(国家精品课件)自动控制原理 王建辉1.3
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东北大学 自动控制原理 王建辉 清华大学DD 课件1
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。
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
东北大学《自动控制原理》课程组
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
东北大学《自动控制原理》课程组
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
东北大学《自动控制原理》课程组
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。
《自动控制原 》课件
信号流图
总结词
表示信号传递和处理的图形表示
详细描述
信号流图是表示信号传递和处理的图形，通过信号流图可以分析系统的动态特性和稳定 性，以及各组成部分之间的相互影响。
03
自动控制系统分析方法
时域分析法
总结词
通过建立和解决自动控制系统的微分方 程来分析系统的动态性能。
VS
详细描述
时域分析法是一种直接的方法，通过建立 系统的微分方程来描述系统的动态行为， 并求解该方程以获得系统的响应。这种方 法可以提供关于系统性能的详细信息，如 超调量、调节时间、稳态误差等。
有卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波等。
05
自动控制系统应用实例
总结词
温度控制系统是自动控制系统中常 见的一种，主要用于工业和家庭中 需要对温度进行精确控制的场合。
详细描述
温度控制系统通过温度传感器检测温度，并 将温度信号转换为电信号，控制器根据设定 值与实际值的偏差进行调节，控制加热或制
冷设备，使温度维持在设定范围内。
《自动控制原 》ppt课件
contents
目录
• 自动控制原理简介 • 自动控制系统数学模型 • 自动控制用实例
01
自动控制原理简介
自动控制系统的基本概念
自动控制系统
01
通过自动调节、控制、监视等手段，使某一设备或系统按照预
定的规律运行的系统。
自动控制系统的分类
1 2
按控制方式分类
开环控制系统、闭环控制系统、复合控制系统等 。
按被控参数分类
温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等 。
3
按控制规律分类
比例控制系统、积分控制系统、微分控制系统等 。
02
《自动控制原理》PPT课件_OK
例如对一个微分方程，若已知初值和输入值，对 微分方程求解，就可以得出输出量的时域表达式。 据此可对系统进行分析。所以建立控制系统的数学 模型是对系统进行分析的第一步也是最重要的一步。
控制系统如按照数学模型分类的话，可以分为线 性和非线性系统，定常系统和时变系统。
2021/7/21
2
自动控制原理
[线性系统]：如果系统满足叠加原理，则称其为线性系 统。叠加原理说明，两个不同的作用函数同时作用于 系统的响应，等于两个作用函数单独作用的响应之和。
[解]速度控制系统微分方程为：
a2 a1 a0 b1ug b0ug 对上式各项进行拉氏变换，得：
(s)(a2s2 a1s a0) Ug (s)(b1s b0)
即：
(s)
(b1s (a2s2
b0 ) a1s
a0 )
U
g
(s)
当输入已知时，求上式的拉氏反变换，即可求得输出
的时域解。
2021/7/21
2021/7/21
20
自动控制原理
[关于传递函数的几点说明]
❖ 传递函数的概念适用于线性定常系统，与线性常系 数微分方程一一对应。与系统的动态特性一一对应。
❖ 传递函数不能反映系统或元件的学科属性和物理性 质。物理性质和学科类别截然不同的系统可能具有 完全相同的传递函数。而研究某传递函数所得结论 可适用于具有这种传递函数的各种系统。
将上式求拉氏变化，得(令初始值为零）
(ansn an1sn1 a1s a0)Y(s) (bmsm bm1sm1 b1s b0)X (s)
G(s)
Y (s) X (s)
bm s m an s n
bm1sm1 b1s b0 an1sn1 a1s a0
控制系统如按照数学模型分类的话，可以分为线 性和非线性系统，定常系统和时变系统。
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自动控制原理
[线性系统]：如果系统满足叠加原理，则称其为线性系 统。叠加原理说明，两个不同的作用函数同时作用于 系统的响应，等于两个作用函数单独作用的响应之和。
[解]速度控制系统微分方程为：
a2 a1 a0 b1ug b0ug 对上式各项进行拉氏变换，得：
(s)(a2s2 a1s a0) Ug (s)(b1s b0)
即：
(s)
(b1s (a2s2
b0 ) a1s
a0 )
U
g
(s)
当输入已知时，求上式的拉氏反变换，即可求得输出
的时域解。
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20
自动控制原理
[关于传递函数的几点说明]
❖ 传递函数的概念适用于线性定常系统，与线性常系 数微分方程一一对应。与系统的动态特性一一对应。
❖ 传递函数不能反映系统或元件的学科属性和物理性 质。物理性质和学科类别截然不同的系统可能具有 完全相同的传递函数。而研究某传递函数所得结论 可适用于具有这种传递函数的各种系统。
将上式求拉氏变化，得(令初始值为零）
(ansn an1sn1 a1s a0)Y(s) (bmsm bm1sm1 b1s b0)X (s)
G(s)
Y (s) X (s)
bm s m an s n
bm1sm1 b1s b0 an1sn1 a1s a0
自动控制原理 王建辉
1 X r ( s ) L[1(t )] s
东北大学《自动控制原理》课程组 6
3.1 自动控制系统的时域指标
（2）斜坡函数
0，t 0 xr (t ) At，t 0
A=1时称为单位斜坡函数
1 X r ( s) 2 s
东北大学《自动控制原理》课程组
7
3.1 自动控制系统的时域指标
%
xmax xc () 100% xc
最大超调量发生在第一个周期中t = tm 时刻。 令 得
dx c t 0 dt t t m
1 2 sin d t m cos d t m
tan d t m 1 2
，
t0
结论：当后一项的衰减指数比前一项大很多时，二阶 系统的暂态响应可类似于一阶系统的响应。
东北大学《自动控制原理》课程组 21
3.3 二阶系统的阶跃响应
（2）欠阻尼（ 0 1 ）
系统的特征根为
p1 ( j 1 2 ) n p 2 ( j 1 2 ) n
当A=1时，称为单位脉冲函数（t）
(t )dt 1
X r ( s) L[lim ] 1
0
1
东北大学《自动控制原理》课程组
9
3.1 自动控制系统的时域指标
（5）正弦函数——频域分析用
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。
值？
东北大学《自动控制原理》课程组
15
3.2 一阶系统的阶跃响应
解： （1）由系统结构图可写出闭环传递函数
100 X c (s) 10 s WB ( s) X r (s) 1 100 0.1 0.1s 1 s
东北大学《自动控制原理》课程组 6
3.1 自动控制系统的时域指标
（2）斜坡函数
0，t 0 xr (t ) At，t 0
A=1时称为单位斜坡函数
1 X r ( s) 2 s
东北大学《自动控制原理》课程组
7
3.1 自动控制系统的时域指标
%
xmax xc () 100% xc
最大超调量发生在第一个周期中t = tm 时刻。 令 得
dx c t 0 dt t t m
1 2 sin d t m cos d t m
tan d t m 1 2
，
t0
结论：当后一项的衰减指数比前一项大很多时，二阶 系统的暂态响应可类似于一阶系统的响应。
东北大学《自动控制原理》课程组 21
3.3 二阶系统的阶跃响应
（2）欠阻尼（ 0 1 ）
系统的特征根为
p1 ( j 1 2 ) n p 2 ( j 1 2 ) n
当A=1时，称为单位脉冲函数（t）
(t )dt 1
X r ( s) L[lim ] 1
0
1
东北大学《自动控制原理》课程组
9
3.1 自动控制系统的时域指标
（5）正弦函数——频域分析用
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。
值？
东北大学《自动控制原理》课程组
15
3.2 一阶系统的阶跃响应
解： （1）由系统结构图可写出闭环传递函数
100 X c (s) 10 s WB ( s) X r (s) 1 100 0.1 0.1s 1 s
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
东北大学《自动控制原理》课程组
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
东北大学《自动控制原理》课程组 17
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。
东北大学《自动控制原理》课程组
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,)
东北大学《自动控制原理》课程组
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24 24页PPT文档
-
1
1 uo(s)
R 2 I2(s) C 2 s
为了求出总的传递函数，需要进行适当的等效变换。一个
可能的变换过程如下：
C2s
ui (s) -
1 I1(s) - 1 u (s)
R1
I(s) C1s
1 R2C2s 1
uo(s) ①
ui (s) -
9/8/2019
-1
R1
R1C2s
1
u(s)
C1s
1 R2C2s 1
9/8/2019
20Leabharlann 动输入作用下的闭环系统的传递函数（二）扰动作用下的闭环系统：
此时R(s)=0,结构图如下：
N (s)
E(s)
+
G1(s)
G2 (s)
-
B(s) H (s)
输出对扰动的传递函数为：
C(s)
N(s)C N((ss))1G G 21(G s)2H
输出为：C(s) G2 N(s) 1G1G2H
u f (s)
Kf
- (s)
在结构图中，不仅能反映系统的组成和信号流向，还能表 示信号传递过程中的数学关系。系统结构图也是系统的数学模 型，是复域的数学模型。
9/8/2019
5
结构图的等效变换
二、结构图的等效变换： [定义]：在结构图上进行数学方程的运算。 [类型]：①环节的合并；
--串联 --并联 --反馈连接 ②信号分支点或相加点的移动。 [原则]：变换前后环节的数学关系保持不变。
①信号相加点的移动：
把相加点从环节的输入端移到输出端
X1(s)
G(s) Y (s)
X2(s)
X1(s) G(s) X2(s) N (s)
《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
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。
自动控制原理(全套课件659P)
ppt课件 6
控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系
统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分 析。
控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给定系统的性能指标，
合理的确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。 被控量 ：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理 量。被控量又称输出量、输出信号 。 给定值：系统输出量应达到的数值（例如与要求的炉温对应的电 压）。 扰动：是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电压
闭环控制是指系统的被控制量（输出量）
与控制作用之间存在着负反馈的控制 方式。采用闭环控制的系统称为闭环
控制系统或反馈控制系统。闭环控制
是一切生物控制自身运动的基本规律。 人本身就是一个具有高度复杂控制能
力的闭环系统。
优点：具有自动补偿由于系统内部和外 部干扰所引起的系统误差（偏差）的
能力，因而有效地提高了系统的精度。
ppt课件
12
方框图的概念
输入信号
方框 信号线 信号线
输出信号
• 方框 • 信号线
控制装置和被控对象分别用方框表示 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带
箭头的信号线表示
• 输入信号 进入方框的信号 • 输出信号 离开方框的信号
ppt课件 13
开环控制系统方框图
输入量
控制装置
被控对象
输出量 （被控制量）
ppt课件
25
智能控制是从“仿人”的概念出发的。其方法包括学 习控制、模糊控制、神经元网络控制和专家控制等方法。
ppt课件
26
1.3 控制系统的分类
恒值系统和随动系统（按参考输入形式分类）
控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系
统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分 析。
控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给定系统的性能指标，
合理的确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。 被控量 ：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理 量。被控量又称输出量、输出信号 。 给定值：系统输出量应达到的数值（例如与要求的炉温对应的电 压）。 扰动：是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电压
闭环控制是指系统的被控制量（输出量）
与控制作用之间存在着负反馈的控制 方式。采用闭环控制的系统称为闭环
控制系统或反馈控制系统。闭环控制
是一切生物控制自身运动的基本规律。 人本身就是一个具有高度复杂控制能
力的闭环系统。
优点：具有自动补偿由于系统内部和外 部干扰所引起的系统误差（偏差）的
能力，因而有效地提高了系统的精度。
ppt课件
12
方框图的概念
输入信号
方框 信号线 信号线
输出信号
• 方框 • 信号线
控制装置和被控对象分别用方框表示 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带
箭头的信号线表示
• 输入信号 进入方框的信号 • 输出信号 离开方框的信号
ppt课件 13
开环控制系统方框图
输入量
控制装置
被控对象
输出量 （被控制量）
ppt课件
25
智能控制是从“仿人”的概念出发的。其方法包括学 习控制、模糊控制、神经元网络控制和专家控制等方法。
ppt课件
26
1.3 控制系统的分类
恒值系统和随动系统（按参考输入形式分类）
王建辉版自动控制原理
王建辉版自动控制原理- 课后简答题第一章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？1）在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。
2）6部分：控制对象：要进行控制的设备或过程；执行机构：直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值；检测装置：检测被控制量；给定环节：设定被控制量的给定值的装置；比较环节：检测的被控制量与给定量比较，确定两者之间的偏差量；中间环节：一般为放大环节，将偏差信号变换成适于控制执行机构执行的信号。
2•试比较开环控制系统与闭环控制系统的优缺点1）工作原理：开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差，控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。
闭环控制系统可以根据检测误差，从而抗干扰性强。
2）结构组成：开环系统没有检测设备，组成简单。
闭环系统由于添加了纠正偏差的环节，所以成本较高。
3）稳定性：开环控制系统的稳定性比较容易解决。
闭环系统中反馈回路的引入增加了系统的复杂性。
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？1）系统从一个稳态过度到另一个稳态的需要经历的过渡过程。
2）单调过程；衰减振荡过程；持续振荡过程；发散振荡过程。
第二章1. 什么是系统的数学模型？在自动控制系统中常见的数学模型形式有哪些？1）描述系统因果关系的数学表达式2）微分方程、传递函数、状态方程、传递矩阵、结构框图和信号流图。
2•简要说明用解析法编写自动控制系统动态微分方程的步骤。
1）确定系统的输入量和输出量；2）从系统的输入端开始，沿着信号传递方向，逐次依据组成系统各元部件的有关物理规律，列写元件或环节的微分方程；3）消除中间变量，建立只有输入量和输出量及其各阶导数构成的微分方程。
3•什么是小偏差线性化？这种方法能够解决哪类问题？就是将一个非线性函数在工作点展开成泰勒级数，略去二次以上的高次项，得到线性化方程，用来替代原来的非线性函数。
自动控制原理王建辉
❖ 非线性模型的线性化方法 ❖ 结构图和信号流图的变换与化简 ❖ 开环传递函数和闭环传递函数的推导
和计算
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3
第2章 自动控制系统的数学模型
1. 数学模型
描述系统变量之间关系的数学表达式
2.数学模型的主要形式
(1)微分方程 (2)传递函数 (3)结构框图 (4)信号流图
精选PPT课件
4
2.1 微分方程式的编写
1 2 arctan
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39
2.3 传 递 函 数
（6） 时滞环节
例2-10 带钢厚度检测环节 写成一般形式 :
xctxr(t)
零初始条件下，拉氏变换为
Xc(s)esXr(s)
hcthd(t)
l v
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传递函数为
W(s) Xc(s) es Xr(s)
40
2.3 传 递 函 数
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44
2.4 系统动态结构图
例2-11 速度控制系统
精选PPT课件
45
2.4 系统动态结构图
（1）比较环节和速度调节器环节
W(s)U Ucr((ss))LCs21RCs1
24
2.3 传 递 函 数
例2-9 机械位移系统
取外力f(t)为输入 位移x(t)为输出
根据牛顿第二定律，得
ftfstfdtmd2 dxt2 t
fs tKxt
fd
t
B
dxt
dt
精选PPT课件
25
2.3 传 递 函 数
例2-9 机械位移系统
取外力f(t)为输入 位移x(t)为输出
X c(s)b a 0 0 ssm n b a 1 1 ssm n 1 1
和计算
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3
第2章 自动控制系统的数学模型
1. 数学模型
描述系统变量之间关系的数学表达式
2.数学模型的主要形式
(1)微分方程 (2)传递函数 (3)结构框图 (4)信号流图
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4
2.1 微分方程式的编写
1 2 arctan
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39
2.3 传 递 函 数
（6） 时滞环节
例2-10 带钢厚度检测环节 写成一般形式 :
xctxr(t)
零初始条件下，拉氏变换为
Xc(s)esXr(s)
hcthd(t)
l v
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传递函数为
W(s) Xc(s) es Xr(s)
40
2.3 传 递 函 数
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2.4 系统动态结构图
例2-11 速度控制系统
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2.4 系统动态结构图
（1）比较环节和速度调节器环节
W(s)U Ucr((ss))LCs21RCs1
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2.3 传 递 函 数
例2-9 机械位移系统
取外力f(t)为输入 位移x(t)为输出
根据牛顿第二定律，得
ftfstfdtmd2 dxt2 t
fs tKxt
fd
t
B
dxt
dt
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2.3 传 递 函 数
例2-9 机械位移系统
取外力f(t)为输入 位移x(t)为输出
X c(s)b a 0 0 ssm n b a 1 1 ssm n 1 1
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）。
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4
1.3 自动控制系统类型
4.其他分类方式
按元件类型：机械、电气、液压….. 按系统功用：速度控制系统、压力控制系统、温度控制系统、 位置控制系统……. 按系统的结构和参数是否确定：确定性系统、不确定性系统
从不同角度对系统进行描述、刻画
5
END
6Leabharlann 31.3 自动控制系统类型
3.按照输入量的变化规律划分
1）恒值系统
给定量是恒定不变的，要求系统的输出量也是恒定不变的。
2）程序控制系统
给定量是按照一定的时间函数变化的，要求系统的输出量也按
相应的规律变化。
3）随动系统
给定量按照事先未知的时间函数变化，同样要求系统的输出量 按相应的规律变化。
自动控制系统的本质要求——输出跟随输入。
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自动控制系统的类型
1
1.3 自动控制系统类型 1.按照主要元件的输入输出特性划分
dn d n 1 d a）线性系统 x (t ) a1 n 1 xc (t ) an 1 xc (t ) an xc (t ) 1 0 n c dt由线性元件组成的系统，其微分方程中输出量及其各阶 dt dt 导数都是一次的，并且各系数与输入量（自变量）无关。 dm d m1 d ）非线性系统 b0 m xr (t ) b1 m1 xr (t ) bm1 xr (t ) bm xr (t ) 2 dt dt dt 存在非线性元件的系统，其微分方程式的系数与自变量
有关。 xc t 是被控量； xr t 是控制量。为了所表示系 式中， 统的可实现性，一般限定 (m n) 。
线性系统是《自动控制原理》研究的主要对象。
2
1.3 自动控制系统类型
2.按照信号传递方式划分
1）连续系统 系统各部分的信号都是连续的模拟量。 2）离散系统 系统的一处或几处，信号是以脉冲序列或数 码的形式传递。