自动控制理论 邹伯敏 第三版 第一章
自动控制理论邹伯敏第三版第一章课件【精选】
主反馈
3、自动控制系统中信号的定义
(1)输入信号: 指给定装置输出的给定信号， 又称为参考输入或给定量。r(t) (2)输出信号(被控量)：指控制系统中被控制 的物理量。c(t) (3)反馈信号: 将系统(或环节)的输出信号经变 换、处理后送到系统 (或环节) 的输入端的信 号。b(t)
(4)误差信号:参考输入与主反馈信号之差 。 e(t)=r(t)-b(t) (5)扰动信号: 除控制信号以外，对系统的输 出有影响的信号,有内外扰动之分。 噪声d(t)
④1948年，伊万恩提出根轨迹分析方法
⑤1949年，英国人维纳在火炮控制中发现了反馈的概念，出 版了《控制——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，奠 定了控制论的基础
50年代中期，添加了非线性系统理论和离散控制理论，形 成了完整的理论体系。
3. 发展 迅速渗透到许多学科，应用于火炮、导弹控制系
统，数控、电力、 冶金
钱学森，1954年首创《工程控制论》
推广到其它领域： 生物控制论：生命系统 经济控制论：经济运行与发展问题 社会控制论：社会管理与社会服务问题 状态空间法被引入到控制理论中,Kalman 提出了能控
性,能观性, 是现代控制理论的重要标志.
三、分类
1.经典控制理论 40~50年代 以传递函数为基础，研究单输入、单输出系统的分析和设计，
制的基本原理 ③ 1877年，劳斯，1895年，赫维茨分别提出了系统稳定的
代数判据（19世纪末）
2. 奠定基础（20世纪）——经典控制论
①30~40年代，奈奎斯特提出系统稳定性的频率判据
奈氏图、奈氏判据，从时域分析转到频域分析
②1940年，博德在频率法中引入对数坐标系，博德图
③1942年，哈里斯引入传递函数概念
自动控制理论第版邹伯敏 共53页
系统开环频率特性与系统性能指标密切相关，一般 可以将校正问题归纳为三类： 1、如果系统稳定且有较满意的暂态响应，但稳态
误差太大，这就必须增加低频段的增益来减小 稳态误差，同时保持中、高频特性不变； 2、如系统稳定且有较满意的误差，但其动态性能 较差，则应改变系统的中频段和高频段，以改 变系统的截止频率和相角裕度； 3、如果一个系统的稳态和动态性能均不能令人满 意，就必须增加低频增益，并改变中频段和高 频段。
自动控制理论
第六章
控制系统的校正
1
第一节 引 言
一、基本概念 1、系统校正
被控对象确定后，根据要求的控制目标，对
控制器的进行设计的过程叫作系统校正。
R
Gc
Y 对 象
2
2、控制目标——性能指标
时域调 超节 调时 量M间 pts% 性能指标 稳态误差 ess
频域谐 稳振 定峰 裕值 度 M，r,频 h，率幅带值宽 穿 b 越频率 c
40 30 20 10
m
m 增加不多。
m
tan1
2
1
0
10-2
10-1
ωm
100
101
14
三、超前校正环节的设计原理
频率法对系统进行校正的基本思路是：通过所 加校正装置，改变系统开环频率特性的形状，使校 正后系统的开环频率特性具有如下特点： 低频段：用以满足稳态精度的要求；
中频段：幅频特性的斜率为-20dB/dec,并具有较宽的 频带，这一要求是为了系统具有满意的动态性能；
0 10-2
10-1
ωm
1
G
c(s)
1 Ts 1 TsT s 1 1
s 2 1
自动控制理论第一章引论86页PPT
控 制
A级，厌学型：不快乐、厌烦、心理上的强烈反感和抵触；
理 论
B级，被动型：消极、被动、麻木，在父母、老师的督促和
舆论的压力下取得进步；
C级，机械型：全身心投入、刻苦用功、头悬梁锥刺骨、按 部就班地朝着一流的方向努力；
D级，进取型：自信、主动、积极，把必须要做的事情做到 最好，持续性地保持一流的成绩；
俄国A.M.Lyapunov（李雅普诺夫，1892年）在《论运动稳 定性的一般问题》中建立了动力学系统的一般稳定性理论。 提出了李雅普诺夫第一法与第二法
H.Nyquist（乃魁斯特，1932年）提出乃氏判据，Bode(波特， 1927年）提出了对数频率特性的方法。
W.R.Evans（伊万斯，1948年)提出根轨迹法，此方法和规 则指的是当系统参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。 目前仍然是系统设计和稳定性分析的一种重要方法。
发表《论调节器》，研究调节器的微分方程，
线性化处理，系统稳定性取决于微分方程的
特征根是否都具有一对负的实部，针对二阶
和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时，
特征多项式系数应满足的条件。
20
第一章 引 论
自
动（3） 系统稳定判据
控
制 理 由E.J.Routh（劳斯，1884年） 和 Hurwitz（霍尔维茨， 论 1895年）提出的劳斯-霍尔维茨稳定判据
29
第一章 引 论
自
动 控
第三节 自动控制和自动控制系统
制
理
论
一、自动控制的概念
1、手动控制 水箱水位的手动控制：
图1-1 水箱水位的人工 控制系统示意图
30
第一章 引 论
自
动 控
自动控制理论邹伯敏第3版课后答案总.doc
《自动控制理论 第2版》习题参考答案第二章2-1 (a)()()1121211212212122112+++⋅+=+++=CS R R R R CS R R R R R R CS R R R CS R R s U s U (b)()()1)(12221112212121++++=s C R C R C R s C C R R s U s U 2-2 (a)()()RCs RCs s U s U 112+= (b) ()()141112+⋅-=Cs R R R s U s U (c) ()()⎪⎭⎫⎝⎛+-=141112Cs R R R s U s U 2-3 设激磁磁通f f i K =φ恒定()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡++++=Θφφπφm e a a a a m a C C f R s J R f L Js L s C s U s 2602 2-4()()()φφφπφm A m e a a a a m A C K s C C f R i s J R f L i Js iL C K s R s C +⎪⎭⎫⎝⎛++++=260232-5 ()2.0084.01019.23-=⨯--d d u i2-8 (a)()()()()3113211G H G G G G s R s C +++= (b) ()()()()()31243212143211H G H G G G H G G G G G G s R s C +++++=2-9 框图化简中间结果如图A-2-1所示。
图A-2-1 题2-9框图化简中间结果()()()()52.042.018.17.09.042.07.023++++++=s k s k s s s R s C 2-10()()4232121123211G H G G H G G H G G G G s R s C ++-+=2-11 系统信号流程图如图A-2-2所示。
图A-2-2 题2-11系统信号流程图()()()()2154214212654212215421421321111H H G G G G G G G H G G G G G s R s C H H G G G G G G G G G G s R s C -++=-++=2-12 (a)()()()adgi abcdi agdef abcdef cdhs R s C +++-=11(b) ()()()1221211222112++++=s C R C R C R s C R C R R s R s C2-13 由选加原理,可得()()()()()()[]s D H G G s D G s D G s R G G G H G H s C 3121221221221111--+++=第三章3-1 分三种情况讨论 (a) 当1>ζ时()()()()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+----+-=-+-=---=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-⎪⎭⎫ ⎝⎛---221221222211112121,122ζζζζωζωζωζζωζζωζζωζζt t n n nn n n e e t t c s s (b) 当10<<ζ时()()()⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----+-=---+---=-+-=---=---22222222222121121sin 1121sin 1211cos 221,1ζζζωζωζωζωζωζζωζωζωζωζζωζζζωζωζωarctg t et t e t et t c j s j s n tnnn t nn tnnn n n n n(c) 当1=ζ时设系统为单位反馈系统,有()()()()()2222nn n r s s s s R s c s R s E ωζωζω+++=-= 系统对单位斜坡输入的稳态误差为 ()nn n n s sr s s s s s s im e ωζωζωζω22212220=+++⋅⋅=→ 3-2 (1) 0,0,50===a v p K K K (2) 0,,==∞=a v p K K K K(3) 10,,K K K K a v p =∞=∞= (4) 0,200,==∞=a v p K KK K 3-3 首先求系统的给定误差传递函数()101.0)11.0()(11)()(2+++=+==Φs s s s s G s R s E s e 误差系数可求得如下()()()0)101.0()12.0(20)101.0(2lim lim 1.0)101.0()12.0(10lim lim 0101.0)11.0(lim lim 322202202220012000=+++-++=Φ==+++=Φ==+++=Φ=→→→→→→s s s s s s ds d C s s s s ds d C s s s s s C s e s s e s s e s(1) 0)(R t r =，此时有0)()(,)(0===t r t r R t r s s s ，于是稳态误差级数为()0)(0==t r C t e s sr ，0≥t(2) t R R t r 10)(+=，此时有0)(,)(,)(110==+=t r R t r t R R t r s s s ，于是稳态误差级数为()1101.0)()(R t rC t r C t e s s sr =+= ，0≥t (3) 221021)(t R t R R t r ++=，此时有t R R t rt R t R R t r s s 212210)(,21)(+=++= ，2)(R t r s = ，于是稳态误差级数为 ())(1.0)(!2)()(21210t R R t r C t rC t r C t e s s s sr +=++= ，0≥t 3-4 首先求系统的给定误差传递函数()5001.0)11.0()(11)()(2+++=+==Φs s s s s G s R s E s e 误差系数可求得如下()⎪⎭⎫⎝⎛++-=-=-t e t t c s n t n nn n 21222,1ωωωωω()()()232220220222001200050098)5001.0()12.0(1000)5001.0(100lim lim 5001)5001.0()12.0(500lim lim 05001.0)11.0(lim lim =+++-++=Φ==+++=Φ==+++=Φ=→→→→→→s s s s s s ds d C s s s s ds d C s s s s s C s e s s es s e stt r t t rt t r s s s 5sin 25)(5cos 5)(5sin )(-===稳态误差级数为()[][][]tt tC t C C t e sr 5cos 1015sin 109.45cos 55sin 25224120 -⨯++⨯=-⨯+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯-=- 3-5 按技术条件（1）~（4）确定的二阶系统极点在s 平面上的区域如图A-3-1 (a) ~ (d)的阴影区域。
自动控制理论第一章绪论
четверг, 10 июня 2021 г.
E精XI选TPPT课件
第1章第5页 5
1.1 引言 1.2控制系统基本工作原理 1.3控制系统分类 1.4闭环控制系统的基本组成 1.5控制系统的基本要求 1.6控制理论的发展历程
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第1章第20页20
第1章 自动控制理论概述
应用： 广泛应用的开环控制系统，如自动售货机、自动 洗衣机、产品自动生产流水线及交通指挥的红绿 灯转换等。
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第1章第21页21
第1章 自动控制理论概述
➢ 开环控制系统示意图
工作台
Xc
Xr
50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线性定常系统单输入单输出线性非线性定常时变系统多输入多输出描述方法传递函数输入输出描述向量空间状态空间描述研究办法根轨迹法和频率法状态空间法研究目标系统分析及给定输入输出情况下的系统综揭示系统的内在规律实现在一定意义下的最优控制与设计51现代控制理论的发展最优控制系统辨识多变量控制自适应控制专家系统人工智能神经网络控制模糊控制大系统理论等等52现代控制理论的发展大系统控制理论大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论研究的对象具有规模庞大结构复杂功能综合目标多样因素众多等特点
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第1章第13页13
坦克火控系统
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第1章第14页14
第1章 自动控制理论概述
自动控制理论第一章习题答案.doc
第一章自动控制概论思考题1、什么是自动控制？他对人类活动有什么意义？所谓自动控制就是在没有人直接参与的情况下，通过控制装置使被控制对彖或生产过程自动地按照预定的规律运行，使Z达到预期的状态或性能要求。
自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程屮发展起來的一门重要的科学技术。
依靠它，人类可以从笨重、重复性的劳动中解放出來，从事更富创造性的工作。
2、什么是反馈？什么是负反馈？通常，我们把输出量送回到输入端并与输入信号比较的过程称为反馈。
若反馈的信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈。
3、开环控制系统是怎样实现控制作用的？请举例说明。
开环控制系统：如果系统的输出端和输入端Z间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。
例：原始的数控机床进给系统就是开环控制系统。
指令输入到计算机控制系统Z中，带动步进电机运动，使工作台移动，产生位移输出。
在口常生活中，许多控制系统都可以理解成开环控制系统，如电风扇的转速是由档位决定的，不能根据环境温度自动调节；洗衣机定时系统是由功能和时间决定，不能根据所洗衣物清洁程度自动调节。
4、闭环控制系统是怎样实现控制作用的？请举例说明。
闭环控制系统：闭环控制（亦称为反馈控制，Feedback Control）是指能对输出量与输入量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者Z间预定关系的系统。
如：自动调温空调，当环境温度高于设定温度时，空调制冷系统自动开启，调定室温到设定值。
5、对自动控制系统的基本要求是什么？对控制系统的基本要求是：系统的稳定性、响应的快速性、响应的准确性。
6、试叙述电冰箱中温度控制系统的温度控制过程。
电冰箱温度控制系统由感温管，温度调节，执行动作等系统组成。
冰箱没工作时，感温管内气体遇热就膨涨，触点就将两原来断开的接触点靠在一起了。
冰箱在工作时，由于冰箱内制冷系统在给冰箱不段的输入冷气，就越来越冷，随着温度不短降低，感温管内的气体缩小，气垫就将断点段开，然而就将冰箱停止工作！7、试叙述骑自行车时的闭环控制过程。
自动控制理论第一章解析
2、开环控制系统结构图
由于在开环控制系统中，控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系，系 统的被控变量对控制作用没有任何影响，系统的控制精度完全取决于所用元器件的 精度和特性调整的准确度。因此开环系统只有在输出量难于测量且要求控制精度不 高以及扰动的影响较小或扰动的作用可以预先加以补偿的场合，才得以广泛应用。
三.闭环控制系统的组成
闭环控制系统的组成 ： 就其工作原理来说，闭环控制系统是由给定装置、比较 比较元件通常位于低功率的 给定装置 校正装置：其功能是对偏差信 ： 其功能是 元件、校正装置、放大元件、执行机构、检测元件和被控对 输入端，由于提供的偏差信 给出与期望的被控量相 号进行加工处理和运算，以形 执行机构：其功能是执行控制 象组成的 。 号通常很微弱，因此须用放 对应的系统输入量（即 成合适的控制作用，或形成适 比较元件：其功能是将检测元 作用并驱动被控对象，使被控 大元件将其放大，以便推动 参考输入信号或给定 当的控制规律，从而使系统的 件测量到的被控量的实际值， 量按照预定的规律变化。 检测元件 ：其功能是测量被控制的 执行机构去控制被控对象。 值）。 被控量按预定的规律变化。 与给定装置提供的给定值进行 物理量，并将其反馈到系统输入端。 比较，求出它们之间的偏差。 扰动
这种通过负反馈产生偏差，并根据偏差的信息进行控制，以 达到最终消除偏差或使偏差减小到容许范围内的控制原理，称 为负反馈控制原理，简称反馈控制原理。因此闭环控制系统又 称为反馈控制系统或偏差控制系统。
通常，在闭环控制系统中，从系统输入量到系统被控量之间 的通道称为前向通道，从被控量到输入端的反馈信号（用以减 少或增加输入量的作用）之间的通道称为反馈通道。
例：人工控制的恒值水位系统
要求水位 阀门 进水 水池
自动控制理论第版邹伯敏课件第章1
（ 2 - 27）
E G C 2iB
2 - 28
式中 L N f iB 0 ，C 2 C 1 f iB 0
a
17
在实际应用中，常把增量符号“△”省去，这样上述两式显然和（29）（2-10）完全相同
小结
➢
随着发电机平衡工作点的不同，其时间常数
LNf RR
和iB0放 大
倍数 K C是2 不同的。
自动控制理论
第二章
控制系统的数学模型
a
1
描述系统运动的数学模型
➢ 输入－输出描述 微分方程是这种描述的最基本形式。传递函数、方框
图等其它模型均由它而导出。
➢状态变量描述 状态方程是这种描述的最基本形式。
建立系统数学模型的方法
➢ 实验法 ➢ 解析法
a
2
第一节 列写系统微分方程的一般方法
用解析法建立系统微分方程的一般步骤
L R
称为电动机的电气时间常数
当Td 0时，电动机空载运行至稳态时，式2 12便蜕化为
n0
1 Ce
EG
（n0为电动机的空载转速）
（ 2 -13）
a
11
➢ 测速发电机
输入量是驱动电动机的转速n，输出量是测速发电机的电枢电压 Ufn ，假设测速发电机的磁场恒定不变，则Ufn与n成线性关系即有
ufnn
iB
-
iB 0
i
，则式（2
B
- 21）便简化为
f iB 0 iB
或写作
项，并令 f iB 0 ,
d diB
f iB 0 常数
于是式（2 - 23）和式（2 - 24）可写为
（ 2 - 26）
iB R
N
自动控制理论作者浙江大学邹伯敏教授第一章学习教案
-------用脑(yònɡ nǎo)
➢按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作
➢
-------用手
第13页/共32页
2021/10/18
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第十四页，共32页。
自动控制理论
液面人工(réngōng)控制系统的方框图如图1-2所示。
自动控制(zì dònɡ kònɡ zhì)
图1-2 液面人工控制系统的方框图
第二十页，共32页。
20
自动控制(zì dònɡ kònɡ zhì)理论
图中
➢ r(t)-----系统的参考输入(简称输入量 或给定 量) ➢ c(t)-----系统的被控制量(又简称输出 量) ➢ b(t)-----系统的主反馈量 ➢ e(t)-----系统的误差 e(t)＝ r(t)－ b(t) ➢ d(t) -----系统的干扰(gānrǎo),它是一种对系统输出 产生不 利的信 号 ➢ 给定环节-----产生参与输入信号的 元件 如:电位器、旋转变压器等 ➢ 控的控制信号 支控制被控的对象制器-----其输入 是系统 的误差 信号, ➢ 经变换或相关的运算后,产生期望 ➢ 被控对象-----系统控制的对象,其输 入量是 控制器 的输出,输出量 就是 ➢ 被控量 ➢ 反馈环节-----将被控制量转换为主 反馈信 号的装 置,这个 装置一 般为 ➢ 检测元件
（3） 系统稳定判据 由Hurwitz（霍尔维茨，1895年）和 E.J.Routh（劳斯，1884
年）提出的劳斯-霍尔维茨稳定判据 A.M.Lyapunov（李雅普诺夫，1892年）提出了李雅普诺夫
第一法与第二法
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第四页，共32页。
H.Nyquist（奈魁斯特，1932年）提出奈氏判据， Bode(波德，1927年）提出了对数频率特性的方法。 W.R.Evans（伊万斯，1948年)提出根轨迹法。此方法和规 则指的是当系统参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹 。目前仍然是系统设计和稳定性分析的一种重要方法。
自动控制原理 第一章 引论
第1章 引 论本章描述自动控制的基本概念、任务、控制方式及控制过程的简单分析，建立对本学科的一个较为明确的认识。
对自动控制的理解可以从物理规律及数学本质两方面进行。
物理规律考察控制过程中各物理量(信号)的运动变化过程及各项性能指标；数学本质则将控制过程归结为对信号(给定与反馈等)的一种变换，从而使控制过程能够满足相应的要求。
1.1 自动控制系统的一般概念所谓自动控制，就是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(如机器、设备和生产过程)的某些物理量(或工作状态)能自动地按照预定的规律变化(或运行)。
完成这一过程的所有元件与装置组成的整体就称为自动控制系统。
例如人造卫星按指定的轨道运行，并始终保持正确的姿态，使他的太阳能电池一直朝向太阳，无线电天线一直指向地球……，电网的电压和频率自动地维持不变；金属切削机床的速度在电网电压或负载发生变化时，能自动保持近似地不变。
以上这些，都是自动控制的结果。
现代数字计算机的迅速发展，为自动控制技术的应用开辟了广阔的前景。
使它不仅大量应用于空间技术、科技、工业、交通管理、环境卫生等领域，而且它的概念和分析问题的方法也向其他领域渗透。
例如政治、经济、教学等领域中的各种体系；人体的各种功能；自然界中的各种生物学系统，都可视为是一种控制系统。
自动控制系统的广泛应用不仅能使生产设备或过程实现自动化，极大地提高了劳动生产率和产品的质量，改善了劳动条件。
自动控制是一门理论性很强的科学技术，一般泛称为“自动控制技术”。
把实现自动控制所需的各个部件按一定的规律组合起来，去控制被控对象，这个组合体叫做“控制系统”。
分析与综合控制系统的理论称之为“控制理论”。
自动控制系统的种类较多，被控制的物理量有各种各样，如温度、压力、流量、电压、转速、位移和力等。
组成这些控制系统的元、部件虽然有较大的差异，但是系统的基本结构却相类同，且一般都是通过机械、电气、液压等方法代替人工控制。
为了了解自动控制系统的结构，首先来分析一下图1.1所示的直流电动机转速开环控制系统(V-M系统)。
自动控制理论第版邹伯敏
5、一般校正方法
R
Gc (s)
G0 s
Y
串联校正
H s
R
G1(s)
G2 (s)
Gc (s)
Y
反馈校正
H (s)
5
Gr ( s)
R s
E s
Gc ( s)
Y s
Go ( s)
按参考输入前馈补偿的复合控制
Gn ( s)
R s
N s
5.校正后ωc=ωm。
20
15
10
20 lg
10 lg
10
-1
5
0 -2 10
m c 成立的条件是 Lo (c ) 10lg
ωm
10
0
T
1
10
1
m
1 Ts Gc ( s ) 1 Ts
22
(6) 确定超前校正装置的交接频率
m 1 1 aT a
高频段抬高，抗高频干扰能 力有所下降，有一定影响
19
四、超前校正环节的设计步骤
(1) 根据给定的系统稳态性能指标，确定系统的开 环增益K；
(2) 绘制在确定的K值下系统的Bode图，并计算其 相角裕度 0 ； (3) 根据给定的相角裕度 ，计算所需要的相角超 前量0
100(0.042s 1) Gc ( s)G0 ( s) s(0.1s 1)(0.014s 1)
校正后系统的相位裕量为
180 90 tan1 0.1c tan1 0.042c tan1 0.014c 43.6
满足系统的性能指标要求。
自动控制原理第一章教案
一、自动控制技术自动控制技术被大量应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测、交通管理、科研开发、军事领域、特别是空间技术和核技术。
自动控制技术的广泛应用不仅使各种生产设备、生产过程实现了自动化，提高了生产效率和产品质量，尤其在人类不能直接参与工作的场合，就更离不开自动控制技术了。
自动控制技术还为人类探索大自然、利用大自然提供了可能和帮助。
二、自动控制理论的发展过程1.1945年之前，属于控制理论的萌芽期。
1945年，美国人伯德（Bode）的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础，至此进入经典控制理论时期，此时已形成完整的自动控制理论体系。
2.二十世纪六十年代初。
用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”（卡尔曼Kalman）奠定了现代控制理论的基础。
现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统，高精度复杂系统的控制问题，主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态空间法，提出了最优控制等问题。
3.七十年代以后，各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂，自动控制理论继续发展，进入了大系统和智能控制时期。
例如智能机器人的出现，就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。
三、自动控制技术与人类历史发展1.自动计时漏壶：古代利用滴水、沙多少来计量时间的一种仪器。
水漏是以壶盛水，利用水均衡滴漏原理，观测壶中刻箭上显示的数据来计算时间。
历史可追溯到夏、商时期。
沙漏是为了避免水因气温变化而影响计时精度而设计的。
其原理是通过流沙推动齿轮组，使指针在时刻盘上指示时刻。
最早记载见于元代。
2.记里鼓车：记里鼓车是中国古代用于计算道路里程的车，行一里路打一下鼓的装置，故名“记里鼓车”。
记里鼓车这是一种会自动记载行程的车辆，是中国古代社会的科学家、发明家研制出的自动机械物体，被机器人专家称为是一种中国古代机器人。
记里鼓车的记程功能是由齿轮系完成的。
车中有一套减速齿轮系，始终与车轮同时转动，其最末一只齿轮轴在车行一里时正好回转一周，车子上层的木人受凸轮牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以示里程。
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R 62
电桥平衡条件下A、B两点间的电压为零。当 ur 改变时，引起 改变，经外电路放大后，作用于滑线变阻器，使A点移动， 直至 uab 为0。
+
u0
+
功率 ua 放大
+
+
n
பைடு நூலகம்
SM
负载
电动机速度控制系统 电动机速度开环控制系统
+
u0
+
ue 电压 放大
+
功率 ua 放大
+ +
SM
n
负载
ut
TG
控制系统的输入量分为给定输入量和扰动输入量。
给定输入量是控制系统得以工作的源泉； 扰动输入量是控制系统在工作期间出现的扰动量。 在单输入单输出系统中给定输入量只能有一个。
输出量 确定被控元件、装置或系统运动状态的量
输出量可以是被控量也可以是别的物理量。一般情况 下，被控量也是被检测的量，所以输出量也是被测量。 在单输入单输出系统中输出量只有一个，且常常指定 为被控量。
自动化系统举例
空调——自动调节房间温度：
以取暖为例，空调通过温度传 感器检测房间的温度高低，空调控 制器将检测的温度与设定值进行比 较，若温度低于设定值的下限，则 使压缩机运行，温度上升，温度上 升到设定值的上限时则停止运行。 空调运行基于反馈信息（温度测量值），属于 “反馈控制”，最为常见。
全自动洗衣机：
战斗机发射导弹
战机的武器系统
飞机示意图
反馈电位器
给定电位器
为了控制系统的表示简单明了，控制工程中一般用方 框图表示系统的各个组件，组件的基本组成单元如下 图所示， 其中图a）为引出点，图 b）为比较点，图 c）部件的 框图。
控制系统框图的基本组成单元
飞机方块图
θ0
扰动
给 定 装 置
放 大 器
舵 机
温度 检测
加热炉
电 热 丝
-
给定 电压
工件
根据炉温的高低调节给定电压，从而调节温度
温度：被控量 反馈系统的相关术语：
给定 信号
交流电源
～
功 率 放 大 器
受控 对象 加热炉
+
给定 电位器
误差 e 控制器
控制量
u
比较 环节
电 热 丝
工件
温度 传感器 输出量 y （炉温）
+
变换电压 uf
温度信号
温度变送器
闭环控制系统由于引入了反馈机制，可以抑
制内部参数变化和外部扰动对系统输出产生的
影响。 闭 环 控 制
采用成本较低、精度不太高的元器件构成高
精度的控制系统。 应用比较广泛，但稳定性是设计中要考虑的 主要问题。 只有在系统的控制量和扰动量均无法预知的 情况下，闭环控制系统才有其明确的优越性。
自动控制系统的分类
电动机速度控制系统 电动机速度闭环控制系统
+
u0 +
功率 ua uc 放大
+
+
R
n
SM
负载
i
电压
ub
+
放大
按扰动控制的速度控制系统
u0
+
+
ue 电压
+
放大
功率 放大
+
+ ua
R
n
SM 负载
电压 放大
i
+
ut
TG
电动机速度复合控制系统
+
uf
if
负 G 载
if
+
G
负
载
ΔK
SM
K
+
发电机自动调压系统
+
给定 电位器
加热炉
给定 电压 电 热 丝
工件
方块图：
扰动量 控制输入
扰动量
输出量 功率 加热炉 （炉温） （给定电压） 放大器 （电功率） 控制装置 受控对象
特点：没有反馈，结构简单，但抗扰性差，控制 精度低
自动控制的精髓——反馈控制
例：电加热炉的炉温反馈控制（人作为控制器）
～ 交流 +
给定 电位器 电源 功 率 放 大 器
恒值控制系统和随动控制系统
按系统内部传输信号的性质分恒值控制和随动控制系统
恒值控制系统的参与输入量为常量，要求它的被控制量
在任何扰动的作用下能尽快地恢复（或接近）原有的稳态值 随动控制系统的输入是一个变化量，要求系统的被控制 量能快速准确地跟随友考输入信号的变化而变化
连续控制系统和离散控制系统
检测环节
反馈 信号
反馈控制系统的基本结构：
扰动
给定信号
误差 控制装置 － 反馈信号
控制量 受控对象
被控量
检测环节
反馈控制系统举例：水箱的水位控制
阀门 进 水 + 给 水箱 水位 y 出水
误差
定 电 位 - 计
M
电机
放大器
方块图？
反馈控制举例：全自动燃气热水器
出水
进气
进水
燃气热水器原理图 手动调节 全自动反馈调节： 自动根据水温调节 火力
1947年美国出版了第一本自动控制教材《伺服机件原理》；
1948年美国麻省理工学院出版了另一本《伺服机件原理》教材， 建立了现在广泛使用的频域法；
1948年维纳(Wiener)在他的名著 《控制论：或关于在动物和机器 中控制和通信的科学》中基于信息的观点给控制论(Cybernetics)下 了一个广义的定义。而在控制工程中又称为控制理论(Control Theory)。 20世纪50年代是经典控制理论发展和成熟的时期。
反馈控制举例：电冰箱的温度控制
继电 控制器
温度检测
反馈控制举例：楼房恒压供水
至用水户
流量检测
水压检测
调速 控制器 水 泵
进水
开环控制系统不具备自动修正的能力。
当系统精度要求不高或干扰对系统的影响不大时，可以采 用开环控制方式，如交通指挥的红绿灯转换，自动控制生产 线等。
开环控制系统的精度主要取决于构成系统元器件的精度以 及调整的精度。
按系统内部传输信号的性质分为连续控制和离散控制系统
控制系统中各部传输信号都是时间Ｔ的连续函数，则称
这类系统为连续控制系统 若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间Ｔ的 离散信号，则称这类系统为离散控制系统。计算机控制系统 是一种常见离散控制系统
计算机控制系统的方框图
自动控制系统分类小结
自动地消弱或清除来自系统内部或外部扰动对被控制量的影响
最简单的控制——开环控制
例：电加热炉的炉温控制
交流电源
～
功 率 放 大 器
+
给定 电位器
加热炉
给定 电压 电 热 丝
工件
-
外部扰动：电源电压波动，环境温度变化等 内部扰动：元器件老化、参数改变，工件体积和质量变化等
原理图：
交流电源
～
功 率 放 大 器
液位控制系统
控制器
Q1
浮子
电位器
c
用水开关
减速器 电动机
SM
Q2
if
液位控制框图系统
图1-5 液面自动控制系统的方框图
什么叫自动控制
自动控制就是要人不直接参 与的条件下，利用控制器 使被控制的对象（如生产设备、 生产过程）的某些物理量（或 工作状态）能自动地按规定的 规律变化（或运行）。 如：
二次世界大战中，搭起了经典控制理论的框架，战后这些理 论被公开，并应用于一般的工业生产过程中
经典控制理论（20世纪40—60年代）
1932年奈奎斯特(Nyquist)的《再生理论》一文，开辟了频域法的 新途径；
1945年伯德(Bode)的《网络分析和反馈放大器设计》一文，奠定 了经典控制理论的理论基础，在西方开始形成了自动控制学科；
数控机床——计算机技术与 机械技术相结合，相当于给机 床添加了“大脑”和“感觉器 官”，赋予了“智慧”，可以 完成难度更大的任务。
数控加工中心——带有刀具库 和自动换刀装置的多功能数控 机床，能自动完成多种工序和 复杂形状的产品加工。
一种数控加工中心
战机对目标的自动化攻击：
现代战机在攻击目标时，可以在几十、甚至几 百公里以外就将导弹发射出去，新型的导弹可以做 到“发射后不管”，即在发射后能够自动搜寻、跟 踪和击毁目标，是一种高度自动化的攻击方式。
开环控制
如果系统的输出量没有与参考输入相比较,即系统的输出 与输入间不存在 着反馈的通道,这种控制方式叫开环控制 开环控制的优缺点 结构简单，所用元器件少 系统没有抗扰动功能，因而大限制了系统的应用范围
闭环控制
若把系统的被控制量(输出量)反馈到它的输入端，并与参 考输入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称 为闭环控制系统 闭环控制的优点
现代控制理论（20世纪60年代中期成熟）
20世纪50年代末60年代初，空间技术开始发展，前苏联 和美国都竞相进行了大量研究。
1960年在美国自动控制联合会第一届年会上首次提出 “现代控制理论”这个名词。 在状态空间法发展初期，具有重要意义的是庞特里亚金 （Pontryagin）的极大值原理。贝尔曼（Bellman）的动 态规划理论和卡尔曼（Kalman）的最佳滤波理论，有人 把它们作为现代控制理论的起点，主要研究系统辨识、最 优控制、最佳滤波及自适应控制等内容。
输入量
控制器
对象 或过程
输出量
开环控制系统的方框图
任何闭环控制系统，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。