东北大学 自动控制原理 王建辉 清华大学DD 课件1
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王建辉《自动控制原理》(课后习题 自动控制系统的基本概念)【圣才出品】
第1章 自动控制系统的基本概念1-1 什么是自动控制系统？自动控制系统通常由哪些基本环节组成？各环节起什么作用？答：（1）自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和（或）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。
（2）组成自动控制系统的基本环节及其作用如下：①被控对象或调节对象：进行控制的设备或过程；②执行机构：使被控制量达到所要求的数值；③检测装置或传感器：检测被控制量；④给定环节：设定被控制量的给定值；⑤比较环节：确定被控制量与给定量之间的偏差；⑥中间环节：将偏差信号变换成适于控制执行机构工作的信号。
1-2 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。
答：（1）开环控制系统的优缺点①优点：结构简单、稳定性好。
②缺点：不能自动补偿扰动对输出量的影响。
（2）闭环控制系统的优缺点①优点：可以有效克服被控对象变化和扰动对输出的影响，提高系统的精度。
②缺点：结构较复杂，稳定性差。
1-3 什么是系统的暂态过程？对一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加到某一个值时，输出量的暂态过程如何？答：（1）系统的暂态过程是指系统从一个稳态过渡到新的稳态的过程。
（2）当给定量或扰动量突然增加到某一给定值时，输出量的暂态过程有以下几种情况：①单调过程。
这一过程的输出量单调变化，缓慢达到新的稳态值；②衰减振荡过程。
被控制量变化很快，经过几次振荡后，达到新的稳定工作状态；②持续振荡过程。
被控制量持续振荡，始终不能达到新的稳定工作状态。
1-4 日常生活中有许多开环控制系统和闭环控制系统，试举例说明它们的工作原理。
答：（1）开环控制系统实例-电加热系统，如图1-1：图1-1 温度控制系统自耦变压器滑动端的位置（按工艺要求设置）对应一个电压值u c ，即对应了一个电阻炉的温度值T c ，改变u c 即改变了T c 。
当系统中出现外部扰动（如炉门开、关频度变化）或内部扰动（如电源电压波动）时，T c 将偏离u c 所对应的数值。
自动控制原理(2015春)module_4_unit_1_p
(s
j)
s
j
XrW ( 2j
j)
A02
W (s)
Xr s2 2
(s
j)
s j
XrW ( j) 2j
xc () A01e jt A02e jt
xc (t)
A() e j(t)
e j(t ) 2j
Xr
A()Xr sin(t ) Xc sin(t )
W ( j) I 1 1/ R 1/ R e j A()e j
U R jL 1 T j 1 (T)2
A() 1/ R , T L / R 1 (T)2
arctan L arctanT
R
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其中：
X c A( ) X r
A( ) X c W ( j )
Xr
() W ( j)
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11
5.1 频率特性的基本概念
频率特性与传递函数之间的关系：
W ( j) X c ( j) A()e j() X r ( j)
W ( j) W (s) s j
s j
XrW ( 2j
j)
A02
W (s)
Xr s2 2
(s
j)
s j
XrW ( j)
2j
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10
5.1 频率特性的基本概念
W ( j) A()e j W ( j) A()e j
A01
W (s)
X r s2 2
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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。
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。
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瓦特
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瓦特的蒸汽机
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离心调速器工作原理
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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。。
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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。
自动控制原理王建辉
uc(t)Kt时，t/T
uc(t)Ktt/T
W(s)Uc(s)K 1 Ur(s) s Ts
式中， 称K为积，分1T环节的时间常数。
T
a
34
2.3 传 递 函 数
（4） 微分环节
W(s)Uc(s) Ks Ur(s)
▪ 理想微分环节
a
35
2.3 传 递 函 数
（4） 微分环节
▪ 一阶微分环节（又称比例微分环节、实用微分环节）
LddtiiRuc ur i C duc
dt
LCd2uc dt2
RCduc dt
uc
ur
a
23
2.3 传 递 函 数
例2-8 RLC电路
LCdd2tu2c
RCduc dt
uc
ur
取ur为输入，uc为输出
L C s 2 R C s 1 U cs U rs
W(s)U Ucr((ss))LCs21RCs1
2.3 传 递 函 数
例2-7 RC电路
（2）当u1为输入，i为输出时：
u
1
Ri
u2
i
C
du2 dt
R di 1 i du1 dt C dt
a
RsIsC 1IssU1s
W(s) I(s) Cs U1(s) RCs1
22
2.3 传 递 函 数
例2-8 RLC电路
取ur为输入，uc为输出，得
i1 n
(s p j )
j1
根的形式
a
28
2.3 传 递 函 数
几个定义和术语
系统的特征方程 系统的阶数 系统的极点 系统的零点
a
29
2.3 传 递 函 数
自动控制原理 王建辉
闭环传递函数2K WB (来自s) 2 s 2s 2 K
K s(0.5s 1)
特征方程
D( s ) s 2 2 s 2 K 0
闭环极点
s1 1 1 2 K s2 1 1 2 K
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6
4.1 根轨迹法的基本概念
研究开环放大系数K与闭环特征根的关系。当取不同K值
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4.2 根轨迹的绘制法则
3. 根轨迹分支数和它的对称性 根轨迹分支数取决于闭环系统的特征方程式
中s的最高次项，即为max(n,m)条。
闭环系统的特征根只有实数根和共轭复根， 故根轨迹都对称于实轴。
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18
4.2 根轨迹的绘制法则
4．实轴上的根轨迹 根轨迹左侧的实数零、极点到根轨迹的矢量辐角 总为零；复平面上的所有零、极点是共轭的，它们到 实轴上根轨迹的矢量辐角之和也总为零。根轨迹右侧 的实数零、极点到根轨迹的矢量辐角均为180∘。
12
4.1 根轨迹法的基本概念
辐角条件：（充分必要条件）
N s D s ( s zi ) ( s p j ) i j
i 1 j 1 i 1 j 1 m n m n
180o (1 2 ) ( 0,1, 2,)
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15
4.2 根轨迹的绘制法则
4.2.1 绘制根轨迹的一般法则 1． 起点（ K g 0 ）
K g 0 时，闭环系统的特征方程式等效为
D( s ) ( s p j ) 0
j 1
n
上式即为开环系统的特征方程式。所以，当 K g = 0时， 闭环极点也就是开环极点。
自动控制原理简明教程(第二版)ppt
• 控制单元包括：双向天窗角度开闭驱动，遮阳网驱动，防虫网驱 动，通风机，喷灌滴灌定时或根据土壤水分控制，营养液自动配 制和弃液，节能加温等.智能变送单元进行数据采集,具有自诊断,自 标定等功能。
• 传感器包括测量环境参数的传感器(温、湿度、光照、二氧化碳、 土壤水分等)以及营养液成分(pH，电导、氮、磷、钾等)，小气象 传感器(风速、风向、大气温湿度和大气压等)等。
➢1948年美国麻省理工学院出版了另一本《伺服机件原理》教材， 建立了现在广泛使用的频域法
➢1948年维纳(Wiener)在他的名著《控制论：关于在动物和机器中控 制和通信的科学》中基于信息的观点给控制论(Cybernetics)下了一 个广义的定义。而在控制工程中又称为控制理论(Control Theory)。
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统实例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求
2024/5/10
6
自动控制
自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设 备或装置（统称控制装置或控制器），使机器、设备或生产 过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量） 自动地按照预定的规律运行。
➢1960年在美国自动控制联合会第一届年会上首次提出 “现代控制理论”这个名词。
➢在状态空间法发展初期，具有重要意义的是庞特里亚金 （Pontryagin）的极大值原理。贝尔曼（Bellman）的动态 规划理论和卡尔曼（Kalman）的最佳滤波理论，有人把它 们作为现代控制理论的起点，主要研究系统辨识、最优控 制、最佳滤波及自适应控制等内容。
2024/5/10
8
• 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。
• 传感器包括测量环境参数的传感器(温、湿度、光照、二氧化碳、 土壤水分等)以及营养液成分(pH，电导、氮、磷、钾等)，小气象 传感器(风速、风向、大气温湿度和大气压等)等。
➢1948年美国麻省理工学院出版了另一本《伺服机件原理》教材， 建立了现在广泛使用的频域法
➢1948年维纳(Wiener)在他的名著《控制论：关于在动物和机器中控 制和通信的科学》中基于信息的观点给控制论(Cybernetics)下了一 个广义的定义。而在控制工程中又称为控制理论(Control Theory)。
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统实例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求
2024/5/10
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自动控制
自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设 备或装置（统称控制装置或控制器），使机器、设备或生产 过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量） 自动地按照预定的规律运行。
➢1960年在美国自动控制联合会第一届年会上首次提出 “现代控制理论”这个名词。
➢在状态空间法发展初期，具有重要意义的是庞特里亚金 （Pontryagin）的极大值原理。贝尔曼（Bellman）的动态 规划理论和卡尔曼（Kalman）的最佳滤波理论，有人把它 们作为现代控制理论的起点，主要研究系统辨识、最优控 制、最佳滤波及自适应控制等内容。
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8
• 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。
王建辉自动控制原理教学PPT08
对系统稳定不利。
8.3 Z变换 通过前面对线性连续系统的讨论我们知道，线性连 续系统用线性微分方程来描述，可以应用拉氏变换的方
法来分析其动态及稳态过程。线性采样系统中包合离散
信号，用差分方程来描述，同样可以应用一种z变换的方 法来进行分析。z变换是由拉氏变换引伸出来的一种变形。
一、 Z变换定义 设连续时间函数e(t)可进行拉氏变换，其拉氏变换为 E(s)。连续时间函数e(t)经采样周期为T的采样开关后，变 成离散信号e*(t)
t
(a) 连续信号
t
(b) 离散信 号
t
(c) 离散量化信号
二、自动控制系统的分类
采样控制系统
r(t) _ e(t) e*(t) A/D 数字控制器 数字计算机 测量元件 u*(t) D/A uh(t) 被控对象 c(t)
计算机控制系统典型原理图
三、离散控制系统的特点 1. 校正装臵效果比连续式校正装臵好，且由软件实现 的控制规律易于改变，控制灵活。 2. 采样信号，特别是数字信号的传递能有效地抑制噪 声，从而提高系统抗干扰能力。 3. 可用一台计算机分时控制若干个系统，提高设备利 用率。 4. 可实现复杂控制规律，且可以在运行中实时改变响 应参数。
*
上式即为采样信号的频谱函数。它也反映了离散信号频 谱和连续信号频谱之间的关系。
一般说来，连续函数的频谱是孤立的，其带宽是有限的， 即上限频率为有限值 (见图（a）)。而离散函数e*(t)则具有以ωs 为周期的无限多个频谱，如图（b）所示。 在离散函数的频谱中、n=0的部分E(jω)／T称为主频谱。它 对应于连续信号的频谱。除了主频谱外， E*(jω)还包含无限多 个附加的高频频谱。为了准确复现采样的 连续信号，必须使采 样后的离散信号的频谱彼此不重叠，这样就可以用一个比较理 想的低通滤波器，滤掉全部附加的高频频谱分量，保留主频谱。
8.3 Z变换 通过前面对线性连续系统的讨论我们知道，线性连 续系统用线性微分方程来描述，可以应用拉氏变换的方
法来分析其动态及稳态过程。线性采样系统中包合离散
信号，用差分方程来描述，同样可以应用一种z变换的方 法来进行分析。z变换是由拉氏变换引伸出来的一种变形。
一、 Z变换定义 设连续时间函数e(t)可进行拉氏变换，其拉氏变换为 E(s)。连续时间函数e(t)经采样周期为T的采样开关后，变 成离散信号e*(t)
t
(a) 连续信号
t
(b) 离散信 号
t
(c) 离散量化信号
二、自动控制系统的分类
采样控制系统
r(t) _ e(t) e*(t) A/D 数字控制器 数字计算机 测量元件 u*(t) D/A uh(t) 被控对象 c(t)
计算机控制系统典型原理图
三、离散控制系统的特点 1. 校正装臵效果比连续式校正装臵好，且由软件实现 的控制规律易于改变，控制灵活。 2. 采样信号，特别是数字信号的传递能有效地抑制噪 声，从而提高系统抗干扰能力。 3. 可用一台计算机分时控制若干个系统，提高设备利 用率。 4. 可实现复杂控制规律，且可以在运行中实时改变响 应参数。
*
上式即为采样信号的频谱函数。它也反映了离散信号频 谱和连续信号频谱之间的关系。
一般说来，连续函数的频谱是孤立的，其带宽是有限的， 即上限频率为有限值 (见图（a）)。而离散函数e*(t)则具有以ωs 为周期的无限多个频谱，如图（b）所示。 在离散函数的频谱中、n=0的部分E(jω)／T称为主频谱。它 对应于连续信号的频谱。除了主频谱外， E*(jω)还包含无限多 个附加的高频频谱。为了准确复现采样的 连续信号，必须使采 样后的离散信号的频谱彼此不重叠，这样就可以用一个比较理 想的低通滤波器，滤掉全部附加的高频频谱分量，保留主频谱。
东北大学自动控制原理考研必看PPT课件
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17
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
4.摩擦特性
Mf
M1 •
M2
•
M f 摩擦力矩
转速
M1 静摩擦力矩
M2 动摩擦力矩
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18
7.2 非线性环节及其对系统结构的影响
摩擦特性的影响
(1)对随动系统而言，摩擦会增加静差，降低精度。 (2)在复现缓慢变化的低速指令时，会造成爬行现象，
的利用 相平面法 小结
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3
第7章 非线性系统分析
学习重点
❖ 了解非线性系统的特点，掌握非线性系统与线性系 统的本质区别；
❖ 了解典型非线性环节的特点； ❖ 理解描述函数的基本概念，掌握描述函数的计算方
法； ❖ 掌握分析非线性系统的近似方法——描述函数法，
能够应用描述函数法分析非线性系统的稳定性。
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26
7.3 非线性特性的描述函数法
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27
7.3 非线性特性的描述函数法
输出 y(t )的傅立叶(Fourier)级数形式：
y(t)4M(sint13sin3t15sin5t)
推论：
4M sin2n(1)t
n0 2n1
① 方波函数可以看作无数个正弦分量的叠加。 ② 正弦分量中，有一个与输入信号频率相同的分量，
（2）非线性系统的分类 非本质非线性 能够用小偏差线性化方法进行线性化处理的非线性。 本质非线性 不能用小偏差线性化方法解决的非线性。
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6
7.1 非线性系统动态过程的特点
(国家精品课件)自动控制原理 王建辉1.1
输入信号 （书位置） 输出量 （手位置）
眼睛
大脑
手臂、手 眼睛
图1-1
人取书的反馈控制系统方块图
14
END
15
闭环控制（反馈控制、偏差控制）
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。
闭环控制特点
输入控制输出——输入和输出之间存在对应关系； 信号传递是双方向的——输出参与控制； 检测与纠正偏差——具有抗干扰能力。
该文档贡献者很忙什么也没留下
自动控制原理
第1章 自动控制系统的基本概念
第1章 自动控制系统的基本概念
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
2
第1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
12
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
闭环控制系统中的基本术语
(1) 被控对象 (2) 被控量或输出量 (7) 前向通道或正向通道 (8) 反馈通道或反向通道
(3) 给定量
(4) 扰动量
(9) 理想输出
(10) 实际输出
(5) 反馈量
(6) 偏差量 闭环控制系统是《自动控制原理》研究的重点。
13
人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统
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。
3
module_1_unit_1_ppt
眼睛
大脑
手臂、手 眼睛
图1-1
人取书的反馈控制系统方块图
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闭环控制（反馈控制、偏差控制）
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。
闭环控制特点
输入控制输出——输入和输出之间存在对应关系； 信号传递是双方向的——输出参与控制； 检测与纠正偏差——具有抗干扰能力。
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自动控制原理
第1章 自动控制系统的基本概念
第1章 自动控制系统的基本概念
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
2
第1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
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
闭环控制系统中的基本术语
(1) 被控对象 (2) 被控量或输出量 (7) 前向通道或正向通道 (8) 反馈通道或反向通道
(3) 给定量
(4) 扰动量
(9) 理想输出
(10) 实际输出
(5) 反馈量
(6) 偏差量 闭环控制系统是《自动控制原理》研究的重点。
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人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统
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。
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自动控制原理完整版课件全套ppt教程
1.1 自动控制系统的基本概念
相关概念说明
1. 被控对象 2. 被控量 3. 控制器 4. 控制量
5. 参考输入量 6. 偏差信号
7. 反馈 8. 测量元件 9. 比较元件 10. 定值元件 11. 执行元件 12. 扰动信号
1.1 自动控制系统的基本概念
1.1 自动控制系统的基本概念
1.2 自动控制系统的组成与结构
6. 按照系统输入输出端口关系分类 单入单出控制系统 多入多出控制系统
图1-10 自动控制系统输入输出端口关系示意图
1.4 自动控制系统分析与设计的基本要求
1.4.1 自动控制系统分析与设计的基本要求
1. 稳定性 2. 准确性 3. 快速性
1.4 自动控制系统分析与设计的基本要求
1.4.1 自动控制系统分析与设计的基本要求
的高次幂或乘积项的函数。如 就是非线性函数。
dd 2( 2 y t)tx(t)dd (ty )ty(t)y2(t)x(t)
1.3 自动控制系统的分类
4. 按照系统参数是否随时间变化分类 定常控制系统 时变控制系统
5. 按照系统传输信号的分类
1.5 自动控制理论的内容与发展
自动控制理论根据其发展过程可以分为以下三个阶段：
3. 智能控制理论阶段
20世纪70年代至90年代
智能控制理论的研究以人工智能的研究为主要方 向，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。
高等教育 电气工程与自动化系列规划教材
自动控制原理
高等教育教材编审委员会 组编 主编 吴秀华 邹秋滢 郭南吴铠 主审 孟 华
1.2 自动控制系统的组成与结构
1.2 自动控制系统的组成与结构
1.3 自动控制系统的分类
自动控制原理课件
给定值
调节器
干扰 对象 被调参数
二、控制系统的传递方框图
(4) 分析复杂系统时,也常用一个环节代表一个系统.简化方 块图 (5) 尽管实际控制系统元器件各不相同, 但概括起来一般都 应包括以下几个基本环节
1
输入
2
3
4 7
3.校正环节 7.检测装置
5
6
输出
1.给定环节 5.执行机构
2.比较环节 6.控制对象
4.放大环节
控制系统结构框图 该图经常作为描述分析系统的工具应重点掌握。
二、控制系统的传递方框图
主要环节介绍
1.给定环节 设定被控量的给定装置,其精度直接影响对控制量的控制 精度.如电位器,自整角机等模拟信号,还有精度更高的数字给 定装置。 2.比较环节 将检测到的被控量与给定量比较得到偏差信号,该信号功 率较小或物理性能比较时不同,不能直接作用执行机构,需要 增加中间环节3、4。 3.校正环节 是为改善系统动态品质或稳态性能而加入的装置,他可以 对偏差信号按照某种规律进行运算.比例、积分、微分等。
二、控制系统的传递方框图
主反馈：输出量引回到输入端的反馈为主反馈。 局部反馈：在正向通道里，后面环节的输出对前面环 节的返回影响称为局部反馈。
8 1 输入 2 3 4 7 5 6 输出
注意： 主反馈一定是负反馈，局部反馈可正可负。
例 1 炉温控制系统
炉温控制系统方框图
炉温控制系统方框图
三、开环控制系统与闭环控制系统
一、基本概念
控制对象：（控制对象、调节对象、对象） 是指被控的设备或过程。 （上例中的水槽） 被控制量：（被调参数、输出量） 被控制的物理量。常常是表征设备或过程的 运行情况或状态，且需要加以控制的参数 （上例中的实际水位）。 给定信号：（参考输入量） 设定的与被控参数期望值成比例的信号，其 作用是为了保证输出量达到所要求的目标 （上例中要求的液位）。
第三章20071129
第3章自动控制系统的时域分析自动控制原理东北大学王建辉顾树生主编杨自厚主审第3章自动控制系统的时域分析主要内容自动控制系统的时域指标一阶系统的阶跃响应二阶系统的阶跃响应高阶系统的阶跃响应自动控制系统的代数稳定判据稳态误差小结学习重点了解典型信号和自动控制系统时域指标的定义；掌握一阶和二阶系统分析与暂态性能指标计算方法；建立系统参数与系统暂态响应之间的对应关系；了解系统参数对系统暂态性能指标的影响，能够定性分析高阶系统的暂态响应过程；理解和掌握线性控制系统稳定的充要条件，会用劳斯判据判断系统的稳定性； 理解稳态误差的概念，了解系统参数对系统误差的影响，熟练掌握误差传递函数和稳态误差的计算方法。
第3章自动控制系统的时域分析第3章自动控制系统的时域分析系统的分析方法时域、频域时域分析的目的设法从微分方程判断出系统运动的主要特征而不必准确地把微分方程解出来——从工程角度分析系统运动规律。
3.1 自动控制系统的时域指标1.对控制性能的要求(1)系统应是稳定的；(2)系统达到稳定时，应满足给定的稳态误差的要求；(3)系统在暂态过程中应满足暂态品质的要求。
3.1x)(tr3.13.13.1（4）脉冲函数当A=1时，称为单位脉冲函数∫−3.1 自动控制系统的时域指标（5）正弦函数用正弦函数作输入信号，可以求得系统对不同频率的正弦输入函数的稳态响应，由此可以间接判断系统的性能。
3.1 自动控制系统的时域指标本章主要以单位阶跃函数作为系统的输入量来分析系统的暂态响应。
在工程上，许多高阶系统常常具有近似一、二阶系统的时间响应。
因此，深入研究一、二阶系统的性能指标，有着广泛的实际意义。
3.21.一阶系统的数学模型3.22.一阶系统的单位阶跃响应3.2 一阶系统的阶跃响应t s =3T (s)，（对应5%误差带）t s =4T (s)，（对应2%误差带）系统的时间常数T 越小，调节时间ts 越小，响应过程的快速性也越好。
东北大学自动控制原理考研必看
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
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
Ug
▪调节过程
+
Uf
（过渡过程）
(+) (-) ▪功能框图
uc
1 2
～220V
1-热电偶 2-加热器
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
例1-4 闭环调速系统
▪工作过程 ▪调节过程 ▪功能框图
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
闭环控制系统结构示意图
正向通道
反向通道
1-控制器 2-控制对象 3-检测装置 反馈/偏差控制系统
1.3 自动控制系统类型
1. 按照系统结构分
开环 闭环
2. 按照信号传递方式分 ▪ 连续数据系统 ▪ 离散数据系统
1.3 自动控制系统类型
3. 给定量变化规律分
恒值系统
➢ 给定量恒定
随动系统
➢ 给定量随时间变化，预先未知
程序控制系统
➢ 给定量有规律地随时间变化，预先已知
1.3 自动控制系统类型
1.4 自动控制系统的性能指标
反馈控制系统存在两种状态： 暂态（动态）
➢ 输出量处于变化状态的过
1.4 自动控制系统的性能指标
1. 稳定性
稳定性是自动控制系统能工作的 首要条件，对于一个闭环控制系统， 如果其暂态过程不稳定，系统是根本 无法工作的。
振
过
东北大学自动控制原理课件第一章
被控对象 给定量或控制量 扰动量 输出量或被控量 开环控制 闭环控制
1.1 开环控制系统与闭环控制系统
1.1.1 开环控制系统
例1-1. 温度控制系统
图1-1 温度控制系统
1-控制器（自耦变压器） 2-被控对象（电阻炉）
图1-2 开环控制结构图
1-控制器（自耦变压器）
2-被控对象（电阻炉）
结构图中的符号
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。 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。
2-加热器
前向通道
反向通道
图1-4 闭环控制结构图
1-控制器 2-控制对象 3-检测装置
闭环控制：
闭环控制是把系统的输出量检测出来，经 过物理量的转换，再反馈到系统的输入端去与 给定量进行比较（形成偏差），利用偏差量作 为控制信号来纠正偏差。
特点：
输入量与输出量一一对应。 信号传递是双方向的：既有输入量对输出 量的作用，又有输出量对输入量的作用。 系统具有抗干扰能力。
信号线
环节 分支点
相加点
±
开环控制：
控制系统的与输出量一一对应。 信号传递是单方向的，即只有输入 量对输出量产生控制作用。 系统没有抗干扰能力。
1.1.2 闭环控制系统
例1-2. 炉温闭环控制系统
图1-3 炉温闭环控制系统图
1-热电偶
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。
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t t1 t2 t3
图1-5 离散信号
（2） 离散控制系统。 控制系统中只要有一个组成环节的输入信号或输
出信号在时间上是离散的， 就称为离散控制系统。 离
散系统与连续系统的区别仅在于信号只在特定离散的 瞬时（如图1-5所示）是时间的函数， 而在两离散的瞬
时点之间信号是不确定的。 离散控制系统的特性可用
自动控制原理是一门自动控制专业的基础理论课 程， 它属于技术基础课程， 该课程讲述的是自动控制 系统分析设计的一些基本方法， 譬如根轨迹法、频域 响应法、 状态空间法等。
1.1.2 自动控制的发展历史及现状
自动控制技术在工业、 农业、 国防和科学技术现 代化中起着十分重要的作用。 自动控制技术水平的高 低也是衡量科学技术先进与否的重要标志之一。 随着 国民经济和国防建设的发展， 自动控制技术的应用日 益广泛， 其重要作用也越来越显著。 自动控制的发展已有很长的历史， 自动机和自动 钟很早就发明了。
输入端之间不存在反馈联系。
开环控制又有两种方式， 即用给定值操纵的控制 方式和干扰补偿的控制方式。
1） 用给定值操纵的控制方式
用给定值操纵的开环控制系统的方框图如图1-1所示。
给定值
放大 元件
执行 元件
控制 对象
被控量
图 1-1 用给定值操纵的开环控制
这种控制方式的特点是： 在给定输入端到输出端 之间的信号传递是单向进行的。 这种控制方式的缺点 是： 当受控对象或控制装置受到干扰， 或者在工作过 程中元件特性发生变化而影响被控量时， 系统不能进 行自动补偿， 所以控制精度难以保证。 但是由于它的
当系统中各组成环节的特性可以用线性微分方程 （或差分方程）来描述时， 这类系统称为线性控制系 统。 线性控制系统的特点是可以运用叠加原理。
（2） 非线性控制系统。 当系统中存在非线性的组成环节时， 系统的特征
就由非线性微分方程来描述， 这样的控制系统称为非
线性控制系统。 对于非线性系统叠加原理是不适用的。
型， 通常采用求解微分方程的途径， 直接在时间域中
对控制系统进行研究的一种方法。
2） 频域法 对于一些不容易从理论推导得出系统微分方程的
场合， 可以通过频率响应求得系统的特性。 由于这种
方法简便， 物理概念明了， 因而在实践中得到了广泛 的应用。
3） 根轨迹法
根轨迹法是一种以作图法为基础研究控制系统的 方法。 由于它是从系统的开环特性出发去研究系统的 闭环特性的， 因此方法简单， 特别是在系统设计时较 为方便。
似的。 在研究控制系统时不是从具体控制系统的物理 性质入手， 而是从表征这些控制系统的数学模型出发，
用数学（包括实验）的方法去构造一个人们所需要的
数学模型， 或是去研究这种系统的数学模型。
2. 控制系统的研究方法 对于单变量线性控制系统， 常采用经典的时域法、 频率法和根轨迹法来进行研究。 1） 时域法 时域法是一种以微分方程为基础而构成的数学模
结构比较简单， 因此在控制精度要求不高或元器件工
作特征比较稳定而干扰又很小的场合中应用比较广泛。
2） 用干扰补偿的控制方式
用干扰补偿的开环控制方式的方框图如图1-2所示。
干扰 检测 元件 比较 元件 放大 元件 执行 元件 受控 对象
给定值
被控量
图 1-2 用干扰补偿的开环控制
这种控制方式的特点是： 干扰信号经测量、 计算、 放大、 执行等元件到输出端的传递也是单向进行的。 用干扰补偿的控制方式只能用在干扰可以测量的场 合。 另外这种控制方式在工作过程中不能补偿由于元件 及受控对象工作特性变化而对被控量所产生的影响。
x(t)
y(t)
1
1
0 (a) g(t)
t
0 (b) g(t) 1
t
1
1 2
0
(c)
t
0
(d)
t
图 1-10 控制系统的阶跃输入和输出
(1) 稳定性。 稳定性是指系统被控量偏离给定值而 振荡时， 系统抑制振荡的能力。 对于稳定的系统， 随 着时间的增长， 被控量将趋近于希望值。 可见稳定性 是保证系统正常工作的先决条件。 图1-10（b）和图1-10（c）所示的系统是不稳定的，
在一个控制系统中， 如果只有一个被控变量和一
个控制作用来控制被控对象， 则称该系统为单变量控 制系统， 又称为单输入—单输出系统。 如图1-7所示。
目前大量的过程控制系统都属于这类系统。
输入
＋ －
控制器 反馈元件
被控对象
输出
图 1-7 单变量控制系统
（2） 多变量控制系统。 如果一个控制系统中的被控变量多于一个， 控制
3） 程序控制系统 给定信号是一个按一定时间程序变化的时间函数
的闭环控制系统就称为程序控制系统。 如热处理炉温
度控制系统的升温、 保温统属于程序控制系统。
2. 按所使用的数学方法分类 1） 线性控制系统和非线性控制系统
（1） 线性控制系统。
其控制精度较高。 但是正由于存在反馈， 闭环控制也
有其不足之处， 就是被控制量可能出现振荡， 严重时 会使系统无法工作。
4. 复合控制 复合控制就是将开环控制和闭环控制相结合的一 种控制方式。 实质上， 它是在闭环控制回路的基础上， 附加一个对输入信号或对扰动作用的前馈通路， 来提 高系统的控制精度。 前馈通路通常由对输入信号的补
1.4 自动控制系统主要由哪几部分组成？各组成部
分有什么功能？ 1.5 试用反馈控制原理来说明司机驾驶汽车是如何 进行线路方向控制的， 并画出系统方框图。 1.6 洗衣机控制系统的方框图如习题1.6图所示，
第1部分 绪论
1.1 引言 习题
1.1 引 言
1.1.1 自动控制理论概述 自动控制理论是研究各种自动控制过程共同规律 的技术学科。 它的发展初期是以反馈理论为基础的自 动调节理论。 随着科学技术的进步， 自动控制原理已 发展成为一门独立的学科， 它包括工程控制论、 生物
控制论、 经济控制论和社会控制论。
1.1.3 自动控制的基本方法 自动控制系统有两种最基本的形式， 即开环控制
和闭环控制。 复合控制是将开环控制和闭环控制适当
结合的控制方式， 可用来实现复杂且控制精度较高的 控制任务。
1. 开环控制 开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作
用而没有反向联系的控制过程。 即被控量（系统输出）
不影响系统控制的控制方式称为开环控制。 所以， 在 开环控制中， 不对被控量进行任何检测， 在输出端和
偿装置或对扰动作用的补偿装置组成， 分别称为按输
入信号补偿和按扰动作用补偿的复合控制系统， 如图 1-4所示。
补偿装置 输入信号 ＋ － 测量装置 (a) 补偿装置 ＋ 输入信号 ＋ － 测量装置 (b) 控制装置
控制装置
被控对象
输出量
扰动 被控对象 输出量
图 1-4 复合控制系统方框图 (a) 按输入作用补偿； (b) 按扰动作用补偿
2. 闭环控制 被控量对系统参与系统控制的控制方式称为闭环
控制。 闭环控制的方框图如图1-3所示。
干扰
给定值
比较 元件
放大 元件
执行 元件
受控 对象
被控量
检测反馈元件
图 1-3 闭环控制
闭环控制的特点是在控制器和被控对象之间， 不
仅存在着正向作用， 而且还存在着反馈作用， 即系统 的输出信号对被控制量有直接影响。 在闭环控制中， 被控量时时刻刻被检测， 或者再 经过信号变换， 并通过反馈通道送回到比较元件和给 定值进行比较。 闭环控制从原理上提供了实现高精度控制的可能 性， 它对控制元件的要求比开环控制低。
以及能源功率的限制， 因此工作机械不可能立即跟随
转动相等的角度。
g
ug
①
u
②
ue
ua
图 1-9 随动系统
当偏差产生的控制作用使工作机械转过与给定值
相等的角度时， 由于惯性的关系， 工作机械将仍以一 定速度继续旋转， 因而出现反向偏差。 控制系统又产 生反向控制作用， 使工作机械反向转动。 如此周而复 始， 出现了振荡的跟踪过程。 控制系统的这一运动过 程称为系统的动态过程。 当系统结构及其参数匹配合 理时， 经过一定时间后， 被控量将趋于希望值。 图110表示了在阶跃输入信号作用下几种系统被控量的变 化过程， 图中x（t）表示输入， y（t）表示输出。
2） 连续控制系统与离散控制系统
（1） 连续控制系统。 当控制系统中各组成环节的输入和输出信号都是 时间的连续函数时， 称此类系统为连续控制系统。 连 续控制系统的特征一般是用微分方程来描述的。 信号
的时间函数允许有间断点（不连续点）。 若系统是线
性的而且又是连续的， 则称为线性连续系统。
X(t)
(3) 精确性。 精确性是指过渡过程结束后被控量与 希望值接近的程度。 也就是当系统过渡到新的平衡工 作状态后， 被控量与希望值偏差的大小。 系统的这一 性能指标称为系统的稳态精度。 考虑到控制系统的动 态过程在不同阶段中的特点， 工程上常常从稳、 快、 准三个方面来评价系统的总体精度。
习 题
1.1 什么是系统？什么是被控对象？什么是控制？ 1.2 什么是自动控制？它对人类活动有什么意义？ 1.3 试列举几个日常生活中的开环控制系统和闭环 控制系统， 并说明它们的工作原理。
3. 开环控制与闭环控制的比较 一般来说， 开环控制结构简单、 成本低、 工作
稳定， 因此， 当系统的输入信号及扰动作用能预先知
道并且系统要求精度不高时， 可以采用开环控制。 由 于开环控制不能自动修正被控制量的偏离， 因此系统
的元件参数变化以及外来未知扰动对控制精度的影响
较大。
闭环控制具有自动修正被控制量出现偏离的能力， 因此可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，