自动控制理论课件
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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。
自动控制理论全套课件
自动控制理论
第二章
按输入输出信号数量分类
单输入单输出系统（单变量系统）
特征：输入输出变量仅有一个。
多输入多输出系统
特征：输入输出变量多于一个。
CHANG’AN UNIVERSITY
长安大学信息工程学院
自动控制理论
第二章
按系统结构和参数的确定性分类
确定系统
特征：系统的结构和参数是确定的、已知的，系统的 输入信号也是确定的，可以用解析式或图表确切表示。
长安大学信息工程学院
自动控制理论
第二章
第三节 自动控制理论概要
一、对自动控制系统的要求
• 稳定性要求
• 快速性要求 • 准确性要求
二、自动控制理论研究的问题
• 自动控制建模问题
• 控制系统分析 • 控制系统设计
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自动控制理论
第二章
三、控制系统建模问题
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自动控制理论
第二章
第二节 自动控制系统的类型
自动调整系统
特征：输入信号为常数 典型系统：液位、温度、压力、流量控制 程序控制系统 特征：输入信号为预知的随时间变化函数 典型系统：热处理炉控制系统、镜片固化炉温度控制、 程序控制机床、灌装生产线、自动生产流水线。 随动系统（伺服控制系统） 特征：输入信号未知的随时间变化任意函数 典型系统：鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、导 弹制导。
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自动控制理论
第二章
电机调速控制系统 电位器 放大 功率放大
负载
电机
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》课件
集成化：智能控制技术将更加集 成化，能够实现多种控制技术的 融合和应用。
添加标题
添加标题
添加标题
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网络化：智能控制技术将更加网 络化，能够实现远程控制和信息 共享。
绿色化：智能控制技术将更加绿 色化，能够实现节能减排和环保 要求。
控制系统的网络化与信息化融合
网络化控制：通过互联网实现远程控制和监控
现代控制理论设计方法
状态空间法：通过建立状态空间模型，进行系统分析和设计 频率响应法：通过分析系统的频率响应特性，进行系统分析和设计 极点配置法：通过配置系统的极点，进行系统分析和设计 线性矩阵不等式法：通过求解线性矩阵不等式，进行系统分析和设计
最优控制理论设计方法
基本概念：最优控制、状态方程、控制方程等 设计步骤：建立模型、求解最优控制问题、设计控制器等 控制策略：线性二次型最优控制、非线性最优控制等 应用领域：航空航天、机器人、汽车电子等
动态性能指标
稳定性：系统在受到扰动后能否恢复到平衡状态 快速性：系统在受到扰动后恢复到平衡状态的速度 准确性：系统在受到扰动后恢复到平衡状态的精度 稳定性：系统在受到扰动后能否保持稳定状态
抗干扰性能指标
稳定性：系统在受到干扰后能够 恢复到原来的状态
准确性：系统在受到干扰后能够 保持原有的精度和准确性
信息化控制：利用大数据、云计算等技术实现智能化控制
融合趋势：网络化与信息化的融合将成为未来控制系统的发展方向 应用领域：工业自动化、智能家居、智能交通等领域都将受益于网络化与 信息化的融合
控制系统的模块化与集成化发展
模块化：将复杂的控制系统分解为多个模块，每个模块负责特定的功能，便于设计和维护 集成化：将多个模块集成为一个整体，提高系统的性能和可靠性 发展趋势：模块化和集成化是未来控制系统发展的重要方向 应用领域：广泛应用于工业自动化、智能家居、智能交通等领域
自控原理课件第1章自动控制系统概
自控原理课件第1章自动控制 系统概
目录
• 自动控制系统概述 • 自动控制系统的工作原理 • 自动控制系统的性能指标 • 自动控制系统的应用领域 • 自动控制系统的发展趋势和挑战
01
自动控制系统概述
自动控制系统的定义
总结词
自动控制系统是一种无需人为干预，能够自动调节、检测、控制和决策的装置 或系统。
模块化
为了提高系统的可维护性和可扩展性，自动控制 系统正朝着模块化方向发展，将系统划分为若干 个独立的模块，每个模块具有特定的功能和接口 ，便于系统的升级和扩展。
网络化
物联网和云计算技术的广泛应用，使得自动控制 系统逐渐实现网络化，系统之间可以相互连接和 通信，实现信息共享和协同工作。
绿色环保
随着环保意识的提高，自动控制系统正朝着绿色 环保方向发展，采用节能技术和环保材料，降低 系统运行过程中的能耗和排放，减少对环境的影 响。
闭环控制系统
闭环控制系统的定义
闭环控制系统是一种通过反馈机制来调节和控制系统的输出，使 输出能够跟踪输入的变化的控制系统。
闭环控制系统的特点
闭环控制系统具有较高的控制精度和抗干扰能力，能够快速响应外 部干扰和变化。
闭环控制系统的应用场景
闭环控制系统广泛应用于各种工业控制、航空航天、机器人等领域 。
自动化控制系统应用于精准农业，实现农田的智能化管理、节水 灌溉等功能。
农业机器人
自动化控制系统在农业机器人中的应用，提高了农业生产效率和 农产品质量。
温室环境控制
通过自动化控制系统，实现对温室环境的自动调节和控制，确保 作物的生长环境适宜。
05
自动控制系统的发展趋势和挑战
发展趋势
智能化
随着人工智能和机器学习技术的快速发展，自动 控制系统正朝着智能化方向发展，能够自主地学 习和适应环境变化，提高系统的性能和效率。
目录
• 自动控制系统概述 • 自动控制系统的工作原理 • 自动控制系统的性能指标 • 自动控制系统的应用领域 • 自动控制系统的发展趋势和挑战
01
自动控制系统概述
自动控制系统的定义
总结词
自动控制系统是一种无需人为干预，能够自动调节、检测、控制和决策的装置 或系统。
模块化
为了提高系统的可维护性和可扩展性，自动控制 系统正朝着模块化方向发展，将系统划分为若干 个独立的模块，每个模块具有特定的功能和接口 ，便于系统的升级和扩展。
网络化
物联网和云计算技术的广泛应用，使得自动控制 系统逐渐实现网络化，系统之间可以相互连接和 通信，实现信息共享和协同工作。
绿色环保
随着环保意识的提高，自动控制系统正朝着绿色 环保方向发展，采用节能技术和环保材料，降低 系统运行过程中的能耗和排放，减少对环境的影 响。
闭环控制系统
闭环控制系统的定义
闭环控制系统是一种通过反馈机制来调节和控制系统的输出，使 输出能够跟踪输入的变化的控制系统。
闭环控制系统的特点
闭环控制系统具有较高的控制精度和抗干扰能力，能够快速响应外 部干扰和变化。
闭环控制系统的应用场景
闭环控制系统广泛应用于各种工业控制、航空航天、机器人等领域 。
自动化控制系统应用于精准农业，实现农田的智能化管理、节水 灌溉等功能。
农业机器人
自动化控制系统在农业机器人中的应用，提高了农业生产效率和 农产品质量。
温室环境控制
通过自动化控制系统，实现对温室环境的自动调节和控制，确保 作物的生长环境适宜。
05
自动控制系统的发展趋势和挑战
发展趋势
智能化
随着人工智能和机器学习技术的快速发展，自动 控制系统正朝着智能化方向发展，能够自主地学 习和适应环境变化，提高系统的性能和效率。
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
自动控制理论课件(PPT 31张)
11
电气与自动化工程学院
研究生专业外语
Science Citation Index
科学引文索引
Eugene Garfield 尤金· 加菲得 “SCI之父”
Science, 122(3159), p.108-11, July 1955.
电气与自动化工程学院
12
研究生专业外语
引文
在文献甲中提到或描述了文献乙，并以文后参考 书目或脚注的形式列出了文献乙的出处，其目的在于 指出信息的来源、提供某一观点的依据、借鉴陈述某 一事件（实）等。这时，便称文献乙为文献甲的引文， 称文献甲为文献乙的引证文献。引文通常也称为被引 文献或参考文献，引证文献通常也称为来源文献。
xt ( ) e ut ( ) K K K K e ( t ) e I I ( t ) e
式中
8
电气与自动化工程学院
研究生专业外语
作业：某系统的状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵为
0.009 0.265 0 9 .8 0 6 .8 0e5 .67e4 0.91 1 0 6 .70e6 8 5 .96e4 5 .02 1 .1 0 0 4 .47e6 A 0 0 1 0 0 0 150 0 150 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 .0 4 6 4 2 .2 4 1 1 B= 0 0 0 6 .2 3 8 5 e 6 2 .5 2 3 0 e 9 1.0 3 5 1 e 9 0 0 0
基于LQR的跟踪控制问题
前述LQR为状态调节器问题，主要实现状态调节， 利用LQR方法实现对参考输入的跟踪控制。
基本思路：将跟踪控制问题转换为状态调节器问题。
电气与自动化工程学院
研究生专业外语
Science Citation Index
科学引文索引
Eugene Garfield 尤金· 加菲得 “SCI之父”
Science, 122(3159), p.108-11, July 1955.
电气与自动化工程学院
12
研究生专业外语
引文
在文献甲中提到或描述了文献乙，并以文后参考 书目或脚注的形式列出了文献乙的出处，其目的在于 指出信息的来源、提供某一观点的依据、借鉴陈述某 一事件（实）等。这时，便称文献乙为文献甲的引文， 称文献甲为文献乙的引证文献。引文通常也称为被引 文献或参考文献，引证文献通常也称为来源文献。
xt ( ) e ut ( ) K K K K e ( t ) e I I ( t ) e
式中
8
电气与自动化工程学院
研究生专业外语
作业：某系统的状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵为
0.009 0.265 0 9 .8 0 6 .8 0e5 .67e4 0.91 1 0 6 .70e6 8 5 .96e4 5 .02 1 .1 0 0 4 .47e6 A 0 0 1 0 0 0 150 0 150 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 .0 4 6 4 2 .2 4 1 1 B= 0 0 0 6 .2 3 8 5 e 6 2 .5 2 3 0 e 9 1.0 3 5 1 e 9 0 0 0
基于LQR的跟踪控制问题
前述LQR为状态调节器问题，主要实现状态调节， 利用LQR方法实现对参考输入的跟踪控制。
基本思路：将跟踪控制问题转换为状态调节器问题。
《自动控制理论》课件
1.1 自动控制理论的定义1.2 自动控制系统的分类1.3 自动控制理论的应用领域二、数学基础2.1 线性代数基础2.2 微积分基础2.3 常微分方程2.4 拉普拉斯变换三、经典控制理论3.1 概述3.2 传递函数3.3 系统稳定性分析3.4 系统响应分析3.5 系统校正设计四、现代控制理论4.1 状态空间描述4.2 状态空间分析4.3 控制器设计4.4 观测器设计4.5 系统李雅普诺夫稳定性分析五、线性二次调节器5.2 性能指标5.3 调节器设计5.4 数字实现六、非线性控制系统6.1 非线性系统的特点6.2 非线性方程和方程组的求解6.3 非线性系统的分析和设计方法6.4 非线性控制系统的应用实例七、模糊控制系统7.1 模糊控制理论的基本概念7.2 模糊控制规则和推理方法7.3 模糊控制器的设计7.4 模糊控制系统的仿真和应用八、自适应控制系统8.1 自适应控制的基本概念8.2 自适应控制算法8.3 自适应控制系统的性能分析8.4 自适应控制的应用实例九、智能控制系统9.1 智能控制的基本概念9.2 人工神经网络在自动控制中的应用9.3 遗传算法在自动控制中的应用9.4 模糊神经网络在自动控制中的应用十、自动控制技术的应用10.1 工业自动化10.2 交通运输自动化10.3 生物医学工程自动化10.4 家居自动化六、非线性控制系统6.1 非线性系统的特点6.2 非线性方程和方程组的求解求解非线性方程和方程组通常需要使用数值方法，如牛顿法、弦截法和迭代法等。
6.3 非线性系统的分析和设计方法对于非线性系统，常用的分析方法有相平面分析、李雅普诺夫方法和描述函数法等。
设计方法包括反馈线性化和滑模控制等。
6.4 非线性控制系统的应用实例例如，臂的控制、电动汽车的稳定控制等。
七、模糊控制系统7.1 模糊控制理论的基本概念模糊控制是一种基于的控制方法，它通过模糊逻辑对系统的输入和输出进行处理，从而实现控制目的。
自动控制原理(全套课件)
自动控制原理（全套课件）一、引言自动控制原理是自动化领域的一门重要学科，它主要研究如何利用各种控制方法，使系统在受到扰动时，能够自动地、准确地、快速地恢复到平衡状态。
本课件将详细介绍自动控制的基本概念、控制系统的类型、数学模型、稳定性分析、控制器设计等内容，帮助学员全面掌握自动控制原理的基本理论和方法。
二、控制系统的基本概念1. 自动控制自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象按照预定规律运行的过程。
自动控制的核心在于控制器的设计，它能够根据被控对象的运行状态，自动地调整控制量，使系统达到预期的性能指标。
2. 控制系统控制系统是由被控对象、控制器、传感器和执行器等组成的闭环系统。
被控对象是指需要控制的物理过程或设备，控制器负责产生控制信号，传感器用于测量被控对象的运行状态，执行器则根据控制信号对被控对象进行操作。
三、控制系统的类型1. 按控制方式分类（1）开环控制系统：控制器不依赖于被控对象的运行状态，直接产生控制信号。
开环控制系统简单，但抗干扰能力较差。
（2）闭环控制系统：控制器依赖于被控对象的运行状态，通过反馈环节产生控制信号。
闭环控制系统抗干扰能力强，但设计复杂。
2. 按控制信号分类（1）连续控制系统：控制信号是连续变化的，如模拟控制系统。
（2）离散控制系统：控制信号是离散变化的，如数字控制系统。
四、控制系统的数学模型1. 微分方程模型微分方程模型是描述控制系统动态性能的一种数学模型，它反映了系统输入、输出之间的微分关系。
通过求解微分方程，可以得到系统在不同时刻的输出值。
2. 传递函数模型传递函数模型是描述控制系统稳态性能的一种数学模型，它反映了系统输入、输出之间的频率响应关系。
传递函数可以通过拉普拉斯变换得到，它是控制系统分析、设计的重要工具。
五、控制系统的稳定性分析1. 李雅普诺夫稳定性分析：通过构造李雅普诺夫函数，分析系统的稳定性。
2. 根轨迹分析：通过分析系统特征根的轨迹，判断系统的稳定性。
自动控制基础知识.详解ppt课件
双位控制在给排水工程中采用普遍，如:水池、水箱的液 位控制，实验室恒温箱的温度控制等。
双位控制的特点：控制器只有最大和最小两个输出值，执 行器只有“开”和“关”两个极限位置。被控对象中物料 量或能量总是处于不平衡状态，被控变量总是剧烈振荡， 得不到比较平衡的控制过程。
认识到了 贫困户 贫困的 根本原 因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
（2）主要特点： 从信号传送来看，输出量经测量后回送到输入端，回送的
信号使信号回路闭合，构成闭环，即为负反馈。 从控制作用的产生看，由偏差产生的控制作用使系统沿减
少或消除偏差的方向运动。——偏差控制
认识到了 贫困户 贫困的 根本原 因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
二、比例控制
定义：使被控量的偏差量与调节阀的开关量对应起来，如 图1.15所示的系统，当液面高于给定值Lo后，阀门不是全 关，而是关小，液面越高，阀关得越小；反之．液面低于 给定值Lo，阀也不是全开，而是开大，液面越低，阀开得 越大。例如，液面低于给定值Lo的10％时，则调节信号也 能使阀门开大10％。这样当对象负荷变化时，调节作用就 会与之相适应。这种控制器的输出与被控量的偏差值成比 例的调节方式称为比例控制，又称P控制。
认识到了 贫困户 贫困的 根本原 因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
被控量——输出量 给定量——输入量
给定输入：决定系统输出量的变化 规律或要求值
扰动输入：系统不希望的外作用
双位控制的特点：控制器只有最大和最小两个输出值，执 行器只有“开”和“关”两个极限位置。被控对象中物料 量或能量总是处于不平衡状态，被控变量总是剧烈振荡， 得不到比较平衡的控制过程。
认识到了 贫困户 贫困的 根本原 因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
（2）主要特点： 从信号传送来看，输出量经测量后回送到输入端，回送的
信号使信号回路闭合，构成闭环，即为负反馈。 从控制作用的产生看，由偏差产生的控制作用使系统沿减
少或消除偏差的方向运动。——偏差控制
认识到了 贫困户 贫困的 根本原 因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
二、比例控制
定义：使被控量的偏差量与调节阀的开关量对应起来，如 图1.15所示的系统，当液面高于给定值Lo后，阀门不是全 关，而是关小，液面越高，阀关得越小；反之．液面低于 给定值Lo，阀也不是全开，而是开大，液面越低，阀开得 越大。例如，液面低于给定值Lo的10％时，则调节信号也 能使阀门开大10％。这样当对象负荷变化时，调节作用就 会与之相适应。这种控制器的输出与被控量的偏差值成比 例的调节方式称为比例控制，又称P控制。
认识到了 贫困户 贫困的 根本原 因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
被控量——输出量 给定量——输入量
给定输入：决定系统输出量的变化 规律或要求值
扰动输入：系统不希望的外作用
自动控制原理课件ppt
控制目标。
传感器
检测系统的状态或参数，并将 检测结果转换为电信号传输给
控制器。
调节机构
根据控制器的指令调整系统的 参数或结构，以实现系统的稳
定和性能优化。
02
控制系统基本概念
系统稳定性
01Biblioteka 0203稳定性的定义
一个控制系统在受到扰动 后能够回到原始状态的能 力。
稳定性的分类
根据系统响应的不同，可 以分为渐近稳定、指数稳 定和不稳定三种类型。
闭环控制系统
系统的输出反馈到输入端，通过反馈 控制提高控制精度。
03
控制系统的数学模型
传递函数
定义
传递函数是描述线性定常系统动 态特性的数学模型，它反映了系 统输出与输入之间的函数关系。
形式
传递函数通常表示为有理分式的 形式，即 G(s) = num(s)/den(s) ，其中 s 是复变量，num(s) 是 分子多项式，den(s) 是分母多项
参数优化
根据系统性能指标，调整控制器的参数，以实现更好的控制效果 。
结构优化
对控制系统结构进行调整，以提高系统的稳定性和动态性能。
鲁棒性优化
提高系统对不确定性和干扰的抵抗能力，保证系统在各种情况下 都能稳定运行。
控制系统的调试与测试
硬件调试
对控制系统的硬件部分进行调试，确保硬件设备正常工作 。
软件调试
自动控制的应用
工业自动化
航空航天
交通运输
智能家居
自动化生产线、机器人 、自动化仪表等。
飞行器控制、卫星轨道 控制等。
自动驾驶车辆、列车控 制等。
智能家电、智能照明等 。
自动控制系统的组成
01
02
03
传感器
检测系统的状态或参数，并将 检测结果转换为电信号传输给
控制器。
调节机构
根据控制器的指令调整系统的 参数或结构，以实现系统的稳
定和性能优化。
02
控制系统基本概念
系统稳定性
01Biblioteka 0203稳定性的定义
一个控制系统在受到扰动 后能够回到原始状态的能 力。
稳定性的分类
根据系统响应的不同，可 以分为渐近稳定、指数稳 定和不稳定三种类型。
闭环控制系统
系统的输出反馈到输入端，通过反馈 控制提高控制精度。
03
控制系统的数学模型
传递函数
定义
传递函数是描述线性定常系统动 态特性的数学模型，它反映了系 统输出与输入之间的函数关系。
形式
传递函数通常表示为有理分式的 形式，即 G(s) = num(s)/den(s) ，其中 s 是复变量，num(s) 是 分子多项式，den(s) 是分母多项
参数优化
根据系统性能指标，调整控制器的参数，以实现更好的控制效果 。
结构优化
对控制系统结构进行调整，以提高系统的稳定性和动态性能。
鲁棒性优化
提高系统对不确定性和干扰的抵抗能力，保证系统在各种情况下 都能稳定运行。
控制系统的调试与测试
硬件调试
对控制系统的硬件部分进行调试，确保硬件设备正常工作 。
软件调试
自动控制的应用
工业自动化
航空航天
交通运输
智能家居
自动化生产线、机器人 、自动化仪表等。
飞行器控制、卫星轨道 控制等。
自动驾驶车辆、列车控 制等。
智能家电、智能照明等 。
自动控制系统的组成
01
02
03
自动控制原理课件可编辑全文
恒值控制系统也认为是过程控制系统的特 例。
• 3、随动控制系统（或称伺服系统）
这类系统的特点是输入信号是一个未知 函数，要求输出量跟随给定量变化。如火炮自 动跟踪系统。
工业自动化仪表中的显示记录仪，跟踪卫 星的雷达天线控制系统等均属于随动控制系统。
1．2．3 按系统传输信号的性质来分
• 1、连续系统 系统各部分的信号都是模拟的连续函数。目前工业中
功率 放大器
电动机
转速自动控制系统。
电源变化、负载变化等引起转速变化， 称为扰动。电动机被称为被控对象， 转速称为被控量，当电动机受到扰动 后，转速（被控量）发生变化，经测 量元件（测速发电机）将转速信号 （又称为反馈信号）反馈到控制器 （功率放大器），使控制器的输出 （称为控制量）发生相应的变化，从 而可以自动地保持转速不变或使偏差 保持在允许的范围内。
直流电动机速度自动控制的原理结构
图如图1-1所示。图中，电位器电压为输
＋U
入信号。测速发电机是电动机转速的测量
元件。图1-1中，代表电动机转速变化的
测速发电机电压送到输入端与电位器电压
进行比较，两者的差值（又称偏差信号） 控制功率放大器（控制器），控制器的输 出控制电动机的转速，这就形成了电动机
电＋ 位 器
一个系统性能将用特定的品质指标来衡量其优劣, 如系统的稳定特性、动态响应和稳态特性。
1.3 对控制系统的基本要求
当自动控制系统受到干扰或者人为要求给定值改变， 被控量就会发生变化，偏离给定值。通过系统的自动 控制作用，经过一定的过渡过程，被控量又恢复到原 来的稳定值或者稳定到一个新的给定值。被控量在变 化过程中的过渡过程称为动态过程（即随时间而变的 过程），被控量处于平衡状态称为静态或稳态。
• 3、随动控制系统（或称伺服系统）
这类系统的特点是输入信号是一个未知 函数，要求输出量跟随给定量变化。如火炮自 动跟踪系统。
工业自动化仪表中的显示记录仪，跟踪卫 星的雷达天线控制系统等均属于随动控制系统。
1．2．3 按系统传输信号的性质来分
• 1、连续系统 系统各部分的信号都是模拟的连续函数。目前工业中
功率 放大器
电动机
转速自动控制系统。
电源变化、负载变化等引起转速变化， 称为扰动。电动机被称为被控对象， 转速称为被控量，当电动机受到扰动 后，转速（被控量）发生变化，经测 量元件（测速发电机）将转速信号 （又称为反馈信号）反馈到控制器 （功率放大器），使控制器的输出 （称为控制量）发生相应的变化，从 而可以自动地保持转速不变或使偏差 保持在允许的范围内。
直流电动机速度自动控制的原理结构
图如图1-1所示。图中，电位器电压为输
＋U
入信号。测速发电机是电动机转速的测量
元件。图1-1中，代表电动机转速变化的
测速发电机电压送到输入端与电位器电压
进行比较，两者的差值（又称偏差信号） 控制功率放大器（控制器），控制器的输 出控制电动机的转速，这就形成了电动机
电＋ 位 器
一个系统性能将用特定的品质指标来衡量其优劣, 如系统的稳定特性、动态响应和稳态特性。
1.3 对控制系统的基本要求
当自动控制系统受到干扰或者人为要求给定值改变， 被控量就会发生变化，偏离给定值。通过系统的自动 控制作用，经过一定的过渡过程，被控量又恢复到原 来的稳定值或者稳定到一个新的给定值。被控量在变 化过程中的过渡过程称为动态过程（即随时间而变的 过程），被控量处于平衡状态称为静态或稳态。
自动控制原理课件ppt
03
非线性控制系统
非线性控制系统的特点
非线性特性
01
非线性控制系统的输出与输入之间存在非线性关系，
如放大器、继电器等。
复杂的动力学行为
02 非线性控制系统具有复杂的动力学行为，如混沌、分
叉、稳定和不稳定等。
参数变化范围广
03
非线性控制系统的参数变化范围很广，如电阻、电容
、电感等。
非线性控制系统的数学模型
线性控制系统的性能指标与评价
性能指标
衡量一个控制系统性能的好坏，需要使用一些性能指标，如响应时间、超调量、稳态误差等。
性能分析
通过分析系统的性能指标，可以评价一个控制系统的优劣。例如，响应时间短、超调量小、稳态误差小的系统性能较 好。
系统优化
根据性能分析的结果，可以对控制系统进行优化设计，提高控制系统的性能指标。例如，可以通过调整 控制器的参数，减小超调量；或者通过改变系统的结构，减小稳态误差。
。
采样控制系统的数学模型
描述函数法
描述函数法是一种分析采样控制系统的常用方法，通过将连续时间 函数离散化，用差分方程来描述系统的动态特性。
z变换法
z变换法是一种将离散时间信号变换为复平面上的函数的方法，可 用于分析采样控制系统的稳定性和性能。
状态空间法
状态空间法是一种基于系统状态变量的方法，可以用于分析复杂的采 样控制系统。
航空航天领域中的应用
总结词
高精度、高可靠性、高安全性
详细描述
自动控制原理在航空航天领域中的应用至关重要。例如 ，在飞机系统中，通过使用自动控制原理，可以实现飞 机的自动驾驶和自动着陆等功能，从而提高飞行的精度 和安全性。在火箭和卫星中，通过使用自动控制原理， 可以实现推进系统的精确控制和姿态调整等功能，从而 保证火箭和卫星能够准确地进行轨道变换和定点着陆。
《自动控制理论教学课件》第4章 线性定常系统的线性变换
0
1
b Pb M
n
2
n1
其中：
n1 cb
n2
cAb n1cb
M
0 cAn1b n1cAn2b L 2cAb 1cb
11
第4章 线性定常系统的线性变换
4.2 线性定常系统的结构分解
从可控性和可观测性出发，状态变量便可分为可 控可观测，可控不可观测，不可控可观测，不可控不 可观测四类。
n1
7
第4章 线性定常系统的线性变换
2）记变换矩阵P的行向量为pi，因PQ = I，即
1 i j piq j 0 i j
故：
p1qn 0
b
Pb
Pqn
M pn1qn pnqn
M
0
1
3）对于向量 c ，由 c cP1 0 1 L n1 计算得
n1 cb
22
第4章 线性定常系统的线性变换
2）输入u只能通过可控子系统传递到输出，而与不 可控子系统无关，故u至y之间的传递函数矩阵描述 不能反映不可控部分的特性。
3）由于在选取非奇异变换矩阵
P1 [ s1 L sr sr1 L sn ]
时，列向量 s1, s2 ,L , sr 和 sr1, sr2,L , sn 的选取不具有唯一 性，虽然可控性规范分解的形式不变，但各系数矩阵因 P-1的差异而不同，即可控性规范分解结果不唯一。
第4章 线性定常系统的线性变换
2．非奇异变换后系统可观测性不变
设变换前、后系统的可观测性矩阵分别为V和 V，则：
V CT AT CT ( AT )2 CT L ( AT )n1CT (CP)T (P1AP)T (CP)T (P1AP)T (P1AP)T (CP)T L PT CT PT AT CT PT ( A2 )T CT L PT ( An1)T CT PT CT AT CT ( A2 )T CT L ( An1)T CT PTV
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控制任务，首先要将被控对象和控制装置
按照一定的方式连接起来，组成一个有机 整体，这就是自动控制系统。
自动控制系统的基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
•开环控制
•开环控制系统的方框图
扰动 输入量 控制装置 被控对象
输出量
温度计
调压器
扰动量 输入量 加热 电阻丝 输出量 电炉 恒温箱 (温度) 被控对象
Un
Uf
调速系统结构图
un
_
e
放大器
ud
直流电动机
n
uf
测速机
由电网电压波动，负载变化以及其他部 闭环控制系统具有的特点： 分的参数变化所引起的转速变化，都可以通 减小或消除由于扰动所形成的偏差值， 过系统的自动调整加以抑制。 具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。 n↓ →Uf↓ →e↑ →Ud↑ →n↑
调压器
加热电阻丝
u
~220V
(手柄位置)
控制装置
(a) 原理图
(b) 方块图
•开环控制
+
GT V udo M
ug
(a) 原理图 扰动量 给定信号
(电压)
触发 器
晶闸管可 控整流器 控制装置 (b) 方块图
输出量 电动机 被控对象 (转速)
•控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系。 结论：开环控制优点——结构简单，缺点——无抗干扰能力
前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。
反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。
比较环节：输出量为各输入量的代数和。 输入量：ur 输出量：n
uf 反馈量：
控制量： u
a
偏差量( ue )＝给定量 ( ur )－反馈量(u f )
Mc↑→n↓→uf↓→ue(=ur-uf)↑→ua↑→n↑
+ RP1 R0 ug +
反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端， 并与输入信号比较的过程。反馈分为负反馈（反馈
信号与输入信号相减）和正反馈（反馈信号与输入
信号相加）。
例 水温自动控制系统 系统中增加了： 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： 汽流入，控制
水的温度 .实 加入给定信号 现没有人直接 检测实际温度 参入的自动水 产生控制信号 温控制.
R1
+ uc
RP2 +
(a) 原理图
udo
M
R0
-ut
TG
扰动
给定 装置
ug
ue (- ) ut
放大器
触发器 控制装置 转速反 馈装置
晶阐管可 控整流器
udo
电动机 受控对象
n
(b) 方框图
闭环控制系统：通过反馈回路使系 统构成闭环并按偏差的性质产生控 制作用，以求减小或消除偏差(从而 减小或消除误差)的控制系统。
3.
被控量很难测量。
应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。
闭环控制 控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用， 而且还有反向联系.
闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。
例 转速负反馈直流电动机调速系统
给定电压 系统组成： 反馈电压 直流电机
测速发电机 e Un U f 转速取决于给 电源和放 定电压与反馈 大装置 电压的差值。 负载
2. 由偏差产生控制作用。 3. 控制的目的是尽量的减小或消除偏差，使输出量接近 于期望值。
自动控制系统定义： 是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连 续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小 和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除 所存在的偏差。
自动控制系统：为了实现各种复杂的
3．复合控制
按偏差控制和按扰动控制相结合的控 制方式称为复合控制。 前馈补偿控制 + 复合控制： 反馈控制
复合控制具有两种基本形式.
(a) 按输入前馈补偿的复合控制
前馈控制
给定值
被控制量
控制器 受控对象
_
检测元件
(b) 按扰动前馈补偿的复合控制
一、自动控制系统的概念
自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，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运行。
系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为
达到一定目的、具有一定功能的整体。 自动控制理论：是研究自动控制共同规系统的含义；
2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。
本章难点
1.深刻理解反馈的概念和思想； 2.确定控制系统的被控对象、被控量、给定量等； 绘制方块图，分析实际控制系统的基本原理。
§1－1
控制系统的基本原理
• 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等各 个领域中起着重要的作用！ • 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医学、 环境、经济管理和其它许多社会生活领域。 • 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。 •《自动控制原理》是自动控制技术的基础理论，是一 门理论性较强的工程科学。 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备 一定的自动控制理论基础知识！
按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动
量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出 的影响，这种控制方式也称顺馈控制。
+
ur
+
n
M
+ -
0
0 0
ue
0
功率 放大
ua R -
+
负载
i
0
-
按扰动控制的速度控制系统
0
0 0
+
0
0
ub
-
电压 放大
开环控制系统的特点： 1. 结构简单、造价低。 2. 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器 及被控对象参数的稳定性。 3. 开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。 应用场合： 1. 2. 控制量的变化规律可以预知。 可能出现的干扰可以抑制。
闭环控制系统的特点：
1. 系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。 2. 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。
3. 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些
惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很
差．甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。
注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使 偏差越来越大。
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，如图所示:
预期 温度 偏差 _ 控制器 反馈量
执行机构
阀门
水箱
实际 温度
自动控制系统的特征 ：
1. 结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。