自动控制原理简要教程
合集下载
自动控制原理简明教程 第五章 频率响应法
这时，求扰动输入下的误差传递函数 en(s) ，
先求 E(s) 0 C(s) 1GG（（s）s） N（s）
而
e（n s）
NE（（ss））
1
G（s） G（s）
则 ess（2 t） An e（n j）sin(t en( j))
幅频特性
相频特性
二.频率特性的物理意义及求解方法
R
ur
C uc
RC网络微分方程为:
优点:
(1).可以根据系统的开环频率特性判断闭环系 统的稳定性,而不必求解特征方程。
(2).很容易研究系统的结构,参数变化对系统性 能的影响,并可指出改善系统性能的途径,便于
对系统进行校正。
(3).提供了一种通过实验建立元件或系统数 学模型的方法。
(4).可以方便地设计出使系统噪声小到规定 程度的系统。
一.比例环节
传递函数为G(s)=k
频率特性为 G( jw) ke j 0
幅频特性为 A(w)=k
相频特性为 (w) 0
极坐标图和伯德图为：
L(w)(dB)
20lgk
(w)(度) 0.1 1 10 100
w
0
w
-30
Bode图
j
w=0
w
0k
w
极坐标图
二.积分环节和微分环节
积分环节: G(s) C(s) R(s) 1/ s
w? ?
450 W=1/T
1 W=0 w
对数幅频特性：L(w) 20lg 1 T 2w2 1
20lg T 2w2 1
当wT≥1时,L(w)≈-20lgwT
当wT≥1时,L(w)可用一条斜率为-20dB/dec的渐近 直线来表示。
当wT≤1时,L(w)≈0,是一条与0分贝线重合的直线。 两直线交于横坐标w=1/T的地方。
第一章自动控制原理详解演示文稿
补偿装置：它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串 联或反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。
工业应用的控制系统：电动、汽（气）动、液动。
第23页，共58页。
•闭环控制系统的方框图
扰动
给定 r(t)
e(t)
参考 输入信号
(-)偏 信差 号
控制 环节
放大 元件
调节器(或控制器)
u(t)
控制量
执行 机构
输出量
被控量
测量元件
反馈回路
图1.4 输入补偿的复合控制系统框图
第39页，共58页。
按扰动前馈补偿的复合控制方式
前馈补偿
干扰量
输入量
控制器
控制对象
输出量 被控量
测量元件
反馈回路
图1.3 干扰补偿的复合控制系统框图
第40页，共58页。
u0
+
+ +
ue 电压
+ 功率 ua +
n
SM
负载
放大
放大
R
比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定 元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。 如差动放大器、自整角机。
第22页，共58页。
反馈控制系统的基本组成
放大装置：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推 动执行元件。去控制被控对象，如放大器、晶闸管。
执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 如步进电机，继电器开关。
❖ 1948年,美国数学家N.Wiener出版《Cybernetics》 是一个控制科学里程碑。《控制论》的副标题是关 于人、动物及其通讯的科学。
第12页，共58页。
19世纪50年代末，控制计问题的重点从设计许多可行系统中 的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。 19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分 析的现代控制理论提供了可能。
工业应用的控制系统：电动、汽（气）动、液动。
第23页，共58页。
•闭环控制系统的方框图
扰动
给定 r(t)
e(t)
参考 输入信号
(-)偏 信差 号
控制 环节
放大 元件
调节器(或控制器)
u(t)
控制量
执行 机构
输出量
被控量
测量元件
反馈回路
图1.4 输入补偿的复合控制系统框图
第39页，共58页。
按扰动前馈补偿的复合控制方式
前馈补偿
干扰量
输入量
控制器
控制对象
输出量 被控量
测量元件
反馈回路
图1.3 干扰补偿的复合控制系统框图
第40页，共58页。
u0
+
+ +
ue 电压
+ 功率 ua +
n
SM
负载
放大
放大
R
比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定 元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。 如差动放大器、自整角机。
第22页，共58页。
反馈控制系统的基本组成
放大装置：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推 动执行元件。去控制被控对象，如放大器、晶闸管。
执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 如步进电机，继电器开关。
❖ 1948年,美国数学家N.Wiener出版《Cybernetics》 是一个控制科学里程碑。《控制论》的副标题是关 于人、动物及其通讯的科学。
第12页，共58页。
19世纪50年代末，控制计问题的重点从设计许多可行系统中 的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。 19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分 析的现代控制理论提供了可能。
自动控制原理实验教程
Ui(S )
TS
(3) 阶跃响应： Uo(t) = K + 1 t
T
(t ≥ 0)
(4) 模拟电路图：如图 1.1-6 所示。
其中 K = R1 / R0 ； T = R0C
4
自动控制原理
第 1 章 线性系统的时域分析
比例积分环节
R1
C
Ui
R0
_
10K
信号输入端
反相器
10K _
R0 = R1 = 200K; C = 1uF 或 2uF
Ui(S)
1
Uo(S)
TS
(2) 传递函数： Uo(S) = 1
Ui(S) TS
(3) 阶跃响应： Uo(t) = 1 t (t ≥ 0)
T
(4) 模拟电路图：如图 1.1-4 所示。
图 1.1-3
其中 T = R0C
Ui
R0
信号输入端
积分环节 C
_
反相器
10K
10K
_
Uo
输出测量端
R0 = 200K; C = 1uF 或 2uF
图 1.1-4 3
自动控制原理
(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： ① 取 R0 = 200K；C = 1uF。
理想阶跃响应曲线
Uo 无穷
Uo(t)
1 Ui(t)
0 0.2s
t
② 取 R0 = 200K；C = 2uF。
第 1 章 线性系统的时域分析
实测阶跃响应曲线
Uo
10V
Uo(t)
1 Ui(t)
(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： ① 取 R0 = R1 = 200K；C = 1uF。
图 1.1-6
自动控制原理简明教程4
根轨迹起始于开环极点，终止于开环零点 幅值条件
K 0
'
K＝
'
s p sz
i 1 i 1 m
n
i
i
s值必须趋近于
某个开环极点 某个开环零点
根轨迹起始于开环极点
根轨迹终止于开环零点
K'
s值必须趋近于
自动控制理论
在实际系统通常是 n m ，则还有 (n m) 条根轨迹终 止于s平面的无穷远处，这意味着在无穷远处有 (n m) 个无限远（无穷）零点。
K 1 / 4 复数极点，欠阻尼系统，阶跃
自动控制理论
如：二阶系统的根轨迹 C ( s) 2K ( s) 2 R( s) s 2s 2 K
D( s ) s 2 2 s 2 K 0
,
K s(0.5s 1)
K 2K
根轨迹增益 K 从零变到无穷，可以用解析方法求出闭 j K 环极点的全部数值。
4.实轴上的根轨迹 如果实轴上某一区段的右边的实数开环零点、极点个 数之和为奇数，则该区段实轴必是根轨迹。 开环零点：z1 开环极点：p1、p2、p3、p4、p5 在实轴区段[p2，p3]上取任一点s1
G(s1 )H(s1 ) (s z i ) (s p i )
i 1 i 1 1 5
1
幅值条件： K'
sz sp
i 1 i 1 n
m
(s p )
i i 1
i 1 n
求出相应的根， 即根轨迹。
i
1
m个零点，n个极点（nm） 相角条件：（k=0,1,2, …）
i
1）幅值条件不但与开环零、极 点有关，还与开环根轨迹增益有 1）幅角条件只与开环零、极点有关 2）充要条件：根在轨迹上相位条件 关； 2）必要条件：根在轨迹上则幅 成立，相位条件成立根在轨迹上 值条件成立。
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
返回主目录
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
返回主目录
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。
《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
添加标题
添加标题
添加标题
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 第1章第1讲PPT课件
炉温控制系统方框图
炉温控制系统方框图
例 2 函数记录仪
函数记录仪方框图
负反馈原理
将系统的输出信号引回输入端，与输 入信号相比较，利用所得的偏差信号进行 控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。
____ 构成闭环控制系统的核心
闭环(反馈)控制系统的特点：
(1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路 (2) 偏差起调节作用
自动控制原理课程的任务与体系结构
自动控制原理
教学过程方框图
典型外部输入信号
• （1）阶跃函数（信号） • （2）斜坡函数（信号） • （3）脉冲函数（信号）
f
(t)
0 R
f (t)0Rt
t 0 t 0
t 0 t 0
f (t)A(t)
• （4）正弦函数（信号） f(t)Asin(t)
课 程小结
•
专家系统
•
模糊控制
•
神经网络
应用领域：冰箱、空调、洗衣机、 电梯、汽车、电厂锅炉、 酿酒过程、 航空航天等各种机器或生产过程控制 以及军事领域。
龙门刨床
自动控制原理
自动控制
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。
是研究自动控制过程共同规律的技术 学科
• 经典自控动制理控论 制( 2理0世纪论) 发展简史
•
时域法
•
复域法 (根轨迹法)
•
频域法
SISO • 现代控制理论 ( 20世纪60年代 )
• 控制
线性系统
自适应
• 制
最优控制
鲁棒控
• 制
最优估计
容错控MIMO
自动控制原理课件全套教程
自动控制原理课件全套教程目录一、基本概念与术语 (3)1.1 自动控制的基本概念 (5)1.2 自动控制系统的组成 (6)1.3 自动控制系统的分类 (7)二、控制系统的数学模型 (8)2.1 系统微分方程的建立 (10)2.2 系统传递函数的推导 (11)2.3 系统的频率特性 (12)三、控制系统的时域分析 (13)3.1 系统的稳定性分析 (15)3.2 系统的动态性能分析 (15)四、控制系统的频域分析 (17)4.1 频率特性的图形表示 (19)4.2 频率特性的性能分析 (19)4.3 系统的稳定性判定 (21)五、控制系统的校正与设计 (22)5.1 系统的静态校正 (23)5.2 系统的动态校正 (25)5.3 控制系统的工程设计方法 (27)六、控制系统仿真与计算机辅助设计 (29)6.1 控制系统仿真概述 (31)6.2 仿真软件的应用 (32)6.3 计算机辅助设计在控制系统中的应用 (34)七、经典控制理论及应用 (36)7.1 串联校正与并联校正 (37)7.2 比例、积分、微分控制器 (38)7.3 控制系统的工程实现 (39)八、现代控制理论简介 (41)8.1 最优控制理论 (42)8.2 线性系统理论 (44)8.3 非线性系统理论 (45)九、控制系统的应用与实例分析 (47)9.1 工业自动化中的控制系统应用 (49)9.2 交通运输中的控制系统应用 (50)9.3 生物医学工程中的控制系统应用 (52)十、课程总结与展望 (54)10.1 课程内容回顾 (54)10.2 自动控制技术的发展趋势 (56)10.3 个人学习与发展建议 (57)一、基本概念与术语在自动化工程领域，自动控制原理是研究如何实现系统的自动化运行和远程监控的科学。
为了更好地理解这一领域，我们需要先明确一些基本概念和术语。
自动控制系统：自动控制系统是一种能够实现对生产过程或设备进行自动调节和控制的网络系统。
自动控制原理课件全分解
使箱温增大到给定温度。
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。 下图为一恒温自动控制 系统原理框图。
2024/4/1
《自动控制原理》第一章
14
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
12
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
1.1.1自动控制的基本原理
所谓控制系统（Control System）就是通过执行 规定的功能来实现某一给定目标的一些相互关联 单元的组合。由人直接或间接操作执行装置的控 制方式称为手动控制（Manual Control）；而无需 人去直接或间接操纵执行机构，利用控制装置控 制被控制量自动地按预定的规律变化的过程则称 为自动控制（Automatic Control）。
2024/4/1
《自动控制原理》第一章
13
示例——恒温控制系统 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
由温度计测出恒温箱的实际温度与恒温箱内要求达到的 温度进行比较，得出偏差，根据偏差的大小和正负进行 控制。当恒温箱温度高于所要求的温度时，移动调压器 可动触头减小外施电压，使箱温减小到要求的温度；若 箱温低于给定温度，则移动调压器触头增大外施电压，
历史回顾
18世纪，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。在控制理论发展初期，做出过 重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、黑曾和奈魁斯特。
自动控制原理基础教程课件
系数的微分方程（或差分方程）来描述。 叠加性质 齐次性(比例)
G 1 ( s)
G 2 ( s)
(2)叠加原理与线性控制系统
如果一个系统具有下列性质： (1)输入x1(t)产生输出 y1(t)； (2)输入x2(t)产生输出 y2(t)； (3)输入c1x1(t)+c2x2(t)产生输出c1y1(t)+c2y2(t) ； 其中，x1(t) , x2(t)是任意输入信号，c1, c2是任意常数， 则系统是线性系统。
6.连续(时间)系统与离散(时间)系统
连续系统 系统中各部分的信号均是时间变量的连续函数。 常微分方程形式 离散系统 系统中的信号为脉冲序列或数字形式，信号在 时间上是离散的。 差分方程形式Leabharlann 42016/9/12
§1.3 自动控制系统的基本要求
基本要求：
“稳”定性 : 基本要求, 稳定裕度(h,γ)要合理; “快”速性 : 动态要求, 超调量σ要小,调节时 间ts要短; “准”确性 : 稳态要求, 稳态误差ess要小.
2016/9/12
《自动控制原理》
华东理工大学 朱宏擎
hqzhu@
自动控制原理
课时：40学时(1-11周) 课程性质：必修课 考核方式：闭卷 考核方法： 作业 10% + 期末考试 90% 参考书：胡寿松，自动控制原理,第五版
一、课程的主要内容 控制系统的建模、时域分析、根轨迹、频率特性分析、 频率法校正系统、离散系统、非线性系统等。 二、课程的内容重点 数学模型、时域特性分析、根轨迹、频率特性分析、 频率法校正系统等。 三、相关课程 先导课程：高等数学及工程数学、电路理论、信号与系统等。 后续课程：现代控制理论、自动控制系统、智能控制理论。 四、学习要求 坚持及时预习、复习。
自动控制原理简明教程7
e(t )
连续信号
F
-ωmax
ωmax
离散信号e*(t)的拉氏变换为 e*(t)的傅立叶变换为
1 E ( s ) E ( s jks ) T k
1 E ( j ) E ( j jks ) T k
即
1 | E ( j ) | | E ( j jks ) | T k
§7.1.1 采样控制系统
一般来说，采样控制系统是对传感器所采集的连续信号在 某些规定的时间上取值，然后通过对这些值的比较、计算和输 出，来达到控制目标的系统。 采样控制系统结构构成：主要由采样器、数字控制器、 保持器、执行器、被控对象和测量变送器构成。
采样控制系统方框图
§7.1.2 数字控制系统
n 0
物理意义：可看成是单位理想脉冲串T (t) 被输入信号e(t) 进行调制的过程，如上图所示。 在图中，T(t)为载波信号；e(t)为调制信号； e*(t)为理想输 出脉冲序列。
§7.2.2 采样过程的数学描述
1. 采样信号的拉氏变换
* * E ( s ) L e ( t ) L e( nT ) ( t nT ) n 0 * 例： e(t ) 1(t ) ，求 E ( s )
e*(t) e*(t)
零阶保持器
eh(t) eh(t)
t
t
对于零阶保持器，在任意时刻kT， 输入单位脉冲信号δ(t-kT)，其单位脉 冲响应为一个幅值为1的矩形方波， 零阶保持器的数学表达式 即 gh(t)=1(t)-1(t-T) 为e(nT+△ 零阶保持器的传递函数为 G ( s ) L[ g (t ) ] h h s 零阶保持器的频率特性为
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
随着科学技术的进步，自动控制的概念也在 扩大，政治、经济、社会等各个领域也越来越 多地被认为与自动控制有关。现在已发展成为 一门独立的学科——控制论。其中包括：工程 控制论、生物控制论和经济控制论。
自动控制原理简要教程
1.1．1 一个实例
直流电动机速度自动控制的原理结构图如图11所示。图中，电位器电压为输入信号。测速 发电机是电动机转速的测量元件，又称为变送 元件（变送器）。代表电动机转速变化的测速 发电机电压送到输入端与电位器电压进行比较， 两者的差值（又称偏差信号）控制功率放大器 （控制器），控制器的输出控制电动机的转速， 这就形成了电动机转速自动控制系统。
图纸
手
微型
计算机
放大器
执行机构工作Biblioteka 床切削刀 具位移
反馈测量元件
图1-4 微型计算机控制机床（闭环系统）
自动控制原理简要教程
• 在图1-4中，引入了反馈测量元件，闭环控制系 统由于有“反馈”作用的存在，具有自动修正被 控制量出现偏差的能力，可以修正元件参数变 化及外界扰动引起的误差，所以其控制效果好， 精度高。闭环控制系统不足之处，除了结构复 杂，成本较高外，一个主要的问题是由于反馈 的存在，控制系统可能出现“振荡”。
自动控制原理简要教程
• 3．复合控制系统 复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一 种方式。它是在闭环控制等基础上增加一个干 扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰 能力。
图1-5 复合控制系统框图
自动控制原理简要教程
• 增加干扰信号的补偿控制作用，可以在 干扰对被控量产生不利影响所同时及时 提供控制作用以抵消此不利影响。纯闭 环控制则要等待该不利影响反映到被控 信号之后才引起控制作用，对干扰的反 应较慢。两者的结合既能得到高精度控 制，又能提高抗干扰能力。
自动控制原理简要教程
• 本章提要：本章本将讨章论提自要动控制的基本概
念，自动控制系统的分类，对控制系统的 基本要求，自动控制的历史等问题。
自动控制原理简要教程
1.1自动控制的基本原理
• 1. 自动控制技术及其应用
• 自动控制作为一种技术手段已广泛地应用于工业、 农业、国防乃至日常生活和社会科学许多领域。
• 自动控制就是指在脱离人的直接干预，利用控制 装置（简称控制器）使被控对象（如设备生产过 程等）的工作状态或简称被控量（如温度、压力、 流量、速度、pH值等）按照预定的规律运行。实 现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规 律组成的具有特定功能的整体称为自动控制系统。
自动控制原理简要教程
从物理角度上来看，自动控制理论研究的是 特定激励作用下的系统响应变化情况；从数学 角度上来看，研究的是输入与输出之间的映射 关系；从信息处理的角度来看，研究的是信息 的获取、处理、变换、输出等问题。
开环系统结构简单，成本低廉，工作稳定。 但开环控制不能自动修正被控制量的误差、系 统元件参数的变化以及外来未知干扰都会影响 系统精度的。
自动控制原理简要教程
• 2．闭环控制系统
系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统，
叫闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。 “闭环”这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小系 统误差如图1-4所示。
自动控制原理简要教程
1．2．2 按系统输入信号的变化规律不同来分
自动控制原理简要教程
自动控制原理简要教程
1.1.2 反馈控制系统的基本组成（方框图）
自动控制系统至少包括测量元件、给定元件、比较元件、 放大元件、执行元件、校正元件、控制器等组成的自动 控制装置和被控对象，它的组成方框图如图1-2所示。
图1-2 自动控制系统的组成框图
自动控制原理简要教程
1.2 自动控制系统的分类
下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。
❖ 1．2．1 按信号的传递路径来分
❖1．2．2 按系统输入信号的变化规律不同来分 ❖1．2．3 按系统传输信号的性质来分 ❖1．2．4 按描述系统的数学模型不同来分 ❖1.2.5 其它分类方法
自动控制原理简要教程
1．2．1 按信号的传递路径来分
自动控制系统基本控制方式
1．开环控制系统 指系统的输出端与输入端不存在反馈回路， 输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。 如工业上使用的数字程序控制机床
图纸
程序
微型 计算机
指令
放大器
执行机构
工作机 床
切削刀 具
位移
图1-3 微型计算机控制机床（开环系统）
自动控制原理简要教程
系统每一个输入信号，必有一个固定的工作 状态和一个系统的输出量与之相对应，但是不 具有修正由于扰动而出现的被控制量希望值与 实际值之间误差的能力。例如，执行机构步进 电机出现失步，机床某部分未能准确地执行程 序指令的要求，切削刀具偏离了希望值，控制 指令并不会相应地改变。
课程简介
• 课程意义：信息基础的基础之一 • 课程特点：
– 专业基础课：控制领域的首门课程 – 专业理论课：主要学习控制理论中的基本理
论 – 理论性强：高等数学和工程数学为工具 – 内容丰富，学时多，作业多，另有课程设计
自动控制原理简要教程
教材和主要参考书
• 教材：
– 自动控制原理简明教程（第二版）(1-7章）， 胡寿松编，科学出版社
• 参考书：
– 自动控制原理（第四版），胡寿松编，科学出 版社
– 陶琳 自动控制原理学习指导，中央广播电视 大学出版社
– 胡寿松 自动控制原理习题集，科学出版社
自动控制原理简要教程
第一章
控制系统导论
自动控制原理简要教程
本章提纲
➢1.1自动控制的基本原理与示例 ➢1.2 自动控制系统的分类
开环、闭环、组成 ➢1.3 对控制系统的基本要求 ➢1.4自动控制的分析与设计工具 ➢本章小结
自动控制原理简要教程
＋U
反馈控制原理
电＋ 位 器
功率 放大器
电动机
测
＋
速 发
电
机
图1-1 直流电动机速度自动控制的原理结构图
自动控制原理简要教程
• 当电源变化、负载变化等引起转速变化，称为 扰动。电动机被称为被控对象，转速称为被控 量，当电动机受到扰动后，转速（被控量）发 生变化，经测量元件（测速发电机）将转速信 号（又称为反馈信号）反馈到控制器（功率放 大器），使控制器的输出（称为控制量）发生 相应的变化，从而可以自动地保持转速不变或 使偏差保持在允许的范围内。
自动控制原理简要教程
1.1．1 一个实例
直流电动机速度自动控制的原理结构图如图11所示。图中，电位器电压为输入信号。测速 发电机是电动机转速的测量元件，又称为变送 元件（变送器）。代表电动机转速变化的测速 发电机电压送到输入端与电位器电压进行比较， 两者的差值（又称偏差信号）控制功率放大器 （控制器），控制器的输出控制电动机的转速， 这就形成了电动机转速自动控制系统。
图纸
手
微型
计算机
放大器
执行机构工作Biblioteka 床切削刀 具位移
反馈测量元件
图1-4 微型计算机控制机床（闭环系统）
自动控制原理简要教程
• 在图1-4中，引入了反馈测量元件，闭环控制系 统由于有“反馈”作用的存在，具有自动修正被 控制量出现偏差的能力，可以修正元件参数变 化及外界扰动引起的误差，所以其控制效果好， 精度高。闭环控制系统不足之处，除了结构复 杂，成本较高外，一个主要的问题是由于反馈 的存在，控制系统可能出现“振荡”。
自动控制原理简要教程
• 3．复合控制系统 复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一 种方式。它是在闭环控制等基础上增加一个干 扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰 能力。
图1-5 复合控制系统框图
自动控制原理简要教程
• 增加干扰信号的补偿控制作用，可以在 干扰对被控量产生不利影响所同时及时 提供控制作用以抵消此不利影响。纯闭 环控制则要等待该不利影响反映到被控 信号之后才引起控制作用，对干扰的反 应较慢。两者的结合既能得到高精度控 制，又能提高抗干扰能力。
自动控制原理简要教程
• 本章提要：本章本将讨章论提自要动控制的基本概
念，自动控制系统的分类，对控制系统的 基本要求，自动控制的历史等问题。
自动控制原理简要教程
1.1自动控制的基本原理
• 1. 自动控制技术及其应用
• 自动控制作为一种技术手段已广泛地应用于工业、 农业、国防乃至日常生活和社会科学许多领域。
• 自动控制就是指在脱离人的直接干预，利用控制 装置（简称控制器）使被控对象（如设备生产过 程等）的工作状态或简称被控量（如温度、压力、 流量、速度、pH值等）按照预定的规律运行。实 现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规 律组成的具有特定功能的整体称为自动控制系统。
自动控制原理简要教程
从物理角度上来看，自动控制理论研究的是 特定激励作用下的系统响应变化情况；从数学 角度上来看，研究的是输入与输出之间的映射 关系；从信息处理的角度来看，研究的是信息 的获取、处理、变换、输出等问题。
开环系统结构简单，成本低廉，工作稳定。 但开环控制不能自动修正被控制量的误差、系 统元件参数的变化以及外来未知干扰都会影响 系统精度的。
自动控制原理简要教程
• 2．闭环控制系统
系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统，
叫闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。 “闭环”这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小系 统误差如图1-4所示。
自动控制原理简要教程
1．2．2 按系统输入信号的变化规律不同来分
自动控制原理简要教程
自动控制原理简要教程
1.1.2 反馈控制系统的基本组成（方框图）
自动控制系统至少包括测量元件、给定元件、比较元件、 放大元件、执行元件、校正元件、控制器等组成的自动 控制装置和被控对象，它的组成方框图如图1-2所示。
图1-2 自动控制系统的组成框图
自动控制原理简要教程
1.2 自动控制系统的分类
下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。
❖ 1．2．1 按信号的传递路径来分
❖1．2．2 按系统输入信号的变化规律不同来分 ❖1．2．3 按系统传输信号的性质来分 ❖1．2．4 按描述系统的数学模型不同来分 ❖1.2.5 其它分类方法
自动控制原理简要教程
1．2．1 按信号的传递路径来分
自动控制系统基本控制方式
1．开环控制系统 指系统的输出端与输入端不存在反馈回路， 输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。 如工业上使用的数字程序控制机床
图纸
程序
微型 计算机
指令
放大器
执行机构
工作机 床
切削刀 具
位移
图1-3 微型计算机控制机床（开环系统）
自动控制原理简要教程
系统每一个输入信号，必有一个固定的工作 状态和一个系统的输出量与之相对应，但是不 具有修正由于扰动而出现的被控制量希望值与 实际值之间误差的能力。例如，执行机构步进 电机出现失步，机床某部分未能准确地执行程 序指令的要求，切削刀具偏离了希望值，控制 指令并不会相应地改变。
课程简介
• 课程意义：信息基础的基础之一 • 课程特点：
– 专业基础课：控制领域的首门课程 – 专业理论课：主要学习控制理论中的基本理
论 – 理论性强：高等数学和工程数学为工具 – 内容丰富，学时多，作业多，另有课程设计
自动控制原理简要教程
教材和主要参考书
• 教材：
– 自动控制原理简明教程（第二版）(1-7章）， 胡寿松编，科学出版社
• 参考书：
– 自动控制原理（第四版），胡寿松编，科学出 版社
– 陶琳 自动控制原理学习指导，中央广播电视 大学出版社
– 胡寿松 自动控制原理习题集，科学出版社
自动控制原理简要教程
第一章
控制系统导论
自动控制原理简要教程
本章提纲
➢1.1自动控制的基本原理与示例 ➢1.2 自动控制系统的分类
开环、闭环、组成 ➢1.3 对控制系统的基本要求 ➢1.4自动控制的分析与设计工具 ➢本章小结
自动控制原理简要教程
＋U
反馈控制原理
电＋ 位 器
功率 放大器
电动机
测
＋
速 发
电
机
图1-1 直流电动机速度自动控制的原理结构图
自动控制原理简要教程
• 当电源变化、负载变化等引起转速变化，称为 扰动。电动机被称为被控对象，转速称为被控 量，当电动机受到扰动后，转速（被控量）发 生变化，经测量元件（测速发电机）将转速信 号（又称为反馈信号）反馈到控制器（功率放 大器），使控制器的输出（称为控制量）发生 相应的变化，从而可以自动地保持转速不变或 使偏差保持在允许的范围内。