自动控制原理第一章 自动控制的一般概念
第一章 自动控制的一般概念
Monday, April 27, 2020
4
概述
自动控制原理是研究自动控制技术的基础理论和自动 控制共同规律的技术科学。自动控制原理按发展过程分为 经典控制理论和现代控制理论。
[经典控制]：五十年代末形成了完整的体系。它以传递函 数为基础，研究单输入单输出反馈控制系统(SISO) 。 主要采用的方法：时域分析法、根轨迹法和频率法。
随动系统（自动跟踪系统或伺服系统）： 给定值是预先未 知的随时间任意变化的函数。控制系统能够使被控量以尽可 能小的误差跟随给定值。随动系统也能克服各种扰动的影响， 但一般来说，扰动的影响是次要的 。
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自动控制系统的种类
随动系统的例子
[随动系统的例子] 船舶驾驶舵角位置跟踪系统。目的是希望
二、按控制作用产生的原因分为：扰动控制系统和复合 控制系统。
扰动控制系统：控制作用由扰动产生，不构成闭环。 复合控制系统：同时具有开环结构和闭环结构或同时 具有偏差和扰动产生作用的控制系统。
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自动控制系统的种类
1. “转速控制系统”之“开环控制系统”
+
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自动控制系统的研究内容和对系统的基本要求
[对控制系统的基本要求] 可以归结为系统的稳定性、快速性和准确性，即
稳、准、快的要求。 稳：要求系统是稳定的，不稳定的系统不能正常
使用； 准：稳态误差要小； 快：瞬态响应快，超调量小，调节时间短。
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为反馈控制原理。
Monday, April 27, 2020
自动控制的一般概念1
按系统构成元件是否线性分类 线性和非线性系统
线性系统：均由线性元件构成的的控制系统是 线性控制系统 。符合叠加定理和齐性定理。 非线性控制系统：控制系统内如果含有至少一个 非线性元件，则该系统是非线性系统。 •按系统参数是否随时间变化分类
定常控制系统：系统参数不随时间变化的系统。定常控制系统 的微分方程或差分方程的系数是常数。 时变控制系统：系统参数随时间变化的系统。时变控制系统的 微分方程或差分方程的系数是时间的函数。例如，发射卫星的 火箭姿态控制系统，由于燃料的燃烧使质量参数随时减少，属 时变控制系统。
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。
经典控制理论与现代控制理论比较
项目 经典控制理论 现代控制理论
研究对象
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述） 根轨迹法和频率法
描述方法
线性、非线性、定常、 时变系统 （多输入、多输出） 向量空间 （状态空间描述）
该课程与其它课程的关系
电力电子技术 电路理论 复变函数、积分变换 模拟电子技术
电机与拖动
控制电机 大学物理（力学、热力学）
自动控制原理
线性代数
微积分（含微分方程）
各类控制系统课程
教材及参考文献目录
教材：
《自动控制原理》 任彦硕主编, 机械工业出版社
主要参考书：
《自动控制原理》 顾树生、王建辉主编, 冶金工业出版社
前向通道:从输入信号→控制器→放大环节→执行机构→控制对 象→输出信号的信号传输路径；反馈环节所在路径称为反馈通道， 图中有两个反馈通道，内环的称局部反馈，是正反馈；外环的称 闭环主反馈，是负反馈。
自动控制原理
（1）被控对象 被控制的工艺设备、机器或生产过程。 （水箱） （2）测量元件
其职能是测量被控制的物理量
（3）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（即参据量）。 （4）比较元件 把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进 行比较，求出它们之间的偏差。
（5）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。 （7）控制器 对控制对象产生控制作用的装臵称为控制器，有时也称为 控制元件、调节器等。 （6）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。 （8）执行元件 直接作用于被控对象，使其被控量发生变化的元件称为 执行元件（阀门） 。
第一章 自动控制的一般概念
1-1自动控制的基本控制原 理与方式
1-2 基本控制方式 1-3 控制系统的类型 1-4 对控制系统的基本要求
1-1自动控制的基本控制原理与方式
一、自动控制基本术语 1、人工控制
2、自动控制
控制器
Q1
浮子
电位器
c
用水开关 SM
减速器 电动机
Q2
if
（1）自动控制(automatic control)
（7）反馈控制系统(feedback control system) 通过测量、比较而得到偏差，由偏差产控制作用而使偏差 消除或减少，使被控量趋近于要求值 。又称为反馈控制 系统。
二、自动控制理论的发展历史
1、胚胎萌芽期（1945年以前） • 十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 • 1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 • 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 • 1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据 • 十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机促进了水利、水电 站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展 • 十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机促进了飞机、汽车、船舶、 机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制 • 二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快。飞机、雷达、 火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭 起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。
自动控制原理--第1章 自动控制理论的一般概念
1-3 典型控制系统
恒值系统：
也称镇定系统。输出量以一定的精度等于 给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢， 扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产 过程中，这类系统非常多。例如：恒温系统， 恒压系统等。
例 锅炉空气预热器密封间隙控制系统
系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算 机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调 整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。
u
~220V
开关闭合后，不同 的输入电压u对应于 不同的温度t。
炉温开环控制系统
扰动量
输入量 (电源 )
开关
加热电 阻丝
控制装置
电炉恒 温箱
受控对象
输出量 (温度)
炉温开环控制系统方框图
扰动
给定值
控制器
被控制 对象
典型开环控制的方框图
输出量
系统框图帮助理解系统的构成和性质
开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.
第1章 自动控制理论的一般概念
1-1 自动控制发展史 1-2 自动控制的基本方式 1-3 典型控制系统 1-4 对于自动控制系统的要求
1-1 自动控制发展史
经典控制理论（20世纪40年代及其以前）
主要研究单输入单输出线性定常系统 时域、频域和复域分析和设计问题。
现代控制理论（20世纪60年代）
主要研究多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统 分析和设计问题；最优控制问题。
(c)
五、复合控制
它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主
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按偏差控制，以消除其余扰动产生
自动控制原理
第1章自动控制的一般概念例1-1一个液位控制系统的原理图如图1.4所以。
试画出该控制系统的原理方框图，简要说明它的工作原理，并指出该控制系统的输入量，输出量及扰动量。
答：本题考查液位控制系统。
当系统的工作原理为：浮标位置对应于电位计上一点，该点电压与设定液位对应的电压进行比较，如果没有达到设定的液位，将产生偏差电压，功率放大后驱动直流电动机转动，调节输入液流的阀门，改变进入水池的水流量，当输出液流发生改变，液面发生变化时，重复上述过程，使液面保持在给定高度。
该系统的输入量为给定液位，输出量为实际水位，扰动量为输出液流量，系统原理方框图如图1.5习题：1、什么是反馈控制原理？反馈控制系统的主要特点是什么？2、试比较闭环系统与开环系统的优缺点。
3、水箱液位控制系统如图1.9所示。
运行中无论用水流量如何变化（由开关12操纵），希望水面高度（液位）H保持不变。
（1）简述工作原理。
（2）画出系统的原理方块图，并指明被控对象、被控量、给定值和干扰。
4、图1.13为水温控制示意图。
冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热 水。
冷水流量变化用流量计测量。
试绘制系统方块图，并说明为了保持热水温度为期望值，系 统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置是什么？第2章 控制系统的数学模型例2-1如图2.1所示的RLC 电路，试建立以电容上电压u c (t)为输出变量，输入电压u i (t)为输入 量的运动方程。
图2.1 答：由基尔霍夫定律得：消去中间变量，则有 例2-2图2.2所示是弹簧—质量—阻尼器机械位移系统。
试列写质量m 在外力F （t ） 作用下，位移x(t)的运动方程。
答：ƒ—阻尼系数；k —弹性系数。
根据牛顿第二定律i (t )R +ldi(t)dt+u c (t )=u i (t) u c (t )=1C ∫i (t )dt ，即i (t )=C du c (t)dtLC d 2u c (t)dt 2+RC du c (t)dt+u c (t )=u i (t)c )U r (s )。
自动控制原理1-7章学习指导、典型题解
第一章：自动控制的一般概念1.1学习指导1.1.1、课程内容（1）自动控制理论发展概况；（2）自动控制的基本概念与方式；（3）自动控制系统分类；（4）对自动控制系统的基本要求；（5）自动控制系统组成和方框图。
本章是本课程的入门章节，通过学习应理解自动控制的基本概念和分类，控制系统组成和方框图，会根据实际控制系统绘制系统方框图。
1.1.2内容概述1、自动控制的基本概念自动控制：在没人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律或数值运行。
自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制系统。
一般由控制器(含测量元件)和控制对象组成。
2、两种基本控制方式1)开环控制方式控制装置与被控对象之间只有顺向作用没有反向联系。
2）闭环控制方式：把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制。
3、闭环系统的基本组成（1）给定元件设定被控量的给定值；（2）测量元件对系统被控量(输出置)进行测量；（3）比较元件对系统输出量与输入量进行代数运算并给出偏差信号，起综合、比较变换作用。
（4）放大元件对微弱的偏差信号进行放大，使其有足够的幅但与功率5）执行元件根据放大后的偏差信号，对被控对象执行控制任务，使输出量与希望值起子一致。
（6）被控对象指自动控制系统需要进行控制的机器、设备或生产过程。
被控对象要求实现自动控制的物理量称为被控量或输出量。
（7）校正元件用以改善系统性能4、自动控制系统的分类1）按系统性能分类：（1）线性系统：满足叠加性和齐次性。
（2）非线性系统：不满足叠加性和齐次性。
2）按信号类型分类：（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。
（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。
3）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。
（2）随动控制系统给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。
自动控制原理知识点.
数 学 传递函数
状态方程
模型
研 究 频域法、根轨 状态空间方法
手段 迹法
研 究 系统综合、校 最优控制、系
目的 正
统辨识、最优
估计、自适应
控制
4、室
温控
制系统
5、控制系统的基本组成
◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、
物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。
◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装
温度的变化及房间散热条件的变化等）。 ◎输入信号的响应：由某一个输入信号产生 的输出信号又称为该输入信号的响应。 8.负反馈原理：将系统的输出信号引回输入 端，与输入信号相比较产生偏差，控制器利 用偏差的大小、正负进行控制，达到减小偏 差、消除偏差的目的。（以偏差纠偏差）
——构成反馈控制系统的核心 9. 由于有了负反馈，自动控制系统便形成 了一个按偏差进行进行控制的闭环系统（又 称反馈控制系统）
制实现（正如微积分是一种数学工具一 样）。 ◎解决的基本问题：
•建模：建立系统数学模型（实际问题抽象， 数学描述）
•分析：分析控制系统的性能（稳定性、动 /稳态性能）
•综合：控制系统的综合与校正——控制器 设计（方案选择、设计） 3、自动控制原理研究的主要内容
经典控制理论 现代控制理论 研 究 单输入、单输 多输入、多输 对象 出 系 统 出 系 统
◎闭环系统必须考虑稳定性问题。 特点: 输出影响输入，所以能削弱或抑制干 扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可 能发生超调，振荡，所以稳定性很重要 3、闭环系统与开环系统的区别 ◎与开环控制系统相比，闭环控制系统的最 大特点是检测偏差、纠正偏差 ； ◎从系统结构上看，闭环系统具有反向通 道； ◎从功能上看，闭环系统具有如下特点：
自动控制原理1卢京潮
第一章 自动控制的一般概念习题与答案1-1 根据题1-15图所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成：(1) 将a ，b 与c ，d 用线连接成负反应状态；(2) 画出系统方框图。
解 〔1〕负反应连接方式为：d a ↔，c b ↔；〔2〕系统方框图如图解1-1 所示。
1-2 题1-16图是仓库大门自动控制系统原理示意图。
试说明系统自动控制大门开、闭的工作原理，并画出系统方框图。
图1-16 仓库大门自动开闭控制系统解 当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。
与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。
反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。
系统方框图如图解1-2所示。
1-3 图1-17为工业炉温自动控制系统的工作原理图。
分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。
图1-17 炉温自动控制系统原理图解 加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的上下由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。
炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。
f u 作为系统的反应电压与给定电压r u 进展比拟，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。
在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。
此时，0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个适宜的位置上，使c u 保持一定的数值。
这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
自动控制原理_详细解析
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。
最新自动控制原理.pdf
第一章自动控制的一般概念1.1 引言自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。
自动控制理论的任务是研究自动控制系统中变量的运动规律以及改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。
1.2 自动控制和自动控制系统的基本概念1.2.1自动控制问题的提出在许多工业生产过程或生产设备运行中，往往需要对某些物理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。
如图1-l所示是锅炉给水人工控制示意图。
人工调节是一个“检测偏差、纠正偏差”的过程。
可以用一整套自动控制仪表(自动调节器)来代替操作人员的作用。
图1-2所示是锅炉给水汽包水位自动控制示意图。
图1-2 汽包锅炉给水自动调节示意图1—过热器；2—汽包；3—省煤器；4—给水凋节阀；5—水位计任何一个控制系统，都包含着被控对象和控制器两个组成部分。
1.2.2 开环控制系统常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控制和复合控制。
系统的控制输入不受输出影响的控制系统称为开环控制系统。
图1-3所示的烘箱温度控制系统是一个开环控制系统。
烘箱是被控对象，烘箱的温度是被控量，也称为系统输出量。
开关设定位置为系统的给定量或输入量，电阻及加热元件可看成是调压器（控制器）。
该系统中只有输入量对输出量的单向控制作用，输出量对输入量没有任何影响和联系。
烘箱温度开环控制系统可用图1-4所示的方框图表示。
1.2.3 闭环控制系统在图1-3所示的烘箱温度开环控制系统中，加入一些装置，构成了如图1-5所示的烘箱温度闭环控制系统。
系统中，烘箱是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u (表征烘箱温度的希望值)。
系统方框图如图1-6所示。
通常，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。
自动控制原理(第一章)
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
① 恒值控制系统
系统的输入量是一个常值，要求被控量也等于一个 系统的输入量是一个常值，要求被控量也等于一个 一个常值 常值。 常值。 基本任务：当出现扰动时， 基本任务：当出现扰动时，使得系统的输出量保持 恒定的希望值。 为恒定的希望值。
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
1-1 自动控制的基本原理
1） 自动控制技术及其应用 ）
控制器 自动控制(Automatic Control)是指在没有人直接参 是指在没有人直接参 自动控制 是指在 的情况下， 机器、 与的情况下，利用外加的设备和装置，使机器、 设备或生产过程的某个工作状态或参数，自动地 按照预定的规律运行。 按照预定的规律运行。
1-2 自动控制系统示例
函数记录仪 飞机-自动驾驶仪系统 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
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
1-3 自动控制系统的分类
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
2）快速性 ）
对控制系统过渡过程的时间的要求。 对控制系统过渡过程的时间的要求。
期望 温度
大脑
手 眼睛
调压器
恒温箱
自动控制原理-自动控制的一般概念
的信号必须是同一种物理量, 否则不能进行比较. 在直流 电动机转速自动控制系统中, 需要进行比较的二个物理量 一个是电压, 一个是转速, 所以要把转速通过测速发电机 的转换, 变成电压后再比较. 方框图中信号的常用名称: r(t): 系统的输入信号, 其中使系统具有预定性能或预 定输出的, 又可称为给定输入信号或参考输入信号, 如电 位器的输出电压. c(t): 系统的输出信号, 或叫输出量, 又常叫做系统对 输入的响应, 如电动机的转速. b(t): 叫反馈信号. 而把系统中输出信号转换成反馈信 号的元件或装置, 称为反馈元件或反馈装置, 如测速发电 机. e(t): 叫偏差信号. 是r(t)与b(t)比较的结果.
u(t): 是控制器的输出信号, 叫控制信号. 需特别指出的是: 以上所有信号都是时间 t 的函数. 还有一种信号, 叫干扰信号, 它的作用是破坏系统具有预 定性能或预定输出, 也是时间 t 的函数. 干扰信号根据具 体情况, 在系统中可有不同的作用点. 闭环系统的特点: 系统的输出信号经反馈与输入信号 进行比较, 系统按比较的结果e(t)进行控制, 凡具有这一特 点的系统叫闭环控制系统, 也常叫做反馈控制系统. 在反馈控制系统中, 如果反馈信号的作用是加强输入 信号的作用, 则称为正反馈控制系统; 如果反馈信号的作 用是减弱输入信号的作用, 则称为负反馈控制系统. 自控 理论中主要研究的是负反馈控制系统. 假如系统的输出信号不反馈到系统的输入端与输入信 号进行比较, 则这类系统叫开环控制系统.
c(t ) Sr (t ) S r1 (t ) r2 (t )
Sr1 (t ) Sr2 (t ) c1 (t ) c2 (t )
对于线性连续定常系统, 可用线性常系数微分方程来描述其 运动特性, 一般可写成如下形式的微分方程:
自动控制原理知识点
◎室温控制系统、直流电机转速控制系统。
随动系统（r(t)不可预测）
◎输入信号是变化规律未知的任意时间函数；
◎系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定的范围内；
◎导弹发射架控制系统、火炮随动系统、雷达天线控制系统；
◎当被控量为位置、角度或其导数时，这类系统又称为伺服系统。
4、室温控制系统
5、控制系统的基本组成
◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。
◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放大
器）。
◎执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空调器）。
◎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
并能完成一定的任务。
◎自动控制系统：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。
除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。
?测量元件：用以测量被控量或干扰量。
?比较元件：将被控量与给定值进行比较。
?执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象。
◎与开环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点是检测偏差、纠正偏差；
◎从系统结构上看，闭环系统具有反向通道；
◎从功能上看，闭环系统具有如下特点：
?由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，若采用开环控制，要达到同样的精度，则需要高精度的控制器，从而大大增加了成本；
?由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性；
自动控制原理 胡寿松
第六版前言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1-5 自动控制系统的分析与设计工具习题第二章控制系统的数学模型2-1 控制系统的时域数学模型2-2 控制系统的复数域数学模型2-3 控制系统的结构图与信号流图2-4 控制系统建模实例习题第三章线性系统的时域分析法3-1 系统时间响应的性能指标3-2 一阶系统的时域分析3-3 二阶系统的时域分析3-4 高阶系统的时域分析3-5 线性系统的稳定性分析3-6 线性系统的稳态误差计算3-7 控制系统时域设计习题第四章线性系统的根轨迹法4-1 根轨迹法的基本概念4-2 根轨迹绘制的基本法则4-3 广义根轨迹4-4 系统性能的分析4-5 控制系统复域设计习题第五章线性系统的频域分析法5-1 频率特性5-2 典型环节与开环系统的频率特性5-3 频率域稳定判据5-4 稳定裕度5-5 闭环系统的频域性能指标5-6 控制系统频域设计习题第六章线性系统的校正方法6-1 系统的设计与校正问题6-2 常用校正装置及其特性6-3 串联校正6-4 前馈校正6-5 复合校正6-6 控制系统校正设计习题第七章线性离散系统的分析与校正7-1 离散系统的基本概念7-2 信号的采样与保持7-3 z变换理论7-4 离散系统的数学模型7-5 离散系统的稳定性与稳态误差7-6 离散系统的动态性能分析7-7 离散系统的数字校正7-8 离散控制系统设计习题第八章非线性控制系统分析8-1 非线性控制系统概述8-2 常见非线性特性及其对系统运动的影响8-3 相平面法8-4 描述函数法8-5 非线性控制的逆系统方法8-6 非线性控制系统设计习题第九章线性系统的状态空间分析与综合9-1 线性系统的状态空间描述9-2 线性系统的可控性与可观测性9-3 线性定常系统的反馈结构及状态观测器9-4 李雅普诺夫稳定性分析9-5 控制系统状态空间设计习题第十章动态系统的最优控制方法10-1 最优控制的一般概念10-2 最优控制中的变分法10-3 极小值原理及其应用10-4 线性二次型问题的最优控制10-5 控制系统优化设计。
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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对于系统的干扰信号，在干扰信号可以测量的前提下，开环控制器 (扰动补偿环节)应使系统输出尽可能地不受干扰信号的影响。
例子采用习题1-4，图1-21。流量顺馈。 开环控制方式的优点：结构简单，系统分析和设计较简便。缺点：不 能补偿其他因素对系统输出的影响。 ⑶ 复合控制方式：将前两种控制方式联合使用。具有两种控制方式 的优点。讲解例为习题1-4。
非线性定常系统；线性离散定常系统；线性时变系统等等。 依据控制目标分类：
恒值控制系统，系统的参考输入信号是恒值，控制目标是保持系统 输出不变。 随动控制系统，系统的参考输入信号是已知或未知的时间函数，控制目标是保证系，系统的参考输入信号是事先已知的时间信号。 最优控制系统，使控制系统的指定目标函数最优(通常是取值最小)。
环节
分支点，信号引出点；即一个信号引用到多处。
信号流向，只能是单向的。 方框，表示一个元件部件对象过程系统环节等等；只
能有一个输入和一个输出。
4 反馈控制系统的基本组成(P4) 以反馈控制系统(典型方框图)的输入端开始叙述：
给定元件： 给出系统的控制指令或参考输入信号； 将测量到的输出信号对应值与参考输入值比较，得出偏差信号；作为 控制器的输入信号； 包括放大元件(将弱信号放大)和校正元件(改善系统性能)，有时也包 括执行元件(功率驱动)； 被控对象： 是控制系统的主要部分，有时将执行元件作为被控对 象的组成部分； 测量元件： 监测系统中的变量，主要检测被控的物理量； 测量元件是控制系统的眼睛，控制器是系统的大脑，执行元件是系统 的手脚。 控制系统的组成部分还应考虑到作用在系统上的扰动因素(负载扰 动、环境因素变化等)，自动控制系统的主要作用就是克服扰动对系统 的影响。 5 自动控制系统基本控制方式 ⑴ 反馈控制方式：是控制系统的主要控制方式。自动控制原理的主 要研究对象是反馈控制系统。优点：能够抑制任何内外扰动对被控量的 影响，控制精度高；缺点：结构复杂，可能出现系统不稳定问题，系统 分析和设计较困难。 ⑵ 开环控制方式：信号从系统输入端顺向流到系统输出端，输出量 的变化不会对控制作用产生影响。该控制方式也称为顺馈控制方式。开 环控制方式的控制器必须针对作用信号类别和类型设计。
1-1 自动控制的基本原理与方式
1自动控制技术及其应用
自动控制： 通过控制器使被控对象或过程按照预定的规律运行。
输入
输出
_
自动控制系统
控制器 被控对象
自动控制的目的：提高产品质量；提高劳动生产率； 改善劳动条件，减轻劳动强度； 提高生活质量等
自动控制的应用：(P1,第二自然段) 在所有工矿企业、交通运输、金融 贸易、农业生产、文化娱乐和日常生活等都有应用。 2 自动控制理论
简述讲义的两个例子。 反馈控制系统的典型方框图
n(t)
r(t) ε(t)
u(t)
c(t)
_
y(t)
反馈控制系统的典型方框图 反馈 控制器
被控对象
：(系统)输入信号，控制指令，参考 输入； ：偏差信号，；
：反馈信号；
：(系统)输出信号，被控 量；
：控制信号，被控对象的 输入；
：扰动信号，干扰信号；
求和器，比较器，相加点；有多个输入信号，只有一 个输出信号；输出信号是所有输入信号的代数和。
对象
常系统；
统
系统 注重系统的输入输出关 研究系统输入、输出及内部变量的
变量
系；
运动关系；
3 反馈控制原理
反馈控制原理：将被控量的值与期望值进行比较，通过控制器对被控对象施
加作用，使被控对象尽可能达到期望值。
输入
输出
_
自动控制系统 控制器 被控对象 反馈
前向支路，反馈支路，反馈工作原理，(负)反馈控制，闭环控制。
⑶ 单位加速度信号：
，；
⑷ 正弦函数(信号)： ，
作业：
1-1 1-10 补充题一题
1-2 自动控制系统示例 简述书中的一两个示例。 +
ur
RQ Δu up RM
_
记录仪桥式检测电路示意图
⑴ 函数记录仪，XY记录仪，地震监测记录仪； ⑵ 飞机自动驾驶仪系统，俯仰角控制系统； ⑶ 电炉温度控制系统； ⑷ 锅炉汽包液位控制系统；
1-3 自动控制系统的分类 依据信号的连续性分类：
连续系统，系统中的信号均是时间连续函数； 离散系统，系统中含有离散信号(在时间上不连续)。 依据系统的线性性质分类： 线性系统，系统的动态特性可用线性微分或差分方程描述； 非线性系统，不能用线性方程描述的系统。 依据系统参数特征分类： 定常系统，也称为时不变系统，系统的参数都是常数； 时变系统，系统中有的参数是时间函数。 以系统性质命名： 例如，线性连续定常系统，这类系统是本课程讨论的主要系统；
第一章 自动控制的一般概念 l、基本内容和要点 （l）自动控制的基本概念 开环控制与闭环（反馈）控制，反馈的特点与作用。 （2）反馈控制系统的类型 线性和非线性系统；随动系统和自动调节系统；连续数据系统和离 散数据系统。 （3）反馈控制系统的组成，常用术语及定义。 2、重点 （l）反馈控制的作用与概念。 （2）反馈控制系统的特点和存在的问题。 3、难点 对“检测偏差用于纠正偏差”原理的理解。
依据被控对象、被控量、主要组成部件、控制器设计方法和控制行为等 命名：
例如，火炮随动系统；锅炉液位控制系统；粮食烘干塔微机监控系 统；等等。
1-4 对自动控制系统的基本要求 基本要求： ⑴ 稳定性；⑵ 快速性；⑶ 准确性。 典型输入信号： ⑴ 单位阶跃函数(信号)：图1-15，
，；
⑵ 单位斜坡函数(速度信号)：图1-16 ，；
自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，是理论性较强的工 程学科。注重工程应用，在专业术语上不是非常严谨的理论。
(P1)
经典控制理论
现代控制理论
时间 20世纪60年代，达到完
分界
善；
20世纪60年代，开始发展；
数学 工具
常微分方程，传递函 一阶微分方程组，状态空间方程，
数；
(传递函数阵)
研究 单输入单输出系统，定 多输入多输出系统，定常和时变系