自动控制原理第一章绪论
自动控制理论
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电气与新能源学院
2019/12/16
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第一章第一章绪论绪论第二章第二章控制系统的数学模型控制系统的数学模型第三章第三章控制系统的时域分析控制系统的时域分析第四章第四章根轨迹法根轨迹法第五章第五章频率分析法频率分析法第六章第六章控制系统的综合校正控制系统的综合校正第七章第七章pidpid控制与鲁棒控制控制与鲁棒控制第八章第八章离散控制系统离散控制系统第九章第九章状态空间分析法状态空间分析法444电气与新能源学院首页上页下页201920192019121212303030教材及参考书1自动控制理论邹伯敏主编机械出版社2自动控制原理蒋大明著华南理工大学出版社1992年版5自动控制原理梅晓榕主编科学出版社6自动控制理论文锋编著中国电力出版社1998年版555电气与新能源学院首页上页下页201920192019121212303030考核方式
动 统和状态空间分析等。
控
制
具体来说，包括以下几个章节：
理
论 第一章 绪论
第二章 控制系统的数学模型
第三章 控制系统的时域分析
第四章 根轨迹法
第五章 频率分析法
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上页 第六章 控制系统的综合校正
下页 第七章 PID控制与鲁棒控制
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结束 第八章 离散控制系统
第九章 状态空间分析法
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中职教育-《自动控制原理》课件：第1章 绪论(5)电子工业出版社.ppt
1-5 自动控制系统的基本要求
尽管自动控制系统有不同的类型，对每个 系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统 来说，在已知系统的结构和参数时，对该系统 在某种典型输入信号作用下，其被控变量变化 全过程的基本要求都是一样的，可以归结为稳 定性、准确性和快速性，即稳、准、快的要求。
1
1．稳定性 对于一个自动控制系统，最基本要求为系统是
3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
自动控制理论研究的主要内容是阐述对自 动控制系统进行分析和设计的基本理论。在对 实际控制系统进行分析和设计时，首先要建立 研究问题的数学模型，进而利用所建立的数学 模型来讨论对自动控制系统进行分析和设计的 基本理论和方法。在已知系统数学模型下，计 算和研究自动控制系统的性能并寻找系统性能 与系统结构、参数之间的关系，称为系统的分 析。如果已知对工程系统性能指标的要求，寻 找合理的控制方案，这类问题称为系统的设计 或校正。
绝对稳定的。否则系统无法正常工作，也无法完成 控制任务，甚至会毁坏设备，造成重大损失。考虑 到实际系统工作环境或参数的变动，可能导致系统 不稳定，因此，我们除要求系统稳定外，还要求其 具有一定的稳定裕量。
2．准确性 系统的准确性是用稳态误差来衡量的，稳态误差
是指系统过渡到新的平衡工作状态以后，或系统对 抗干扰重新恢复平衡后最终保持的精度。稳态误差 与控制系统的结构及参数，输入信号形式有关。
2
3．快速性 动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作
用下随时间变化的全过程，衡量系统快速性的品质 好坏常采用单位阶跃信号作用下动态过程中的超调 量，过渡过程时间等性能指标。
对不同的被控对象，系统对稳、准、快的要求 有所侧重。例如，随动系统对快要求较高。同一系 统稳、准、快是相互制约的。过分提高响应动作的 快速性，可能会导致系统的强烈振荡；而过分追求 系统的平稳性，又可能使系统反映迟钝，控制过程 拖长，最终导致控制精度也变差。如何分析与解决 这些矛盾，是自动控制理论研究的重要内容。
自动控制原理复习提纲
第一章绪论1、基本概念（1）自动控制：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（被控量）自动地按预先给定的规律去运行。
（2）自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制装置与被控对象组成。
（3）被控对象：指被控设备或过程。
（4）输出量，也称被控量：指被控制的量。
它表征被控对象或过程的状态和性能，它又常常被称为系统对输入的响应。
（5）输入量：是人为给定的系统预期输出的希望值。
（6）偏差信号：参考输入与实际输出的差称为偏差信号，偏差信号一般作为控制器的输入信号。
（7）负反馈控制：把被控量反送到系统的输入端与给定量进行比较，利用偏差引起控制器产生控制量，以减小或消除偏差。
2、自动控制方式（1）开环控制开环控制系统指系统的输出量对系统的控制作用没有影响的系统。
它分为按给定控制和按扰动控制两种形式。
按给定控制：信号由给定输入到输出单向传递。
按扰动控制（顺馈控制）：根据测得的扰动信号来补偿扰动对输出的影响。
（2）闭环控制（反馈控制）闭环控制系统指系统的输出量与输入端存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接影响的系统。
系统根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为反馈控制原理。
3、自动控制系统的分类（1）按给定信号的特征分类①恒值控制系统：希望系统的输出维持在给定值上不变或变化很小。
②随动控制系统：给定信号的变化规律是事先不确定的随机信号。
③程序控制系统：系统的给定输入不是随机的，而是确定的、按预先的规律变化。
（2）按系统的数学模型分类⎧⎧⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪−−−→⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎧⎪⎪−−−→⎨⎨⎪⎩⎩⎪⎪⎧−−−→⎪⎪⎪⎧⎪⎨⎪⎪−−−→⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎩⎩分析法分析法分析法分析法时域法根轨迹法线性定常系统频域法线性系统状态空间法时域法线性时变系统状态空间法非本质非线性线性化法描述函数法非线性系统本质非线性相平面法状态空间法 （3）按信号传递的连续性划分①连续系统：系统中的所有元件的输入输出信号均为时间的连续函数，所以又常称为模拟系统。
自动控制原理_胡寿松_第五版_第一章_绪论(简)改ppt
掌握系统的基本分析方法
为设计自动控制系统打下一定的基础 为进一步的学习和研究控制理论创造条件
教学方式：讲授 学时：48 H 考核方式： 笔试70％ 平时30％：作业（20％），课堂（10％） 教材： 胡寿松主编，《自动控制原理基础教程》第三版，科学 出版社 参考书： 李友善主编，《自动控制原理》，国防科技出版社 高国燊主编，《自动控制原理》，华南理工大学出版社 文锋主编，《自动控制理论》，中国电力出版社 目标：学到真本事，考个好成绩！ 要求：认真听课，不能无故旷课、迟到；独立完成作业，能够提 出问题，讨论问题。 即：严肃认真，生动活泼！
前苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着 陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号 把宇航员N. A. Armstrong 送上月球。
第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)。
旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索。
控制论是一门多学科性的技术科学。在理论研究中，广 泛的使用了各种数学工具：微积分，概率论，复变函数，泛 函，变分法，拓扑学等，实际上是数学的一个分支。
信号与系统（含 拉氏变换，傅氏 变换、z变换
复变函数
电路理论
模拟电子技术
电机与拖动
自动控制理论
线性代数 微积分（含微分方程）
大学物理（力学、热力学）
我们讨论的自控原理，仅仅是控制论的一个小部分，只讨论 了控制系统分析和设计的最一般的理论。属于经典控制部分。
Chapter 1: 主要介绍自动控制的基本概念，控制系统的常用术语及方框图表示； 主要内容： 1.自动控制、自动控制系统的概念 2.自动控制系统的基本方式 3.自动控制系统的类型 4.自动控制系统的要求和分析设计 chapter 2: 如何建立系统的数学模型（定量分析的基础），着重讨论对传递 函数的分析和基于方框图、梅逊公式的数学模型的简化方法；
第一章自动控制原理绪论
第一章自动控制原理绪论自动控制原理是一门研究物理系统自动调节和控制的科学，主要包括控制系统的建立、控制策略设计和控制器设计等内容。
本章主要介绍了自动控制原理的基本概念和基本方法，以及自动控制的应用领域。
自动控制的基本概念包括系统、控制、反馈和误差等。
系统是由一组互相作用的物理元件构成的实物系统或数学模型，控制是通过调节系统的一些输入信号来达到预期目标的过程，反馈则是从系统的输出信号中获取信息进行调节的过程，而误差是系统输出信号与期望目标之间的差异。
自动控制的基本方法包括建立数学模型、分析系统的性态、设计控制策略和设计控制器等。
在建立数学模型时，可以通过质量、量、位置、能量守恒等原则，采用物理方程、电路方程、状态方程等方法进行建模。
在分析系统的性态时，可以通过系统的输入输出关系、传递函数、稳定性、响应特性等进行分析。
在设计控制策略时，可以根据系统的性质、要求和实际问题的特点进行选择。
在设计控制器时，可以采用比例、积分、微分控制器等方法，通过调节控制器参数和选择控制器结构来实现对系统的控制。
自动控制的应用领域非常广泛，包括工业自动化、航空航天、机器人、医疗设备、交通运输等。
在工业自动化中，自动化生产线、机械设备、电力系统等都需要自动控制来实现精确控制和高效运作。
在航空航天中，自动驾驶系统和导航系统需要自动控制实现飞行控制和航道控制。
在机器人中，自动控制可以实现机械臂的精确运动和姿态控制。
在医疗设备中，自动控制可以实现医学影像的采集和分析，以及手术机器人的操作。
在交通运输中，自动控制可以实现车辆的自动驾驶、交通信号的优化和路线规划等。
总之，自动控制原理是一门重要的学科，对于解决实际问题具有重要意义。
通过学习和应用自动控制原理，可以提高物理系统的控制性能，实现精确定位、稳定运行和高效控制，在各个应用领域都有着广泛的应用前景。
自动控制原理目录
第一章绪论（6学时）
微型计算机发展概况、数制和码制。
第二章 8086 系统结构（8学时）
8086CPU结构、8086CPU的引脚及其功能、8086存储器组织、8086系统配置、8086CPU 时序。
第三章 8086的寻址方式和指令系统（10学时）
8086的寻址方式、指令的机器码表示方法、8086的指令系统。
第四章汇编语言程序设计（10学时）
汇编语言程序格式、MASM中的表达式、伪指令语句、程序设计方法、DOS系统功能调用。
第五章存储器（6学时）
存储器分类、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、CPU与存储器的连接。
第六章 I/O接口和总线（6学时）
I/O接口的功能、简单的输入输出芯片、I/O端口及其编址方式、I/O端口地址译码、CPU 与外设间的数据传送方式。
第七章可编程外围接口芯片8255A及应用（4学时）
8255A的结构和功能、8255A的控制字及初始化编程、8255A工作方式和C口状态字、8255A的应用举例。
第八章可编程计数器/定时器8253及应用（4学时）
8253的内部结构与引脚信号、8253的初始化编程、8253的工作方式、8253与系统的连接、8253的应用举例。
第九章微型计算机中断系统（8学时）
中断处理过程、中断优先级和中断嵌套、可编程中断控制器8259A。
第十章 A/D、D/A转换（6学时）
A/D转换器工作原理、D/A转换器工作原理、转换器与CPU连接。
第十一章高档微处理器（6学时）
CPU内部结构、管脚信号说明、寄存器组成。
王划一自动控制原理1-1绪论-文档资料
生的。这使得这种“水位恒定的要求”变得难以实现
了。
所谓控制就是强制性地改变某些物理量（如上例
中的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面
高度h）维持在某种特定的标准上。
这人种工人控为制的例流入子。
地强制性地改
变进水量，而 使液面高度维
水箱
持恒定的过程，
h
即是人工控制
流出
过程。 8
1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件
般用r(t)和c(t)表示。
c(t)
r(t)
0
t
0
t
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2.离散系统
控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码 时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一 般用差分方程来描述。实际物理系统中，信息的表现 形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要， 人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。
c(t)
人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系 统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现 了闭环控制的原理。
直流电动机转速闭环控制的例子。 19
电动机
负载
电 位 器
功率 放大器
M
给定 位置
F 测速发动机
负载 扰动
电位器 ur +- e
uf
功率 ua 放大器
转速 电动机
测速发动机 20
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 系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差 信号，即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用， 使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。 ③ 提高了控制精度。 闭环控制系统的典型方框图如图所示。
自动控制原理知识点总结
自动控制原理知识点总结————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：自动控制原理总结第一章 绪 论技术术语1. 被控对象:是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。
2. 被控量：表征被控对象工作状态的物理参量(或状态参量)，如转速、压力、温度、电压、位移等。
3. 控制器：又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。
4. 给定值或指令信号r(t)：要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。
5. 干扰信号n(t)：又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。
6. 反馈信号b(t)：是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。
7. 偏差信号e(t)：是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。
闭环控制的主要优点：控制精度高，抗干扰能力强。
缺点：使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。
对控制系统的性能要求 :稳定性 快速性 准确性稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。
准确性是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。
第二章 控制系统的数学模型拉氏变换的定义:-0()()e d st F s f t t +∞=⎰几种典型函数的拉氏变换1.单位阶跃函数1(t)2.单位斜坡函数3.等加速函数4.指数函数e -at5.正弦函数sin ωt6.余弦函数cos ωt7.单位脉冲函数(δ函数) 拉氏变换的基本法则 1.线性法则 2.微分法则 3.积分法则1()d ()f t t F s s ⎡⎤=⎣⎦⎰L4.终值定理()lim ()lim ()t s e e t sE s →∞→∞==5.位移定理00()e()sf t F s ττ--=⎡⎤⎣⎦Le ()()atf t F s a ⎡⎤=-⎣⎦L传递函数：线性定常系统在零初始条件下，输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比称为系统(或元部件)的传递函数。
第1章--自动控制原理课件
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
《自动控制原理》胡寿松——总结与复习
三、绘制常规根轨迹的基本规则
根轨迹的分支数、对称性、 起点和终点、实轴上的根轨迹、 渐近线（倾角，与实轴的交点）、 分离点和会合点、与虚轴的交点、 出射角和入射角、 特征方程的根之和=开环极点之和（n-m≥2）
分析与设计：
确定主导极点→根轨迹增益→其他闭环极点→闭环传递函数
第五章 频域分析法
一、频率特性的定义 输出的稳态分量与输入正弦信号之间的关系； 幅频特性，相频特性
（参数的稳定域） ➢ 分析系统的相对稳定性。
5. 控制系统的稳态误差
• 稳态误差的定义和分类 跟踪稳态误差、扰动稳态误差。
• 利 用 终 值 定 理 求 稳 态 误差
前 提 ：E(s) 除 原 点 外 ， 其 余 极 点 均在 左 半 平 面 。
• 不 能 利 用 终 值 定 理 时 如何 求 稳 态 误 差
串联校正的两种常用思路
1. 根据性能要求确定希望的开环频率特性的 Bode图，再由Bode图求开环传递函数， 最后得到校正装置的传递函数。
2. 限定校正装置为简单结构，通过改变其参 数来获得尽可能好的开环频率特性。
思路2的常用校正方式： 超前校正，滞后校正，滞后超前校正
R(s) E(s)
-
Gc (s)
• 稳定性的基本概念 • 稳定性的两种常用定义
运动稳定性 有界输入有界输出稳定性（ BIBO 稳定） • 线性定常系统的稳定条件 系统极点均具有负实部 • 反馈控制系统稳定的充要条件 特征方程的根（闭环极点）均具有负实部
•劳斯-赫尔维茨稳定判据
劳斯表的计算规律
劳斯判据的应用：
➢ 判断系统是否稳定； ➢ 判断不稳定极点的个数； ➢ 求出保证系统稳定的参数取值范围；
二、频率特性的几何表示 幅相频率特性图（极坐标图，Nyquist图）； 对数幅频特性和对数相频特性（伯德图）；
自动控制原理 第一章 绪论
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经典控制理论的基本特征
（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性 微分方程描述的系统的分析与综合；
（2）多用于单输入，单输出的反馈控制系统； （3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽略系统的
内部状态，是一种对系统的外部描述方法。
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应当指出，反馈控制是一种最基本最重 要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自 内部和外部干扰的响应变得十分“迟钝”，从 而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此 同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正 是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发 了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情， 推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某 种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制 技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。
2
第二章 控制系统的数学模型
10
第三章 线性系统的时域分析
12
第四章 线性系统的根轨迹法
6
第五章 线性系统的频域分析法 14
第六章 线性系统的校正方法
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第一章 绪论
➢ 1.1 引言 ➢ 1.2 控制系统的一般概念 ➢ 1.3 控制系统示例 ➢ 1.4 控制系统分类 ➢ 1.5 控制系统的性能指标 ➢ 1.6 控制系统的计算机辅助设计
➢ 1868年，Maxwell提出了低阶系统的稳定性代数判据 。
➢ 1895年，数学家Routh和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。
➢ 二战期间（1938-1945年）Nyquist提出了频率响应理论； 1948 年，Evans提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段 基本完成，形成了以时域法、频率法和根轨迹法为主要方法的
自动控制原理 第一章绪论
◆定义：系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统
◆特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，
这种控制方式称为开环控制 在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不 需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此， 开环控制系统又称无反馈控制系统。
参考输入量
放大器
执行元件
干扰 信号
被控变量
被控对象
当蒸汽机、发电机出现之后，人类的“力气”不知 被放大多少亿倍！人类的力臂不知不 觉被延长到几千公里之外！物质丰富 了，一些农民被改造成为工人，进入 了资本主义社会时期。
2
中国矿业大学信电学院
引言：人类社会发展的三个时代
自动控制原理
❖ 自动化时代
在这个时代中，能量变换与信息变换都可由机器来 完成，在人类活动所见的空间里，只要需要用“力”的 地方，都可以给它配上一个小的脑袋－－单片机或微处 理器之类设备，代替人进行某种判断或操作。
19
中国矿业大学信电学院
二、闭环控制系统
自动控制器
温度测 量装置
自动控制原理 热水
控制阀 蒸汽 冷水
热力系统的自动反馈控制
排水
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中国矿业大学信电学院
二、闭环控制系统
给定装置
－＋
给定电压
放大器
e
电机
M
自动控制原理
减速器
－＋
热电偶 电阻丝
热电偶 输出电压
被控对象？ 被控量？
图1-7电热炉炉的闭环控制方式
如果扰动产生在系统的内部，称为内部扰动； 当扰动产生在系统的外部时，则称之为外部扰动。
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中国矿业大学信电学院
第二节 自动控制系统的工作原理
自动控制原理
自动控制原理第一章绪论控制系统的一般概念
模糊控制 神经网络
智能控制理论
遗传算法
温度计
炉子 电热丝
调压器 220
自动控制
炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
u
ub
ur
电压 放大器
电动机
功率 +
放大器 _E
减速器 调压器
220
二.自动控制要解决的基本问题
自动控制是使一个或一些被控制 的物理量按照另一个物理量即控制量 的变化而变化或保持恒定，一般地说 如何使控制量按照给定量的变化规律 变化，就是一个控制系统要解决的基 本问题。
缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
适用场合：系统元件参数变化和扰动无法预计的场合。
§3 反馈控制系统的组成
校正元件：基于偏差信号按一定函数规律产生供执行元件执行的 控制命令对系统进行校正以改善系统的动态和静态性能
如：由放大器、电阻、电容组成的具有预定传递函数的电路。 执行元件：也称执行器。用来执行校正元件产生的控制命令，以便
• 闭环控制(closed-loop control)
闭环控制工作原理： 外部作用：
给定量：使 c跟踪r 干扰量：使 c偏离r
控制目的：排除干扰因素、影响、使被控量随给定量变化。
1)、有反馈，能够成闭回路 是按偏差控制的、
2)、偏差信号起控制作用
具有负反馈的闭环系统
优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修 正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精 度高。
• 被控变量：简称被控量，指被控对象输出需按控制要 求变化的物理量，在单输出系统中，也就是系统得输 出量。
• 控制通道：控制变量通过被控对象（被控过程）到控 制系统输出的通道。
《自动控制原理》知识点资料整理总结
第一章绪论1.机械系统：以实现一定的机械运动、输出一定的机械能和承受一定的机械载荷为目的。
激励（输入）：外界与系统的作用，如作用力（载荷）。
分为控制输入和扰动输入。
响应（输出）：系统由于激励作用而产生的变形或位移。
2.机械工程控制论的研究对象和任务是什么？机械工程控制论实质上是研究机械工程中广义系统的动力学问题。
具体地说，是广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历程，研究系统与其输入、输出三者之间的动态关系。
从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械控制工程论的任务可以分为以下五个方面：（系统分析问题）已知系统和输入，求系统的输出。
（最优控制问题）已知系统和理想输出，设计输入。
（最优设计问题）已知输入和理想输出，设计系统（滤波与预测问题）已知输出，确定系统，以识别输入或输出中的有关信息。
（系统辨识问题）已知输入和输出，求系统的结构与参数。
3.控制系统的基本要求（稳、准、快）稳定性：动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。
稳定性是系统工作的首要条件。
准确性：在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差。
衡量系统工作性能的重要指标。
快速性：系统输出量与希望值之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。
控制的三要素：控制对象、控制目标、控制手段。
控制论的两个核心：信息和反馈需要解决的两大基本问题：控制系统的分析和控制系统的设计。
4.反馈：将系统的输出以一定的方式返回到系统的输入端并共同作用于系统的过程。
内反馈：系统或过程中存在的各种自然形成的反馈。
内反馈是造成机械系统存在动态特性的根本原因。
外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈。
正反馈：能使系统的绝对值增大的反馈。
负反馈：能使系统的绝对值减小的反馈。
5.自动控制的本质：闭环自动控制系统的工作过程就是一个“检测偏差并纠正偏差”的过程。
自动控制原理 王划一 第二版 11绪论
1900)西汉漏壶统观念和实践亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(5)中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年)7(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875论运动稳定性的一般问题”(1892设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(Great操江号(62mx10m), 392匹马力，600T排水，备炮9门The Pre-classical Period)(1900-1935)研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analyzer)(1928)V. BushH. S. Black14N.B. Nichols(1942)，提出Wiener一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。
N. WienerH. HazenC. E. Shannon(Sampled Data System)Lan美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method)L.S. Pontryagin(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960)(5)世界第一颗人造地球卫星Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space22 Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of the launch were not initially released.This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.23器人公司，Unimation(7)美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On theGeneral Theory of Control Systems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测R.E. Kalman1961, at the age of 27,Gagarin left the earth. Itwas April the 12th, 9.07Moscow time (launch-site, Baikonur). 108minutes later, he wasback . The period oforbital revolution was89:34 minutes (thisfigure was "calculated byelectronic computers").The missions maximumflight altitude was 327000 meters. Themaximum speedreached was 28 260kilometers per hour.宇宙哥伦布-加加林 A stampissued byRussia tomemorizeY. GagarinCapsule used in first manned orbit of earth In 1961, the first human to pilota spacecraft, Yuri Gagarin, waslaunched by the Soviet Union aboard Vostok I.C. Desoer27N.A. ArmstrongK. J. Astrom Approach(1974)。
自动控制原理李素玲教材配套第一章第一节.2021完整版PPT
完整的理论体系。
经典控制理论的形成
第一章 绪论
• 20世纪40~50年代 经典控制理论 （频域法或复频域法）
核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等 特点：图形方法，直观简便，设置参数少，
（以简单控制结构获取相对满意的性能）
• 适用范围：单输入单输出（SISO）系统 数学基础：复变函数，积分变换
SISO: Single Input and Single Output
第一章 绪论
按其发展的不同阶段，自动控制理论分为经典 控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制 系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可 用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后， 由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武 器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统
第一章 绪论
工程控制论是控制论中的一个重要分支， 主要研究工程领域的自动控制。
• 什么是自动控制?
就是指在没有人直接参与的情况下，利 用控制装置使整个生产过程或设备自动地 按预定规律运行，或使其某个参数按要求 变化。
自动控制技术的应用
第一章 绪论
当前，自动控制技术已在工农业生产、交 通运输、国防建设和航空航天事业等领域获 得广泛应用。
经典控制理论的形成
第一章 绪论
种图解法即有名的根轨迹法。追溯到1877 年，劳斯（E.Routh）和1895年赫尔维茨 （A.Hurwitz，瑞士数学家）分别独立地提 出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。
这些都是经典控制理论的重要组成部分。20 世纪50年代中期，经典控制理论又添加了非 线性系统理论和离散控制理论，从而形成了
自动控制原理课后习题和答案解析
第一章绪论1-1试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点.解答：1开环系统(1)优点:结构简单，成本低，工作稳定。
用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时，可得到满意的效果。
(2)缺点：不能自动调节被控量的偏差。
因此系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。
2 闭环系统⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。
它是一种按偏差调节的控制系统。
在实际中应用广泛。
⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。
1-2 什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说明之。
解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。
闭环控制系统常采用负反馈。
由1-1中的描述的闭环系统的优点所证明。
例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。
1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非线性，定常，时变）？（1）22()()()234()56() d y t dy t du ty t u t dt dt dt++=+（2）()2() y t u t=+（3）()()2()4() dy t du tt y t u t dt dt+=+（4）()2()()sin dy ty t u t t dtω+=（5）22()()()2()3() d y t dy ty t y t u t dt dt++=（6）2()()2() dy ty t u t dt+=（7）()()2()35()du ty t u t u t dtdt=++⎰解答：（1）线性定常（2）非线性定常（3）线性时变（4）线性时变（5）非线性定常（6）非线性定常（7）线性定常1-4 如图1-4是水位自动控制系统的示意图，图中Q1，Q2分别为进水流量和出水流量。
控制的目的是保持水位为一定的高度。
自动控制原理知识点汇总
自动控制原理总结第一章绪论技术术语1. 被控对象:是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。
2. 被控量：表征被控对象工作状态的物理参量(或状态参量)，如转速、压力、温度、电压、位移等。
3. 控制器：又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。
4. 给定值或指令信号r(t) ：要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。
5. 干扰信号n(t) ：又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。
6. 反馈信号b(t) ：是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。
7. 偏差信号e(t) ：是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。
闭环控制的主要优点：控制精度高，抗干扰能力强。
缺点：使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。
对控制系统的性能要求:稳定性快速性准确性稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。
准确性是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。
第二章控制系统的数学模型拉氏变换的定义F (s) 0 f (t)e-st dt几种典型函数的拉氏变换1. 单位阶跃函数1(t)2. 单位斜坡函数3. 等加速函数4.指数函数e-at5. 正弦函数sin wt6. 余弦函数cos W7. 单位脉冲函数(3函数)拉氏变换的基本法则1. 线性法则2•微分法则 3•积分法则Lf (t )d t1F (s) s4.终值定理e( ) lim e(t)lim sE(s)s 05.位移定理Lf(to) e 0s F(s)Le atf (t) F (s a)传递函数：线性定常系统在零初始条件下， 输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比称为系统（或元部件）的传递函数。
动态结构图及其等效变换1•串联变换法则 2•并联变换法则 3•反馈变换法则4•比较点前移“加倒数”；比较点后移“加本身”。
5•引出点前移“加本身”；弓I 出点后移“加倒数” 梅森（S. J. Mason ）公式求传递函数典型环节的传递函数1•比例（放大）环节 2. 积分环节 3•惯性环节 4. 一阶微分环节 5. 振荡环节第三章时域分析法二阶系统分析G(s)______ 1 _____ T 2s 2 2 Ts 16.二阶微分环节(s)C(s) R(s)P kk 1二阶系统的单位阶跃响应1•过阻尼 > 的情况：系统闭环特征方程有两个不相等的负实根。
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1.1 言
指南车采用差动齿轮的机械原理：
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车里面装有多个大小不同的齿轮，直行，小轮悬空；转弯时，一边的小轮在 辕、绳、滑轮的作用下降，与车轮和大轮发生啮合传动。若车子向左转90度， 左轮不动，右轮要转半周。与右轮相连的小齿轮也就转半周（即转过12个 齿），经过小平轮传动到大平轮，则大平轮将以相反的方向转动12个齿，即 1/4周（90度），仙人在和车一起左转90度时，又由于齿轮的啮合传动右转了 90度。其他运动情况的结果可以类推。仙人指向不变。
1.2 自动控制的基本原理
1.2.1 人工控制与自动控制 人工控制
1)操作员将期望的液位值(即水 位高度)记在大脑中； 2)操作员用眼读取实际液位值； 3)操作员将液位期望值与实际值 比较得出偏差值； 4)操作员根据偏差的大小和性质 （正负性），决定如何通过用 手打开或关闭阀门的方式来调 节经过阀门的水量大小，达到 维持液位恒定的控制目标。
1.2 自动控制的基本原理
1.2.3 对反馈控制系统的 基本要求 1．稳定性
稳定性是指系统受扰 动后重新恢复平衡的 能力。不稳定的系统 一旦失去平衡就无法 重新恢复，由于实际 应用中扰动是不可避 免的，因此不稳定的 系统无法正常运行。
稳定衰 减过程
临界稳定 （也称为 临界不稳 定）振荡 过程
不稳定发 散过程
人工控制：人工控制是人工操作实现：测量、求误差、 控制、再测量、再求误差、再控制的循环过程。
1.2 自动控制的基本原理
自动控制：没有人直接参与，利用自动控制装置， 使工作机械或生产过程自动地按照预定规律运行或 使某些物理量按预定要求变化。
自动控制
连杆的长度 浮子 浮子和连杆 杠杆机构 的另一端 记下期望液位 实际液位 计算偏差 判断偏差大小 和性质，带动 水阀动作，调 节水量大小
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1.1 引言
1.1.2 控制工程实践
自动化的核心是控制与系统，控制工程实践 是实现自动化的手段。自动化最早出现在汽 车工业，其初始概念是指在工业生产（加工、 制造等）过程中采用自动控制代替人工控制。 1947年美国福特公司正式使用自动化一词， 其含义是指加工采用连续方式，生产过程流 水式的自动进行。 从20世纪70年代开始，我国通过陆续引进国 外成套自动化生产线，我国工业生产逐步从 局部自动化，发展成今天的全方位、全流程 的综合自动化。 我国的自动化学术组织：中国自动化学会， 1961年成立，第一届理事长钱学森院士。
1.1 引言
1.1.1 自动控制理论发展简史
远古时期的自动装置
刻漏： 最初两个壶,由上壶滴水到下面的受水壶, 液面使浮箭升起以示刻度（即时间）(图 之右)。这里浮箭可看作是检测元件。 保持上壶的水位恒定，则是自动调节的 问题。用互相衔接的多级（3～5级）水 壶解决的。莲华漏(图之左)由4个壶组成。 平水壶向平水小壶供水，平水小壶上有 溢水口，可使多余水泄入减水桶以保持 水面恒定。 在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为 自动切断阀。当受水壶的水位升至满刻 度时，浮子式阀门就会自动阻塞上级平 水小壶的出水小孔，切断水滴。
反馈：系统从输出到输入 的反向信息传递，这种反 向信息传递称为反馈。
闭环控制系统：具有反馈 的系统因信息在系统内的 传递形成了闭合环路，称 为闭环系统。
Mc恒定：ur, ue u1 ua, n, uf, ue, u1 ua, n ur 恒定：Mc, n uf, ue, u1 ua, n
本课程学习方法
1、打好基础
高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）
2、做好预习
讲课的速度较快、了解课程内容
3、听好课
掌握基本理论和基本方法
4、做好习题
应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题
自动控制原理 课程内容
Ch1：自动控 制系统的基本 概念和要求
Ch2：控制系统的 数学模型 Ch3：控制系统的 稳定性及特性 自动控制系统 （定义见1.1节首段） 分析系统 的性能 Ch4: 时域分析 Ch5:根轨迹分析 Ch6:频率特性分析
人工控制
人的大脑 人的眼睛 人的大脑 人的 大脑和手
1.2 自动控制的基本原理
自动控制与人工控制的工作原理十分相似
自动控制装置与人的器官对应的、能完成相应功能的元件有： 给定元件：能根据液位期望值来调节连杆长度的环节代替人的大脑 记下液位期望值； 测量元件：浮子作为传感器代替人的眼睛测取实际液位值； 比较元件：浮子和连杆组合代替人的大脑计算出液位偏差值； 校正元件：杠杆机构代替人的大脑对偏差的大小和性质作出判断 （作为决策机构作出如何校正的决定）； 执行元件：带动进水阀代替人手打开或关闭阀门调节经过阀门的水 量大小。 由此可见，组成自动控制装置的元件一般应包括：给定元件，测量 元件，比较元件，校正元件和执行元件，而上述液位自动控制系统就 是由这些元件和被控对象（水池）组成的有机整体。
瓦特改良的蒸汽机
瓦特
艾里
1.1 引言
3、反馈调节系统稳定性问题的 研究： 1868英国物理学家麦克斯韦发 表了“论调速器”的论文，首 次论述该问题。 二三阶系统的稳定判据。 1895英国劳斯判据和德国数学 家赫尔维茨的代数稳定条件； 1893李雅普诺夫基于非线性运 李雅普诺夫 动的一般运动稳定问题。 4、反馈控制系统的频率特性研究：20世纪20年代，电子管放 大器以及远距离通话的实现，研究如何减少放大倍数增大而 导致信号失真的问题。美国贝尔电话实验室的工程师和科学 家们逐步建立了反馈控制系统的频率特性分析方法。
3．准确性
过渡过程结束后系统就 进入稳态，此时系统输 出量的期望值与实际值 之差称为稳态误差。
稳态误差越小，控制系 统的稳态精度越高。
无差系统、有差系统。
1.2 自动控制的基本原理
1.2.2 开环控制与闭环控制
开环控制系统：系统的输入与 输出之间只有前向的信号传递， 而没有反向的信号回传。 缺点：开环控制系统的控制精 度和抑制干扰能力较差。 Mc恒定：ur, ua, n ur, ua, n ur 恒定：Mc, n Mc, n
1.2 自动控制的基本原理
9、二战期间及战后10年：美国电信工程 师伊万斯给出控制系统的图解分析法和 根轨迹综合法，创立根轨迹法的完整理 论。 现代PID控制器
1.1 引言
10、1948年美国数学家维纳出版专 著“控制论”。1956年我国科学家 钱学森出版“工程控制论”。 11、20世纪50年代，人造卫星和空 间技术的发展，成为自动控制理论 新的发展推动力。极大值原理、动 态规划理论、状态空间方法、多变 量最优控制和最优滤波理论。 12、20世纪70年代，随着大规模集 成电路数字计算机的发展，推动了 控制器应用高级控制算法的能力。 13、出现若干控制理论分支：系统 辨识、鲁棒控制、协调控制、智能 控制等等。
1.1 引言
近代控制理论的逐步形成和发展 1、用于工业过程的自动反馈 控制器-飞球调速器 1769瓦特发明了飞球调速器， 用来与蒸汽机的进气阀连接 构成蒸汽机转速的闭环自动 调速系统。 2、动态特性研究的开始：英 国剑桥大学的数学和天文学家 艾里在1829-1835系统研究了 天文望远镜的速度控制，根据 倒立摆离心力的原理首次发现 了反馈系统的不稳定性，并利 用微分方程分析了这种系统。
1.2 自动控制的基本原理
假设水池液位处于期望值。以用 户用水量突然增加为例，图1-2所示 的简单液位自动控制系统的工作过程 如下： 当用户用水量突然增加，出水量 增加到一个新值，此时水池液位下降 导致浮子下降，浮子、连杆与杠杆机 构测出液位期望值与实际值之间的偏 差值，然后由杠杆机构带动进水阀打 开阀门增大进水量。 由于新的出水量增加了，为了使进水量与出水量相等，浮 子必须维持在比液位期望值更低的位置，只有通过使实际液 位值低于期望值形成的落差才能使杠杆机构带动进水阀维持 阀门在新的开度，以便增加进水量达到进水与出水的新平衡。
1.2 自动控制的基本原理
开环：单向控制，输入和输出 间没有联系，系统输入与输出 间没有反馈回路。但受外界干 扰小时，仍被大量使用。
闭环：将输出量返回到输入端， 形成偏差，基于偏差产生控制 以减少或消除偏差。相对来看， 结构复杂、成本增加、存在稳 定性问题，但具有开环控制无 法替代的自动纠偏功能和较高 控制精度。
Ch9： 非线性 控制系 统
Ch8: 线性离 散控制 系统
Ch7: 控制系 统的 校正
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 自动控制的基本原理
1.3 反馈控制系统的组成 1.4 控制系统的分类 1.5 控制系统应用实例三则 1.6 控制系统的设计概述
1.7 本书内容安排
1.8 小结
两个定义
自动控制 在人不直接参与的情况下，利用自动控制装置使工 作机械或生产过程自动地按照预定规律运行，或使 被控量（工作机械或过程的某个物理参数）按预定 的要求变化。 自动控制系统 由自动控制装置与被控对象以一定结构组成的、能 完成某种控制任务的有机整体。
1.1 引言
近代控制理论的逐步形成和发展 古代的自动装置主要是基于相对直观的“因果关系”而 发明的，因而并未产生自动控制理论。 这与18世纪末开始逐渐发展起来的、基于反馈原理的自 动装置有着本质的不同。反馈使“因果关系”进一步发 展成为更加复杂的“因果-果因关系”。 由于反馈形成的回路使“因果”双向相互作用，已不再 是简单的逻辑关系，因此，人们为做到知其所以然地设 计好基于反馈原理的自动装置，必须对反馈控制理论加 以研究，这也是反馈控制理论发展的初始推动力。
1.1 引言
5、积分和微分控制的思想：1922年俄裔 美国工程师米诺斯基在分析船舶驾驶控 制系统的稳定性时首次提出。 6、1934年美国麻省理工的赫曾教授创立 了伺服控制理论，首次提出轨迹跟踪在 反馈控制中的重要性； 7、1936年英国工程师考伦德：温度控制 系统的PID控制器；
8、1942年美国工程师：PID参数整定准 则，至今仍适用；