自动控制原理第一章PPT课件
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自动控制原理课件第一章
精品资料
二、 闭环控制（反馈控制） 定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响(yǐngxiǎng)的
系统，都叫做闭环控制系统。
输入
偏差
+-
控制装置
控制对象
输出
反馈元件
图1-13 闭环控制系统Байду номын сангаас框图
精品资料
室温(shì wēn)控制 系统
r＋ －
e 空调器
热传导 室内空气等c
y
热敏电阻
图 1 - 1 室温控制系统元件(yuánjiàn)框图
烈变化之中） b.稳态过程 反映系统的稳态特性。（输出量稳定在新的平衡
当出水与进水的平衡被
控制器
破坏时，水箱水位下降(
流入
或上升)，出现偏差
浮子 水箱
(piānchā)。这偏差 (piānchā)由浮子检测出 来，自动控制器在偏差
h
流出 (piānchā)的作用下，控
制阀门开大(或关小)，对
图1.3 液面自动控制
偏差(piānchā)进行修正
精品资料
2. 自动控制的基本职能(zhínéng)元件 自动控制,实际上就是由自动控制装置代替人的基本功能来
一 .开环控制
定义：若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称为 (chēnɡ wéi)开环控制系统。
特点是：控制量与被控制量之间只有前向通道而没有反向通道,信 息的传递路径不是闭合的，故称开环。
开环控制系统的典型方框图如图所示。
精品资料
16
输入量
控制器
被制对象
输出量
例子：交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动 生产线，数控车床等等。
比较元件：将被控量与给定值加以(jiāyǐ)比较，形成偏差信号；
二、 闭环控制（反馈控制） 定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响(yǐngxiǎng)的
系统，都叫做闭环控制系统。
输入
偏差
+-
控制装置
控制对象
输出
反馈元件
图1-13 闭环控制系统Байду номын сангаас框图
精品资料
室温(shì wēn)控制 系统
r＋ －
e 空调器
热传导 室内空气等c
y
热敏电阻
图 1 - 1 室温控制系统元件(yuánjiàn)框图
烈变化之中） b.稳态过程 反映系统的稳态特性。（输出量稳定在新的平衡
当出水与进水的平衡被
控制器
破坏时，水箱水位下降(
流入
或上升)，出现偏差
浮子 水箱
(piānchā)。这偏差 (piānchā)由浮子检测出 来，自动控制器在偏差
h
流出 (piānchā)的作用下，控
制阀门开大(或关小)，对
图1.3 液面自动控制
偏差(piānchā)进行修正
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2. 自动控制的基本职能(zhínéng)元件 自动控制,实际上就是由自动控制装置代替人的基本功能来
一 .开环控制
定义：若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称为 (chēnɡ wéi)开环控制系统。
特点是：控制量与被控制量之间只有前向通道而没有反向通道,信 息的传递路径不是闭合的，故称开环。
开环控制系统的典型方框图如图所示。
精品资料
16
输入量
控制器
被制对象
输出量
例子：交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动 生产线，数控车床等等。
比较元件：将被控量与给定值加以(jiāyǐ)比较，形成偏差信号；
自动控制原理课件(第一章)
自动控制原理
18
基本控制方式
开环控制
触发器 晶闸管
Ld
Ug
Ud
M
图2：开环直流调速系统
自动控制原理
19
基本控制方式
优点：简单、稳定、可靠。若组成系统 的元件特性和参数值比较稳定，且外界 干扰较小，开环控制能够保持一定的精 度。
自动控制原理
20
基本控制方式
缺点： 当电动机的负载、交流电网的电压 以及电动机的励磁稍有变化时，电 Ug 动机的转速就会随之而变化，不能 再维持 所期望的转速。
自动控制原理
27
闭环控制系统的组成
6校正元件： 用以改善系统控制质量的装置。 校正元件分为串联和并联两种。 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和 反馈元件等共同起控制作用，统称为1、稳定性（稳） 指动态过程的平稳性。 2、快速性（快） 指动态过程中的快速性。 3、准确性（准） 指动态过程的最终精度。
自动控制原理
15
基本术语
F2
浮子
F1
h0
u
功率 放大器
Ud
拖动 电动机
w
图1：液面自动调节系统
自动控制原理
16
基本控制方式
开环控制 闭环控制
自动控制原理
17
基本控制方式
开环控制
概念描述： 如果系统的输出量没有与其参考 输入相比较，即系统的输出量与输入 量间不存在着反馈通道，这种控制方 式叫做开环控制。
自动控制原理
41
实例分析
火 炮 放大器 电动机
r
电位器
齿 轮
c
r
+
-
电位器
放大器
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
自动控制原理课件ppt
G3(s)
G2(s)
H3(s)
E(S)
R(s)
G1(s)
H1(s)
H2(s)
C(s)
P2= - G3G2H3
△2= 1
P2△2=
梅逊公式求E(s)
P1= –G2H3
△1= 1
N(s)
G1(s)
H1(s)
H2(s)
C(s)
G3(s)
G2(s)
H3(s)
R(s)
E(S)
四个单独回路，两个回路互不接触
e
A
100%
一阶系统时域分析
无零点的一阶系统 Φ(s)=
Ts+1
k
, T
时间常数
(画图时取k=1,T=0.5)
单 位 脉 冲 响 应
k(t)=
T
1
e-
T
t
k(0)=
T
1
K’(0)=
T
1
2
单位阶跃响应
h(t)=1-e-t/T
h’(0)=1/T
h(T)=0.632h(∞)
h(3T)=0.95h(∞)
h(2T)=0.865h(∞)
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 自动控制系统示例 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
飞机示意图
给定电位器
反馈电位器
给定装置
放大器
舵机
飞机
反馈电位器
垂直陀螺仪
θ0
θc
扰动
俯仰角控制系统方块图
飞机方块图
液位控制系统
控制器
自动控制原理课件ppt
课件3 ~6为第一章的内容。制作目的是节省画图时间，便于教师讲解。 课件6要强调串联并联反馈的特征，在此之前要交待相邻综合点与相邻引出点的等效变换。 课件7中的省略号部分是反过来说，如‘合并的综合点可以分开’等。最后一条特别要讲清楚，这是最容易出错的地方！ 课件10先要讲清H1和H3的双重作用，再讲分解就很自然了。 课件11 ､12 ､13是直接在结构图上应用梅逊公式，制作者认为没必要将结构图变为信号流图后再用梅逊公式求传递函数。
自动控制原理概述 ppt课件
h(t)
阀门
水箱
浮球
8
第一节 自动控制与自动控制系统
二、自动控制系统的基本构成 及控制方式
不同的被控对象和不同的控制装 置构成了不同的控制系统，所以自动 控制系统的种类是很多的。自动控制 系统一般有两种基本控制方式.
1．开环控制
开环控制 控制装置与受控对象之间只
有顺向作用而无反向联系.
2020/12/27
例 液位自动控制系统
工系作统原组理成：： 水箱调节杆杠杠杆 长 杠浮杆度球机L 构，阀调通门节过 阀进门水的开出度水， 从杆而杠调长节度进水
L h
量被以7
7
第一节 自动控制与自动控制系统
系统
结构 框图
L h
hr(s) 杠 杆
机构
2020/12/27
被控量
控制分通析过和对设各计类自机控动器制器控、制各系种受统物控对的理象性参能量。、工
自业动示生图控下意产制面过系通程统过等的一的基些控本实制概例直念来接检说造测明福元自件于动社控会制。和
2020/12/27
3
第一节 自动控制与自动控制系统
例 水温人工控制系统 系工统 作的过构程成：： 受控手蒸对动汽象调通:水箱 节被过阀热控门传制的导量开器:水温 度件，把从热阀而量门调传 节递热蒸给传汽水导的,水器流的件 量温,度显来与示控蒸仪制汽表水 的的蒸温流汽度量.成排正水 比冷. 水但人工热难水以实现稳定的高质量控制.
怎样根据工作任务的不同,分析和设计 自动控制系统，使其对三方面的性能有所 侧重 ，并兼顾其它正是自控原理课程要 解决的问题。
2020/12/27
29
第一章 概 述
第四节 自动控制理论发展简述
自动控制理论是研究自动控制共同规 律的技术科学。
自动控制原理(胡寿松)第一章ppt课件
智能家居
智能家居是自动控制系统在家庭生活中的应用，通过智能家居设备 实现家庭生活的智能化和自动化。
交通工具
交通工具是自动控制系统的重要应用领域之一，如自动驾驶汽车、无 人机等，通过自动化控制技术提高交通工具的安全性和效率。
03
控制系统的传递函数
线性时不变系统的描述
线性时不变系统
在一定的输入下，输出量与输入量成正比，且与 时间无关的系统。
稳定的。
05
控制系统的性能指标
时域性能指标
峰值时间
控制系统达到其最大超调量的 时间。
调节时间
控制系统从设定值稳定到误差 带内的所需时间。
上升时间
控制系统输出从0上升到稳态值 所需的时间。
最大超调量
控制系统输出超过稳态值的最 大偏差量。
频域性能指标
幅值裕度
系统开环频率响应幅值下降到稳态值所需的 分贝数。
传递函数的性质
01
02
传递函数具有复数域上的函数性质，如连续 性、可微性等。
传递函数的分子和分母都是多项式，且分 母多项式的阶数高于分子多项式的阶数。
03
04
传递函数的计算方法
根据系统的结构图或微分方程，计算传递 函数。
05
06
通过系统元件的传递函数，组合得到整个 系统的传递函数。
04
控制系统的稳定性分析
03 如果劳斯表格中的所有符号都是负的，则系统是 稳定的；否则，系统是不稳定的。
奈奎斯特稳定判据
01
02
03
奈奎斯特稳定判据是通 过分析系统的频率响应 来判定系统稳定性的方
法。
它基于奈奎斯特曲线（频 率响应曲线）的计算，通 过判断奈奎斯特曲线是否 包围点（-1，0）来确定
智能家居是自动控制系统在家庭生活中的应用，通过智能家居设备 实现家庭生活的智能化和自动化。
交通工具
交通工具是自动控制系统的重要应用领域之一，如自动驾驶汽车、无 人机等，通过自动化控制技术提高交通工具的安全性和效率。
03
控制系统的传递函数
线性时不变系统的描述
线性时不变系统
在一定的输入下，输出量与输入量成正比，且与 时间无关的系统。
稳定的。
05
控制系统的性能指标
时域性能指标
峰值时间
控制系统达到其最大超调量的 时间。
调节时间
控制系统从设定值稳定到误差 带内的所需时间。
上升时间
控制系统输出从0上升到稳态值 所需的时间。
最大超调量
控制系统输出超过稳态值的最 大偏差量。
频域性能指标
幅值裕度
系统开环频率响应幅值下降到稳态值所需的 分贝数。
传递函数的性质
01
02
传递函数具有复数域上的函数性质，如连续 性、可微性等。
传递函数的分子和分母都是多项式，且分 母多项式的阶数高于分子多项式的阶数。
03
04
传递函数的计算方法
根据系统的结构图或微分方程，计算传递 函数。
05
06
通过系统元件的传递函数，组合得到整个 系统的传递函数。
04
控制系统的稳定性分析
03 如果劳斯表格中的所有符号都是负的，则系统是 稳定的；否则，系统是不稳定的。
奈奎斯特稳定判据
01
02
03
奈奎斯特稳定判据是通 过分析系统的频率响应 来判定系统稳定性的方
法。
它基于奈奎斯特曲线（频 率响应曲线）的计算，通 过判断奈奎斯特曲线是否 包围点（-1，0）来确定
自动控制原理第一章PPT课件
-
16
首次冲出太阳系 （美国伽利略号木 星 探 测 器 ， 1989 年）
-
仿人机器人 （日本，2001年）
17
神舟五号载人航天成功（中国，2003年）
-
18
勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）
-
19
“作为技术科学的控制论，对工程技术、生物
和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研
究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社
（1）装置用方框表示 （2）信号用带箭头的线段表示 （3）信号引出点 （4）信号相加点（比较点）
-
27
方框（块）图 中的符号
控制系统框图的基本组成单元
元部件 信号（物理量）及传递方向 比较点 引出点 － 表示负反馈
-
返回 28
1-２自动控制系统基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字控 制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用 取得了长足进展。
-
22
二．自动控制理论
1．定义 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科 学. 2．分类 （1）经典控制理论：以传递函数为基础，主要研 究单输入—单输出，线性定常系统的分析和设计问题 。 （2）现代控制理论：主要研究具有高性能，高精 度的多变量多参数系统的最优控制问题。
-
25
三、自动控制系统
1．定义： 为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象 和控制装置按照一定的方式连接起来组成的一 个有机总体。
控制装置（控制器）：外加的设备或装置. 被控对象（process, plant, controlled system ）：设备或生产过程.
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（乃至消除）偏差
.
13
• 7 反馈控制系统
反馈控制系统是一种能对输出量与参考 输入量进行比较，并力图保持两者之间的 既定关系的系统，它利用输出量与输入量 的偏差来进行控制。
应当指出，反馈控制系统不限于
工程范畴，在各种非工程范畴内，
诸如经济学和生物学中，也存在着
反馈控制系统。
.
14
• 8 随动系统
.
7
• 19世纪40年代，频率响应法为 闭环控制系统提供了一种可行 方法，Evans提出并完善了根轨 迹法。
• 19世纪50年代末，控制系统设 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。
.
8
• 20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。
现代化的化工厂
.
18
The Seagate Barracuda 36ES2 disk drive
.
19Байду номын сангаас
热力系统的人工反馈控制
.
20
热力系统的自动反馈控制
.
21
1.3 开环控制与闭环控制
1.3.1 反馈控制系统
1 反馈
负反馈与正反馈——把取出的输出量送回
输入端，并与输入信号相比较产生偏差
信号的过程，称为反馈。若反馈的信号
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。因此，随动系统这个术语，与位置（或 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。
• 9 过程控制
在工业生产过程中，诸如对压力、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。
内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。
外扰是系统的输入量之. 一。
12
• 6 反馈控制
反馈控制是这样一种控制过程，它能够 在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出 量与参考输入量（也称参考量）（或者任意 变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工 作正是基于这一偏差基础之上的。
反馈本质——
测量偏差，利用偏差，减少
值
与给定元件给出的参考量进行
.
26
比
• 控制装置（续）
• 放大元件：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 • 执；行元件：直接推动被控对象，使其被控量发
生变化；
• 校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便 于调整的元件，用串联或反馈的方式 连接在系统中，以改善系统性能。
其结构为马拉的双轮独辕车，车箱上立一个 伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。
当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向 移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放 落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方 向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响。
车辆 转弯
齿轮系
车身
.
木人
方向
4
指 南 车
原 理
3 闭环控制
凡是系统输出信号对控制作用有直接影 响的系统，都称为闭环系统。输入信号和 反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身， 也可以是输出信号的函数或导数）之差， 称为误差信号，误差信号加到控制器上， 以减小系统的误差，并使系统的输出量趋 于所希望的值，换句话说，“闭环”这个 术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系 统的误差。
.
15
1.2 自动控制系统示例
The Boeing 77.7 fly-by-wire aircra1f6t
The F-18 aircraft, one of the first production military fighters to use “f. ly-by-wire” technolo17gy.
自动控制原理
第一章
自动控制的一般概念
.
1
• 1.1 引言 • 1.2自动控制系统示例
• 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
.
2
1.1 引言
历史的回顾
指 南 车复原模型
.
3
指南车是中国古代用来指示方向的一种具有
能自动离合的齿轮系装置的车辆。
以状态空间法 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。系 统具有高精度和 高效能的特点。
.
10
自动控制原理中的一些术语 • 1 自动控制
在无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照预定要求进行。
• 2 对象
是一个设备，它是由一些机器零件有机 地组合在一起的，其作用是完成一个特定的 动作。
与输入信号相减，使产生的偏差越来越
小，则称为负反馈；反之，则称为正反
馈。
.
22
2 反馈控制系统
能对输入量与输出量进行比较， 并且将它们的偏差作为控制手段，以 保持两者之间预定关系的系统，称为 反馈控制系统。由于引入了被反馈量 的反馈信息，整个控制过程成为闭合 的，因此反馈控制也称为闭环控制。
.
23
• 从1960年到1980，确定性系统、随机 系统的最佳控制，及复杂系统的自适 应和学习控制，都得到充分的研究。
• 从1980年到现在，现代控制理论进展
集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课
题。
.
9
经典控制理论 现代控制理论
以传递函数为 基础，研究单输 入-单输出一类定 常控制系统的分 析与设计问题。 这些理论由于其 发展较早，现已 臻成熟。
在下面的讨论中，称任何被控物体（如加 热炉、化学反应器或宇. 宙飞船）为对象。11
• 3 过程
称任何被控制的运行状态为过程，其具 体例子如化学过程、经济学过程、生物学 过程。
• 4 系统
完成一定任务的一些元、部件的组合。
• 5 扰动
扰动是一种对系统的输出产生不利影
响的信号。如果扰动产生在系统内部称为
.
5
• 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。
.
6
• 1932年，Nyquist提出了一种根据 系统的开环频率响应(对稳态正弦 输入)，确定闭环系统稳定性的方 法。
• 1934年，Hezen提出了用于位置控 制系统的伺服机构的概念，讨论 了可以精确跟踪变化的输入信号 的机电伺服机构。
.
24
闭环控制系统
控制器
输入量
对象 或过程
输出量
测量元件
1.3.2 反馈控制系统的基本组成
• 被控对象（或过程）
.
25
控制装置
由具有一定职能的各种基本元件组成：
• 测量元件：其职能是测量被控制的物理量；
•给定元件：其职能是给出与期望的被控量相 对应的系统输入量（即参考量）；
• 比较元件：把测量元件检测的被控量实际