自动控制原理简明教程课件
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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)
《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)
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。
ppt课件
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
控制装置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
ppt课件 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）
ppt课件
25
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。
ppt课件
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）
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。
ppt课件
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
控制装置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
ppt课件 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）
ppt课件
25
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。
ppt课件
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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）
自动控制原理简明教程
局部反馈
反馈元件 主反馈信号b(t)
测量反馈元件
主反馈
信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向通 路，系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通道称 主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同组成主回路。
2019年3月1日 EXIT 第1章第18页
被控对象（被控过程） ——又称控制对象或受控对象，
2019年3月1日
EXIT第1章第16页源自研究对象 经典控 制理论数学工具
常用分析方法
局限性
单输入-单输 微分方程， 时域分析法， 对复杂多变量系统、 传递函数 频域分析法, 时变和非线性系统 出线性定常 系统 根轨迹分析法 无能为力
现代控 制理论
多输入-多输 线性代数、 矩阵理论 出变系数， 非线性等系 统
状态空间法
比较繁琐（但由于 计算机技术的的迅 速发展，这一局限 性已克服)
2019年3月1日
EXIT
第1章第17页
Show
二、反馈控制系统的基本组成部分
扰动
比较 元件e(t) ＋
r (t ) 给定 元件 输入量
串联 ＋ 校正元件 － 偏差 － 信号
放大 元件
执行 元件
被控 对象
c(t )
输出量
反馈 校正元件
自动控制原理
刘菲菲
2019年3月1日
EXIT
第1章第1页
课程性质和特点
1.本门课程的性质:
自动控制是一门基础性的技术学科，从方法论的角度
来研究系统的建立、分析与设计。经典（古典），现代。 基本内容——自动控制的一般概念、物理系统的数学 模型、控制系统的一般分析方法、系统的设计或校正以及 线性离散系统的初步知识
干扰 检测 元件 比较 元件 放大 元件 执行 元件 受控 对象
《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
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(精品)
控制系统的应用实例
CATALOGUE
05
总结词
工业控制系统是自动控制原理应用的主要领域之一，涉及各种生产过程的控制和优化。
总结词
工业控制系统在现代化工业生产中发挥着至关重要的作用，是实现高效、安全、可靠生产的关键。
详细描述
随着工业4.0和智能制造的推进，工业控制系统正朝着网络化、智能化、集成化的方向发展，为工业生产的转型升级提供了有力支持。
详细描述
工业控制系统的目的是实现生产过程的自动化和智能化，提高生产效率、产品质量和降低能耗。常见的工业控制系统包括过程控制系统、电机控制系统、机器人控制系统等。
总结词：航空航天控制系统是保证飞行器安全可靠运行的关键技术之一。
总结词：智能家居控制系统是实现家庭智能化和舒适性的重要手段。
THANKS
准确性的提高方法
通过减小系统误差、优化控制算法和采用高精度传感器等手段，可以提高控制系统的准确性。
控制系统的分析与设计
CATALOGUE
04
系统分析方法用于评估系统的性能和稳定性，通过分析系统的响应和频率特性等指标来评估系统的性能。
总结词
系统分析方法包括时域分析法和频域分析法。时域分析法通过分析系统的阶跃响应、脉冲响应等时域指标来评估系统的性能和稳定性。频域分析法则通过分析系统的频率特性，如幅频特性和相频特性，来评估系统的性能和稳定性。
VS
闭环控制系统是一种控制系统的类型，其控制过程不仅取决于输入和系统的特性，而且还受到输出反馈的影响。闭环控制系统通过将输出量反馈到输入端，形成一个闭合的回路，从而实现对系统的精确控制。
闭环控制系统具有较高的精度和稳定性，因为它的输出会根据实际情况进行实时调整。但是，闭环控制系统的结构比较复杂，需要解决一些稳定性问题。
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。
《自动控制原理》胡寿松自动控制原理简明教程课件
2020年1月15日
第1章第6页
1.1 引言
2020年1月15日
EXIT
第1章第7页
一、控制系统基本概念
1. 控制（Control ）：根据某种原理或方法，使特定对象 （被控对象）的某些物理量（被控量）按照预期规律变化 的操纵过程。
2.人工控制（Manual Control）：由人直接或间接操作执 行装置的控制方式。
2020年1月15日
第1章第20页
自动控制实例实例3（示意图）炉温控制系统
炉温控制系统的理想温度由电压ur给出，热电偶检测箱温输出 电压uf，偏差电压ue= ur- uf，经电压和功率放大后控制电机的速度 和转向，从而改变调压器滑动触头的位置，改变炉温控制系统的
外施电压达到恒定炉温的目的。
2020年1月15日
2020年1月15日
第1章第13页
电位计+连杆—人脑：记住水位的期望值； 浮子—人眼：观察水池的实际水位； 电位计+连杆—人脑： 反映误差（=水位的期望值-实际值）； 电动机—人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。
是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望 值与实际值间的差值减为0，即误差为0。
第1章第21页
炉温自动控制系统方框图
扰动
Tr 给定装置 ur + ue 放大器 ua 电机减速器 调压器 -
2020年1月15日
EXIT
第1代的高新技术让 导弹长上了“眼睛”和 “大脑”，利用负反馈 控制原理去紧紧盯住目 标
2020年1月15日
第1章第18页
人造地球卫星 控制其准确地进入预定轨道运行并回收
哈勃望远镜－特殊地卫星
中巴资源卫星
2020年1月15日
相关主题
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2. 现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）
50年代——70年代，空间技术与军事技术的发展提出了 许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上 Kalman “控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论 的基础 数学工具：主要是状态空间法 研究对象：研究对象更为广泛。如线性系统与非线性系统、 定常系统与时变系统、多输入－多输出系统、变量耦合 系统等。 目标：最优控制 典型成果：空间技术、军事技术、多方面的工业技术 我国：火箭发射控制技术 ，人口模型与中国人口控制
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Show
1.2.1 一个典型的反馈控制系统的基本组成部分
扰动
r (t ) 给定 元件 输入量
比较 元件e(t) ＋
串联 ＋ － 偏差 校正元件 － 信号
放大 元件
执行 元件
被控 对象
c(t )
输出量
并联 校正元件 反馈元件 主反馈信号b(t) 测量反馈元件
局部反馈
主反馈
信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向通路，系统 输出量经测量元件反馈到输入端的传输通道称主反馈通路。前向 通路与主反馈通路共同组成主回路。
自动控制原理
张萃珍
三明学院机电工程学院
1
本学期课程安排
教材：胡寿松，自动控制原理简明教程， 科学出 版社 课程内容：第一章～第六章 课程总学时：48+16 参考文献：
Katsuhiko Ogata，现代控制工程(第四版)，电子工业出版社 高国淼，自动控制原理，华南理工出版社 刘坤，MATLAB自动控制原理习题精解，国防工业出版社 胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社 /ftp/ele.htm，南航精品课 王莹莹，自动控制原理全程导学及习题全解，科学出版社
低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负
载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下， 应尽量采用开环控制系统。 开环控制的缺点——当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动 因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，
如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动
What
抽水马桶的例子 课本上的例子
自动控制的例子
Show
期望水位
当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且 其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号 将有正的变化，电动机带动减速器使进水阀门开度增加，直到 实际水位重新与水位要求值相等时为止。
电位计+连杆—人脑：记住水位的期望值； 浮子—人眼：观察水池的实际水位；
偏差始终存在
总结一下：
闭环控制系统的工作原理： 检测输出量（被控制量）的实际值；
将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，得出偏
差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持 期望的输出。
• 由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，
人工控制原理方框图：
Hs
给定值
Qo 扰动
手
e
H
测量值
脑
u
Qi
水槽
H
实际液位
眼
自动控制原理方块图：
Hs
给定值
Qo 扰动 Qi
水槽
e
H
控制器
u
执行器
H
实际液位
测量值
变送器
21
反馈： 通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送 到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信 号称为反馈信号。 负反馈： 反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。
化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。
反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统 （或元件）输入端的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈b(t) 和局部反馈。 偏差信号e(t)：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号 简称偏差。 e(t)=r(t)- b(t)
误差信号：它是指系统输出量的期望值与实际值之差，简称 误差。在单位反馈情况下，误差值也就是偏差值，二者是相 等的。 扰动信号f(t)：简称扰动或干扰，是除控制信号以外,对系统的 输出有影响的信号。扰动是不希望的输入信号。
•人脑：记住水位的期望值； •人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构） •人脑：比较水池的期望值-实际值；（比较机构）、控制 •人手：调节进水阀门的开度，执行控制作用。执行（执行机构） 是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水 位的期望值与实际值之间的差值减为0。
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原理方框图：
Qo 扰动
Hs
给定值
e
H
测量值
脑
u
手
Qi
水槽
H
实际液位
眼
人工控制精度不高，人的反应不够快，不少恶劣的场合人
无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。
19
3.自动控制（Automatic Control）：是指在没有人直接参 与的情况下，利用自动控制装置（或称为控制装置或控制 器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个 工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律运行。
比较元件 —— 比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者
差值的偏差信号。
放大元件——将微弱的信号作线性放大。
校正元件 —— 也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控
制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。
执行元件 —— 根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，
以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。
4.正在发展的各个领域
自适应控制 大系统理论 H∞鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）
17
1.1.3 自动控制的基本原理（反馈控制原理）
人工控制的例子
示例——水池水位控制
人工控制
被控对象：水池 被控量：水池的水位
观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者之 差为误差。根据误差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当 实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开 度以改变进水量，从而改变水池水位，使之与要求值保持一致。
控制 信号
给定电压 ug
扰动 Mc 电压 放大器 功率 放大器
直流 电动机
被控对象
被控 制量 转速n
控制装置
只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来影
响输入量的控制作用，因而，将它称为开环控制系统 （Open-Loop Control System）。
开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本
8
9
“勇气”号在火星工作的英姿
“深度撞击”撞击器
10
1.1.2 自动控制理论发展史 自动控制理论:关于自动控制系统的理论。 自动控制理论是怎样产生的呢？
12
•十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题
1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器
2
成绩构成
期末 60% 平时 +实验 40%
考试形式
考试： 闭卷
3
该课程与其它课程的关系
微积分（含微分 方程） 复变函数、拉普拉斯变换 线性代数
大学物理（力学、 热力学）
自动控制原理
电路理论
电机与拖动
模拟电子技术
各类控制系统课程
4
自动控制原理各章关系
5
第一章 控制系统导论
1-1 自动控制的基本原理 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 自动控制系统的基本要求 1-5 控制系统的典型输入信号
飞机、雷达、火炮上的伺服机构 ， 总结了自动调节技术及反馈放大器技 术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。
13
自动控制成为一门科学是从1945发展起来的
1. 经典控制理论时期（1940-1960）
第二次世界大战时期开始：
经典控制理论逐渐发展成熟而形成为独立学科。频 率 分析法和根轨迹分析法，构成了经典控制理论的基础。 在此期间，也产生了一些非线性系统的分析方法，如相 平面法和描述函数法等，以及采样系统的分析方法。 数学工具：主要是线性微分方程和基于拉普拉斯变换的 传递函数。 研究对象：基本是单输入－单输出系统。 目标：反馈控制系统的稳定 典型成果：雷达—高炮跟踪系统，轧钢机控制系统，液 压伺服系统等。
电位计+连杆—人脑： 反映误差（=水位的期望值-实际
值）； 电动机—人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。 是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将 水池水位的期望值与实际值间的差值减为0，即误差为0。
控制过程：测量（测量反馈机构）—浮子 比较（比较机构）—电位计+连杆 执行（执行机构）—电动机
1877年产生了赫氏判据和劳斯稳定判据
•十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机
促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技 术的发展
•十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机
促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服 控制和过程控制
•二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快
进行补偿，抗干扰性能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。
1.3.2 闭环控制系统
偏差 ue= ug-uf
+ _
ug
电位器
+
电 压 放大器 _ 功 率 放大器
+ _ a 电动机
u
n
Mc
负载 _
uf
+ 测速发电机
uf Kf
Mc 扰动 ug 输 入 量
＋
－ uf
ue
电 压 放大器
功 率 放大器
7
自动控制技术的应用
2. 现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）
50年代——70年代，空间技术与军事技术的发展提出了 许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上 Kalman “控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论 的基础 数学工具：主要是状态空间法 研究对象：研究对象更为广泛。如线性系统与非线性系统、 定常系统与时变系统、多输入－多输出系统、变量耦合 系统等。 目标：最优控制 典型成果：空间技术、军事技术、多方面的工业技术 我国：火箭发射控制技术 ，人口模型与中国人口控制
23
Show
1.2.1 一个典型的反馈控制系统的基本组成部分
扰动
r (t ) 给定 元件 输入量
比较 元件e(t) ＋
串联 ＋ － 偏差 校正元件 － 信号
放大 元件
执行 元件
被控 对象
c(t )
输出量
并联 校正元件 反馈元件 主反馈信号b(t) 测量反馈元件
局部反馈
主反馈
信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向通路，系统 输出量经测量元件反馈到输入端的传输通道称主反馈通路。前向 通路与主反馈通路共同组成主回路。
自动控制原理
张萃珍
三明学院机电工程学院
1
本学期课程安排
教材：胡寿松，自动控制原理简明教程， 科学出 版社 课程内容：第一章～第六章 课程总学时：48+16 参考文献：
Katsuhiko Ogata，现代控制工程(第四版)，电子工业出版社 高国淼，自动控制原理，华南理工出版社 刘坤，MATLAB自动控制原理习题精解，国防工业出版社 胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社 /ftp/ele.htm，南航精品课 王莹莹，自动控制原理全程导学及习题全解，科学出版社
低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负
载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下， 应尽量采用开环控制系统。 开环控制的缺点——当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动 因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，
如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动
What
抽水马桶的例子 课本上的例子
自动控制的例子
Show
期望水位
当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且 其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号 将有正的变化，电动机带动减速器使进水阀门开度增加，直到 实际水位重新与水位要求值相等时为止。
电位计+连杆—人脑：记住水位的期望值； 浮子—人眼：观察水池的实际水位；
偏差始终存在
总结一下：
闭环控制系统的工作原理： 检测输出量（被控制量）的实际值；
将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，得出偏
差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持 期望的输出。
• 由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，
人工控制原理方框图：
Hs
给定值
Qo 扰动
手
e
H
测量值
脑
u
Qi
水槽
H
实际液位
眼
自动控制原理方块图：
Hs
给定值
Qo 扰动 Qi
水槽
e
H
控制器
u
执行器
H
实际液位
测量值
变送器
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反馈： 通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送 到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信 号称为反馈信号。 负反馈： 反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。
化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。
反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统 （或元件）输入端的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈b(t) 和局部反馈。 偏差信号e(t)：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号 简称偏差。 e(t)=r(t)- b(t)
误差信号：它是指系统输出量的期望值与实际值之差，简称 误差。在单位反馈情况下，误差值也就是偏差值，二者是相 等的。 扰动信号f(t)：简称扰动或干扰，是除控制信号以外,对系统的 输出有影响的信号。扰动是不希望的输入信号。
•人脑：记住水位的期望值； •人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构） •人脑：比较水池的期望值-实际值；（比较机构）、控制 •人手：调节进水阀门的开度，执行控制作用。执行（执行机构） 是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水 位的期望值与实际值之间的差值减为0。
Show
原理方框图：
Qo 扰动
Hs
给定值
e
H
测量值
脑
u
手
Qi
水槽
H
实际液位
眼
人工控制精度不高，人的反应不够快，不少恶劣的场合人
无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。
19
3.自动控制（Automatic Control）：是指在没有人直接参 与的情况下，利用自动控制装置（或称为控制装置或控制 器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个 工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律运行。
比较元件 —— 比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者
差值的偏差信号。
放大元件——将微弱的信号作线性放大。
校正元件 —— 也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控
制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。
执行元件 —— 根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，
以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。
4.正在发展的各个领域
自适应控制 大系统理论 H∞鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）
17
1.1.3 自动控制的基本原理（反馈控制原理）
人工控制的例子
示例——水池水位控制
人工控制
被控对象：水池 被控量：水池的水位
观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者之 差为误差。根据误差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当 实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开 度以改变进水量，从而改变水池水位，使之与要求值保持一致。
控制 信号
给定电压 ug
扰动 Mc 电压 放大器 功率 放大器
直流 电动机
被控对象
被控 制量 转速n
控制装置
只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来影
响输入量的控制作用，因而，将它称为开环控制系统 （Open-Loop Control System）。
开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本
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9
“勇气”号在火星工作的英姿
“深度撞击”撞击器
10
1.1.2 自动控制理论发展史 自动控制理论:关于自动控制系统的理论。 自动控制理论是怎样产生的呢？
12
•十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题
1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器
2
成绩构成
期末 60% 平时 +实验 40%
考试形式
考试： 闭卷
3
该课程与其它课程的关系
微积分（含微分 方程） 复变函数、拉普拉斯变换 线性代数
大学物理（力学、 热力学）
自动控制原理
电路理论
电机与拖动
模拟电子技术
各类控制系统课程
4
自动控制原理各章关系
5
第一章 控制系统导论
1-1 自动控制的基本原理 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 自动控制系统的基本要求 1-5 控制系统的典型输入信号
飞机、雷达、火炮上的伺服机构 ， 总结了自动调节技术及反馈放大器技 术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。
13
自动控制成为一门科学是从1945发展起来的
1. 经典控制理论时期（1940-1960）
第二次世界大战时期开始：
经典控制理论逐渐发展成熟而形成为独立学科。频 率 分析法和根轨迹分析法，构成了经典控制理论的基础。 在此期间，也产生了一些非线性系统的分析方法，如相 平面法和描述函数法等，以及采样系统的分析方法。 数学工具：主要是线性微分方程和基于拉普拉斯变换的 传递函数。 研究对象：基本是单输入－单输出系统。 目标：反馈控制系统的稳定 典型成果：雷达—高炮跟踪系统，轧钢机控制系统，液 压伺服系统等。
电位计+连杆—人脑： 反映误差（=水位的期望值-实际
值）； 电动机—人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。 是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将 水池水位的期望值与实际值间的差值减为0，即误差为0。
控制过程：测量（测量反馈机构）—浮子 比较（比较机构）—电位计+连杆 执行（执行机构）—电动机
1877年产生了赫氏判据和劳斯稳定判据
•十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机
促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技 术的发展
•十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机
促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服 控制和过程控制
•二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快
进行补偿，抗干扰性能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。
1.3.2 闭环控制系统
偏差 ue= ug-uf
+ _
ug
电位器
+
电 压 放大器 _ 功 率 放大器
+ _ a 电动机
u
n
Mc
负载 _
uf
+ 测速发电机
uf Kf
Mc 扰动 ug 输 入 量
＋
－ uf
ue
电 压 放大器
功 率 放大器
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自动控制技术的应用