自动控制的基本原理与方式
胡寿松自动控制原理第五版_图文
• 程序控制系统 输入信号是已知的、预先设定好的时间的函数。
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1-3 自动控制系统的分类
2.线性定常离散控制系统 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码 形式，因而信号在时间上是离散的。连续系统经过采样开 关的采样就可以转换成离散信号。离散系统用差分方程描 述。
1954年第一台工业机器人 3
1-1 自动控制的基本原理与方式
汽车自动焊接生产线
月球车（月面巡视器）
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1-1 自动控制的基本原理与方式
自动控制定义：在无人直接参与的情况下，利用外加的 设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生 产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控 量）自动地按预定的规律（给定量）运行。（强调控制的 目的，自动的含义）
性的、时变的。这一时期的主要代表人物有庞特里亚
金、贝尔曼（Bellman），及卡尔曼（R.E.Kalman，
1930～）等人。庞特里亚金于1961年发表了极大值原
理；贝尔曼在1957年提出了动态规划原则；1959年，卡
尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即
所谓著名的卡尔曼滤波
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1-1 自动控制的基本原理与方式
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1-1 自动控制的基本原理与方式
闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性 质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误 差)的控制系统。 闭环控制系统的特点： 1. 系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚
敏感。 2. 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。 3. 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于
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。
胡寿松《自动控制原理》(第7版)笔记和课后习题(含考研真题)详解(第1~2章)【圣才出品】
第1章自动控制的一般概念1.1复习笔记本章内容主要是经典控制理论中一些基本的概念，一般不会单独考查。
一、自动控制的基本原理与方式1．反馈控制方式反馈控制方式的主要特点是：（1）闭环负反馈控制，即按偏差进行调节；（2）抗干扰性好，控制精度高；（3）系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。
2．开环控制方式开环控制方式可以分为按给定量控制和按扰动控制两种方式，其特点是：（1）无法通过偏差对输出进行调节；（2）抗干扰能力差，适用于精度要求不高或扰动较小的情况。
3．复合控制方式复合控制即开环控制和闭环控制相结合。
二、自动控制系统的分类根据系统性能可将自动控制系统按线性与非线性、连续和离散、定常和时变三个维度进行分类，本书主要介绍了线性连续控制系统、线性定常离散控制系统和非线性控制系统的性能分析。
三、对自动控制系统的基本要求1．基本要求的提法稳定性、快速性和准确性。
2．典型外作用（1）阶跃函数阶跃函数的数学表达式为：0,0(),0t f t R t <⎧⎪=⎨≥⎪⎩（2）斜坡函数斜坡函数的数学表达式为：0,0(),0t f t Rt t <⎧⎪=⎨≥⎪⎩（3）脉冲函数脉冲函数定义为：0000()lim [1()1()]t A f t t t t t →=--（4）正弦函数正弦函数的数学表达式为：f t A tωϕ=-()sin()式中，A为正弦函数的振幅；ω＝2πf为正弦函数的角频率；φ为初始相角。
1.2课后习题详解1-1图1-2-1是液位自动控制系统原理示意图。
在任意情况下，希望液面高度c维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。
图1-2-1液位自动控制系统原理图解：当Q1≠Q2时，液面高度的变化。
例如，c增加时，浮子升高，使电位器电刷下移，产生控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的流量减少。
反之，当c 减小时，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度c。
自动控制基本原理
自动控制基本原理自动控制是一种通过使用控制系统，以实现对某个过程或系统的稳定性、准确性和效率的控制的技术和方法。
在许多行业中，自动控制起着至关重要的作用，包括工业生产、交通运输、航天航空等领域。
本文将介绍自动控制的基本原理，包括反馈控制、开环控制、控制系统组成及其应用。
首先，了解反馈控制是理解自动控制基本原理的第一步。
反馈控制是一种基于系统输出与期望输出之间差异的控制方法。
控制系统通过测量系统输出，并将其与期望输出进行比较，然后通过调整输入来减小这个差异。
这样的反馈控制循环可以确保系统能够自动调整以实现所需的目标。
其次，开环控制是另一种常见的自动控制方式。
开环控制是在没有测量和反馈系统输出的情况下直接将输入应用到系统的控制方式。
尽管开环控制的实现相对简单，但它通常无法对系统的扰动和变化做出及时的调整。
因此，开环控制在一些确定性要求较低的简单应用中使用较多。
一个典型的控制系统可以由几个基本组成部分构成。
首先是传感器，用于测量系统的输出或影响系统的输入。
传感器将所测量的信号转换为电信号，并将其传送给控制器。
控制器接收传感器的输入信号，与期望输出进行比较，并产生相应的控制信号。
控制信号进一步传递给执行器，执行器改变系统的输入以实现所需输出。
自动控制的应用广泛。
在工业生产中，自动控制可以用来控制流程，如化工生产中的温度、压力和液位等。
在交通运输领域，自动控制可以用于车辆行驶控制系统，以实现自动驾驶和车辆稳定性控制。
在航天航空领域，自动控制可以保证航天器或飞机的稳定性和导航精度。
除此之外，自动控制还可以用于家居自动化、医疗设备、能源系统等领域。
自动控制基本原理的研究与应用对于提高生产效率、减少人力资源的浪费以及降低事故风险具有重要意义。
通过引入自动控制系统，可以大大提高系统的稳定性、精确性和可靠性。
然而，自动控制也面临一些挑战，如控制算法的设计、系统建模的复杂性以及对外部环境变化的鲁棒性等。
总结而言，自动控制基本原理包括反馈控制和开环控制两种方法。
自动控制原理知识点
第一节自动控制的基本方式一、两个定义：（1） 自动控制：在没有人直接参与的情况卞，利用控制装置使某种设备、装置或生产过程 中的某些物理屋或工作状态能自动地按照预定规律变化或数值运行的方法，称为自动控制。
（2） 自动控制系统：由控制器（含测量元件）和被控对彖组成的有机整体。
或由相互关联、相互制约、相互影响的一些元部件组成的具有自动控制功能的有机整体。
称为自动控制系统。
在控制系统中，把影响系统输出量的外界输入量称为系统的输入量。
系统的输入屋，通常指两种：给定输入量和扰动输入量。
给定输入量，又常称为参考较输入量，它决定系统输出量的要求值或某种变化规律。
扰动输入量，又常称为干扰输入量，它是系统不希望但又客观存在的外部输入量，例如，电 源电压的波动、环境温度的变化、电动机拖动负载的变化等，都是实际系统中存在的扰动输 入量。
扰动输入量影响给定输入量对系统输出量的控制。
自动控制的基本方式二、基本控制方式（3种）1、开环控制方式⑴定义：控制系统的输出量对系统不产生作用的控制方式，称为开环控制方式。
具有这种控制方式的有机整体，称为开坏控制系统。
如果从系统的结构角度看，开环控制方式也可表达为，没有系统输出量反馈的控制方式。
⑵职能方框图任何开坏控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的方框图表示。
2、闭坏控制方式（1）定义：系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，参予了系统控制的方式,称为闭坏控制方式。
如果从系统的结构看，闭环控制方式也可表达为，有系统输出量反馈的控制方式。
自动控制的基本方式工作原理开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统输出量即电动机转速并转换为 电压。
反馈电压与给定电压比较（相减）后，产生一偏差电压，经电压和功率放人器放大后去控制 电动机的转速。
当系统处于稳定运行状态时，电动机就以电位器滑动端给出的电压值所对应的希望转速 运行。
当系统受到某种干扰时（例如负载变人），电动机的转速会发生变化（下降），测速反馈扰动输入量输出量电压跟着变化（变小），由于给定电压值未变，偏差电压值发生变化（变人），经放人后使电动机电枢电压变化（提高），从而电动机转速也变化（上升），去减小或消除由于干扰引起的转速偏差。
自动控制的基本原理与方式
自动控制的概念及应用 反馈的控制原理 反馈控制系统的基本组成
自动控制系统的基本控制方式
自动控制的概念及应用
自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利 用外加的设备或装置（称控制装置或控制器）， 使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的 某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照 预定的程序运行。
自动控制系统的基本控制方式——复合控制方式
方式：把两者结合起来，对主要扰动采用适当补偿 的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的偏差。 特点：系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就 比较容易被设计，：按偏差进行控制。
特点：减小或消除这个偏差 作用：具有抑制任何内、外扰动对被控量产 生影响的能力，有较高的控制精度。 问题：系统使用的元件多、结构复杂，设计 麻烦。
自动控制系统的基本控制方式——开环控制方式
方式：是指控制装置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。 特点：是系统的输出量不会对系统的控制作用发 生影响。设计简单。 作用：可以按给定量控制，也可以按扰动控制。 缺点：按扰动控制方式只适合扰动可测的场合， 且一个补偿能力单一。
反馈控制定义
反馈——把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏 差信号的过程，称为反馈。分为负反馈和正反馈。 反馈控制——就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且， 由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此
反馈控制也称闭环控制。
反馈控制原理
反馈控制系统组成
测量元件： 检测被控制的物理量，并将其转换为电量。
给定元件： 给出与期望的被控量相对应的系统输入量。
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。 放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元 件去控制被控对象。
自动控制系统的基本原理与技术
自动控制系统的基本原理与技术自动控制系统是一种能够自主调节、控制和监测的系统，广泛应用于各个领域，包括工业生产、交通运输、通信网络、航空航天等。
它通过感知、决策和执行三个步骤，实现对被控对象的精确控制。
在本文中，我们将介绍自动控制系统的基本原理与技术，并探讨其在现代社会中的应用。
一、自动控制系统的基本原理自动控制系统的基本原理可以总结为反馈控制和前馈控制两种方式。
1. 反馈控制反馈控制是根据被控对象的实际状态与期望状态之间的差异进行调整的一种控制方式。
它通过传感器获取被控对象的输出信号，并将其与预期输出进行对比。
差异信号经过控制器的处理后，通过执行器对被控对象的输入进行调整，使实际输出逐渐趋向于期望输出。
反馈控制可以实现对系统的稳定性和精确性的控制，常用于对动态系统的调节。
2. 前馈控制前馈控制是根据被控对象的输入信号与期望输入信号之间的差异进行调整的一种控制方式。
它通过控制器对期望输入信号进行处理，并将处理后的信号直接作用于被控对象的输入端，以抵消外部扰动对系统的影响。
前馈控制可以提前对系统进行补偿，有效地减小了反馈控制的误差，常用于对静态系统的调节。
二、自动控制系统的基本技术自动控制系统的实现涉及多种基本技术，包括传感器、控制器和执行器等。
1. 传感器传感器是自动控制系统中用于感知被控对象状态的装置。
它可以将物理量、化学量或其他特定量转化为电信号，并传输给控制器。
常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、光电传感器等。
传感器的准确性和响应速度直接影响着控制系统的性能。
2. 控制器控制器是自动控制系统中用于处理输入信号并生成控制信号的核心组件。
它根据传感器获取的信息和预设的控制策略，计算出对被控对象的调节量，并将调节信号发送给执行器。
常见的控制器有PID控制器、模糊控制器、模型预测控制器等。
控制器的设计和调节方法直接影响着控制系统的性能表现。
3. 执行器执行器是自动控制系统中用于执行控制信号的装置。
自动控制理论第四版夏德钤翁贻方版
1-1 自动控制的基本原理与方式
1、自动控制技术及应用 （1）什么是自动控制
无人直接参与 利用外加设备或装置（控制器） 使机器、设 备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量） 自动按预定的规律运行
外作用
控制器
被控对象
被控量
（2）自动控制技术的应用
工业、农业、导航、核动力 理和其它许多社会生活领域
（3）智能控制理论 （发展方向） 以控制论、信息论、仿生学为基础
3、反馈控制理论 （1）自动控制系统
被控对象、控制器按一定的方式连接所组成的系统
最基本的连接方式是反馈方式，按该方式连接的系统 称为反馈控制系统
（2）反馈控制原理 控制器对被控对象施加的控制作用取自被控
量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的 偏差，从而对被控对象进行控制。
输入
输出
（电扇调档）
按扰动控制：利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，
（顺馈控制） 以减少或抵消扰动对输出量的影响。
（3） 复合控制方式 按偏差控制与按扰动控制相结合
1-2 自动控制系统举例
飞机示意图
给定电位器
反馈电位器
给 θ0 定
装 置
飞机方块图 扰动
放 大
舵 机
器
反馈电 位器
垂直 陀螺仪
飞 θc 机
f (t) A Sin(t )
第二章 控制系统的数学模型
1、线性连续控制系统 用线性微分方程描述 P11 定常、时变
a0
d nc(t) dt n
a1
d n1c(t) dt n1
an1
dc(t) dt
an c(t )
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② 提高系统的精度； ③ 可以完成人工控制系统 无法完成的工作。
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1.1 自动控制的基本原理与方式
2 自动控制理论
自动控制技术的基础理论,分析或设计自动控制系统的主要方法 和依据。
经典控制理论（20世纪40年代开始）：以拉氏变换和传递
n↓ →Uf↓ →e↑ →Ud↑ →n↑
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1.1 自动控制的基本原理与方式
闭环系统的特点： ① 利用偏差消除偏差； ② 能抑制内部或外部扰动对系统的影响，可用
低成本元件构成高精度系统； ③ 稳定性是个重要问题。
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1.1 自动控制的基本原理与方式
⑶复合控制方式
前馈补偿控制
复合控制：
+
反馈控制
对于主要扰动采用适当的装置实现按扰动控制； 组成反馈控制系统实现按偏差控制,以消除其余扰动 产生的偏差； 按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合 控制方式。
微积分（含微分方程）
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
课程要求
听 记 做
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第一章 自动控制的一般概念
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本章内容提要 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
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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：在没有人直接参与的情 况下，通过控制器，使被控对象或 过程自动地按预定的规律运行。
函数为基础，在复频域内研究单输入-单输出(SISO)线性定
常系统的分析设计方法； 现代控制理论（20世纪60年代开始）：以状态空间法为基 础，在时域内研究多输入-多输出（MIMO）系统的分析和设 计方法； 智能控制理论（20世纪70年代开始）：以模糊控制和神经 网络为基础，研究多变量复杂大系统的分析设计方法。
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1.1 自动控制的基本原理与方式
转台速度开环控制系统结构图:
预期速度
实际转速
放大器 直流电动机 转台
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1.1 自动控制的基本原理与方式
开环控制系统的组成： ① 按给定量控制方式：控制作用直接由系统的输 入量产生，控制精度完全取决于所用的元件及校 准的精度；
② 按扰动控制方式：利用可测量的扰动量，产生 一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响， 也叫顺馈控制（只适合扰动可测量的场合）；
例：人取书本的过程
输入信号
（书位置） 眼睛
大脑
输出量
手臂、手 （手位置）
眼睛
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1.1 自动控制的基本原理与方式
例：电压控制系统 if
uf R
SD
I
发电机
U
VU U0
系统要求：保持
发电机输出电压
负 U不变（在发电
载 机转速n不变条
件下，当负载变
化时，U会变化）
人工控制：调节R,使if变化,保持U稳定。
例 转速负反馈直流电动机调速系统
给系定统电组压成：
反直馈流电电压机
测e=速U发n-U电f 机
Un
于与电大转给反源装速馈定和置电电取放压压决
Uf
的差负值载。
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调速系统结构图
un
e
_
放大器 ud 直流电动机
n
uf
测速机
由电网电压波动，负载变化以及其他 部分的参数变化所引起的转速变化，都可 以通过系统的自动调整加以抑制。
自动控制：图中虚线框内所示。 SD——执行电机
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1.1 自动控制的基本原理与方式
电压控制系统方块图
U0 U
u SD
+ - 放大器
执行 机构
R
电位计
if
发电机
U
控制器
对象
U0 ——给定值
U——被控制量
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1.1 自动控制的基本原理与方式 4 反馈控制系统的基本组成
测量元件：测量被控量并转换成相应的电量，如速 度、位移、压力传感器；
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1.1 自动控制的基本原理与方式 4 反馈控制系统的基本组成
给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量 （参据量）；
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1.1 自动控制的基本原理与方式 4 反馈控制系统的基本组成
比较元件：将被控量与给定值加以比较，形成 偏差信号；
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1.1 自动控制的基本原理与方式 4 反馈控制系统的基本组成
广泛应用的控制系统。自动控制理论主要的研究 对象,也是用这种控制方式组成的系统。
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1.1 自动控制的基本原理与方式 转台速度闭环控制系统结构图
预期速度 偏差 _ 放大器
反馈量
直流电动机 测速机
实际转速
转台
当实际速度受扰动的影响发生变化时 ，通过系统的调节，从而消除扰动对速度 的影响。
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1.1 自动控制的基本原理与方式
注意： ① 在实际系统中，一个元件常兼有两种或两
种以上的职能； ② 元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、
气动、液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压 等控制系统，但其工作原理都是一致的。
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1.1 自动控制的基本原理与方式 5 自动控制系统基本控制方式
⑴ 开环控制方式：控制作用直接由系统的输入量产生 例：转台速度开环控制系统 在CD机、计算机磁盘驱 动器等现代装置中应用.
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1.1 自动控制的基本原理与方式
开环系统的特点： ① 系统的控制精度取决于各元件的精度及参 数的稳定性； ② 误差不能靠系统本身来克服； ③ 结构简单； ④ 不存在稳定性问题。
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1.1 自动控制的基本原理与方式
⑵ 闭环控制方式（反馈控制方式） 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。 按反馈控制原理构成的闭环系统,是一种重要、
课程任务
学习自动控制系统的基本理论； 掌握分析和综合自动控制系统的
基本方法； 具有初步的系统实验基本技能； 为自动控制系统设计打好基础。
1
课程特点
理论性很强，同时注重结合工程实践。
信号与系统 电路理论 电机与拖动
复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术
自动控制理论
线性代数
大学物理（力学、热力学）
放大元件：将偏差信号进行前置或功率放大，从而推 动执行机构或被控对象。
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1.1 自动控制的基本原理与方式 4 反馈控制系统的基本组成
执行元件：直接推动被控对象，以改变被控量；
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1.1 自动控制的基本原理与方式 4 反馈控制系统的基本组成
校正元件：改善系统的静态性能。
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1.1 自动控制的基本原理与方式
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1.1 自动控制的基本原理与方式 3 反馈控制原理
自动控制系统: 为实现各种控制任务,将被控对象 和控制装置按照一定的方式连接起来的一个有机总 体.
反馈控制: 在自动控制系统中将被控量以负反馈 的形式与输入量进行比较,并利用偏差来不断消除偏 差的控制过程.
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1.1 自动控制的基本原理与方式 3 反馈控制原理