自动控制原理A1 第1章 2013
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自动控制原理第1章
接起来的、完成一定自动控制任务的有机整体。
控制装置
被控对象
自动控制系统
1
57
1.2.2 自动控制系统的基本组成
自动控制系统根据被控对象和具体用途的不同，可以
有各种不同的结构形式。但是，从工作原理来看，自动控 制系统通常是由一些具有不同职能的基本元件所组成。图
提出了频域稳定判据——奈氏判据。
37 在奈奎斯特研究基础上，1945年，伯德(H.W.Bode)提出了
分析控制系统的一种图解方法，即频率法，从而使研究控
制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。
38 •传递函数
1942年，美国学者哈里斯引入了传递函数的概念，传递函
数是在拉普拉斯变换基础上引入的。
理。
31 （2） 起步阶段
1788 年英国瓦特应用反馈原理将离心调速器与蒸汽机的
阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统，即 当负载或蒸汽供给量变化时，调速器能自动调节进气阀门
的开度，控制蒸汽机的转速。
32 汽缸活塞运动到右侧末端时，打开右侧进气阀向汽缸右侧
冲高压水蒸汽，打开左侧排气阀，高压水蒸汽推动活塞向
量。 (4)给定量(输入量)：要求被控量保持不变或应具有的 数值，亦称参考输入。 (5)扰动量：引起被控量发生变化的不利因素，也是系 统不希望出现的外作用，亦称扰动输入。
56 (6)反馈量：由系统输出端取出并反向送回系统输入端
的信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。
(7)偏差量：给定量与主反馈信号之差。 (8)自动控制系统：由被控对象和控制器按一定方式连
34 •1872年英国学者劳斯（E J Routh）和1890年德国学者赫
尔维茨(Huiwitz)将麦克斯韦思想扩展到高阶微分方程，各
自动控制原理第一章课件
自动控制ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ论已经成为现代工程技术人 员和科学工作者不可缺少的重要理论基础之 一。 自动控制原理》 从《自动控制原理》课程的内容上看侧重 于方法论， 于方法论，本课程的教学目的是使学生能学 好当前和近期我国工业部门所需的自动化理 论和技术， 论和技术，使学生深刻理解线性控制理论的 数学原理和方法，掌握自动控制的基本理论、 数学原理和方法，掌握自动控制的基本理论、 基本计算方法， 基本计算方法，为自动控制系统的分析与设 计打下一定的基础。 计打下一定的基础。
3.程序控制系统 3.程序控制系统 输入量按照给定的程序变化。 输入量按照给定的程序变化。 任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作。 任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作。 二、按使用的数学方法分类 1.线性系统 1.线性系统 2.非线性系统 2.非线性系统 3.连续控制系统 3.连续控制系统 4.离散控制系统 4.离散控制系统
1-3
闭环控制系统的基本组成
1-4
对控制系统的基本要求
一、对控制系统的基本要求 对控制系统的基本要求可以归纳为三个字： 对控制系统的基本要求可以归纳为三个字： 稳、快、准。
二、典型外作用 典型外作用的函数应具备以下条件： 典型外作用的函数应具备以下条件： 这些函数在现场或实验室中容易得到； ①这些函数在现场或实验室中容易得到； ②控制系统在这些函数作用下的性能应代表在实际工 作条件下的性能； 作条件下的性能； ③这些函数数学表达式简单，便于理论分析与计算。 这些函数数学表达式简单，便于理论分析与计算。 1.阶跃函数 1.阶跃函数 数学表达式为： 数学表达式为：
1.按输入作用补偿 1.按输入作用补偿 按输入作用补偿的补偿装置可提供一个输入信号 的微分作用， 的微分作用，并作为顺馈控制信号与原输入信号一起 对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。 对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。 2.按扰动作用补偿 2.按扰动作用补偿 按扰动作用补偿的补偿装置能够在可测量的扰动 对系统产生不利影响之前，提供一个控制作用， 对系统产生不利影响之前，提供一个控制作用，以抵 消扰动对系统输出的影响。 消扰动对系统输出的影响。
自动控制原理第一章
20
二. 线性系统和非线性系统
当组成系统的各个环节输入和输出关系可以用线性微分 方程（或线性差分方程）来描述时，称这种系统为线性控制 系统（简称线性系统）。其特点是满足叠加原理，即同时具 有叠加性和齐次性（或均匀性）。
图1-13 线性控制系统的叠加性和齐次性
21
二. 线性系统和非线性系统
如果组成系统的各个环节或元件的输入和输出关系至少 存在一个非线性特性，则这类系统称为非线性控制系统（简 称非线性系统）。非线性系统不具有叠加性和齐次性，因此 也可以说,凡是不同时满足叠加性和齐次性的系统均为非线 性系统。
图1-17 Ⅰ型系统的斜坡响应曲线
28
1.5 本课程的任务
一.自动控制系统的分析
控制系统的分析是对于给定的控制系统，并已知其结构和参 数，如何从理论上对它的稳定性、动态性能和稳态性能进行定性 的分析和定量的计。
二.自动控制系统的校正
控制系统的综合与校正是分析的逆向问题。解决的是对不 满足系统性能要求的固有系统，如何在适当的位置增加校正装置 （或控制器），构成新的系统结构，使校正后系统的性能能全面 地满足技术上的要求。
3
1.1 引言
人类利用自动控制技术解决生产过程中实际问题的历史非 常悠久。早在公元前300年，古希腊就运用反馈控制原理设 计了浮子调节器，并应用于水钟和油灯中。我国也在久远的 古代先后发明了铜壶滴漏计时器、指南车等控制装置。直到 1769年瓦特（J.Watt）发明了控制蒸汽机转速的飞球控制器 才标志着工业革命的开始。
d3 dt 3
t
线性定常系统
y (t ) 3
d y (t ) 8 y (t ) r (t ) dt
线性定常系统 线性时变系统 非线性时变系统
自动控制原理(第一章)
说 明
系统的元件 信息的流向
第7页，共24页。
例2：人如何控制设备：温箱的温度控制
被控对象：温箱； 被控量：温箱的温度；
测量元件：温度计
关键：利用温度偏差， 减小偏差。
期 温 望 度大 脑
手
调 压 器 恒 温 箱
实 际 温 度
眼 睛 温 度 计
人工控制恒温箱的功能框图
第8页，共24页。
例3：电炉的自动控制系统
示例： 直流电机调速系统
负
Ug
K
Ud M
载
第14页，共24页。
② 按干扰补偿的开环控制
第15页，共24页。
（3）复合控制
即按偏差的控制和按扰动的控制相结合的控制方式。 按可测扰动补偿的复合控制
第16页，共24页。
1-2 自动控制系统示例
函数记录仪 飞机-自动驾驶仪系统
电阻炉微型计算机温度控制系统 锅炉液位控制系统
第23页，共24页。
谢谢大家
第24页，共24页。
第17页，共24页。
1-3 自动控制系统的分类
按控制方式分： 按元件类型分： 按系统功用分： 按性能分： 按给定值类型分：
第18页，共24页。
常见的几种自动控制系统 1）线性连续控制系统
线性指满足线性叠加原理；
连续指系统的输入量和输出量都是时间连续函数； a0d dn ntc(t)a1d dn nt 1 1c(t) an1d dc t(t)anc(t) b0d dm m tr(t)b1d dm m t 1 1r(t) bm1d dtr(t)bmr(t)
u1
u2
u
第9页，共24页。
放大元件 执行机构
被控对象 测量元件
自动控制原理第一章
2003.6
为克服上述的缺点，可在原系统中增加一些设备而组成较完善 的自动控制系统，如图1－3所示。这里，浮子仍是测量元件， 连杆起着比较作用，它将期望水位与实际水位两者进行比较， 得出误差，并以运动的形式推动电位器的滑块作上下移动。电 位器输出电压的高低和极性充分反映出误差的性质（大小和方 向）。电位器输出的微弱电压经放大器放大后用以控制直流伺 服电动机，其转轴经减速器降速后拖动进水阀门，作为施予系 统的控制作用.
2003.6
二、自动控制系统中常用的名词术语
系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式 连结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。 输入信号：指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输 出量变化规律的指令信号。 输出信号：指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称 被控量，它与输入量之间保持一定函数关系。 反馈信号：由系统输出端取出并反向送回系统输入端的信号。 有主反馈和局部反馈之分。
2003.6
图1－1所示是人工控制水位保 持恒定的供水系统。水池中的水 源源不断地经出水管道流出，以 供用户使用。随着用水量的增多， 水池中的水位必然下降。这时， 若要保持水位高度不变，就得开 大进水阀门，增加进水量以作补 充。在本例中，进水阀门的开启 程度（简称开度）并非不是一成 不变度，而是根据实际水位的多 少（它发应出用水量的大小）进 行操作的。
2003.6
二、开环控制系统 控制系统从信号传送的特点或系统的结构形式来看，可分 为开环控制系统和闭环控制系统两大类。 图1－4所示的他激直流电动机转速控制系统就是一种开 控制系统。它的任务是控制直流电动机以恒定的转速带动负载 工作。系统的工作原理是：调节电位器Rw的滑块，使其给定 某个参考电压ur。该电压经电压放大和功率放大后成为ua，再 送往电动机的电枢，作为控制电动机转速之用。由于他激直流 电动机的转速n与电枢电压ua成正比（对同一负载而言），因 此，当负载转矩Mc不变时，只要改变给定电压ur，便可得到 不同的电动机转速n。换言之， ur与n具有一一对应的函数关 系。
为克服上述的缺点，可在原系统中增加一些设备而组成较完善 的自动控制系统，如图1－3所示。这里，浮子仍是测量元件， 连杆起着比较作用，它将期望水位与实际水位两者进行比较， 得出误差，并以运动的形式推动电位器的滑块作上下移动。电 位器输出电压的高低和极性充分反映出误差的性质（大小和方 向）。电位器输出的微弱电压经放大器放大后用以控制直流伺 服电动机，其转轴经减速器降速后拖动进水阀门，作为施予系 统的控制作用.
2003.6
二、自动控制系统中常用的名词术语
系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式 连结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。 输入信号：指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输 出量变化规律的指令信号。 输出信号：指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称 被控量，它与输入量之间保持一定函数关系。 反馈信号：由系统输出端取出并反向送回系统输入端的信号。 有主反馈和局部反馈之分。
2003.6
图1－1所示是人工控制水位保 持恒定的供水系统。水池中的水 源源不断地经出水管道流出，以 供用户使用。随着用水量的增多， 水池中的水位必然下降。这时， 若要保持水位高度不变，就得开 大进水阀门，增加进水量以作补 充。在本例中，进水阀门的开启 程度（简称开度）并非不是一成 不变度，而是根据实际水位的多 少（它发应出用水量的大小）进 行操作的。
2003.6
二、开环控制系统 控制系统从信号传送的特点或系统的结构形式来看，可分 为开环控制系统和闭环控制系统两大类。 图1－4所示的他激直流电动机转速控制系统就是一种开 控制系统。它的任务是控制直流电动机以恒定的转速带动负载 工作。系统的工作原理是：调节电位器Rw的滑块，使其给定 某个参考电压ur。该电压经电压放大和功率放大后成为ua，再 送往电动机的电枢，作为控制电动机转速之用。由于他激直流 电动机的转速n与电枢电压ua成正比（对同一负载而言），因 此，当负载转矩Mc不变时，只要改变给定电压ur，便可得到 不同的电动机转速n。换言之， ur与n具有一一对应的函数关 系。
自动控制原理【课件】第1章
(3) 反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。 虽然在实际系统中, 反馈控制系统的形式是多样的, 但一般 均可化为图1 - 4的形式。
第一章自动控制的一般概念
1.2.2 线性控制系统和非线性控制系统
按照系统是否满足叠加原理, 系统可分为线性系统和非线性
系统两类。
在线性控制系统中, 组成控制系统的元件都具有线性特性。
式中：u(t) —系统的输入量；y(t) —系统的输出量。 线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系 统的输入分别为r1(t)和r2(t)时，对应的输出分别为c1(t) 和c2(t)，则当输入为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为 c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中为a1、a2为常系数。
第一章自动控制的一般概念
1、线性系统 由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线 性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系 统。其运动方程一般形式为:
y a1 y
( n)
( n1)
an y bou(n) bu(n1) bn1u bnu an1 y 1
在控制系统中, 反馈的概念非常重要。在图1-4中, 如果将反
馈环节取得的实际输出信号加以处理, 并在输入信号中减去这 个反馈量, 再将结果输入到控制器中去控制被控对象, 这样的反 馈称为负反馈; 反之, 若由输入量与反馈量相加作为控制器的输 入, 则称为正反馈。在一个实际的控制系统中, 具有正反馈形式 的系统一般是不能改进系统性能的, 而且容易使系统性能变坏, 因此不被采用; 而具有负反馈形式的系统, 它通过自动修正偏离
值。一旦室内温度达到设定值后, 放大器输出电压e使空调断电
而停止运行。于是室内温度就被控制在设定值的附近。
第一章自动控制的一般概念
1.2.2 线性控制系统和非线性控制系统
按照系统是否满足叠加原理, 系统可分为线性系统和非线性
系统两类。
在线性控制系统中, 组成控制系统的元件都具有线性特性。
式中：u(t) —系统的输入量；y(t) —系统的输出量。 线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系 统的输入分别为r1(t)和r2(t)时，对应的输出分别为c1(t) 和c2(t)，则当输入为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为 c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中为a1、a2为常系数。
第一章自动控制的一般概念
1、线性系统 由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线 性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系 统。其运动方程一般形式为:
y a1 y
( n)
( n1)
an y bou(n) bu(n1) bn1u bnu an1 y 1
在控制系统中, 反馈的概念非常重要。在图1-4中, 如果将反
馈环节取得的实际输出信号加以处理, 并在输入信号中减去这 个反馈量, 再将结果输入到控制器中去控制被控对象, 这样的反 馈称为负反馈; 反之, 若由输入量与反馈量相加作为控制器的输 入, 则称为正反馈。在一个实际的控制系统中, 具有正反馈形式 的系统一般是不能改进系统性能的, 而且容易使系统性能变坏, 因此不被采用; 而具有负反馈形式的系统, 它通过自动修正偏离
值。一旦室内温度达到设定值后, 放大器输出电压e使空调断电
而停止运行。于是室内温度就被控制在设定值的附近。
自动控制原理第一章
输出（如图b） 。稳定性是保证控制系统正常工作的必备条件。
稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。
2016年2月4日
第一章 自动控制系统的基本概念
1.3 自动控制系统类型
3）随动系统（或称伺服系统）
特点：输入信号是一个未知函数。要求控制
系统的输出量跟随输入信号变化。 如：火炮自动跟踪系统、配钥匙等 该系统要求有较好的跟踪能力。 三系统具有共同特征：即输出跟随输入。 这是控制系统的本质特征。
2016年2月4日 第一章 自动控制系统的基本概念
1.3 自动控制系统类型
2016年2月4日 第一章 自动控制系统的基本概念
1.2 闭环控制系统的组成和基本环节
（２）给定环节 其职能是给出与期望的被控量相对应的 系统输入量。如：给定电位器。 （３）比较环节
将所检测的被控制量的实际值与给定环 节给出的设定值进行比较，确定两者之间的 偏差量。如：差动放大器、机械差动装置和 电桥。
等。
2016年2月4日 第一章 自动控制系统的基本概念
1.4 自动控制系统的性能指标
暂态（动态）过程：被控量处于变化状态的过程。 （系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中储能元件的 能量不可能突变。） 稳态（静态）过程：被控量处于相对稳定的状态。
对自动控制系统的基本要求
稳（稳定性）、快（快速性）、准（准确性） “稳”与“快”描述系统的暂态（过渡过程）品质。 “准”描述系统的稳态（静态）品质。
2016年2月4日 第一章 自动控制系统的基本概念
1.4 自动控制系统的性能指标
1. 稳-----稳定性，平稳性
当扰动作用（或给定值发生变化）时，输出量将偏离原
来的稳态值，这时由于反馈的作用，通过系统内部的自动调节，
自动控制原理 第一章 自动控制原理
空间方法的应用。从60年代至今40多年来，现代控
制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支， 如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、 自适应控制、大系统理论等。
60 ~70年代 现代控制理论（状态空间法） 核心：状态变量的能控、能观性， 系统性能的最优化 特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统， 有完整的理论体系 数学基础：线性代数，矩阵理论 缺点：对系统的数学模型精度要求高， 实际性能达不到设计的最优， 所需状态反馈难以直接实现
自动控制原理 引言
陈枫 西南大学 电子信息工程学院
引 言
自动控制学科由自动控制技术和自动控 制理论两部分组成。 什么是自动控制? 无须人的直接参与，通过控制装臵，使 机器、设备、生产过程等按照预定的规律运 行，完成要求的任务，就叫自动控制。 近几十年来，自动控制技术正在迅猛的 发展，并在工农业生产、交通运输、国防建
MIMO: Multi-Input and Multi-Output
70年代~现在 多种新型控制理论
多变量频域控制理论 ① 经典SISO→MIMO； ② 基于互质分解的全新的频域优化理论 鲁棒控制（robust control） 鲁棒性（robustness）：系统存在模型误差或 受到扰动时仍能保持良好性能的能力 鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制
SISO: Single Input and Single Output
50年代开始，由于空间技术的发展，各种高速、 高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变
量、非线性、时变和自适应等控制问题，60年代初
又形成了现代控制理论。现代控制理论的基础是： 1956年庞特里亚金提出了极大值原理，1957年贝 尔曼（R.Bellman）提出了动态规划，1960年卡尔 曼（R.E.Kalman）提出了最优滤波理论以及状态
《自动控制原理》第一章-自动控制原理精选全文完整版
● 放大环节： 由于经过计算机处理的信号通常是标准化的 弱信号，不能驱动被控对象，因此需要加以放大。放大环 节的输出必须有足够的能量，一般需要幅值的放大和功率 的放大，才能实现驱动能力。
● 执行环节： 其作用是产生控制量，直接推动被控对象的 控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。
常用的名词术语
1.稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正 常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到 原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、 发散振荡或单调增长运动。
2.动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。 当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为 阶跃响应。
时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。
即若系统的输入为 r(t) 时，对应的输出为 y(t)，则
当输入量为 Kr(t)时，输出量为 Ky(t) 。
（2）非线性系统
● 特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 ● 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、
间隙特性等。
图1-5 典型的非线性特性
对被控对象的控制作用，实现控制任务。
图1-3 闭环控制系统原理框图
Hale Waihona Puke (3)复合控制系统 工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系 统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信 号进行补偿，以达到精确的控制效果。
图1-4 复合控制系统原理框图
2.按系统输入信号分类
（1）恒值控制系统 系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服 干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。
举例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制 系统。
● 执行环节： 其作用是产生控制量，直接推动被控对象的 控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。
常用的名词术语
1.稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正 常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到 原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、 发散振荡或单调增长运动。
2.动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。 当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为 阶跃响应。
时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。
即若系统的输入为 r(t) 时，对应的输出为 y(t)，则
当输入量为 Kr(t)时，输出量为 Ky(t) 。
（2）非线性系统
● 特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 ● 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、
间隙特性等。
图1-5 典型的非线性特性
对被控对象的控制作用，实现控制任务。
图1-3 闭环控制系统原理框图
Hale Waihona Puke (3)复合控制系统 工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系 统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信 号进行补偿，以达到精确的控制效果。
图1-4 复合控制系统原理框图
2.按系统输入信号分类
（1）恒值控制系统 系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服 干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。
举例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制 系统。
自动控制原理：第1章 自动控制的基本概念 (2)
储液量的变化率，为单位时间内液体的流入量与流
出量之差。
若贮槽的横截面A 不变，则有M=Ah。假设在输
, , 入量Qi阶跃变化之前的平衡状态下，液位为h，流人
量和流出量均为QS ，则阶跃变化后这些变量分别为
h h0 h
Q Q Q
i
s
i
Q Q Q
0
s
0
自动控制原理
14
将这些变量代入式（2-1）中，就可得到
此处的加号对应于负反馈；减号对应于正反馈。 增：闭环传递函数=前向传递函数 / 1+ 回路内所有传递函数之积
自动控制原理
29
2.4.3 结构图的等效变换(续)
(2)综合点与引出点的移动 1)综合点的前后移动 a. 综合点前移的 等效变换
b. 综合点后移的 等效变换
2)相邻综合点之 间的移动
自动控制原理
令M L 0
自动控制原理
32
2.4.3 结构图的等效变换(续)
例2 简化结构图，并求系统传递函数C(s)/R(s) 。
C(s)
G1G2G3G4
R(s) 1 G2G3H 2 G3G4H3 G1G2G3G4H1
自动控制原理
33
2.4.3 结构图的等效变换(续)
例3 化简两级RC网络结构图，并求出传递函数Uc(s)/Ur(s)。
i(t)dt
消去中间变量i(t)，得
RC
duc (t) dt
uc
(t)
ur
(t)
对上式进行拉氏变换 RCsUc (s) RCuc (0) Uc (s) Ur (s)
求出Uc(s)的表达式
Uc (s)
1 RCs
U 1
r
自动控制原理各章知识精选全文完整版
⑴ 偏差、误差的概念
(s), (t) E(s), e(t) cdesired (t) c(t)
E(s) 1 (s)
H
G (s)
1
H
H
⑵ e(t) ets (t) ess (t)
暂态 稳态
单位负反馈系统开环传函
r(t)
1 2
t2
时稳态误差
Ts 1 E(s) Ts 1 s3
e(t)
T
2. 运动方程式
确定输入量、输出量 列写各元件运动方程 消除中间变量 化为标准形式
RL
u1
C u2
Fi
K
m
f
y
L
C
u1
u2
R
R1
u1
C
R2 u2
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
u1
m
d2y dt 2
f
dy dt
Ky
Fi
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
RC
du1 dt
tg1 1 2 cos1
p e 1 2 100 %
d. c(t) c() c() t ts
2%或5%
4 ts n
2%
3 ts n
5%
d. N : 振荡次数
N ts Td
Td
2 d
d n 1 2
tr , t p 评价响应速度
p , N 评价阻尼程度
ts
以分析，并将分析结果应用于工程系统的综合和自然界 系统的改善。 自动控制
毋需人直接参与，而是被控制量自动的按预定规律变 化的控制过程。
4. 开环控制、闭环控制、反馈控制原理
(s), (t) E(s), e(t) cdesired (t) c(t)
E(s) 1 (s)
H
G (s)
1
H
H
⑵ e(t) ets (t) ess (t)
暂态 稳态
单位负反馈系统开环传函
r(t)
1 2
t2
时稳态误差
Ts 1 E(s) Ts 1 s3
e(t)
T
2. 运动方程式
确定输入量、输出量 列写各元件运动方程 消除中间变量 化为标准形式
RL
u1
C u2
Fi
K
m
f
y
L
C
u1
u2
R
R1
u1
C
R2 u2
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
u1
m
d2y dt 2
f
dy dt
Ky
Fi
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
RC
du1 dt
tg1 1 2 cos1
p e 1 2 100 %
d. c(t) c() c() t ts
2%或5%
4 ts n
2%
3 ts n
5%
d. N : 振荡次数
N ts Td
Td
2 d
d n 1 2
tr , t p 评价响应速度
p , N 评价阻尼程度
ts
以分析，并将分析结果应用于工程系统的综合和自然界 系统的改善。 自动控制
毋需人直接参与，而是被控制量自动的按预定规律变 化的控制过程。
4. 开环控制、闭环控制、反馈控制原理
自动控制原理第一章
自动控制原理第一章一、自动控制系统的概念自动控制系统是指通过测量被控对象的状态或输出，并根据一定规律进行比较、判断及输出控制量的系统。
该系统可以根据实际需要分为闭环控制和开环控制两种方式。
闭环控制系统通过比较实际输出量和期望输出量之间的差异，自动调整控制量以使实际输出量达到期望值。
开环控制系统不考虑实际输出量与期望值之间的差异，只根据一定规律输出控制量。
二、自动控制系统的组成自动控制系统主要由被控对象、传感器、执行器、控制器和控制对象组成。
被控对象是需要被控制系统改变状态或输出的物理元件或过程。
传感器用于将被控对象的状态或输出转换为电信号。
执行器接收控制器输出的信号，并将其转换为被控对象状态或输出的改变。
控制器接收传感器输出的信号，并根据一定的算法对其进行处理和判断，然后输出控制信号。
控制对象是指需要控制的系统或过程。
三、自动控制系统的特点自动控制系统具有以下几个基本特点：1.反馈调节：通过传感器和执行器之间的反馈回路来实现系统的调节和稳定。
2.误差纠正：系统的输出与期望输出之间的差异会被控制器捕捉到，从而对控制信号进行修正。
3.自适应性：系统能够根据外部环境变化自动调整控制参数以适应不同工况要求。
4.稳定性：系统能够稳定工作，在一定误差范围内输出可控的状态或输出。
5.灵敏性：系统对输入信号的变化有较强的响应能力，能够及时调整控制量以保持系统稳定。
6.自动化程度高：系统能够自动地完成输入参量的检测、判决和输出控制信号的过程。
总结起来，自动控制原理第一章详细介绍了自动控制系统的概念、组成和基本特点。
了解自动控制系统的概念和特点对于深入理解后续章节的内容非常重要，为后续学习打下了良好的基础。
了解了自动控制系统的组成，可以更好地理解控制系统中各个组成部分的功能和相互关系。
同时，该章节还介绍了自动控制系统的特点，使我们对自动控制系统的工作原理和优势有了更深入的认识。
自动控制原理 第1章
输入信号 输出量
眼睛
（物位置）
大脑
手臂、手
（手位置）
眼睛
反馈控制实质上是一个按偏差进行控制的过程。
19
例：下图所示为调速系统的方框图，图中 Kh=0.1V/(rad/s)。当输入电压为10V时，试求 （1）输出的希望值Cr(rad/s)；（2）稳态值 C() (rad/s)；（3）稳态误差ess(V)，并说明 该系统是有差系统还是无差系统。
扰动
输入量
控制量
-
控制器
被控对象 检测元件
输出量
信号的传递方向用箭头表示。信号从输入端沿箭 头方向到达输出端的传输通路称为前向通路（道）； 由系统输出端沿箭头方向经测量元件反馈到输入端的 传输通路，称为主反馈通路。前向通路和主反馈通路 一起构成主回路。
此外，可能还有局部反馈通路以及由它组成的内 回路。
3. 随动控制系统----这类系统的给定量按照事先不知 道的时间函数变化，要求输出量能跟随给定输入量的 变化，如：火炮自动跟踪系统、位置随动系统等。 按控制器装置分：连续信号系统和离散信号系统。 连续信号系统即模拟信号系统，系统中各部份是 模拟的连续信号，其控制器由模拟电路构成。 离散信号系统，其控制器是数字控制器，系统中 存在着离散（数字）信号。由于被控量通常是模拟量， 所以这种系统中有数/模（D/A）和模/数（A/D）转换 器。
2. 可以克服反馈环内所有扰动对系统的干扰。
14
3. 结构复杂，成本较高。 4. 由于反馈回路的存在，可能出现系统振荡或 不稳定。
闭环控制系统举例： 高温炉温度恒定控制 示意图如下
电位计 E
- uf +
ur
+
减速器
u - 放大
+ 电压
眼睛
（物位置）
大脑
手臂、手
（手位置）
眼睛
反馈控制实质上是一个按偏差进行控制的过程。
19
例：下图所示为调速系统的方框图，图中 Kh=0.1V/(rad/s)。当输入电压为10V时，试求 （1）输出的希望值Cr(rad/s)；（2）稳态值 C() (rad/s)；（3）稳态误差ess(V)，并说明 该系统是有差系统还是无差系统。
扰动
输入量
控制量
-
控制器
被控对象 检测元件
输出量
信号的传递方向用箭头表示。信号从输入端沿箭 头方向到达输出端的传输通路称为前向通路（道）； 由系统输出端沿箭头方向经测量元件反馈到输入端的 传输通路，称为主反馈通路。前向通路和主反馈通路 一起构成主回路。
此外，可能还有局部反馈通路以及由它组成的内 回路。
3. 随动控制系统----这类系统的给定量按照事先不知 道的时间函数变化，要求输出量能跟随给定输入量的 变化，如：火炮自动跟踪系统、位置随动系统等。 按控制器装置分：连续信号系统和离散信号系统。 连续信号系统即模拟信号系统，系统中各部份是 模拟的连续信号，其控制器由模拟电路构成。 离散信号系统，其控制器是数字控制器，系统中 存在着离散（数字）信号。由于被控量通常是模拟量， 所以这种系统中有数/模（D/A）和模/数（A/D）转换 器。
2. 可以克服反馈环内所有扰动对系统的干扰。
14
3. 结构复杂，成本较高。 4. 由于反馈回路的存在，可能出现系统振荡或 不稳定。
闭环控制系统举例： 高温炉温度恒定控制 示意图如下
电位计 E
- uf +
ur
+
减速器
u - 放大
+ 电压
《自动控制原理》课件 第一章
离心调速器
36
1-5 自动控制理论发展简述
设定转速 +
比较器 Metal sphere -
进汽阀 门，连 杆机构
实际转速
蒸汽室 蒸汽机
转速测量
飞球 调节阀
离心调速器框图
37
1-5 自动控制理论发展简述
瓦特离心调速器在调速过程中存在不 稳定现象（“设备变得发狂！”），当时 并没有理论指导，所有的努力都集中在改 进调速器本身（重量、弹簧、摩擦）。 麦克斯维尔把调节器跟调节对象合在一 起，看作一个系统，用微分方程来进行研 究，指出微分方程的特征根在左半面或右 半面，决定着系统稳定与否。
6
1-1 自动控制的基本原理与方式
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:
预期 温度 偏差 _ 控制器 反馈量 执行机构 实际 温度 阀门
水箱
7
1-1 自动控制的基本原理与方式 二、自动控制系统的基本构成及控制方式 自动控制系统有两种基本控制方式：开 环控制与闭环控制。
30
1-4 对控制系统的基本要求
二、快速性
通过动态过程时间长短表征。时间 快速性表明了系统输出对输入响应 越短，表明快速性越好，反之亦然。 的快慢程度
r(t) c(t)
c1(t) r(t)
c2(t) t
0
31
1-4 对控制系统的基本要求
三、准确性
由输入给定值与输出响应的终值之 间的差值ess大小表征。
三、按信号的连续性来分:
1．连续控制系统：各环节输入和输出信号均为连续信号 2．离散控制系统：系统中有一处或数处的信号是离散的 （脉冲序列或数码）
自动控制原理第1章
典型外作用： 可选为典型外作用的函数应具备以下条件：
⑴ 这种函数在现场或实验室中容易得到；
⑵ 控制系统在这种函数作用下的性能代表在 实际工作条件下的性能； ⑶ 这种函数的数学表达式简单、便于理论计 算。
1、阶跃函数
数学表达式：
0 t 0 f (t ) R t 0
开环控制方式
按干扰进行控制（即顺馈控制，对干扰进行补偿）
扰动必须可测！ 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入量的影响。这种按 扰动控制的开环控制方式直接从扰动取得信息，其控制精度 较高，只适用于扰动可测量的场合。
例
+
ug
i f cons
+
系数a0， ‥， an，b0, ‥bn是常数时，称为定常 系统；系数a0，‥，an，b0, ‥bn随时间变化时，称 为时变系统。（按系统参数是否随时间变化）
3.按照传递信号类型分类
连续系统
各个环节间的信号均为时间t的连续函数，可用微分
方程描述 例：水箱系统
离散系统
只要有一处信号是脉冲信号或者数字信号，定义在
3）复合控制系统
对主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制， 同时，再组成反馈控制系统实现偏差控制，以消 除其余扰动产生的偏差。 主要扰动已被补偿，反馈控制系统比较容易设计， 控制效果会更好。
§1-3自动控制系统分类
1. 按输入信号特征分类
1）恒值控制系统
给定输入为常数，扰动的影响带来偏差的存在，系统克服扰动影响
§1-4 对控制系统性能的基本要求
A
超调量σ% =
A 100% B
峰值时间tp 上 升 时间tr
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Page 20
自动控制理论发展简史
经典控制理论
时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法
( 19世纪初 )
现代控制理论
线性系统 最优控制 最佳估计 系统辨识
( 20世纪60年代 )
自适应控制 鲁棒控制 容错控制 集散控制 大系统复杂系统
智能控制理论
专家系统
Page 19
控制系统分类
按照控制思想分类
闭环（反馈）控制；开环控制；复合控制
按照希望的控制规律分类
调节系统：被控量的希望变化规律是保持恒定的值不变； 随动系统：被控量的希望变化规律是一个随着时间变化的
按照数学模型特点分类
线性系统；非线性系统
按照信号特点分类
连续系统：系统中的所有信号都是连续变化的信号； 离散系统：系统中存在时间上离散的信号
测量x2计算x1，控制x1达到 控制目的！
y(t ) c(t ) 50 f ( x1, x2 , t )
x2 x1
控制思想——闭环控制
测量被控制量 将被控制量与给定值进行比较得到偏差 按偏差控制，有差则调
比较器 给定值 控制器 执行装置 被控对象 干扰 控制量 被控量
测量装置
一本内容简洁但是有力的教材
吴琪《自动控制原理》.清华大学出版社，1991
一本内容丰富，有一定难度的教材
绪方胜彦.《现代控制工程》.科学出版社，1974
一本工程背景很好的教材，告诉我们自动控制原理不 等于数学！
上海大学 机电工程与自动化学院 自动化系 邹斌
控制系统的组成 被控对象
控制系统
控制装置
测量元件 比较元件 放大元件 执行机构 校正装置 给定元件
Page 10
控制的目的
被控量按照希 望的规律变化
r (t ) c(t )
希望的变化规律(给定值) 被控量
控制系统的数学模型
描述信号与信号之 间的动态的关系！
出水流量
给定值 －
电动机
进水阀门 浮子
( 20世纪70年代 )
神经网络 遗传算法
Page 21
模糊控制
控制系统的基本要求
稳 : 基本要求，稳定性 性能要求：准 : 稳态要求，稳态误差es 调节时间 t 快 s : 过渡过程要求 : 0 匀 超调量 0
Page 22
控制系统输入输出的关系
液位控制系统
Q1
控制器
浮子
电位器
c
用水开关
Q2
减速器 电动机
SM
被控制对象：水池 被控制量：液位
if
出水流量 液位
给定值 －
电动机
进水阀门 浮子
水池
控制器
控制量与干扰
Q1 浮子 电位器
c
减速器
用水开关
影响液位（被控量）的物 理量：进水的流量、出水 流量。
电动机
SM
Q2
if
C=f(Q1,Q2,t)
上海大学 机电工程与自动化学院 自动化系 邹斌
主要内容
掌握有关自动控制理论的一些基 本概念 掌握负反馈控制原理 掌握由工作原理图画出相应方框 图的方法
Page 2
自动控制的定义
在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工 作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理 量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。 被控对象
It is important, but ……
控制原理讨论的问题
所有的装置都是 正常的，是否将 这些装置连接起 来就一定能够正 常工作呢？
自动控制原理考察自动控制系统中
信号之间的传递关系
考察控制目的是否达到，应该遵循
怎样的规律达到！
关于参考书
教材：一本值得精读的书籍 孙虎章. 《自动控制原理》. 中央电视大学出版 社，1984
从控制的角度观察被控对象 就是考察被控量与控制量、 干扰的数学关系
控制量：通过调整该物理量使得被控制量按照希望的规律变化 干扰：能够影响被控制量变化，但是不被控制的物理量
例:函数记录仪
Page 8
控制系统组成： 被控对象； 控制装置：
检测装置 执行装置 比较器 控制器 ……
Page 9
闭环控制与开环控制比较
开环控制：要达到精确的控制
精确的测量 精确的计算 精确的执行 精确的数学模型
闭环控制：
所有与目标的不同通过偏差反映出来——反馈 按偏差进行控制！ 在不是很精确的装置情况下可以得到较好的效果！ 是否有反馈就一定能够控制好，为什么？
控制系统组成的方框图表示
水池
液位
静态关系：代数方程
动态关系：微分方程
从控制的角度描述控制系统： 信号之间的关系——数学模型
x
环节1
y
y x
具有储
y f ( x)
R ui i C
ui iR uc duc uc i C dt duc ui RC uc dt
能元件的 环节其信 号间的关 系必须用 动态方程 描述
我们研
y f ( x, t )
究的是动 态系统
基本控制方式
开环控制
特点：简单、稳定、精度低。
闭环控制
特点：复杂、抗干扰能力强、精度高、有稳定性问题。
复合控制
特点：性能要求高时用之。
Page 14
控制的基本思想——开环控制
控制的目的 被控制对象 开环控制的 思想
y(t ) c(t ) 50
控制量：蒸汽流量 执行装置： 蒸汽流量
被控制对象：蒸汽机组
由原理图绘制方框图训练
Page 25
由原理图绘制方框图训练
Page 26
由原理图绘制方框图训练
Page 27
由原理图绘制方框图训练
Pag对象的工作原理，设计与制造方法？ 执行机构的工作原理，设计与制造方法？ 测量装置的工作原理，设计与制造方法？ 控制器的工作原理，设计与制造方法？
h(t)
A h B
振荡原因：
内部原因： 系统有惯性， 有储能元件。
A
超调量σ% =
100%
B
外部原因： 参数配置不当 。
调节时间
ts
t
Page 23
由原理图绘制方框图训练 阀门
给定转 速位置 开度 动力阀门 飞轮 位置 阀门
蒸汽 机进 气量
被控对象：蒸汽 转速 机组及其负载
飞轮
测量装置：飞轮 控制装置：动力油缸 被控制量：转速 干扰： 负载
温度T为被 控量
给定量： 温度T保持 恒定！
Page 3
控制系统方框图。 关注信号与信号之间 的关系。 信号与信号之间的 关系的定量描述: 数 学模型！
炉温控制系统方框图
Page 4
方框图中各符号的含义
方框（块）图 中的符号
元部件 信号（物理量）及传递方向 比较点 引出点 表示负反馈
Page 5