自动控制原理课件
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自动控制原理最全PPT
2021年6月10日
第一章 自动控制系统的基本概念
第一章 自动控制系统的基本概念
学习重点
❖ 了解自动控制系统的基本结构和特点及 其工作原理；
❖ 了解闭环控制系统的组成和基本环节；
❖ 掌握反馈控制系统的基本要求及反馈控 制系统的作用；
❖ 学会分析自动控制系统的类型及本质特 征。
2021年6月10日
第一章 自动控制系统的基本概念
主要解决问题：单输入单输出（SISO）系统的控制问题。
主要方法：
以传函为数学模型，以拉氏变换数学工具， 时域分析法、根轨迹法、频率法。
主要研究对象：SISO，线性定常（LTI），非线性系统，离散
系统。
Linear Time
主要代表人物：伯德，奈奎斯特，伊文思。 Invariable
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电机与拖动
线性代数
大学物理
自动控制原理
微积分
2021年6月10日
各类 专业课
线性系统
现代控 制理论
第一章 自动控制系统的基本概念
自动控制原理
基于数学模型
自动控制理论的发展历程
控制理论是研究有关自动控制共同规律的一门科学。 第一阶段：古典控制理论（20世纪40～60年代）
Classical Control Theory 第二阶段：现代控制理论（20世纪60～70年代）
第1章 自动控制系统的基本概念(4) 第2章 拉普拉斯变换及其应用（4） 第3章 自动控制系统的数学模型(10) 第4章 自动控制系统的时域分析(14) 第5章 自动控制系统的频域分析（14） 第6章 控制系统的校正及综合(10)
2021年6月10日
第一章 自动控制系统的基本概念
《自动控制原理》PPT课件
4
4-1 根轨迹的基本概念
4-1-1 根轨迹
闭环极点随开环根轨迹增益变化的轨迹
目标
系统参数 连续、运动、动态
开环系统中某个参数由0变化到 时，
闭环极点在s平面内画出的轨迹。一 个根形成一条轨迹。
5
例4-1 已知系统如图，试分析 Kc 对系统特征根分布的影响。
R(s)
_ Kc
1
C(s)
s(s+2)
解：开环传递函数 G(s) Kc 开环极点：p1 0
s(s 2)
开环根轨迹增益：K * Kc 闭环特征方程：s2 2s K * 0
闭环特征根
2 s1,2
4 4K* 1
2
1 K*
p2 2
6
研究K*从0～∞变化时，闭环特征根的变化
K*与闭环特征根的关系 s1,2 1 1 K*
引言
时域分析法
优点：可以直接分析系统的性能 缺点：不能在参数变化时，预测系统性能；
不能在较大范围内，给出参数优化设 计的预测结果
系统的闭环极点
系统的稳定性 系统的动态性能
系统闭环特征方程的根
高阶方程情形 下求解很困难
系统参数（如开环放大倍数）的变化会引起其 变化，针对每个不同参数值都求解一遍根很麻 烦。
1 绘制依据 ——根轨迹方程
R(s) _
C(s) G(s)
闭环的特征方程：1 G(s)H(s) 0
H(s)
即：G(s)H(s) 1 ——根轨迹方程（向量方程）
用幅值、幅角的形式表示：
G(s)H(s) 1
G(s)H(s) [G(s)H(s)] 1(2k 1) G(s)H(s) (2k 1)
4-1 根轨迹的基本概念
4-1-1 根轨迹
闭环极点随开环根轨迹增益变化的轨迹
目标
系统参数 连续、运动、动态
开环系统中某个参数由0变化到 时，
闭环极点在s平面内画出的轨迹。一 个根形成一条轨迹。
5
例4-1 已知系统如图，试分析 Kc 对系统特征根分布的影响。
R(s)
_ Kc
1
C(s)
s(s+2)
解：开环传递函数 G(s) Kc 开环极点：p1 0
s(s 2)
开环根轨迹增益：K * Kc 闭环特征方程：s2 2s K * 0
闭环特征根
2 s1,2
4 4K* 1
2
1 K*
p2 2
6
研究K*从0～∞变化时，闭环特征根的变化
K*与闭环特征根的关系 s1,2 1 1 K*
引言
时域分析法
优点：可以直接分析系统的性能 缺点：不能在参数变化时，预测系统性能；
不能在较大范围内，给出参数优化设 计的预测结果
系统的闭环极点
系统的稳定性 系统的动态性能
系统闭环特征方程的根
高阶方程情形 下求解很困难
系统参数（如开环放大倍数）的变化会引起其 变化，针对每个不同参数值都求解一遍根很麻 烦。
1 绘制依据 ——根轨迹方程
R(s) _
C(s) G(s)
闭环的特征方程：1 G(s)H(s) 0
H(s)
即：G(s)H(s) 1 ——根轨迹方程（向量方程）
用幅值、幅角的形式表示：
G(s)H(s) 1
G(s)H(s) [G(s)H(s)] 1(2k 1) G(s)H(s) (2k 1)
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
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
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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
自动控制原理(全套课件659P)
手动控制
人在控制过程中起三个作用： （1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；
（2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行
判断节，如调节阀门开度、改变触点位置。
ppt课件 4
1.1 自动控制的基本概念
在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。 如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收
ppt课件 6
控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系
统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分 析。
控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给定系统的性能指标，
合理的确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。 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：系统输出量应达到的数值（例如与要求的炉温对应的电 压）。 扰动：是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电压
闭环控制是指系统的被控制量（输出量）
与控制作用之间存在着负反馈的控制 方式。采用闭环控制的系统称为闭环
控制系统或反馈控制系统。闭环控制
是一切生物控制自身运动的基本规律。 人本身就是一个具有高度复杂控制能
力的闭环系统。
优点：具有自动补偿由于系统内部和外 部干扰所引起的系统误差（偏差）的
能力，因而有效地提高了系统的精度。
脑
手
输出量 （手的位置）
ppt课件
16
闭环控制系统方框图
ppt课件
17
反馈控制系统的组成、名词术语和定义
反馈控制系统方框图
ppt课件
18
1.2 自动控制理论的发展
《自动控制原理》PPT课件
pi）
0
即K*=0时：闭环极点 si＝开环极点pi
当K*→∞时，闭环特征方程 ：
m
(s
i 1
zi )
1 K*
n
(s
i 1
pi）
0
K*→∞
m
(s
i 1
zi
)
0
即K*→∞时，闭环极点 si＝开环零点zi
当m 时n， 有n-m 条的终点在无穷远点
n
n
K*
s
i 1 m
pi
i 1
s
zi
K*
lim
s
s
i 1
m
s
i 1
pi zi
lim snm s
12
说明：
1）有限开环零、极点：zi，pi 无限开环零、极点：∞
根轨迹起于开环极点，终于开环零点
2）在绘制其他参数根轨迹时，可能会出现 m＞n 的情况，
H(s)
其中：Mi (s) (s zi1 )( s zi2 ); Ni (s) (s pi1 )( s pi2 ) i 1,2
开环零点：M1(s)M2(s) 0 开环极点：N1(s)N2(s) 0
闭环传递函数：s
K1 M1 ( s) N 2 s
K*M1(s)M2(s) N1(s)N2(s)
1 绘制依据 ——根轨迹方程
R(s) _
C(s) G(s)
闭环的特征方程：1 G(s)H(s) 0
H(s)
即：G(s)H(s) 1 ——根轨迹方程（向量方程）
用幅值、幅角的形式表示：
G(s)H(s) 1
《自动控制原理》PPT课件
i1
j1
i1
j1
f
G(s)
K G (1s 1)(22s2 22s 1) s (T1s 1)(T22s2 2T2s 1)
KG'
(s zi )
i1 q
(s pi )
i1
前向通道增益 前向通道根轨迹增益
KG'
KG
1 2 2 T1T2 2
反馈通道根轨迹增益
l
(s z j )
H(s) K H '
狭义根轨迹（通常情况）：
变化参数为开环增益K，且其变化取值范围为0到∞。
G(s)H (s) K s(s 1)
(s) C(s) K R(s) s2 s K
D(s) s2 s K 0
s1,2
1 2
1 2
1 4K
K＝0时 s1 0 s2 1
0 K 1/ 4 两个负实根
K值增加 相对靠近移动
i1
i1
负实轴上都是根轨迹上的点！
m
n
(s zi ) (s pi ) | s2 p1 135
i1
i1
负实轴外的点都不是根轨迹上的点！
二、绘制根轨迹的基本规则
一、根轨迹的起点和终点 二、根轨迹分支数 三、根轨迹的连续性和对称性 四、实轴上的根轨迹 五、根轨迹的渐近线 六、根轨迹的分离点 七、根轨迹的起始角和终止角 八、根轨迹与虚轴的交点 九、闭环特征方程根之和与根之积
a
(2k 1)180 nm
渐近线与实轴交点的坐标值：
n
m
pi zi
a＝ i1
i1
nm
证明
G(s)H (s) K '
m
(s zi )
i 1 n
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9
反馈的概念
反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的 过程。若反馈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；反之，则称为正反馈。显然，负反 馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程， 又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过 程是闭合的，故也称为闭环控制。
10
智能控制是从“仿人”的概念出发的。其方法包括学 习控制、模糊控制、神经元网络控制和专家控制等方法。
26
1.3 控制系统的分类
恒值系统和随动系统（按参考输入形式分类）
恒值系统是指参考输入量保持常值的系统。其任
务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被 控制量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数 值上。 随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系
5
自动控制：自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加
的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象） 的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。 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。 它是控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组
的波动、环境温度的变化。
7
控制方式
开环控制是指系统的 被控制量（输出量）只受
• 开环控制
控于控制作用，而对控制
作用不能反施任何影响的 控制方式。采用开环控制
的系统称为开环控制系统。
优点：结构简单，成本低 廉，易于实现 缺点：对扰动没有抑制能 力，控制精度低
8
• 闭环控制
闭环控制是指系统的被控制量（输出量）
21
现代控制理论
经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系 统的外部描述而忽视系统的内部状态。在实际应用中有很大局限性。
随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理 论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理 论迅速发展起来。
1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论 1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理 1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论 在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息 （输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无 论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多 变量系统，都是一种有效的分析方法。
与控制作用之间存在着负反馈的控制 方式。采用闭环控制的系统称为闭环
控制系统或反馈控制系统。闭环控制
是一切生物控制自身运动的基本规律。 人本身就是一个具有高度复杂控制能
力的闭环系统。
优点：具有自动补偿由于系统内部和外 部干扰所引起的系统误差（偏差）的
能力，因而有效地提高了系统的精度。
缺点：系统参数应适当选择，否则可能 不能正常工作。
6
控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系
统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分 析。
控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给定系统的性能指标，
合理的确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。 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：系统输出量应达到的数值（例如与要求的炉温对应的电 压）。 扰动：是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电压
基本方法：状态方程 （时域）
22
大系统理论
20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发 展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方 法 以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统； （2）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础， 在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制 方法 在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁 棒控制器，以处理数学模型的不确定性。
控制装置和自控系统等概念。
1.2 自动控制理论的发展：了解自动控制理论发展的四个主要阶段。 1.3 控制系统的分类：明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义
和信息特征
1.4 对控制系统的基本要求：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。
3
控制：操纵，节制使不超出范围或随意活动。
手动控制
主要内容
• • • • • • • • 第1章 自动控制系统的基本概念 第2章 自动控制系统的数学模型 第3章 自动控制系统的时域分析 第4章 根轨迹法 第5章 频率法 第6章 控制系统的校正及综合 第7章 非线性系统 第8章 离散控制系统
2
第一章 绪论
1.1 自动控制的基本概念：明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、
19
经典控制理论
控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理， 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、雷达跟踪系统等基于反馈原理的 军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。
1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代 数判据 。 1875年和1896年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分 别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。
比较以上两种控制方式
由于开环控制的特点是控制装臵只按照给定的输入信号对 被控制量进行单向控制，而不对控制量进行测量并反向影 响控制作用。这样，当炉温偏离希望值时，开关K的接通或 断开时间不会相应改变。因此，开环控制不具有修正由于 扰动（使被控制量偏离希望值的因素）而出现的被控制量
与希望值之间偏差的能力，即抗干扰能力差。
24
智能控制
是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在 控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对 象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导 思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目 前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的 复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传 感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式， 庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动 智能机器自主地实现其目标的过程
在闭环控制中，被控量一般是由测量装臵检测并反馈到输 入端，然后由比较装臵将它与输入信号综合得到偏差（误
差），有时，测量与综合作用是由一个装臵完成的，如水
银温度计。由于采用了接触式水银温度计，可以不断对炉 温进行测量和比较，根据炉温的实际偏差进行控制，提高
了控制精度和抗干扰能力。
11
•
复合控制
是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它是在闭环
统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪
参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项 主要性能指标。
27
线性系统和非线性系统（按照组成系统的元 件特性分类）
线性系统是指构成系统的所有元件都是线性元件的 系统。其动态性能可用线性微分方程描述，系统满足叠 加原理。
非线性系统是指构成系统的元件中含有非线性元件 的系统。其只能用非线性微分方程描述，不满足叠加原 理。同时把可以进行线性化处理的系统或元件特性称为 非本质非线性特性。反之，称之为本质非线性，它只能 用非线性理论分析研究。
合，一般由控制装置和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机构、
比较机构、执行机构。 自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单也有复杂。它 可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的 全部生产和管理过程；它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较 抽象的社会系统、生态系统或经济系统。
• 随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发 展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制， 从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、 能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。 • 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程 理论，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。它是一个多输入、多输出、多干扰、多 变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。
控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的顺
馈通路，用来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对 输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。 优点：具有很高的控制精度，可以抑制几乎所有的可 量测扰动 缺点:补偿器的参数要有较高的稳定性
12
方框图的概念
输入信号
方框 信号线 信号线
输出信号
• 方框 • 信号线
自动控制原理
(Automatic Control Theory)
华信学院机电系：武林俊
参考书目： 1. 王建辉编 自动控制原理。 北京：清华大学出版社， 2006 （教材）
2. 孙德宝主编。自动控制原理。 北京：化学工业出版社， 2002
3. 胡寿松主编。自动控制原理。第三版。 北京：国防工业出版社，1994 4. 王划一主编。自动控制原理。 北京：国防工业出版社， 2001
控制装臵和被控对象分别用方框表示 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带
箭头的信号线表示
• 输入信号 进入方框的信号 • 输出信号 离开方框的信号
13
开环控制系统方框图
输入量
控制装置
被控对象
输出量 （被控制量）
输入量：加在电阻丝两端的电 压 被控制对象：炉子 被控制量（输出量）：炉温 控制装臵：开关K和电热丝，对 被控制量起控制作用。
等。
除了在工业上广泛应用外，近几十年来，随着计算机技术的发展和应 用，在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中，自 动控制技术更具特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范 围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领 域中，特别在化学工业中的应用有传热设备控制，反应器控制，流体 输送设备控制，精馏塔控制等。自动控制已成为现代社会生活中不可 缺少的一部分。
反馈的概念
反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的 过程。若反馈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；反之，则称为正反馈。显然，负反 馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程， 又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过 程是闭合的，故也称为闭环控制。
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智能控制是从“仿人”的概念出发的。其方法包括学 习控制、模糊控制、神经元网络控制和专家控制等方法。
26
1.3 控制系统的分类
恒值系统和随动系统（按参考输入形式分类）
恒值系统是指参考输入量保持常值的系统。其任
务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被 控制量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数 值上。 随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系
5
自动控制：自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加
的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象） 的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。 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。 它是控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组
的波动、环境温度的变化。
7
控制方式
开环控制是指系统的 被控制量（输出量）只受
• 开环控制
控于控制作用，而对控制
作用不能反施任何影响的 控制方式。采用开环控制
的系统称为开环控制系统。
优点：结构简单，成本低 廉，易于实现 缺点：对扰动没有抑制能 力，控制精度低
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• 闭环控制
闭环控制是指系统的被控制量（输出量）
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现代控制理论
经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系 统的外部描述而忽视系统的内部状态。在实际应用中有很大局限性。
随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理 论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理 论迅速发展起来。
1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论 1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理 1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论 在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息 （输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无 论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多 变量系统，都是一种有效的分析方法。
与控制作用之间存在着负反馈的控制 方式。采用闭环控制的系统称为闭环
控制系统或反馈控制系统。闭环控制
是一切生物控制自身运动的基本规律。 人本身就是一个具有高度复杂控制能
力的闭环系统。
优点：具有自动补偿由于系统内部和外 部干扰所引起的系统误差（偏差）的
能力，因而有效地提高了系统的精度。
缺点：系统参数应适当选择，否则可能 不能正常工作。
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控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系
统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分 析。
控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给定系统的性能指标，
合理的确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。 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：系统输出量应达到的数值（例如与要求的炉温对应的电 压）。 扰动：是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电压
基本方法：状态方程 （时域）
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大系统理论
20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发 展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方 法 以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统； （2）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础， 在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制 方法 在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁 棒控制器，以处理数学模型的不确定性。
控制装置和自控系统等概念。
1.2 自动控制理论的发展：了解自动控制理论发展的四个主要阶段。 1.3 控制系统的分类：明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义
和信息特征
1.4 对控制系统的基本要求：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。
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控制：操纵，节制使不超出范围或随意活动。
手动控制
主要内容
• • • • • • • • 第1章 自动控制系统的基本概念 第2章 自动控制系统的数学模型 第3章 自动控制系统的时域分析 第4章 根轨迹法 第5章 频率法 第6章 控制系统的校正及综合 第7章 非线性系统 第8章 离散控制系统
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第一章 绪论
1.1 自动控制的基本概念：明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、
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经典控制理论
控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理， 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、雷达跟踪系统等基于反馈原理的 军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。
1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代 数判据 。 1875年和1896年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分 别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。
比较以上两种控制方式
由于开环控制的特点是控制装臵只按照给定的输入信号对 被控制量进行单向控制，而不对控制量进行测量并反向影 响控制作用。这样，当炉温偏离希望值时，开关K的接通或 断开时间不会相应改变。因此，开环控制不具有修正由于 扰动（使被控制量偏离希望值的因素）而出现的被控制量
与希望值之间偏差的能力，即抗干扰能力差。
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智能控制
是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在 控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对 象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导 思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目 前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的 复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传 感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式， 庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动 智能机器自主地实现其目标的过程
在闭环控制中，被控量一般是由测量装臵检测并反馈到输 入端，然后由比较装臵将它与输入信号综合得到偏差（误
差），有时，测量与综合作用是由一个装臵完成的，如水
银温度计。由于采用了接触式水银温度计，可以不断对炉 温进行测量和比较，根据炉温的实际偏差进行控制，提高
了控制精度和抗干扰能力。
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•
复合控制
是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它是在闭环
统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪
参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项 主要性能指标。
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线性系统和非线性系统（按照组成系统的元 件特性分类）
线性系统是指构成系统的所有元件都是线性元件的 系统。其动态性能可用线性微分方程描述，系统满足叠 加原理。
非线性系统是指构成系统的元件中含有非线性元件 的系统。其只能用非线性微分方程描述，不满足叠加原 理。同时把可以进行线性化处理的系统或元件特性称为 非本质非线性特性。反之，称之为本质非线性，它只能 用非线性理论分析研究。
合，一般由控制装置和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机构、
比较机构、执行机构。 自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单也有复杂。它 可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的 全部生产和管理过程；它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较 抽象的社会系统、生态系统或经济系统。
• 随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发 展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制， 从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、 能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。 • 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程 理论，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。它是一个多输入、多输出、多干扰、多 变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。
控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的顺
馈通路，用来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对 输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。 优点：具有很高的控制精度，可以抑制几乎所有的可 量测扰动 缺点:补偿器的参数要有较高的稳定性
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方框图的概念
输入信号
方框 信号线 信号线
输出信号
• 方框 • 信号线
自动控制原理
(Automatic Control Theory)
华信学院机电系：武林俊
参考书目： 1. 王建辉编 自动控制原理。 北京：清华大学出版社， 2006 （教材）
2. 孙德宝主编。自动控制原理。 北京：化学工业出版社， 2002
3. 胡寿松主编。自动控制原理。第三版。 北京：国防工业出版社，1994 4. 王划一主编。自动控制原理。 北京：国防工业出版社， 2001
控制装臵和被控对象分别用方框表示 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带
箭头的信号线表示
• 输入信号 进入方框的信号 • 输出信号 离开方框的信号
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开环控制系统方框图
输入量
控制装置
被控对象
输出量 （被控制量）
输入量：加在电阻丝两端的电 压 被控制对象：炉子 被控制量（输出量）：炉温 控制装臵：开关K和电热丝，对 被控制量起控制作用。
等。
除了在工业上广泛应用外，近几十年来，随着计算机技术的发展和应 用，在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中，自 动控制技术更具特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范 围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领 域中，特别在化学工业中的应用有传热设备控制，反应器控制，流体 输送设备控制，精馏塔控制等。自动控制已成为现代社会生活中不可 缺少的一部分。