自动控制理论第一章
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自动控制理论-第一章
船舶的航向自动控制； 无人驾驶飞机按预定航迹自动升降和飞行1 自动控制与自动控制系统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。
2. 某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。
自动控制：在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控对象自动地按预定规律变化的控制过程。
自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。
控制器：对被控对象起控制作用的装置总体.被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。
输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。
输入量：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。
扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，称为干扰量或扰动量。
反馈控制原理人的一切活动都反映出反馈控制原理反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程负反馈：反馈的信号是与输入信号相减而使偏差越来越小反馈控制：采用负反馈，并利用偏差进行控制2 自动控制方式闭环控制（反馈控制）：是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。
开环控制：开环控制是指控制器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。
开环控制与闭环控制的比较开环优点:结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。
缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。
闭环优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。
缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
5 自动控制的发展历史自动控制成为一门科学是从1945发展起来开始多用于工业：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 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论1.胚胎萌芽期（1945年以前）1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器二战时期，军事的需要，飞机及船用自动驾驶仪、火炮系统、雷达跟踪2.经典控制理论时期（1945~1960）单输入单输出系统，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法3.现代控制理论时期（60年代初~）解决多输入多输出、时变参数控制问题，（状态空间法）4.先进控制理论（70年代末~）智能控制、鲁棒控制自动控制原理课程的任务与体系结构FeedbackBy “closing the loop”,effect is connected with cause, so that the cause—effect relationship is now one of interdependence.Of course , it is feedback that close the loop.。
自动控制理论-第一章 概论
本章重点：
1.自动控制概念； 2.控制系统的组成和术语； 3.控制系统的基本分类；
4.对控制系统的基本要求。
授课内容：
1.自动控制的概念
自动控制，是指在无人直接参 与的情况下，利用控制装置 （控制器）使被控对象(如生 产过程中的位移、速度、温 度，电力系统中电压、电流、 功率等物理量或某些化合物的 成分等)，依照预定的规律进 行运动或变化。这种能对被控 制对象的工作状态进行控制的 系统称为自动控制系统。它一 般由控制装置和被控对象组 成。 开环控制系统
自动控制理论教程
第一章 概 论
学习控制理论需要哪些预备知 识？
微积分 复变函数、拉普拉斯变换 普通物理 电路原理
控制理论在发展社会生产力中的作用
1. 军事、航天领域
火炮、雷达、跟踪系 统；
人造卫星、宇宙飞 船。
2. 工业生产过程
轧钢过程
造纸
水泥制造
化工
3. 现代农业生产
自 动 灌 概 农 产 品 质 量 检 测
疫 情 检 测
4.自动控制技术应用于其他领域
由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使 得控制技术水平不断提高，已扩大到经济与 社会生活各个领域，如通信、交通、医学、 环境保护、经济管理等领域，控制技术已成 为现代社会不可少的重要组成部分。 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、核力工程等 方面的研究和应用取得了长足进展。
(2)恒值控制系统和随动系统
恒值控制系统：参考输入为常量，要求它的被 控制量在任何扰动的作用下能尽快地恢复(或接 近)到原有的稳态值。由于这类系统能自动地消 除各种扰动对被控制量的影响，故它又名为自 镇定系统。 随动系统：参考输入是一个变化的量，一般是 随机的，要求系统的被控制量能快速、准确地 跟踪参考输入信号的变化而变化。
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
自动控制理论邹伯敏第三版第一章课件【精选】
主反馈
3、自动控制系统中信号的定义
(1)输入信号: 指给定装置输出的给定信号， 又称为参考输入或给定量。r(t) (2)输出信号(被控量)：指控制系统中被控制 的物理量。c(t) (3)反馈信号: 将系统(或环节)的输出信号经变 换、处理后送到系统 (或环节) 的输入端的信 号。b(t)
(4)误差信号:参考输入与主反馈信号之差 。 e(t)=r(t)-b(t) (5)扰动信号: 除控制信号以外，对系统的输 出有影响的信号,有内外扰动之分。 噪声d(t)
④1948年，伊万恩提出根轨迹分析方法
⑤1949年，英国人维纳在火炮控制中发现了反馈的概念，出 版了《控制——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，奠 定了控制论的基础
50年代中期，添加了非线性系统理论和离散控制理论，形 成了完整的理论体系。
3. 发展 迅速渗透到许多学科，应用于火炮、导弹控制系
统，数控、电力、 冶金
钱学森，1954年首创《工程控制论》
推广到其它领域： 生物控制论：生命系统 经济控制论：经济运行与发展问题 社会控制论：社会管理与社会服务问题 状态空间法被引入到控制理论中,Kalman 提出了能控
性,能观性, 是现代控制理论的重要标志.
三、分类
1.经典控制理论 40~50年代 以传递函数为基础，研究单输入、单输出系统的分析和设计，
制的基本原理 ③ 1877年，劳斯，1895年，赫维茨分别提出了系统稳定的
代数判据（19世纪末）
2. 奠定基础（20世纪）——经典控制论
①30~40年代，奈奎斯特提出系统稳定性的频率判据
奈氏图、奈氏判据，从时域分析转到频域分析
②1940年，博德在频率法中引入对数坐标系，博德图
③1942年，哈里斯引入传递函数概念
自动控制理论课件
第一章 控制系统导论
1.1 自动控制的基本原理 1.2 自动控制系统示例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 对控制系统的基本要求
End
本章重点
1. 自动控制和自动控制系统的含义； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。
本章难点
1.深刻理解反馈的概念和思想； 2.确定控制系统的被控对象、被控量、给定量等； 绘制方块图，分析实际控制系统的基本原理。
y2 (t)
则当 原方程式的解为
时容易验证， ，这就是叠加性。
叠加性表明，两个不同的外作用同时作用于系统 所产生的总响应，等于两个外作用单独作用时分 别产生的响应之和。
(b)齐次性
当输入量增大或缩小k (k为实数)倍时，系统输出
量也按同一倍数增大或缩小。即当
时，
式中a为常数，则方程式的解为
，
这就是齐次性。齐次性表明，当外作用的数值增
d 2 x(t) dx(t) dt2 2t dt x(t) y(t)
四、按信号传递的形式
连续系统和离散系统 连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的
模拟量传递的系统。即系统中各元件的输入量和 输出量均为时间的连续函数。连续系统的运动规 律可以用微分方程来描述。系统内某处或数处信 号是以脉冲序列或数码形式传递的系统则称为离 散系统，如下图所示，其运动方程只能用差分方 程描述。
应用场合：
1. 控制量的变化规律可以预知。 2. 可能出现的干扰可以抑制。 3. 被控量很难测量。
应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。
闭环控制
控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用， 而且还有反向联系. 闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。
1.1 自动控制的基本原理 1.2 自动控制系统示例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 对控制系统的基本要求
End
本章重点
1. 自动控制和自动控制系统的含义； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。
本章难点
1.深刻理解反馈的概念和思想； 2.确定控制系统的被控对象、被控量、给定量等； 绘制方块图，分析实际控制系统的基本原理。
y2 (t)
则当 原方程式的解为
时容易验证， ，这就是叠加性。
叠加性表明，两个不同的外作用同时作用于系统 所产生的总响应，等于两个外作用单独作用时分 别产生的响应之和。
(b)齐次性
当输入量增大或缩小k (k为实数)倍时，系统输出
量也按同一倍数增大或缩小。即当
时，
式中a为常数，则方程式的解为
，
这就是齐次性。齐次性表明，当外作用的数值增
d 2 x(t) dx(t) dt2 2t dt x(t) y(t)
四、按信号传递的形式
连续系统和离散系统 连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的
模拟量传递的系统。即系统中各元件的输入量和 输出量均为时间的连续函数。连续系统的运动规 律可以用微分方程来描述。系统内某处或数处信 号是以脉冲序列或数码形式传递的系统则称为离 散系统，如下图所示，其运动方程只能用差分方 程描述。
应用场合：
1. 控制量的变化规律可以预知。 2. 可能出现的干扰可以抑制。 3. 被控量很难测量。
应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。
闭环控制
控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用， 而且还有反向联系. 闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。
第一章 自动控制理论概述
第一章 自动控制基本概念
第一章 自动控制基本概念
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4 引言 自动控制的基本概念 自动控制系统的组成和分类 自动控制系统的基本要求
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
本章重点
1. 自动控制的含义； 自动控制的含义； 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。 控制系统的组成和分类和特点。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
• 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等 各个领域中起着重要的作用！ • 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医 学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。 • 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。
• 《自动控制理论》是自动控制技术的基础理论，是 一门理论性较强的工程科学。 现代的工程技术人员和科学工作者， 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备 一定的自动控制理论基础知识！ 一定的自动控制理论基础知识！
输入r(t) 输出c(t) 实际 1 2 1 0 t 0 t 控制工程基础 理想的 调节过程
本章难点
1. 深刻理解反馈的概念和思想； 深刻理解反馈的概念和思想； 2. 确定控制系统的被控对象、被控量、给定量 确定控制系统的被控对象、被控量、 等等，绘制方块图， 等等，绘制方块图，分析实际控制系统的基 本原理。 本原理。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
§1－1 引言 －
以系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 为代表的科学方法论 是一门新兴的学科， 是一门新兴的学科，为人类认识世界和改造世界提 供了强有力的武器。 供了强有力的武器。 关于控制论的几种说法 说法一： 控制论”是关于机器的理论。 说法一：“控制论”是关于机器的理论。 说法二： 控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法三： 控制论”是类似于数学的一门学科。 说法三：“控制论”是类似于数学的一门学科。 说法四： 控制论” 说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通 信的科学。（维纳定义） 。（维纳定义 信的科学。（维纳定义）
第一章 自动控制基本概念
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4 引言 自动控制的基本概念 自动控制系统的组成和分类 自动控制系统的基本要求
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
本章重点
1. 自动控制的含义； 自动控制的含义； 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。 控制系统的组成和分类和特点。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
• 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等 各个领域中起着重要的作用！ • 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医 学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。 • 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。
• 《自动控制理论》是自动控制技术的基础理论，是 一门理论性较强的工程科学。 现代的工程技术人员和科学工作者， 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备 一定的自动控制理论基础知识！ 一定的自动控制理论基础知识！
输入r(t) 输出c(t) 实际 1 2 1 0 t 0 t 控制工程基础 理想的 调节过程
本章难点
1. 深刻理解反馈的概念和思想； 深刻理解反馈的概念和思想； 2. 确定控制系统的被控对象、被控量、给定量 确定控制系统的被控对象、被控量、 等等，绘制方块图， 等等，绘制方块图，分析实际控制系统的基 本原理。 本原理。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
§1－1 引言 －
以系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 为代表的科学方法论 是一门新兴的学科， 是一门新兴的学科，为人类认识世界和改造世界提 供了强有力的武器。 供了强有力的武器。 关于控制论的几种说法 说法一： 控制论”是关于机器的理论。 说法一：“控制论”是关于机器的理论。 说法二： 控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法三： 控制论”是类似于数学的一门学科。 说法三：“控制论”是类似于数学的一门学科。 说法四： 控制论” 说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通 信的科学。（维纳定义） 。（维纳定义 信的科学。（维纳定义）
自动控制理论第一章绪论
четверг, 10 июня 2021 г.
E精XI选TPPT课件
第1章第5页 5
1.1 引言 1.2控制系统基本工作原理 1.3控制系统分类 1.4闭环控制系统的基本组成 1.5控制系统的基本要求 1.6控制理论的发展历程
четверг, 10 июня 2021 г.
E精XI选TPPT课件
第1章第20页20
第1章 自动控制理论概述
应用： 广泛应用的开环控制系统，如自动售货机、自动 洗衣机、产品自动生产流水线及交通指挥的红绿 灯转换等。
четверг, 10 июня 2021 г.
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第1章第21页21
第1章 自动控制理论概述
➢ 开环控制系统示意图
工作台
Xc
Xr
50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线性非线性定常时变系统多输入多输出描述方法传递函数输入输出描述向量空间状态空间描述研究办法根轨迹法和频率法状态空间法研究目标系统分析及给定输入输出情况下的系统综揭示系统的内在规律实现在一定意义下的最优控制与设计51现代控制理论的发展最优控制系统辨识多变量控制自适应控制专家系统人工智能神经网络控制模糊控制大系统理论等等52现代控制理论的发展大系统控制理论大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论研究的对象具有规模庞大结构复杂功能综合目标多样因素众多等特点
четверг, 10 июня 2021 г.
E精XI选TPPT课件
第1章第13页13
坦克火控系统
четверг, 10 июня 2021 г.
E精XI选TPPT课件
第1章第14页14
第1章 自动控制理论概述
自动控制理论第一章习题答案.doc
第一章自动控制概论思考题1、什么是自动控制？他对人类活动有什么意义？所谓自动控制就是在没有人直接参与的情况下，通过控制装置使被控制对彖或生产过程自动地按照预定的规律运行，使Z达到预期的状态或性能要求。
自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程屮发展起來的一门重要的科学技术。
依靠它，人类可以从笨重、重复性的劳动中解放出來，从事更富创造性的工作。
2、什么是反馈？什么是负反馈？通常，我们把输出量送回到输入端并与输入信号比较的过程称为反馈。
若反馈的信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈。
3、开环控制系统是怎样实现控制作用的？请举例说明。
开环控制系统：如果系统的输出端和输入端Z间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。
例：原始的数控机床进给系统就是开环控制系统。
指令输入到计算机控制系统Z中，带动步进电机运动，使工作台移动，产生位移输出。
在口常生活中，许多控制系统都可以理解成开环控制系统，如电风扇的转速是由档位决定的，不能根据环境温度自动调节；洗衣机定时系统是由功能和时间决定，不能根据所洗衣物清洁程度自动调节。
4、闭环控制系统是怎样实现控制作用的？请举例说明。
闭环控制系统：闭环控制（亦称为反馈控制，Feedback Control）是指能对输出量与输入量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者Z间预定关系的系统。
如：自动调温空调，当环境温度高于设定温度时，空调制冷系统自动开启，调定室温到设定值。
5、对自动控制系统的基本要求是什么？对控制系统的基本要求是：系统的稳定性、响应的快速性、响应的准确性。
6、试叙述电冰箱中温度控制系统的温度控制过程。
电冰箱温度控制系统由感温管，温度调节，执行动作等系统组成。
冰箱没工作时，感温管内气体遇热就膨涨，触点就将两原来断开的接触点靠在一起了。
冰箱在工作时，由于冰箱内制冷系统在给冰箱不段的输入冷气，就越来越冷，随着温度不短降低，感温管内的气体缩小，气垫就将断点段开，然而就将冰箱停止工作！7、试叙述骑自行车时的闭环控制过程。
自动控制理论课件(PPT 31张)
11
电气与自动化工程学院
研究生专业外语
Science Citation Index
科学引文索引
Eugene Garfield 尤金· 加菲得 “SCI之父”
Science, 122(3159), p.108-11, July 1955.
电气与自动化工程学院
12
研究生专业外语
引文
在文献甲中提到或描述了文献乙，并以文后参考 书目或脚注的形式列出了文献乙的出处，其目的在于 指出信息的来源、提供某一观点的依据、借鉴陈述某 一事件（实）等。这时，便称文献乙为文献甲的引文， 称文献甲为文献乙的引证文献。引文通常也称为被引 文献或参考文献，引证文献通常也称为来源文献。
xt ( ) e ut ( ) K K K K e ( t ) e I I ( t ) e
式中
8
电气与自动化工程学院
研究生专业外语
作业：某系统的状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵为
0.009 0.265 0 9 .8 0 6 .8 0e5 .67e4 0.91 1 0 6 .70e6 8 5 .96e4 5 .02 1 .1 0 0 4 .47e6 A 0 0 1 0 0 0 150 0 150 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 .0 4 6 4 2 .2 4 1 1 B= 0 0 0 6 .2 3 8 5 e 6 2 .5 2 3 0 e 9 1.0 3 5 1 e 9 0 0 0
基于LQR的跟踪控制问题
前述LQR为状态调节器问题，主要实现状态调节， 利用LQR方法实现对参考输入的跟踪控制。
基本思路：将跟踪控制问题转换为状态调节器问题。
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研究生专业外语
Science Citation Index
科学引文索引
Eugene Garfield 尤金· 加菲得 “SCI之父”
Science, 122(3159), p.108-11, July 1955.
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12
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引文
在文献甲中提到或描述了文献乙，并以文后参考 书目或脚注的形式列出了文献乙的出处，其目的在于 指出信息的来源、提供某一观点的依据、借鉴陈述某 一事件（实）等。这时，便称文献乙为文献甲的引文， 称文献甲为文献乙的引证文献。引文通常也称为被引 文献或参考文献，引证文献通常也称为来源文献。
xt ( ) e ut ( ) K K K K e ( t ) e I I ( t ) e
式中
8
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研究生专业外语
作业：某系统的状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵为
0.009 0.265 0 9 .8 0 6 .8 0e5 .67e4 0.91 1 0 6 .70e6 8 5 .96e4 5 .02 1 .1 0 0 4 .47e6 A 0 0 1 0 0 0 150 0 150 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 .0 4 6 4 2 .2 4 1 1 B= 0 0 0 6 .2 3 8 5 e 6 2 .5 2 3 0 e 9 1.0 3 5 1 e 9 0 0 0
基于LQR的跟踪控制问题
前述LQR为状态调节器问题，主要实现状态调节， 利用LQR方法实现对参考输入的跟踪控制。
基本思路：将跟踪控制问题转换为状态调节器问题。
自动控制理论课件ppt课件
闭环
开环
（反馈） （前馈）
复合
定值
程序
随动
线性
非线性
电动
气动
液动
连续
离散
第四节 对自动控制系统的基本要求
控制系统性能指标评价
稳定性
稳态性能
动态性能
前馈控制方案举例
补水流量
优点： 调节速度快； 结构简单，造价低。 缺点： 抗干扰能力单一； 调节品质难以保证。
用水流量
第一章 绪论
第一节 概述 第二节 自动控制系统的一般概念 第三节 自动控制系统的分类 第四节 对自动控制系统的基本要求
第一节 概 述
自动控制理论—设计、分析与应用自动控制系统的基础理论知识。
自动控制系统—在无人直接参与的前提下，实现生产过程自动化的所有设 备的整体。
“自动控制”所涉及到的领域—遍及工业生产、军事、航空航天及日常生 活的每一个领域，还有替代实施规范操作的机器人
学习 “自动控制理论”课程最终所要达到的目的
➢ 掌握“全面评价自动控制系统控制水平”的能力； ➢ 了解“改善系统性能”的基本方法； ➢ 了解“设计满足用户要求的自动控制系统”的基本思路。
主要内容及承上启下的关系
本课程设计到的基础理论知识
自动控制系统应用实例
相关概念：
1、开环顺序控制 系统
2、闭环控制系统
给定值
测量值
控制信号
控制量
执行器
检测变送器
干扰 被调量被控对象ຫໍສະໝຸດ 关注负反馈自动控制系统的共性:
组成 --- 设备、信号的名称。调节机理 ---依据偏差调节，消除偏差为目的。
第三节 自动控制系统分类
类别
按系统结构分类 按给定值特性分类 按系统模型特征分类 按执行机构特性分类 按系统传输信号形式分类
自动控制理论第一章解析
2、开环控制系统结构图
由于在开环控制系统中，控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系，系 统的被控变量对控制作用没有任何影响，系统的控制精度完全取决于所用元器件的 精度和特性调整的准确度。因此开环系统只有在输出量难于测量且要求控制精度不 高以及扰动的影响较小或扰动的作用可以预先加以补偿的场合，才得以广泛应用。
三.闭环控制系统的组成
闭环控制系统的组成 ： 就其工作原理来说，闭环控制系统是由给定装置、比较 比较元件通常位于低功率的 给定装置 校正装置：其功能是对偏差信 ： 其功能是 元件、校正装置、放大元件、执行机构、检测元件和被控对 输入端，由于提供的偏差信 给出与期望的被控量相 号进行加工处理和运算，以形 执行机构：其功能是执行控制 象组成的 。 号通常很微弱，因此须用放 对应的系统输入量（即 成合适的控制作用，或形成适 比较元件：其功能是将检测元 作用并驱动被控对象，使被控 大元件将其放大，以便推动 参考输入信号或给定 当的控制规律，从而使系统的 件测量到的被控量的实际值， 量按照预定的规律变化。 检测元件 ：其功能是测量被控制的 执行机构去控制被控对象。 值）。 被控量按预定的规律变化。 与给定装置提供的给定值进行 物理量，并将其反馈到系统输入端。 比较，求出它们之间的偏差。 扰动
这种通过负反馈产生偏差，并根据偏差的信息进行控制，以 达到最终消除偏差或使偏差减小到容许范围内的控制原理，称 为负反馈控制原理，简称反馈控制原理。因此闭环控制系统又 称为反馈控制系统或偏差控制系统。
通常，在闭环控制系统中，从系统输入量到系统被控量之间 的通道称为前向通道，从被控量到输入端的反馈信号（用以减 少或增加输入量的作用）之间的通道称为反馈通道。
例：人工控制的恒值水位系统
要求水位 阀门 进水 水池
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2017/3/27 第一章 绪论
1.1 自动控制系统的构成 二、自动控制系统的组成
• 简 单 的 水 箱 液 位 控 制
2017/3/27
第一章 绪论
水箱液位自动控制系统
2017/3/27
第一章 绪论
飞机示意图
反馈电位器
给定电位器
2017/3/27 第一章 绪论
飞机方块图
θ0
扰动
给 定 装 置
机床电机速度控制 雷达天线位置随动控 制 温度控制 压力控制 液位控制 汽车恒速行驶控制 卫星姿态控制 机器人运动控制
确定性系统与随机系统
• 确定性系统 系统的模型、参数、输入信号均为已知，输 出可以用数学方法加以准确地确定。 确定性系统可以用微分方程、差分方程、传 递函数等数学工具进行描述。 • 随机系统 系统输入信号具有随机性或输出测量具有随 机干扰时，对应系统称为随机系统。随机系统的 控制需要更多的数学工具，理论十分复杂。 • 本课程仅研究确定性系统
2017/3/27
第一章 绪论
国民收入经济运行反馈系统的简化框图
2017/3/27 第一章 绪论
1.3 自动控制系统的分类
• • • • • 开环控制系统与闭环控制系统 确定性系统与随机系统 连续系统与离散系统 线性系统和非线性系统 两类典型的反馈系统
2017/3/27
第一章 绪论
开环控制系统与闭环控制系统
自动控制原理
授课教师： 刘小河 2014年3月
2017/3/27 第一章 绪论
控制理论所要解决的主要问题
1
系统建模（实际问题抽象，数学描述）
2
3 4
系统分析 （稳定性， 动/静态性能）
系统综合
（方案选择，设计)
系统验证（数字仿真，半实物/实物仿真）
2017/3/27
第一章 绪论
控制理论是应用基础理论
2017/3/27
任课教师简介
• 研究方向：非线性系统控制，自适应控制与鲁棒 控制 • 主要学术成果 专著5部（独立编写3部），主编教材1部，主审教 材1部，参编教学参考书1部 发表论文100余篇，EI等检索近40篇 主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金重 点项目、省部级项目及其他各类项目10余项，获 国家教学成果1等奖1项，省级教学成果1等奖2项， 科技进步奖3项，优秀论文、优秀教材奖多项
2017/3/27
第 1章
绪论
1.1 自动控制系统的构成 1.2 典型自动控制系统示例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 自动控制系统的基本性能要求 1.5 自动控制理论研究的内容和方法
2017/3/27
第一章 绪论
• 自动控制技术在工业、国防和科学技术领域都起 着十分重要的作用 • 航空航天领域：卫星、飞船、飞机必须应用自动 控制系统保障系统的正常运行 • 国防领域：导弹制导系统、雷达跟踪系统、火炮 控制系统等大量应用自动控制技术 • 工业生产过程：对压力、流量、温度、化学成分 等的控制 • 电气装置：对电机转速、机械位移、电参量（电 压、电流、功率等）进行控制，以达到相应要求， 或保障系统正常运行。
2017/3/27
第一章 绪论
开环控制系统与闭环控制系统
2.
•
闭环控制系统
按负反馈原理组成的闭环控制系统才是真正意义上的自动控 制系统，反馈控制是自动控制最基本的形式，自动控制理论主要 就是围绕反馈控制来研究自动控制系统的。 • 优点：可以消除前向通道中各种扰动带来的影响，精度高， 动态响应好 • 缺点：系统参数设置不当时，会产生震荡或不稳定
2017/3/27 第一章 绪论
连续——离散控制系统
• 采样控制系统（数字控制系统） 工业过程中，被控对象通常是连续的，绝大多 控制系统的被控量是连续时间信号。 计算机等数字运算装置只能处理数字信号 为了用计算机进行控制，需要将一些信号转换 为离散的数字信号，采用计算机进行处理后，再 转换为连续信号进行控制，这样的系统称为采样 控制系统。 采样控制系统具有控制精度高、抗干扰能力 强、能实现复杂控制（如最优控制）等优点。
控制性能要求比较低或 扰动对系统性能影响不 大的场合。
闭环控制 通过测量装置将输 出信号传递到输入 端与期望信号进行 比较，得到偏差信 号作用于控制器， 产生控制信号使得 偏差朝着减小的趋 势变化，使系统的 运动趋于预定的目 标（例如趋于稳定 状态）。 2017/3/27
优点：通过设计控制器，可 使系统具有满意的动态 及稳态性能。可以减少 或部分消除各类干扰的 影响。可以减小系统参 数变化所造成的影响。 缺点：增加了系统的复杂度 ，提高了系统的成本。 可能造成系统的稳定性 问题。 应用场合：广泛应用于各种 具有较高的动态及稳态 性能指标的自动控制系 第一章 绪论 统
2017/3/27 第一章 绪论
连续系统与离散系统
• 连续系统 系统的模型可以由微分方程描述，输入、 输出信号均为时间的连续函数。 水位控制系统、电机调速控制系统等均 为连续系统。本课主要研究连续系统。 • 离散系统 离散系统的数学模型用差分方程描述， 输入、输出信号为离散信号。例如经济系 统可能为一个离散系统。
• 开环控制和闭环控制是按信号的传递路径来区 分的两种不同的控制形式。 1. 开环控制
2017/3/27
第一章 绪论
开环控制系统与闭环控制系统
2. 闭环控制系统
• 电动机的控制是闭环控制系统的典型例子
2017/3/27
第一章 绪论
开环控制系统与闭环控制系统
2.
•
闭环控制系统
自动控制最基本的形式，将被控量测量出来， 反馈至控制系统的输入端与给定信号进行比较得 出偏差信号，然后根据偏差对被控对象实施有效 控制，达到消除或减少偏差的目的。
第一章 绪论
小结
• 自动控制系统：由控制对象和控制装置按 一定方式连接起来，完成一定的控制任务 的总体的统称 自动控制系统应能克服各种扰动，使被 控量按给定的要求而变化（通常用一定的 性能指标来衡量） • 自动控制理论的任务：为满足一定的控制 要求，对控制系统，建立数学模型，对系 统的性能进行分析，进行控制器的设计
课程基本情况
• 作业：每章交1～2次 • 教师：刘小河 教授 (liuxiaohe551026@, 82427153, 教一楼318） • 辅导：研究生 • 成绩：阶段小测验 20% • 实验 10% • 平时 10% • 期末考试（笔试闭卷）60%
2017/3/27 第一章 绪论
关于学习的几点建议
典型例子 电机顺序启动控制 步进电机开环控制 自动门的开启控制 交通信号的顺序控制 广告灯的顺序控制 电饭锅的顺序控制
控制器的控制作用 优点：控制系统的设计、实 现比较简单。 由系统的给定输入 决定，经过执行机 缺点：当外界扰动或参数变 化而造成输出量偏离预 构控制被控对象， 期的目标时，对于这种 系统的输出不影响 偏差没有调节的能力。 控制作用。 应用场合：一般应用于动态
2017/3/27
第一章 绪论
课程基本情况
• 实验：模拟实验
• • • • • 实验1 实验2 实验3 实验4 实验5 典型环节模拟研究 二阶系统的瞬态响应研究 线性系统的稳定性研究 控制系统频率特性研究 控制系统的基本控制规律研究 2学时 2学时 2学时 2学时 2学时
2017/3/27
第一章 绪论
2017/3/27 第一章 绪论
任课教师简介
• 刘小河，工学博士，教授，博士生导师（北京交 通大学） • 2006-2013年任教育部教学指导委员会自动化分 委员会委员，中国自动化学会应用委员会委员， 中国高等学校研究会自动化学科委员会委员，中 国电子高教学会理事，北京市人工智能学会理事 • 北京信息科技大学学术委员会委员，北京信息科 技大学学报编委，北京信息科技大学自动化学院 院长，院学术委员会主任，学位分委员会主席， 控制科学与工程一级学科（校引领学科）带头人， 控制理论与控制工程学科（北京市重点建设学科） 学科带头人
放 大 器
舵 机
飞 机
θc
反馈电 位器 垂直 陀螺仪
2017/3/27 第一章 绪论 俯仰角控制系统方块图
典型的闭环自动控制系统的组成：
(1)被控对象 控制系统所要控制的设备或过程 (2)给定环节 产生给定输入信号的环节 (3)测量环节 随时将被控制量检测出来的装置 (4)比较环节 其功能是将给定的输入信号（被控制量的希 望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较 (5)控制环节 它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作 被控对象，实现被控量达到所希望的目标 (6)执行环节 按控制环节的控制决策，具体实施对控制对 象的操作
2017/3/27
第一章 绪论
反馈的作用
• 将输出量通过一定的测量装置将输出信号传递到 输入端与期望信号进行比较的方式称为反馈 • 正反馈和负反馈 • 反馈的基本作用依据偏差对系统施加影响，以使 偏差朝减小的方向演化。 • 可以通过设计控制器，使闭环控制系统具有满意 的动态性能。 • 反馈使系统在某些被控对象发生参数漂移情况下 仍然可以保持一定的控制目标。 • 当系统存在干扰时，反馈可以减少或部分消除干 扰的影响。 2017/3/27
2017/3/27
第一章 绪论
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.1 自动控制系统的构成
一、名词解释
过程 — 任何一个（可被控制的）具有一系列逐渐变化的 运行状态的客观对象称为过程。如：化学过程、冶炼过程、 电机启动过程、生态过程等 系统 — 由若干个相互关联、互相作用的客体按一定规 律组合而成的具有特定功能的整体的对象统称。 自动控制 — 在没有人的参与下，利用控制（及检测）装 置使过程（或对象）自动按事先预定规律运行或使某些参 数按预定要求变化 自动控制系统 —是指能够实现“自动化”任务的设备， 它是人造系统，而且是工程技术领域的人造系统。自动控 制系统通常由控制部分和控制对象组成。
1.1 自动控制系统的构成 二、自动控制系统的组成
• 简 单 的 水 箱 液 位 控 制
2017/3/27
第一章 绪论
水箱液位自动控制系统
2017/3/27
第一章 绪论
飞机示意图
反馈电位器
给定电位器
2017/3/27 第一章 绪论
飞机方块图
θ0
扰动
给 定 装 置
机床电机速度控制 雷达天线位置随动控 制 温度控制 压力控制 液位控制 汽车恒速行驶控制 卫星姿态控制 机器人运动控制
确定性系统与随机系统
• 确定性系统 系统的模型、参数、输入信号均为已知，输 出可以用数学方法加以准确地确定。 确定性系统可以用微分方程、差分方程、传 递函数等数学工具进行描述。 • 随机系统 系统输入信号具有随机性或输出测量具有随 机干扰时，对应系统称为随机系统。随机系统的 控制需要更多的数学工具，理论十分复杂。 • 本课程仅研究确定性系统
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第一章 绪论
国民收入经济运行反馈系统的简化框图
2017/3/27 第一章 绪论
1.3 自动控制系统的分类
• • • • • 开环控制系统与闭环控制系统 确定性系统与随机系统 连续系统与离散系统 线性系统和非线性系统 两类典型的反馈系统
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第一章 绪论
开环控制系统与闭环控制系统
自动控制原理
授课教师： 刘小河 2014年3月
2017/3/27 第一章 绪论
控制理论所要解决的主要问题
1
系统建模（实际问题抽象，数学描述）
2
3 4
系统分析 （稳定性， 动/静态性能）
系统综合
（方案选择，设计)
系统验证（数字仿真，半实物/实物仿真）
2017/3/27
第一章 绪论
控制理论是应用基础理论
2017/3/27
任课教师简介
• 研究方向：非线性系统控制，自适应控制与鲁棒 控制 • 主要学术成果 专著5部（独立编写3部），主编教材1部，主审教 材1部，参编教学参考书1部 发表论文100余篇，EI等检索近40篇 主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金重 点项目、省部级项目及其他各类项目10余项，获 国家教学成果1等奖1项，省级教学成果1等奖2项， 科技进步奖3项，优秀论文、优秀教材奖多项
2017/3/27
第 1章
绪论
1.1 自动控制系统的构成 1.2 典型自动控制系统示例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 自动控制系统的基本性能要求 1.5 自动控制理论研究的内容和方法
2017/3/27
第一章 绪论
• 自动控制技术在工业、国防和科学技术领域都起 着十分重要的作用 • 航空航天领域：卫星、飞船、飞机必须应用自动 控制系统保障系统的正常运行 • 国防领域：导弹制导系统、雷达跟踪系统、火炮 控制系统等大量应用自动控制技术 • 工业生产过程：对压力、流量、温度、化学成分 等的控制 • 电气装置：对电机转速、机械位移、电参量（电 压、电流、功率等）进行控制，以达到相应要求， 或保障系统正常运行。
2017/3/27
第一章 绪论
开环控制系统与闭环控制系统
2.
•
闭环控制系统
按负反馈原理组成的闭环控制系统才是真正意义上的自动控 制系统，反馈控制是自动控制最基本的形式，自动控制理论主要 就是围绕反馈控制来研究自动控制系统的。 • 优点：可以消除前向通道中各种扰动带来的影响，精度高， 动态响应好 • 缺点：系统参数设置不当时，会产生震荡或不稳定
2017/3/27 第一章 绪论
连续——离散控制系统
• 采样控制系统（数字控制系统） 工业过程中，被控对象通常是连续的，绝大多 控制系统的被控量是连续时间信号。 计算机等数字运算装置只能处理数字信号 为了用计算机进行控制，需要将一些信号转换 为离散的数字信号，采用计算机进行处理后，再 转换为连续信号进行控制，这样的系统称为采样 控制系统。 采样控制系统具有控制精度高、抗干扰能力 强、能实现复杂控制（如最优控制）等优点。
控制性能要求比较低或 扰动对系统性能影响不 大的场合。
闭环控制 通过测量装置将输 出信号传递到输入 端与期望信号进行 比较，得到偏差信 号作用于控制器， 产生控制信号使得 偏差朝着减小的趋 势变化，使系统的 运动趋于预定的目 标（例如趋于稳定 状态）。 2017/3/27
优点：通过设计控制器，可 使系统具有满意的动态 及稳态性能。可以减少 或部分消除各类干扰的 影响。可以减小系统参 数变化所造成的影响。 缺点：增加了系统的复杂度 ，提高了系统的成本。 可能造成系统的稳定性 问题。 应用场合：广泛应用于各种 具有较高的动态及稳态 性能指标的自动控制系 第一章 绪论 统
2017/3/27 第一章 绪论
连续系统与离散系统
• 连续系统 系统的模型可以由微分方程描述，输入、 输出信号均为时间的连续函数。 水位控制系统、电机调速控制系统等均 为连续系统。本课主要研究连续系统。 • 离散系统 离散系统的数学模型用差分方程描述， 输入、输出信号为离散信号。例如经济系 统可能为一个离散系统。
• 开环控制和闭环控制是按信号的传递路径来区 分的两种不同的控制形式。 1. 开环控制
2017/3/27
第一章 绪论
开环控制系统与闭环控制系统
2. 闭环控制系统
• 电动机的控制是闭环控制系统的典型例子
2017/3/27
第一章 绪论
开环控制系统与闭环控制系统
2.
•
闭环控制系统
自动控制最基本的形式，将被控量测量出来， 反馈至控制系统的输入端与给定信号进行比较得 出偏差信号，然后根据偏差对被控对象实施有效 控制，达到消除或减少偏差的目的。
第一章 绪论
小结
• 自动控制系统：由控制对象和控制装置按 一定方式连接起来，完成一定的控制任务 的总体的统称 自动控制系统应能克服各种扰动，使被 控量按给定的要求而变化（通常用一定的 性能指标来衡量） • 自动控制理论的任务：为满足一定的控制 要求，对控制系统，建立数学模型，对系 统的性能进行分析，进行控制器的设计
课程基本情况
• 作业：每章交1～2次 • 教师：刘小河 教授 (liuxiaohe551026@, 82427153, 教一楼318） • 辅导：研究生 • 成绩：阶段小测验 20% • 实验 10% • 平时 10% • 期末考试（笔试闭卷）60%
2017/3/27 第一章 绪论
关于学习的几点建议
典型例子 电机顺序启动控制 步进电机开环控制 自动门的开启控制 交通信号的顺序控制 广告灯的顺序控制 电饭锅的顺序控制
控制器的控制作用 优点：控制系统的设计、实 现比较简单。 由系统的给定输入 决定，经过执行机 缺点：当外界扰动或参数变 化而造成输出量偏离预 构控制被控对象， 期的目标时，对于这种 系统的输出不影响 偏差没有调节的能力。 控制作用。 应用场合：一般应用于动态
2017/3/27
第一章 绪论
课程基本情况
• 实验：模拟实验
• • • • • 实验1 实验2 实验3 实验4 实验5 典型环节模拟研究 二阶系统的瞬态响应研究 线性系统的稳定性研究 控制系统频率特性研究 控制系统的基本控制规律研究 2学时 2学时 2学时 2学时 2学时
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第一章 绪论
2017/3/27 第一章 绪论
任课教师简介
• 刘小河，工学博士，教授，博士生导师（北京交 通大学） • 2006-2013年任教育部教学指导委员会自动化分 委员会委员，中国自动化学会应用委员会委员， 中国高等学校研究会自动化学科委员会委员，中 国电子高教学会理事，北京市人工智能学会理事 • 北京信息科技大学学术委员会委员，北京信息科 技大学学报编委，北京信息科技大学自动化学院 院长，院学术委员会主任，学位分委员会主席， 控制科学与工程一级学科（校引领学科）带头人， 控制理论与控制工程学科（北京市重点建设学科） 学科带头人
放 大 器
舵 机
飞 机
θc
反馈电 位器 垂直 陀螺仪
2017/3/27 第一章 绪论 俯仰角控制系统方块图
典型的闭环自动控制系统的组成：
(1)被控对象 控制系统所要控制的设备或过程 (2)给定环节 产生给定输入信号的环节 (3)测量环节 随时将被控制量检测出来的装置 (4)比较环节 其功能是将给定的输入信号（被控制量的希 望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较 (5)控制环节 它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作 被控对象，实现被控量达到所希望的目标 (6)执行环节 按控制环节的控制决策，具体实施对控制对 象的操作
2017/3/27
第一章 绪论
反馈的作用
• 将输出量通过一定的测量装置将输出信号传递到 输入端与期望信号进行比较的方式称为反馈 • 正反馈和负反馈 • 反馈的基本作用依据偏差对系统施加影响，以使 偏差朝减小的方向演化。 • 可以通过设计控制器，使闭环控制系统具有满意 的动态性能。 • 反馈使系统在某些被控对象发生参数漂移情况下 仍然可以保持一定的控制目标。 • 当系统存在干扰时，反馈可以减少或部分消除干 扰的影响。 2017/3/27
2017/3/27
第一章 绪论
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.1 自动控制系统的构成
一、名词解释
过程 — 任何一个（可被控制的）具有一系列逐渐变化的 运行状态的客观对象称为过程。如：化学过程、冶炼过程、 电机启动过程、生态过程等 系统 — 由若干个相互关联、互相作用的客体按一定规 律组合而成的具有特定功能的整体的对象统称。 自动控制 — 在没有人的参与下，利用控制（及检测）装 置使过程（或对象）自动按事先预定规律运行或使某些参 数按预定要求变化 自动控制系统 —是指能够实现“自动化”任务的设备， 它是人造系统，而且是工程技术领域的人造系统。自动控 制系统通常由控制部分和控制对象组成。