自动控制原理1
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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。
自动控制原理第1章
31
⑴ 稳定性 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件.
稳定性是这样来表述的：系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和 系统恢复平衡的能力。
线性自动控制系统的稳定性是由系统的结构和参数所决定, 与外界因素和初始条件无关.
不稳定系统是无法正常工作的。
c(t) r(t)
c(t ) r (t )
c(t) r(t)
③ 可以完成人工控制系统无法完成的工作。
自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。
6
比如：人造地球卫星的
发射成功与安全返回
7
导弹的准确击中目标， 雷达系统的准确跟踪目标；
8
交通系统：
安全、快捷、舒适、准点
9
钢 铁 生 产
10
家用电器：
电扇：控制转速
洗衣机：控制水位、强弱、时间等
23
⑶ 复合控制方式 把按偏差控制和按扰动控制结合起来,是一种比较合理的控 制方式.这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复 合控制方式. 下图表示的是电动机速度的复合控制系统的方块图. 电压 放大器 电阻R Mc
u0 ut -
ue
电压 放大器
测速 发电机
功率 放大器
电动机
n
图1-10 电动机速度复合控制系统
1.1 自动控制的基本概念与方式
1.2 自动控制系统的分类 1.3 对控制系统性能的基本要求及评价
5
1.1 自动控制的基本概念与方式
1.1.1 自动控制的基本概念
自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器，
使被控对象或过程自动地按预定的规律运行。 应用：工业、农业、交通、国防、宇航、社会。 自动控制的优点：① 节省人力； ② 提高系统的精度；
⑴ 稳定性 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件.
稳定性是这样来表述的：系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和 系统恢复平衡的能力。
线性自动控制系统的稳定性是由系统的结构和参数所决定, 与外界因素和初始条件无关.
不稳定系统是无法正常工作的。
c(t) r(t)
c(t ) r (t )
c(t) r(t)
③ 可以完成人工控制系统无法完成的工作。
自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。
6
比如：人造地球卫星的
发射成功与安全返回
7
导弹的准确击中目标， 雷达系统的准确跟踪目标；
8
交通系统：
安全、快捷、舒适、准点
9
钢 铁 生 产
10
家用电器：
电扇：控制转速
洗衣机：控制水位、强弱、时间等
23
⑶ 复合控制方式 把按偏差控制和按扰动控制结合起来,是一种比较合理的控 制方式.这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复 合控制方式. 下图表示的是电动机速度的复合控制系统的方块图. 电压 放大器 电阻R Mc
u0 ut -
ue
电压 放大器
测速 发电机
功率 放大器
电动机
n
图1-10 电动机速度复合控制系统
1.1 自动控制的基本概念与方式
1.2 自动控制系统的分类 1.3 对控制系统性能的基本要求及评价
5
1.1 自动控制的基本概念与方式
1.1.1 自动控制的基本概念
自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器，
使被控对象或过程自动地按预定的规律运行。 应用：工业、农业、交通、国防、宇航、社会。 自动控制的优点：① 节省人力； ② 提高系统的精度；
孙炳达 自动控制原理第1章
单回路系统：只有一个(主)反馈通道的系统。 多回路系统：有二个以上反馈通道的系统。
注意： 反馈有正、负之分。反馈信号的极性与输入信号的极性相反，从而产生
一偏差信号的反馈方式，称负反馈；反馈信号的极性与输入信号的极性相同，称正 反馈，正反馈方式只可能在局部反馈中采用；所有闭环系统，都是负反馈控制系统。
2、水温的自动控制的示意图
采用自动控制时，上述功能都用相应的元件和仪表来代替。 例如，用温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。7
自动控制的基本方式
二、基本控制方式(3种)
1、开环控制方式 (1)定义： 控制系统的输出量对系统不产生作用的控制方式，称为开环控制方式。 具有这种控制方式的有机整体，称为开环控制系统。 如果从系统的结构角度看，开环控制方式也可表达为，没有系统输出量 反馈的控制方式。
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；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。
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。
9
自动控制的基本方式
(2) 职能方框图
任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的方 框图表示。
2、闭环控制方式：
(1) 定义
系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，参予了系统控制的方式，称 为闭环控制方式。
如果从系统的结构看，闭环控制方式也可表达为，有系统输出量反馈的
控制方式。
10
自动控制的基本方式
举例：速度控制系统
11
自动控制的基本方式
工作原理
开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统 输出量即电动机转速并转换为电压。
——齐次性
（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述X的r1(t)系统。
注意： 反馈有正、负之分。反馈信号的极性与输入信号的极性相反，从而产生
一偏差信号的反馈方式，称负反馈；反馈信号的极性与输入信号的极性相同，称正 反馈，正反馈方式只可能在局部反馈中采用；所有闭环系统，都是负反馈控制系统。
2、水温的自动控制的示意图
采用自动控制时，上述功能都用相应的元件和仪表来代替。 例如，用温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。7
自动控制的基本方式
二、基本控制方式(3种)
1、开环控制方式 (1)定义： 控制系统的输出量对系统不产生作用的控制方式，称为开环控制方式。 具有这种控制方式的有机整体，称为开环控制系统。 如果从系统的结构角度看，开环控制方式也可表达为，没有系统输出量 反馈的控制方式。
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；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。
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。
9
自动控制的基本方式
(2) 职能方框图
任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的方 框图表示。
2、闭环控制方式：
(1) 定义
系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，参予了系统控制的方式，称 为闭环控制方式。
如果从系统的结构看，闭环控制方式也可表达为，有系统输出量反馈的
控制方式。
10
自动控制的基本方式
举例：速度控制系统
11
自动控制的基本方式
工作原理
开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统 输出量即电动机转速并转换为电压。
——齐次性
（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述X的r1(t)系统。
自动控制原理_第一章
（b）只有有限个极值点。 满足狄利赫里条件的函数 fT (t ) 在 叶级数。
T T ， 2 2
上可展成傅里
在 fT (t ) 的连续点处，级数的三角形式为
a0 fT (t ) (an cos n0t bn sin n0t ) 2 n 1
（1－1）
其中：0
《现代控制工程》（第四版）
E-mail: goulinfeng @
第一章 概 论
主要问题：
（1） 自动控制系统的基本概念
（2） 自动控制系统的分类
（3） 自动控制系统的性能指标
（4） 拉普拉斯变换简介
（5） 典型输入信号
一、自动控制系统的基本概念
瓦特(James Watt)
2
3s 4 2 3s 2 4 s 2 y( s) 2 2 s 3s 2 s ( s 3s 2) s ( s 1)( s 2) 1 1 3 s s 1 s 2
y (t ) L [ y( s)] 1 e 3e
1
t
d 2 y (t ) dy (t ) x(t ) 2, 3 2 y (t ) x(t ), 例1: 2 dt dt y(0) 5 y(0) 3, 求响应 y (t )
解：对方程两边做拉氏变换：
2 s y( s) sy(0) y(0) 3[sy (s) y (0)] 2 y (s) s y(0) 5 可得: 代入 y(0) 3,
3 傅立叶变换：
e jx e jx e jx e jx 利用欧拉公式：cos x , sin x 2 2j
代入式（1-1）可得可积周期函数连续点处的傅里叶三角级 数表达式 化简后： fT (t ) 其中
自动控制原理1
LCuC (t ) RCuC (t ) uC (t ) ur (t )
mx(t ) fx(t ) kx(t ) F (t )
这两个式子很相似，故可用电子线路来模拟机械 平移系统，这也证明了我们前面讲到的，看似完 全不同的系统，具有相同的运动规律，可用相同 的数学模型来描述。（相似系统）
2.快速性
动态性能:调节时间、上升时间 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性 能。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标， 但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住 目标。
3. 准确性
稳态性能：稳态误差 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态 输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态 误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参 考输入的精度越高。
3.反馈控制原理
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
反馈信号与输入信号相减，其差为偏差信号
负反馈控制原理
将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相减，形成偏差 信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或 减少偏差的过程。
F (t ) kx(t ) fx(t ) mx(t )
机械平移系统的微分方程为：
mx(t ) fx(t ) kx(t ) F (t )
注意：写微分方程时，常习惯于把输出写在方程 的左边，输入写在方程右边，而且微分的次数由 高到低排列 。
微分方程数学模型的标准形式
讨论：
k
F(t)
x(t)位移
m
弹簧
阻尼系数f 阻尼器
自动控制原理(1)
四、控制理论发展的历史、现状和前景 控制理论发展的历史、
1 经典控制理论
以单变量控制，随动/ 以单变量控制，随动/调 节为主要内容， 节为主要内容，以微分 方程和传递函数为数学 模型， 模型，以频率响应法为 主要方法。数学工具： 主要方法。数学工具： 微分方程， 微分方程，复变函数
3 后现代控制理论
2.闭环控制系统 2.闭环控制系统
在 控 制器 与 被控 对 象之 间 ， 不 仅 存在 着 正向 作 用 ， 而且存在着反向作用 ， 即系统输出量对控制 而且存在着反向作用， 作用有直接影响 ； 将检测出来的输出量送回到系统的输入端， 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称为反馈；若反馈信号与输 入信号相减， 则称为负反馈， 反之， 若相加， 入信号相减 ， 则称为负反馈 ， 反之 ， 若相加 ， 则 称为正反馈； 称为正反馈； 反馈控制就是指负反馈控制。 反馈控制就是指负反馈控制。 闭环系统必须考虑稳定性问题。 闭环系统必须考虑稳定性问题。
2.系统 2.系统
系统是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件） 系统是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件） 的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定 的任务。
3.自动控制系统 3.自动控制系统
自动控制系统是指能够实现自动控制的系统就可称 自动控制系统是指能够实现自动控制的系统就可称 为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。
大器）。
执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行 执行元件 ：直接改变被控变量的元件称为执行 元件（电机、减速、 元件（电机、减速、调压器）。
测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化 测量元件 ：能够将一种物理量检测出来并转化 成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为 传感器或测量元件（ 传感器或测量元件（热电偶）。 参考输入元件：将指令输入信号变成参考输入 参考输入元件 ：将指令输入信号变成参考输入 信号的元件可称为参考输入元件（ 信号的元件可称为参考输入元件（电位器）。
自动控制原理_详细解析
H 流出 Q2
水位自动控制系统
•给定值： 控制器刻度盘指针标定 的预定水位高度； •测量装置：
气动阀门 流入 Q1
控制器
浮子 水箱 H 流出 Q2
浮子；
•比较装置： 控制器刻度盘； •干扰： 水的流出量和流入量的 变化都将破坏水位保持 恒定；
水位自动控制系统
由此可见： 自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是： 在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控 对象，使被控制量等于给定值。 自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一 般由控制装置和被控对象组成。
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的任务 1-２自动控制的基本方式 1-３对控制系统的性能要求
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1-1 自动控制的任务
通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备 称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态 的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的 要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。 则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量 等于给定值。
(2 3)
• 例2. 设有一弹簧质 量 阻尼动力系统如 图所示，当外力F(t)作 用于系统时，系统将 产生运动，试写出外 力F(t)与质量块的位移 y(t)之间的动态方程。 其中弹簧的弹性系数 为k，阻尼器的阻尼系 数为f，质量块的质量 为m。
F(t)
M
k y(t)
f
解：分析质量块m受力，有 外力F, 弹簧恢复力 Ky（t） 阻尼力 fdy (t ) / dt 惯性力 md 2 y / dt 2 由于m受力平衡，所以
2-5 系统的脉冲响应函数 2-6 典型反馈系统传递函数
返回主目录
北京航空航天大学
基本要求 1.了解建立系统动态微分方程的一般方法。 2. 熟悉拉氏变换的基本法则及典型函数的拉 氏变换形式。
水位自动控制系统
•给定值： 控制器刻度盘指针标定 的预定水位高度； •测量装置：
气动阀门 流入 Q1
控制器
浮子 水箱 H 流出 Q2
浮子；
•比较装置： 控制器刻度盘； •干扰： 水的流出量和流入量的 变化都将破坏水位保持 恒定；
水位自动控制系统
由此可见： 自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是： 在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控 对象，使被控制量等于给定值。 自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一 般由控制装置和被控对象组成。
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的任务 1-２自动控制的基本方式 1-３对控制系统的性能要求
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1-1 自动控制的任务
通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备 称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态 的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的 要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。 则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量 等于给定值。
(2 3)
• 例2. 设有一弹簧质 量 阻尼动力系统如 图所示，当外力F(t)作 用于系统时，系统将 产生运动，试写出外 力F(t)与质量块的位移 y(t)之间的动态方程。 其中弹簧的弹性系数 为k，阻尼器的阻尼系 数为f，质量块的质量 为m。
F(t)
M
k y(t)
f
解：分析质量块m受力，有 外力F, 弹簧恢复力 Ky（t） 阻尼力 fdy (t ) / dt 惯性力 md 2 y / dt 2 由于m受力平衡，所以
2-5 系统的脉冲响应函数 2-6 典型反馈系统传递函数
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北京航空航天大学
基本要求 1.了解建立系统动态微分方程的一般方法。 2. 熟悉拉氏变换的基本法则及典型函数的拉 氏变换形式。
自动控制原理：第1章 自动控制的基本概念 (2)
m
Md ML
J s2 Bs
c
1
i
m
将每个子方程的结构图按照相互关系，正确地连接起来， 得到下图
自动控制原理
27
2.4.3 结构图的等效变换
(1)结构图的基本组成形式 1）串联连接
C(s) G2 (s)U (s) G2 (s)G1(s)R(s)
C(s) R(s)
G1(s)G2 (s)
2）并联连接
在控制系统稳定的前提下，总是希望响应越快越好，而 且超调量越小越好。
自动控制原理
4
1.4 对控制系统的性能要求
1.4.3 稳态误差
控制系统在稳定的情况下，希望的输出与实际的输出之 差称为误差，误差的稳态分量称为稳态误差（或称为静态误 差），一般用ess表示。
自动控制系统的性能指标分别描述了系统在稳定性、动态 性能、稳态性能三个方面的要求，根据这些性能指标，就可以 判别系统性能的优劣。
i
(2-6)
式（2-5）或（2-6）就是描述简单水槽对象特性的数 学模型。它是一个一阶常系数微分方程式。
T为时间常数。 K 为放大系数。
自动控制原理
16
2.3 传递函数
2.3.1 传递函数的概念
RC电路如下：根据克希霍夫定律， 可列写微分方程
Ri(t) uc (t) ur (t)
uc
(t)
1 C
1
uc (t) C idt
（2）消去中间变量i后，得输入输出微分方程式
LC
d
2uc (t) dt 2
RC
duc (t) dt
uc
(t)
ur
(t)
或
T1T2
d
2uc (t) dt 2
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
《自动控制原理》程鹏第一章
自动控制原理
第一章 控制系统的一般概念 §1 绪论
一.控制系统的发展史 自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。
• 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、 粘度自动控制
• 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、 导弹、卫星、宇宙飞船自动控制
• 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管 理等
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 控制系统的组成
介绍由原理图画方块图的步骤：（以角度随动系统为例）
1、看懂工作原理图，找出被控量、被控对象、给定量。 2、从两头来，先画出给定量、被控对象和被控量。 3、依原理图补上中间部分。
一.组成与术语 组成: 1.测量元件：测量被控量 2.比较元件：产生偏差信号 3.放大元件：对偏差信号进行幅值、功率放大 4.执行元件：对被控对象施加作用 5.校正元件：改善系统性能 6.给定元件：给出输入信号
自动控制: 在无人直接参与的情况下，利用控制装置使设备、 生产过程（被控对象）的一个物理量（被控量）按 预定规律（给定量）运行。
自动控制系统：能对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。
三.自动控制技术的作用
1. 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化， 极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强 度。
一般的形式
输入信号 比较
放大
执行
被控对象
输出信号
测量
输入信号——系统控制目标的反映 控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出
控制量，驱动执行机构完成控制功能。 输出信号——系统的控制结果，反映了被控对象的运行 状况。
• 反馈(feedback)：将输出量通过一定的方式送回到输入端， 并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈
第一章 控制系统的一般概念 §1 绪论
一.控制系统的发展史 自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。
• 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、 粘度自动控制
• 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、 导弹、卫星、宇宙飞船自动控制
• 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管 理等
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 控制系统的组成
介绍由原理图画方块图的步骤：（以角度随动系统为例）
1、看懂工作原理图，找出被控量、被控对象、给定量。 2、从两头来，先画出给定量、被控对象和被控量。 3、依原理图补上中间部分。
一.组成与术语 组成: 1.测量元件：测量被控量 2.比较元件：产生偏差信号 3.放大元件：对偏差信号进行幅值、功率放大 4.执行元件：对被控对象施加作用 5.校正元件：改善系统性能 6.给定元件：给出输入信号
自动控制: 在无人直接参与的情况下，利用控制装置使设备、 生产过程（被控对象）的一个物理量（被控量）按 预定规律（给定量）运行。
自动控制系统：能对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。
三.自动控制技术的作用
1. 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化， 极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强 度。
一般的形式
输入信号 比较
放大
执行
被控对象
输出信号
测量
输入信号——系统控制目标的反映 控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出
控制量，驱动执行机构完成控制功能。 输出信号——系统的控制结果，反映了被控对象的运行 状况。
• 反馈(feedback)：将输出量通过一定的方式送回到输入端， 并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈
《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。
(完整版)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 :是指要务实现自动控制的机器、设施或生产过程。
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：又称调理器、控制装置，由控制元件构成，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) ：要求控制系统按必定规律变化的信号，是系统的输入信号。
5.扰乱信号 n(t) ：又称扰动值，是一种对系统的被控量起损坏作用的信号。
6.反应信号 b(t) ：是指被控量经丈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，或指令信号与反应信号的差值。
闭环控制的主要长处：控制精度高，抗扰乱能力强。
弊端：使用的元件多，线路复杂，系统的剖析和设计都比较麻烦。
对控制系统的性能要求:稳固性迅速性正确性稳固性和迅速性反应了系统的过渡过程的性能。
正确性是权衡系统稳态精度的指标，反应了动向过程后期的性能。
第二章控制系统的数学模型拉氏变换的定义:F ( s) f ( t )e- st d 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.等加快函数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 )拉氏变换的基本法例1.线性法例2.微分法例3.积分法例Lf ( t )d t1F ( s )s4.终值定理e( ) lim e( t ) lim sE ( s)ts 05.位移定理L f (t)e 0 s F(s)Le atf ( t )F ( s a )传达函数： 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 (或元零件 )的传达函数。
动向构造图及其等效变换1.串连变换法例2.并联变换法例3.反应变换法例4.比较点前移“加倒数”；比较点后移“加自己”。
5.引出点前移“加自己”；引出点后移“加倒数” 梅森（ S. J. Mason ）公式求传达函数典型环节的传达函数 1.比率 (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G ( s)12 s 22 Ts 1T C ( s ) ＝ 1 n6.二阶微分环节( s )P k kR ( s )k 1第三章时域剖析法二阶系统剖析2nKJF2nJ2 n(完整版)自动控制原理知识点汇总二阶系统的单位阶跃响应1.过阻尼 ξ>1 的状况 ：系统闭环特色方程有两个不相等的负实根。
自动控制原理 第一章 自动控制系统的基本概念(2011-1)
现代控制理论
•以状态空间为基础； 研究多输入-多输出、 时变、非线性一类控 制系统的分析与设计 问题。 •具有高精度和高效能 的特点。
1.2 自动控制系统基本概念
自动控制 控制对象 控制量 给定 扰动 自动控制系统 反馈 反馈控制系统 随动系统 过程控制系统
○自动控制 在没有人直接参与的情况下，通过控制器 使被控对象的某些物理量自动地按照预定 规律进行。 控制器 控制对象 控制量
控制系统动态过程曲线
如上图，系统在外作用作用下，输出逐渐与期望值一 致，则系统稳定的，如曲线１所示； 反之，输出如曲线２所示，则系统是不稳定的。
快速性： 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般 称为动态性能。 □形式 □快慢
◆快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明
系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝。如曲线２所示。
○随动系统 □ 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，
输出量是机械位移、速度或者加速度。
□ 随动系统这个术语，与位置（速度或加速度）控
制系统是同义语。
□ 在现代工业中，广泛采用着随动系统。
○过程控制
在工业生产过程中，对诸如压力、温度、湿度、流 量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制， 称为过程控制。
自动控制原理
Automatic Control Principle
Version 2011
中国矿业大学（北京）
自动控制原理
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
1.1 引言 1.2 自动控制系统的基本概念 1.3 闭环控制和开环控制 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的基本要求
◆稳和快反映了系统过渡过程的性能的好坏。既快又稳，表明
自动控制原理 第一章
钱学森
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论—标志阶段 经典控制理论 标志阶段(3/3) 标志阶段
• 从20世纪40年代到50年代末,经典控制理论的发展与应用 使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃,几乎在工业、 农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动 化控制技术。
– 第二次世界大战期间,反馈控制方法被广泛用于设计研制飞机自 动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。 – 这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追求,迫切 要求拓展已有的控制技术,促使了许多新的见解和方法的产生。 – 同时,还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系统的研 究。 – 可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展。
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论
经典控制理论即古典控制理论 。它的发展大致 经历了以下几个过程： –萌芽阶段 萌芽阶段 – 起步阶段 –发展阶段 发展阶段 – 标志阶段
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论--萌芽阶段 经典控制理论 萌芽阶段
• 早在古代,劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和 对反馈概念的直观认识,发明了许多闪烁自动控制 自动控制智慧火 自动控制 花的杰作。 • 如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国 就有了自动控制技术的萌芽 萌芽。 萌芽
– 例如,两千年前我国发明的 指南车,就是一种开环 开环自动 指南车 开环 调节系统。
指南车
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论—起步阶段(1/4) 经典控制理论 起步阶段(1/4) 起步阶段
• 随着科学技术与工业生产的发展,到十七、十八世 十八世 纪,自动控制技术逐渐应用到现代工业中。 – 1681年法国物理学家、发明家巴本巴本(D. Papin)发明了用做安全调节装置的锅炉压力调 节器; – 1765年俄国人普尔佐诺夫(I. Polzunov)发明了 蒸汽锅炉水位调节器等；
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自动控制理论
现代控 制理论
微积分
各 类 专业课
线性系统
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
自动控制
自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对 生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量 保持恒定，或者按照一定的规律变化，例如矿井提升机的 速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制等等。
自动控制系统
给定量是恒定不变的。
2）随动系统
给定量是按照一定的时间函数变化的。
3）程序控制系统
给定量按照事先未知的时间函数变化。
1.4 自动控制系统的性能指标
1. 对自动控制系统基本要求
稳定性（稳）、快速性（快）、准确性 （准）
“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）
品质。 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。 “准”是说明系统的稳态（静态）品质。 稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件。 线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所 决定的，与外部条件和初始状态无关。
(8) 前向通道或正向通道 (9) 反馈通道或反向通道
(10) 理想输出
(11) 实际输出
(6) 反馈量
(7) 偏差量
1.3 自动控制系统类型
1.按照主要元件的特性方程的输入输出特
征划分 1）线性系统
由线性元件组成的系统，其微分方程中输出量
及其各阶导数都是一次的，并且各系数与输入 量（自变量）无关。
无差系统（图a）
若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。
有差系统（图b）
若稳态误差为零，则系统称为无差系统。
1.4 自动控制系统的性能指标
3. 暂态性能指标
1.4 自动控制系统的性能指标
（1）最大超调量 %
xmax xc () 100% xc ()
输出最大值与输出稳态值的相对误差。
反映了系统的平稳性。最大超调量越小，则
说明系统过渡过程越平稳。
（2）上升时间
tr 指系统的输出量第一次到达输出稳态值所对 应的时刻。
1.4 自动控制系统的性能指标
（3）过渡过程时间（调节时间）
系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允
ts
许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一般取稳态 输出值的2%或5%。 调节时间的长短反映了系统的快速性。调节时间越小， 系统的快速性越好。
小 结
3.自动控制系统通常由给定环节、检测环节、 比较环节、放大元件、被控对象、和反馈环 节等部件组成。系统的作用量和被控量有： 给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间 变量。 4.结构图（又简称框图）可直观地表达系统 各环节（或各部件）间因果关系，可以表达 各种作用量和中间变量的作用点和信号传递 情况以及它们对输出量的影响。
1.4 自动控制系统的性能指标
稳态性能指标 稳态误差
2.
当系统从一个稳态过渡到新的稳态， 或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能 会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。 系统稳态误差的大小反映了系统的稳 态精度，它表明了系统控制的准确程度。稳 态误差越小，则系统的稳态精度越高。
1.4 自动控制系统的性能指标
~220V
uc
2
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
（2）自动闭环控制
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
给定量
闭环控制结构图
1-控制器 2-控制对象 3-检测装置
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
①
反馈控制
把输出量的一部分检测出来,反馈到输入端,与给定信 号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使 输出量按照要求的规律变化 反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为正反馈
自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物 理部件的有机组合体。
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
1.开环控制系统
例1-1 温度控制系统
～220V
uc
2
1
性能指标 工作过程
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
扰动量
给定量 输出量
1
2
图中： 1 - 控制器(自耦变压器) 2 - 被控对象(电阻炉)
（1）控制对象或调节对象
要进行控制的设备或过程。 （2）执行机构 一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直 接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。 （3）检测装置或传感器 该装置用来检测被控制量，并将其转换为与给 定量相同的物理量。
1.2 闭环控制系统的组成和基本环节
（4）给定环节
小 结
5.在不同输入量作用下，对系统的输出量 的要求，揭示出反馈控制系统的本质特征： 输出跟随输入。 6.对自动控制系统的性能指标要求有： 稳定性——系统能工作的首要条件； 快 速性——用系统在暂态过程中的 响应速 度和被控量的波动程度描述； 准确性— —用稳态误差来衡量。
END
设定被控制量的给定值的装置。 （5）比较环节 将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定 两者之间的偏差量。 （6）中间环节 一般包括比较环节和校正环节。
1.2 闭环控制系统的组成和基本环节
3.闭环控制系统中的基本术语
(1) 被控对象 (2) 被控量或பைடு நூலகம்出量 (3) 控制量 (4) 设定量或输入量 (5) 扰动量
2）非线性系统
由非线性元件组成的系统，其微分方程式的系
数与自变量有关。
1.3 自动控制系统类型
2.按照信号传递方式划分
1）连续数据系统
系统各部分的信号都是模拟的连续函数。
2）离散数据系统
系统的一处或几处，信号是以脉冲系列或数
码的形式传递。
1.3 自动控制系统类型
3.按照输入量的变化规律划分 1）恒值系统
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
（1）开环控制
只有输入量对输出量产生控制作用，输出量 不参与对系统的控制。
（2）开环控制特点
输入控制输出 输出不参与控制 系统没有抗干扰能力
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
2.闭环控制系统
例1-2 温度闭环控制系统 （1）人工闭环控制
1
（4）振荡次数
在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。
它也反映系统的平稳性。振荡次数越少，说明系统的
平稳性越好。
小 结
1. 开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能 自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量 产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时， 采用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或 控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用 闭环控制。 2. 闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈 环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。 闭环控制极大地提高了系统的精度。但是闭环 使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。
第1章 自动控制原理的基本概念
课程的性质和特点
自动控制是一门技术学科，从方法论 的角度来研究系统的建立、分析与设计 《自动控制原理》是本学科的技术基础课。
第1章 自动控制原理的基本概念
本课程与其它课程的关系：
信号与系统 电路理论 电机与拖动 大学物理
复变函数 拉氏变换 模拟电子技术
线性代数
②
反馈控制特点
输入控制输出 输出参与控制 检测偏差纠正偏差 具有抗干扰能力
1.2 闭环控制系统的组成和基本环节
1.闭环控制系统的结构图
1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节； 5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置
1.2 闭环控制系统的组成和基本环节
2.闭环控制系统的基本环节
第1章 自动控制原理的基本概念
第1章 自动控制原理的基本概念
主要内容
开环控制系统与闭环控制系统 闭环控制系统的组成和基本环节 自动控制系统的类型 自动控制系统的性能指标 小结
第1章 自动控制原理的基本概念
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； 学会分析自动控制系统的类型及本质特征。