许多装置。 C 麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题。
负反馈控制原理 ：利用反馈产生偏差，并利用 低精度元件可组成高精度系统；
❖ 1786年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心 调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。
5
瓦特
6
瓦特的蒸汽机
7
离心调速器工作原理
8
工作原理：进入蒸汽缸中的蒸汽量，可根据蒸汽机
的希望转速与实际转速的差值自动地进行调整。它的 工作原理是：根据希望的转速，设置输入量(控制量) 。如果实际转速降低到希望的转速值以下，则调速器 的离心力下降，从而使控制阀上升，进入蒸汽机的蒸 汽量增加，于是蒸汽机转速随之增加，直至上升到希 望的转速值时为止。反之，若蒸汽机的转速增加到超 过希望的转速值，调速器的离心力便会增加，造成控 制阀向下移动。这样就减少了进入蒸汽机的蒸汽量， 蒸汽机的转速也就随之下降，直到下降至希望的转速 时为止。
对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无 法自动补偿。。
28
主要特点：
输出不影响输入，对输出不需要测量，容易实现；
对构成系统的元部件精度要求高，只有元部件精度 高，系统的精度才能高；
系统的稳定性不是主要问题
结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳 定和扰动信号较弱的场合
29
按扰动控制的开环控制方式：
❖ 闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、 外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制 精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加）；系统 设计、分析麻烦。
下面是非线性系统的一些例子： 如步进电机，继电器开关。 人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造许多装置。 C 麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题。
负反馈控制原理 ：利用反馈产生偏差，并利用 低精度元件可组成高精度系统；
❖ 1786年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心 调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。
5
瓦特
6
瓦特的蒸汽机
7
离心调速器工作原理
8
工作原理：进入蒸汽缸中的蒸汽量，可根据蒸汽机
的希望转速与实际转速的差值自动地进行调整。它的 工作原理是：根据希望的转速，设置输入量(控制量) 。如果实际转速降低到希望的转速值以下，则调速器 的离心力下降，从而使控制阀上升，进入蒸汽机的蒸 汽量增加，于是蒸汽机转速随之增加，直至上升到希 望的转速值时为止。反之，若蒸汽机的转速增加到超 过希望的转速值，调速器的离心力便会增加，造成控 制阀向下移动。这样就减少了进入蒸汽机的蒸汽量， 蒸汽机的转速也就随之下降，直到下降至希望的转速 时为止。
对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无 法自动补偿。。
28
主要特点：
输出不影响输入，对输出不需要测量，容易实现；
对构成系统的元部件精度要求高，只有元部件精度 高，系统的精度才能高；
系统的稳定性不是主要问题
结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳 定和扰动信号较弱的场合
29
按扰动控制的开环控制方式：
❖ 闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、 外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制 精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加）；系统 设计、分析麻烦。
自动控制原理【课件】第1章
(3) 反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。 虽然在实际系统中, 反馈控制系统的形式是多样的, 但一般 均可化为图1 - 4的形式。
第一章自动控制的一般概念
1.2.2 线性控制系统和非线性控制系统
按照系统是否满足叠加原理, 系统可分为线性系统和非线性
系统两类。
在线性控制系统中, 组成控制系统的元件都具有线性特性。
式中：u(t) —系统的输入量；y(t) —系统的输出量。 线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系 统的输入分别为r1(t)和r2(t)时，对应的输出分别为c1(t) 和c2(t)，则当输入为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为 c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中为a1、a2为常系数。
第一章自动控制的一般概念
1、线性系统 由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线 性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系 统。其运动方程一般形式为:
y a1 y
( n)
( n1)
an y bou(n) bu(n1) bn1u bnu an1 y 1
在控制系统中, 反馈的概念非常重要。在图1-4中, 如果将反
馈环节取得的实际输出信号加以处理, 并在输入信号中减去这 个反馈量, 再将结果输入到控制器中去控制被控对象, 这样的反 馈称为负反馈; 反之, 若由输入量与反馈量相加作为控制器的输 入, 则称为正反馈。在一个实际的控制系统中, 具有正反馈形式 的系统一般是不能改进系统性能的, 而且容易使系统性能变坏, 因此不被采用; 而具有负反馈形式的系统, 它通过自动修正偏离
值。一旦室内温度达到设定值后, 放大器输出电压e使空调断电
而停止运行。于是室内温度就被控制在设定值的附近。
第一章自动控制的一般概念
1.2.2 线性控制系统和非线性控制系统
按照系统是否满足叠加原理, 系统可分为线性系统和非线性
系统两类。
在线性控制系统中, 组成控制系统的元件都具有线性特性。
式中：u(t) —系统的输入量；y(t) —系统的输出量。 线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系 统的输入分别为r1(t)和r2(t)时，对应的输出分别为c1(t) 和c2(t)，则当输入为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为 c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中为a1、a2为常系数。
第一章自动控制的一般概念
1、线性系统 由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线 性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系 统。其运动方程一般形式为:
y a1 y
( n)
( n1)
an y bou(n) bu(n1) bn1u bnu an1 y 1
在控制系统中, 反馈的概念非常重要。在图1-4中, 如果将反
馈环节取得的实际输出信号加以处理, 并在输入信号中减去这 个反馈量, 再将结果输入到控制器中去控制被控对象, 这样的反 馈称为负反馈; 反之, 若由输入量与反馈量相加作为控制器的输 入, 则称为正反馈。在一个实际的控制系统中, 具有正反馈形式 的系统一般是不能改进系统性能的, 而且容易使系统性能变坏, 因此不被采用; 而具有负反馈形式的系统, 它通过自动修正偏离
值。一旦室内温度达到设定值后, 放大器输出电压e使空调断电
而停止运行。于是室内温度就被控制在设定值的附近。
自动控制原理课件(第一章)
自动控制原理
18
基本控制方式
开环控制
触发器 晶闸管
Ld
Ug
Ud
M
图2：开环直流调速系统
自动控制原理
19
基本控制方式
优点：简单、稳定、可靠。若组成系统 的元件特性和参数值比较稳定，且外界 干扰较小，开环控制能够保持一定的精 度。
自动控制原理
20
基本控制方式
缺点： 当电动机的负载、交流电网的电压 以及电动机的励磁稍有变化时，电 Ug 动机的转速就会随之而变化，不能 再维持 所期望的转速。
自动控制原理
27
闭环控制系统的组成
6校正元件： 用以改善系统控制质量的装置。 校正元件分为串联和并联两种。 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和 反馈元件等共同起控制作用，统称为1、稳定性（稳） 指动态过程的平稳性。 2、快速性（快） 指动态过程中的快速性。 3、准确性（准） 指动态过程的最终精度。
自动控制原理
15
基本术语
F2
浮子
F1
h0
u
功率 放大器
Ud
拖动 电动机
w
图1：液面自动调节系统
自动控制原理
16
基本控制方式
开环控制 闭环控制
自动控制原理
17
基本控制方式
开环控制
概念描述： 如果系统的输出量没有与其参考 输入相比较，即系统的输出量与输入 量间不存在着反馈通道，这种控制方 式叫做开环控制。
自动控制原理
41
实例分析
火 炮 放大器 电动机
r
电位器
齿 轮
c
r
+
-
电位器
放大器
第1章--自动控制原理课件
45
下面从系统特性角度分类。 一、按系统构成元件是否线性分类 1 线性控制系统 由线性元件构成的系统是线性控制系统。或者 说，如果系统满足叠加原理，则称其为线性系统。 2 非线性控制系统 在控制系统中，如果有一个以上的元件具有非 线性，则称这个系统为非线性控制系统。或者说， 如果不能应用叠加原理，则系统是非线性的。 严格地说，绝对的线性控制系统是不存在的。 为了简化，在一定条件下，可以对某些非线性特性 作线性化处理。这样，非线性控制系统就可以近似 为线性控制系统。
22
指出：被控对象、测量元件、比较机构、放大机构 和执行机构 该系统方框图：
23
三、方框图的画法： 用方框表示系统中的各个组成部件，在每个 方框中填入它所表示部件的名称或其功能函数的 表达式，而不必画出它们的具体结构。 根据信号在系统中的传递方向，用有向线段 依次把它们连接起来，就得到整个系统的框图。
3
经典控制理论（20世纪60年代以前）：主 要解决单输入单输出问题，所研究的系统多半 是线性定常系统。 现代控制理论：20世纪60年代， 随着高精 度数字计算机的诞生，为解决复杂控制系统提 供了实现上的可能性。现代控制理论涉及多变 量控制系统、最优控制理论、系统辨识与模式 识别、最优估计、自适应控制、自学习控制、 模糊控制、专家系统、神经元及其网络控制等 等。
4
第二节 自动控制系统的一般概念
一、自动控制技术及其应用
1 自动控制： 在没有人直接参与的条件下，通过 控制器使被控对象或过程自动地按 要求的规律运行。 2 自动控制系统： 能够完成自动控制功能的基本体 系，称为自动控制系统。 3 自动控制理论： 分析与综合自动控制系统的理论称 为自动控制理论。 4 应用： 自动控制技术已经应用在工程、军事和科 学技术等各个领域，包括：航空、航天、 航海、冶金、机械、能源、电子、生物、 医疗、化工、石油、建筑等。 5
下面从系统特性角度分类。 一、按系统构成元件是否线性分类 1 线性控制系统 由线性元件构成的系统是线性控制系统。或者 说，如果系统满足叠加原理，则称其为线性系统。 2 非线性控制系统 在控制系统中，如果有一个以上的元件具有非 线性，则称这个系统为非线性控制系统。或者说， 如果不能应用叠加原理，则系统是非线性的。 严格地说，绝对的线性控制系统是不存在的。 为了简化，在一定条件下，可以对某些非线性特性 作线性化处理。这样，非线性控制系统就可以近似 为线性控制系统。
22
指出：被控对象、测量元件、比较机构、放大机构 和执行机构 该系统方框图：
23
三、方框图的画法： 用方框表示系统中的各个组成部件，在每个 方框中填入它所表示部件的名称或其功能函数的 表达式，而不必画出它们的具体结构。 根据信号在系统中的传递方向，用有向线段 依次把它们连接起来，就得到整个系统的框图。
3
经典控制理论（20世纪60年代以前）：主 要解决单输入单输出问题，所研究的系统多半 是线性定常系统。 现代控制理论：20世纪60年代， 随着高精 度数字计算机的诞生，为解决复杂控制系统提 供了实现上的可能性。现代控制理论涉及多变 量控制系统、最优控制理论、系统辨识与模式 识别、最优估计、自适应控制、自学习控制、 模糊控制、专家系统、神经元及其网络控制等 等。
4
第二节 自动控制系统的一般概念
一、自动控制技术及其应用
1 自动控制： 在没有人直接参与的条件下，通过 控制器使被控对象或过程自动地按 要求的规律运行。 2 自动控制系统： 能够完成自动控制功能的基本体 系，称为自动控制系统。 3 自动控制理论： 分析与综合自动控制系统的理论称 为自动控制理论。 4 应用： 自动控制技术已经应用在工程、军事和科 学技术等各个领域，包括：航空、航天、 航海、冶金、机械、能源、电子、生物、 医疗、化工、石油、建筑等。 5
精品课件-自动控制原理-第1章 绪论
1876年，俄国学者N.A.维什涅格拉诺基发表著作《论调速器的 一般理论》，对调速器系统进行了全面的理论阐述。
1927年，布莱克（H.S.Black）发现了采用负反馈线路的放大 器，放大器系统对扰动和放大器增益变化的敏感性大为降低。
1932年，奈奎斯特（H.Nyquist）采用频率特性表示系统，提
出了频域稳定性判据，很好地解决了Black放大器的稳定性问
第一章 绪论
8
自动控制 原理
1.2 反馈控制的基本原理
动态系统的反馈控制的概念,其核心思想是对一个系统的输 出量进行检测, 然后反馈到输入端与参考输入相比较，得到 的偏差信号经控制器的变换运算后,驱动执行机构,以使被控 对象的输出量能按照参考输入的要求变化。为了实现精确的 控制,应满足四个基本的要求。第一， 系统必须一处于稳定 状态。第二，系统输出必须跟踪控制输入信号。 第三， 系 统输出必须尽量克服来自扰动输入的响应 。虽然在设计中 使用的模型不是完全精确的, 或者物理系统的动态特性随时 间变化或者因环境变化而变化,但是这些目标是必须满足的。
的输出电压U对应不同的电机转速。图中反馈量 由编码器采集
的Δ信V为号V负期计值望算，速得控度到制。器当输实出际到速驱度动大器于的设u定值值减时小，，控从制而器减的小输了入输量出
电压，电机减速；当实际速度小于设定值时，控制器的输入量
ΔV为正值，控制器输出到驱动器的u值增大，从而增大了输出
电压，电机加速。
自动控制 原理
第一章 绪 论
2020/12/14
第一章 绪论
1
自动控制 原理
1.1 引言
本章的目的使读者熟悉和理解以下几个方面的内容：
• 1.什么是自动控制和控制系统。 • 2.控制理论发展史。 • 3.控制系统的工作原理是什么？ • 4.控制系统的组成和分类。 • 5.几个控制系统的应用实例。
自动控制原理第一章PPT课件
-
16
首次冲出太阳系 （美国伽利略号木 星 探 测 器 ， 1989 年）
-
仿人机器人 （日本，2001年）
17
神舟五号载人航天成功（中国，2003年）
-
18
勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）
-
19
“作为技术科学的控制论，对工程技术、生物
和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研
究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社
（1）装置用方框表示 （2）信号用带箭头的线段表示 （3）信号引出点 （4）信号相加点（比较点）
-
27
方框（块）图 中的符号
控制系统框图的基本组成单元
元部件 信号（物理量）及传递方向 比较点 引出点 － 表示负反馈
-
返回 28
1-２自动控制系统基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字控 制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用 取得了长足进展。
-
22
二．自动控制理论
1．定义 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科 学. 2．分类 （1）经典控制理论：以传递函数为基础，主要研 究单输入—单输出，线性定常系统的分析和设计问题 。 （2）现代控制理论：主要研究具有高性能，高精 度的多变量多参数系统的最优控制问题。
-
25
三、自动控制系统
1．定义： 为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象 和控制装置按照一定的方式连接起来组成的一 个有机总体。
控制装置（控制器）：外加的设备或装置. 被控对象（process, plant, controlled system ）：设备或生产过程.
《自动控制原理》课件 第一章
离心调速器
36
1-5 自动控制理论发展简述
设定转速 +
比较器 Metal sphere -
进汽阀 门，连 杆机构
实际转速
蒸汽室 蒸汽机
转速测量
飞球 调节阀
离心调速器框图
37
1-5 自动控制理论发展简述
瓦特离心调速器在调速过程中存在不 稳定现象（“设备变得发狂！”），当时 并没有理论指导，所有的努力都集中在改 进调速器本身（重量、弹簧、摩擦）。 麦克斯维尔把调节器跟调节对象合在一 起，看作一个系统，用微分方程来进行研 究，指出微分方程的特征根在左半面或右 半面，决定着系统稳定与否。
6
1-1 自动控制的基本原理与方式
要使自动控制系统满足工程实际的需 要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与 系统性能之间的关系。
为了方便地分析系统性能，一般用框 图来表示系统的结构:
预期 温度 偏差 _ 控制器 反馈量 执行机构 实际 温度 阀门
水箱
7
1-1 自动控制的基本原理与方式 二、自动控制系统的基本构成及控制方式 自动控制系统有两种基本控制方式：开 环控制与闭环控制。
30
1-4 对控制系统的基本要求
二、快速性
通过动态过程时间长短表征。时间 快速性表明了系统输出对输入响应 越短，表明快速性越好，反之亦然。 的快慢程度
r(t) c(t)
c1(t) r(t)
c2(t) t
0
31
1-4 对控制系统的基本要求
三、准确性
由输入给定值与输出响应的终值之 间的差值ess大小表征。
三、按信号的连续性来分:
1．连续控制系统：各环节输入和输出信号均为连续信号 2．离散控制系统：系统中有一处或数处的信号是离散的 （脉冲序列或数码）
自动控制原理课件1
由上述方程消去中间变量 2 , M1, M 2
Z1 J J1 Z 2 J2,
2
,并令
2 2
Z1 f f1 Z 2
Z1 f , M c 2 Z Mc 2
可得齿轮系微分方程为
d 1 Mm J f 1 M c dt
2 传递函数的零点和极点
C (s) b0 s m b1s m1 bm1s bm G( s ) n R(s) a0 s a1s n1 an1s an
( s zi ) b0 ( s z1 ) ( s zm ) 1 K in a0 ( s p1 ) ( s pn ) ( s p )
或
4 无源网络
5单容水槽
流入量与流出量之差：
Qi K u u
流入量与流位高度关系：
线性化可得液阻表达式
单容水槽的传递函数为 ：
6电加热炉
电加热炉的传递函数为
7有延迟的单容水槽：
传递函数为：
7双容水槽
§2-3 控制系统的结构图与信号流图
1 系统结构图的组成和绘制 信号线，引出点，比较点，
C (s) b0 s m b1s m1 bm1s bm G( s ) n R(s) a0 s a1s n1 an1s an
传递函数性质：
(1) 传递函数是复变量s的有理真分式函数，具有复变函 数的所有性质，且 m n ，所有的系数均为实数。 (2) 传递函数只与系统（或元件）本身和结构参数有关， 而与输入信号无关，也不反映系统内部的任何信息。 (3) 传递函数是描述系统（或元件）动态特性的一种数学 模型。它只反映系统（或元件）输入信号与输出信号之 间的传递规律。 (4) 传递函数的拉氏反变换是脉冲响应。
Z1 J J1 Z 2 J2,
2
,并令
2 2
Z1 f f1 Z 2
Z1 f , M c 2 Z Mc 2
可得齿轮系微分方程为
d 1 Mm J f 1 M c dt
2 传递函数的零点和极点
C (s) b0 s m b1s m1 bm1s bm G( s ) n R(s) a0 s a1s n1 an1s an
( s zi ) b0 ( s z1 ) ( s zm ) 1 K in a0 ( s p1 ) ( s pn ) ( s p )
或
4 无源网络
5单容水槽
流入量与流出量之差：
Qi K u u
流入量与流位高度关系：
线性化可得液阻表达式
单容水槽的传递函数为 ：
6电加热炉
电加热炉的传递函数为
7有延迟的单容水槽：
传递函数为：
7双容水槽
§2-3 控制系统的结构图与信号流图
1 系统结构图的组成和绘制 信号线，引出点，比较点，
C (s) b0 s m b1s m1 bm1s bm G( s ) n R(s) a0 s a1s n1 an1s an
传递函数性质：
(1) 传递函数是复变量s的有理真分式函数，具有复变函 数的所有性质，且 m n ，所有的系数均为实数。 (2) 传递函数只与系统（或元件）本身和结构参数有关， 而与输入信号无关，也不反映系统内部的任何信息。 (3) 传递函数是描述系统（或元件）动态特性的一种数学 模型。它只反映系统（或元件）输入信号与输出信号之 间的传递规律。 (4) 传递函数的拉氏反变换是脉冲响应。
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附加扰动输入补偿
附加的顺馈回路相当于开环控制，对补偿装臵稳定性的要求较高，否则会减弱补偿效果。 但对闭环性能影响不大，特别对稳定性无影响，却能大大提供控制精度，获得广泛应用。
1.2 自动控制系统示例
说明工作原理，画出系统的方块图
习题1-1
元素：
（1 ）
（2）
：元件
：信号（物理量）的传递方向
（3 ）
2. 自动控制的基本职能元件 自动控制,实际上就是由自动控制装臵代替人的基本功 能来实现的。
控制器
流入
流入 浮子 水箱 水箱
h
流出
h
流出
眼睛 大脑 肌肉、手
浮子 自动控制器 执行元件
画出以上人工控制与自动控制的功能方框图进行对照。
希望液位
大脑
肌肉和阀门
水箱
实际液位
眼睛
(a)
希望液位
控制器
③ 智能控制理论（二十世纪七十年代开始）
以模糊控制和神经网络为基础，研究多变量复杂大系统的 分析设计方法。
1
第一章
自动控制的一般概念
2
• 1.1 自动控制的基本原理与方式 • 1.2自动控制系统示例
• 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 自动控制系统的分析与设计工具
22
三、复合控制方式
定义：按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式。复 合控制实质上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入
信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行加强或补
偿，以达到精确的控制效果。常见的方式有以下两种：
23
1.附加给定输入补偿
微分环节，超前控 制，快速控制
补偿装臵 输出
输入
+
-
控制器
输入
+
偏差
输出 控制装臵 控制对象
-
反馈元件
图1-13 闭环控制系统方框图
室温控制系统
图 1 - 1 室温控制系统元件框图
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。 缺点：元件多，结构复杂，系统的性能分析与 设计较麻烦。
放大元件：将偏差信号进行前臵或功率放大，从而推 动执行机构去控制被控对象；
执行元件：直接推动被控对象，以改变被控量；
校正元件(补偿元件）：改善系统的性能。
15
1.1.5 自动控制系统基本控制方式：开环控制方式、闭环控制（反 馈控制）方式、复合控制方式
一 .开环控制
定义：若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称
（4）
：比较点（信号叠加）
：引出点（分支、信号强度）
（5）+/- ：符号的意义（正、负反馈）
1.3 自动控制系统的分类
开环控制 • 控制方式分
闭环控制(反馈控制)
复合控制 温度控制系统
• 按系统功用分
压力控制系统
位臵控制系统 ………
线性系统 非线性系统 连续系统
按系统 性能分 离散系统 定常系统 时变系统 确定性系统
式中,A为正弦函数的振幅, 2f 为正弦函数角频率, 为初始角.
42
1.5 自动控制系统的分析与设计工具
MATLAB
（2）给定一个输入，有相应的一个输出。
（3）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形
成开环。
（4）输出不影响输入。
（5）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确
的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差。“致命”
缺点！
二、 闭环控制（反馈控制）
定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控 制系统。
•
：信号（物理量）的传递方向。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；
• 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。 14
测量元件：测量被控量并转换成相应的电量，如速度、 位移、压力传感器； 给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系 统输入量（即参考量）； 比较元件：将被控量与给定值加以比较，形成偏差信号；
水箱
h
流出
图1.2
液面人工控制
1.1.2 自动控制的定义及基本职能元件 1.自动控制的定义 自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象 （或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。
控制器 流入 浮子 水箱
h
图1.3 液面自动控制
当出水与进水的平衡 被破坏时，水箱水位下 降 ( 或上升 ) ，出现偏差。 这偏差由浮子检测出来， 自动控制器在偏差的作 用下，控制阀门开大 ( 或 流出 关小 ) ，对偏差进行修正， 从而保持液面高度不变。
• 1.1 自动控制的基本原理与方式
1.1.1 自动控制问题的提出
例如：下面的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h 维持 恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高 度上。
流入
当水的流出量增
大或流入量减小，
水箱
平衡则被破坏，液
面的高度不能自然
流出
h
图1.1 水箱液面
地维持恒定。
扰动输入 参考输入 输出
控制器
执 行元 件
对象
测量变送元件
图1－5 控制系统典型方框图
3.自动控制的优点：① 节省人力；
② 提高系统的精度； ③ 可以完成人工控制系统无法完 成的工作。 4. 应用：工业、农业、交通、国防、宇航、社会。
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
10
1.1.3 反馈控制原理
程序控制系统:给定值按预先给定的规律 变化的控制系统－－跟踪预定规律.最典 型的就是数控车床和机器人控制系统。
1.4 对自动控制系统的基本要求
1.4.1对自动控制系统性能的基本要求 可以归结为稳定性（长期稳定性）、 准确性（精度）和快速性（相对稳定性） 简言之：☆稳 ☆准 ☆快
前面我们已经讲过，输入信号和扰动是一个系统典型 的外作用，但我们希望系统只受输入信号的控制，而丝 毫不受扰动的影响，所以我们只研究在输入信号作用下 ，对系统性能的要求。
输入信号
（书位臵）
眼睛
大脑
手臂、手
眼睛
输出量
（手位臵）
图1-6 人取书的反馈控制系统方块图
12
1.1.4 反馈控制系统的基本组成
比较 输入量 元件
给定值
-
串联 校正元件
放大元件 局部反馈
执行元件Βιβλιοθήκη 被控 输出量 对象 被控量
反馈 校正元件
主反馈
测量元件
图1-4 反馈控制系统基本组成
13
• 用“ ”号代表比较元件，“—”号代表两者符号相反，即 负反馈；“+”号代表两者符号相同，即正反馈。
对，惯性。所以当输出量发生跳变时，任何实 际系统从原平衡状态到达新的平衡状态都要经 历一个过渡过程，过渡过程的曲线形状随系统 的不同而有所差异，有的是单调增长到稳定值 （曲线1），有的是衰减到稳定值（曲线2） 。
整个调节过程分为两个阶段: a.过渡过程 反映系统的动态特性。（输出量处于 激烈变化之中） b.稳态过程 反映系统的稳态特性。（输出量稳定 在新的平衡状态，并保持不变。） 阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程 的差异，差异越小，系统的调节质量越高。
齐次性、叠加性
采样时间间隔
系统随时间变化
随机系统
系统的统计特性
恒值控制系统:给定输入维持不变，希望 输出维持在某一特定值上.如恒温、水位、 恒压控制系统
按输入量 变化规律 分
随动系统:给定信号是预先不知道的随机 信号。要求系统的输出快速、准确地跟随 给定值的变化.比如：飞机和舰船的操舵 系统，雷达自动跟踪系统。
自控理论：① 是自动控制技术的基础理论； ② 分析或设计自动控制系统的主要方法和依据。 发展: ① 经典控制理论（二十世纪四十年代开始）
以拉氏变换和传递函数为基础，在复频域内研究单输入-单 输出(SISO)线性定常系统的分析设计方法。 ② 现代控制理论（二十世纪六十年代开始） 以状态空间法为基础，在时域内研究多输入-多输出 （MIMO）系统的分析和设计方法。
38
1.4.2 典型外作用
阶跃、斜坡、脉冲、正弦函数
⑴ 阶跃函数 其数学表达式为
0 f (t ) R
t0 t0
f (t )
R
0
当R=1时为单位阶跃函数， 用1(t) 表示
t
39
⑵ 斜坡函数
其数学表达式为
f (t )
R
t
0 t 0 f (t ) Rt t 0
0
控制对象
图1-14 附加输入给定补偿
通常，附加的补偿装臵可提供一个顺馈控制信号，与原输入信 号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。
2.附加扰动输入补偿 该种复合控制方框图。附加的补偿装臵所提供的控制作用，主要起到对扰 动影响“防患未然”的效果。
补偿装臵
扰动
输入
+
+
-
控制器
控制对象
输出
图1-15
1.稳定性：稳定性是保证控制系统正常工作的先 决条件, 是控制系统的重要特性。 所谓稳定性是 指控制系统偏离平衡状态后, 自动恢复到平衡状态 的能力。 1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过 一定时间的调整能够回到原来的期望值。 2 对随动系统，被控制量始终跟踪输入量的变 化。 3 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统 不能实现预定任务。线性系统的稳定性由系统的结 构决定，与外界因素无关。