自动控制原理第1章__绪论剖析
自动控制原理
该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的 控制作用，主要起到对扰动影响“防患未然”的效果。
补偿装置 输入
扰动 输出
+
+
-
控制器
被控对象
22
1-4 自动控制系统的分类基本组成
1.4.1 按给定信号的特征划分 给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望 的输出值，反映了控制系统要完成的基本任务和职能。 1.恒值控制系统：给定输入维持不变，希望输出维 持在某一特定值上。 液位控制系统，直流电动机调速系统等等。 2.随动控制系统：给定信号上预先不知道的随时 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的变化。 跟踪卫星的雷达天线系统 3.程序控制系统：给定值按预先给定的规律变化 23 的控制系统。机械加工中的程序控制机床等等。
水箱
实际液位
希望液位
控制器
气动 阀门 浮子
水箱
实际液位
比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能， 存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：
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测量元件与变送器（代替眼睛）；
自动控制器（代替大脑）；
执行元件（代替肌肉、手）。
这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自 动控制系统。下图是典型控制系统方框图。
16
在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控 制作用，若能取自被控量的反馈信息，即根据实际输 出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务， 这种控制原理称为反馈控制原理。正是由于引入了反 馈信息，使整个控制过程成为闭合的。因此，按反馈 原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭 环控制系统中，其控制作用的基础是被控量与给定值 之间的偏差。 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系 统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现 了闭环控制的原理。 直流电动机转速闭环控制的例子。
自动控制原理课件第一章
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；
自动控制原理课件第六版第一章.详解
第一章 概 述
第三节 对控制系统性能的要求
常见的评价系统优劣的性能指标是 从动态过程中定义出来的。对系统性能 的基本要求有三个方面。
一、稳定性
二、快速性 三、准确性
第三节 对控制系统性能的要求
一、稳定性
不稳定系统的动态过程 稳定性： 稳定系统的动态过程 不稳定的系统是无法正常工作的。 (a) 给定信号作用 扰动信号作用 系统受外作用力后(b) ,其动态过程的振 r(t) 荡倾向和系统恢复平衡的能力。 r(t) d(t) c(t) c(t) c(t) c(t) c(t) c(t) 如果系统受外作用力经过一段时间 1 r(t) ，其被控量达到某一稳定状态，则系统 r(t) 是稳定的。 0 d(t) t 0 0 t t 否则为不稳定的。
第二节 自动控制系统的分类
四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统
恒值系统： 系统的给定值为一定值，而控制任 务就是克服扰动，使被控量保持恒值。 例如：电机速度控制、恒温、恒压、 水位控制系统等。
第二节 自动控制系统的分类
随动系统：
系统给定值按照事先不知道的时 间函数变化，并要求被控量跟随给定 值变化。
给定值 被控量
第一节 自动控制与自动控制系统
例 水温自动控制系统 系统中增加了： 通过电机调 控制器 节阀门的开度 电机 从而调节蒸 工作原理： 汽流入，控制
水的温度 .实 加入给定信号 现没有人直接 检测实际温度 参入的自动水 产生控制信号 温控制.
第一节 自动控制与自动控制系统
要使自动控制系统满足工程实际的需 要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与 系统性能之间的关系。 为了方便地分析系统性能，一般用 框图来表示系统的结构，如图所示:
第一章自动控制原理绪论
第一章自动控制原理绪论自动控制原理是一门研究物理系统自动调节和控制的科学，主要包括控制系统的建立、控制策略设计和控制器设计等内容。
本章主要介绍了自动控制原理的基本概念和基本方法，以及自动控制的应用领域。
自动控制的基本概念包括系统、控制、反馈和误差等。
系统是由一组互相作用的物理元件构成的实物系统或数学模型，控制是通过调节系统的一些输入信号来达到预期目标的过程，反馈则是从系统的输出信号中获取信息进行调节的过程，而误差是系统输出信号与期望目标之间的差异。
自动控制的基本方法包括建立数学模型、分析系统的性态、设计控制策略和设计控制器等。
在建立数学模型时，可以通过质量、量、位置、能量守恒等原则，采用物理方程、电路方程、状态方程等方法进行建模。
在分析系统的性态时，可以通过系统的输入输出关系、传递函数、稳定性、响应特性等进行分析。
在设计控制策略时，可以根据系统的性质、要求和实际问题的特点进行选择。
在设计控制器时，可以采用比例、积分、微分控制器等方法，通过调节控制器参数和选择控制器结构来实现对系统的控制。
自动控制的应用领域非常广泛，包括工业自动化、航空航天、机器人、医疗设备、交通运输等。
在工业自动化中，自动化生产线、机械设备、电力系统等都需要自动控制来实现精确控制和高效运作。
在航空航天中，自动驾驶系统和导航系统需要自动控制实现飞行控制和航道控制。
在机器人中，自动控制可以实现机械臂的精确运动和姿态控制。
在医疗设备中，自动控制可以实现医学影像的采集和分析，以及手术机器人的操作。
在交通运输中，自动控制可以实现车辆的自动驾驶、交通信号的优化和路线规划等。
总之，自动控制原理是一门重要的学科，对于解决实际问题具有重要意义。
通过学习和应用自动控制原理，可以提高物理系统的控制性能，实现精确定位、稳定运行和高效控制，在各个应用领域都有着广泛的应用前景。
自动控制原理 第一章 绪论
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。
放大元件：将比较元件给出的偏差信号放大以驱动执行元件去
控制被控对象。 放大和校正根据系统的性能要求而取舍。 参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。
五、自动控制系统简史
公元前250年，古希腊的浮子阀门调节装置用于控制
水位；
近代最ห้องสมุดไป่ตู้的温度控制装置是荷兰化学家和机械学家考·
2、线性定常离散系统
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，信号在时间上是离散的。如：工业计算机控制系统。
一般用如下所示线性差分方程来描述离散系统：
a0c(k n) a1c(k n 1) …… an 1c(k 1) an c(k ) b0 r(k m) b1r(k m 1) …… bm-1r(k 1) bm r(k )
自动控制原理
Automatic Control Systems
第一章 绪论
自动控制系统的基本概念
自动控制的基本方式 对控制系统的性能要求
第一节 自动控制系统的基本概念
一、 控制系统的基本概念
控制：是使某些物理量按指定的规律变化。
受控对象：工作的机器、设备、生产过程等； 被控量c(t)：表征受控对象状态的物理参量；
例如：
水位高度控制系统原理图
水位高度控制系统原理方框图
三、按偏差调节的闭环控制
特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。 优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化而引起 的变动。 给定值
计算比较 －
执行
干扰 ＋ 被控量 被控对象
测量 按偏差调节的系统原理方框图
完整版)自动控制原理知识点汇总
完整版)自动控制原理知识点汇总自动控制原理总结第一章绪论在自动控制中，被控对象是要求实现自动控制的机器、设备或生产过程，而被控量则是表征被控对象工作状态的物理参量或状态参量，如转速、压力、温度、电压、位移等。
控制器是由控制元件组成的调节器或控制装置，它接受指令信号，并输出控制作用信号于被控对象。
给定值或指令信号r(t)是要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。
干扰信号n(t)又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。
反馈信号b(t)是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。
偏差信号e(t)是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。
闭环控制的主要优点是控制精度高，抗干扰能力强。
但是使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。
对控制系统的性能要求包括稳定性、快速性和准确性。
稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能，而准确性则是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。
第二章控制系统的数学模型拉氏变换是一种将时间域函数转换为复频域函数的数学工具。
单位阶跃函数1(t)、单位斜坡函数、等加速函数、指数函数e-at、正弦函数sinωt、余弦函数cosωt和单位脉冲函数(δ函数)都有其典型的拉氏变换。
拉氏变换的基本法则包括线性法则、微分法则、积分法则、终值定理和位移定理。
传递函数是线性定常系统在零初始条件下，输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比，称为系统或元部件的传递函数。
动态结构图及其等效变换包括串联变换法则、并联变换法则、反馈变换法则、比较点前移“加倒数”和比较点后移“加本身”，以及引出点前移“加本身”和引出点后移“加倒数”。
梅森公式是一种求解传递函数的方法，典型环节的传递函数包括比例(放大)环节、积分环节、惯性环节、一阶微分环节、振荡环节和二阶微分环节。
第三章时域分析法时域分析法是一种分析控制系统时域特性的方法。
其中，时域响应包括零状态响应和零输入响应。
自动控制原理课后习题和答案解析
第一章绪论1-1试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点.解答：1开环系统(1)优点:结构简单，成本低，工作稳定。
用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时，可得到满意的效果。
(2)缺点：不能自动调节被控量的偏差。
因此系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。
2 闭环系统⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。
它是一种按偏差调节的控制系统。
在实际中应用广泛。
⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。
1-2 什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说明之。
解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。
闭环控制系统常采用负反馈。
由1-1中的描述的闭环系统的优点所证明。
例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。
1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非线性，定常，时变）？（1）22()()()234()56() d y t dy t du ty t u t dt dt dt++=+（2）()2() y t u t=+（3）()()2()4() dy t du tt y t u t dt dt+=+（4）()2()()sin dy ty t u t t dtω+=（5）22()()()2()3() d y t dy ty t y t u t dt dt++=（6）2()()2() dy ty t u t dt+=（7）()()2()35()du ty t u t u t dtdt=++⎰解答：（1）线性定常（2）非线性定常（3）线性时变（4）线性时变（5）非线性定常（6）非线性定常（7）线性定常1-4 如图1-4是水位自动控制系统的示意图，图中Q1，Q2分别为进水流量和出水流量。
控制的目的是保持水位为一定的高度。
自动控制原理【课件】第1章
第一章自动控制的一般概念
1.2.2 线性控制系统和非线性控制系统
按照系统是否满足叠加原理, 系统可分为线性系统和非线性
系统两类。
在线性控制系统中, 组成控制系统的元件都具有线性特性。
式中：u(t) —系统的输入量；y(t) —系统的输出量。 线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系 统的输入分别为r1(t)和r2(t)时，对应的输出分别为c1(t) 和c2(t)，则当输入为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为 c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中为a1、a2为常系数。
第一章自动控制的一般概念
1、线性系统 由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线 性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系 统。其运动方程一般形式为:
y a1 y
( n)
( n1)
an y bou(n) bu(n1) bn1u bnu an1 y 1
在控制系统中, 反馈的概念非常重要。在图1-4中, 如果将反
馈环节取得的实际输出信号加以处理, 并在输入信号中减去这 个反馈量, 再将结果输入到控制器中去控制被控对象, 这样的反 馈称为负反馈; 反之, 若由输入量与反馈量相加作为控制器的输 入, 则称为正反馈。在一个实际的控制系统中, 具有正反馈形式 的系统一般是不能改进系统性能的, 而且容易使系统性能变坏, 因此不被采用; 而具有负反馈形式的系统, 它通过自动修正偏离
值。一旦室内温度达到设定值后, 放大器输出电压e使空调断电
而停止运行。于是室内温度就被控制在设定值的附近。
第1章--自动控制原理课件
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
精品课件-自动控制原理-第1章 绪论
1876年，俄国学者N.A.维什涅格拉诺基发表著作《论调速器的 一般理论》，对调速器系统进行了全面的理论阐述。
1927年，布莱克（H.S.Black）发现了采用负反馈线路的放大 器，放大器系统对扰动和放大器增益变化的敏感性大为降低。
1932年，奈奎斯特（H.Nyquist）采用频率特性表示系统，提
出了频域稳定性判据，很好地解决了Black放大器的稳定性问
第一章 绪论
8
自动控制 原理
1.2 反馈控制的基本原理
动态系统的反馈控制的概念,其核心思想是对一个系统的输 出量进行检测, 然后反馈到输入端与参考输入相比较，得到 的偏差信号经控制器的变换运算后,驱动执行机构,以使被控 对象的输出量能按照参考输入的要求变化。为了实现精确的 控制,应满足四个基本的要求。第一， 系统必须一处于稳定 状态。第二，系统输出必须跟踪控制输入信号。 第三， 系 统输出必须尽量克服来自扰动输入的响应 。虽然在设计中 使用的模型不是完全精确的, 或者物理系统的动态特性随时 间变化或者因环境变化而变化,但是这些目标是必须满足的。
的输出电压U对应不同的电机转速。图中反馈量 由编码器采集
的Δ信V为号V负期计值望算，速得控度到制。器当输实出际到速驱度动大器于的设u定值值减时小，，控从制而器减的小输了入输量出
电压，电机减速；当实际速度小于设定值时，控制器的输入量
ΔV为正值，控制器输出到驱动器的u值增大，从而增大了输出
电压，电机加速。
自动控制 原理
第一章 绪 论
2020/12/14
第一章 绪论
1
自动控制 原理
1.1 引言
本章的目的使读者熟悉和理解以下几个方面的内容：
• 1.什么是自动控制和控制系统。 • 2.控制理论发展史。 • 3.控制系统的工作原理是什么？ • 4.控制系统的组成和分类。 • 5.几个控制系统的应用实例。
《自动控制原理》胡寿松——总结与复习
三、绘制常规根轨迹的基本规则
根轨迹的分支数、对称性、 起点和终点、实轴上的根轨迹、 渐近线（倾角，与实轴的交点）、 分离点和会合点、与虚轴的交点、 出射角和入射角、 特征方程的根之和=开环极点之和（n-m≥2）
分析与设计：
确定主导极点→根轨迹增益→其他闭环极点→闭环传递函数
第五章 频域分析法
一、频率特性的定义 输出的稳态分量与输入正弦信号之间的关系； 幅频特性，相频特性
（参数的稳定域） ➢ 分析系统的相对稳定性。
5. 控制系统的稳态误差
• 稳态误差的定义和分类 跟踪稳态误差、扰动稳态误差。
• 利 用 终 值 定 理 求 稳 态 误差
前 提 ：E(s) 除 原 点 外 ， 其 余 极 点 均在 左 半 平 面 。
• 不 能 利 用 终 值 定 理 时 如何 求 稳 态 误 差
串联校正的两种常用思路
1. 根据性能要求确定希望的开环频率特性的 Bode图，再由Bode图求开环传递函数， 最后得到校正装置的传递函数。
2. 限定校正装置为简单结构，通过改变其参 数来获得尽可能好的开环频率特性。
思路2的常用校正方式： 超前校正，滞后校正，滞后超前校正
R(s) E(s)
-
Gc (s)
• 稳定性的基本概念 • 稳定性的两种常用定义
运动稳定性 有界输入有界输出稳定性（ BIBO 稳定） • 线性定常系统的稳定条件 系统极点均具有负实部 • 反馈控制系统稳定的充要条件 特征方程的根（闭环极点）均具有负实部
•劳斯-赫尔维茨稳定判据
劳斯表的计算规律
劳斯判据的应用：
➢ 判断系统是否稳定； ➢ 判断不稳定极点的个数； ➢ 求出保证系统稳定的参数取值范围；
二、频率特性的几何表示 幅相频率特性图（极坐标图，Nyquist图）； 对数幅频特性和对数相频特性（伯德图）；
(自动控制原理)01绪论
讨论控制系统中的时域分析和频域分 析方法，包括一阶、二阶和多阶系统 的性能分析和设计。
介绍控制系统中的最优控制理论和方 法，包括极值原理、动态规划、线性 二次调节器和最优控制器的设计等。
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详细描述
自动控制是工程学科的一个重要分支，它研究如何通过各种控制手段对被控对象进行调 节，使其达到预定的状态或性能指标。在自动控制中，控制器是核心部分，它根据输入 信号和被控对象的输出信号，通过一定的控制算法计算出控制信号，对被控对象进行调
节，使其达到预期状态。
自动控制的应用领域
• 总结词：自动控制广泛应用于工业、农业、军事、航空航天、交通运输、医疗 等领域。
• 详细描述：在工业领域，自动控制被广泛应用于生产线上，如自动化流水线、 智能制造等，以提高生产效率和产品质量。在农业领域，自动控制技术用于智 能化农业装备，如智能灌溉系统、温室环境控制系统等，以提高农业生产效率 和农产品质量。在军事领域，自动控制技术用于导弹制导、无人机控制等，以 提高武器装备的精度和作战能力。在航空航天领域，自动控制技术用于飞行器 控制、卫星姿态控制等，以保证飞行器和卫星的安全稳定运行。在交通运输领 域，自动控制技术用于智能交通系统、自动驾驶车辆等，以提高交通运输效率 和安全性。在医疗领域，自动控制技术用于医疗设备控制、医疗器械的精确操 作等，以提高医疗水平和治疗效果。
意义
随着科技的发展和工业自动化的推进，自动控制原理在工程实践和科学研究中的应用越来越广泛。掌握自动控制 原理对于从事自动化、控制工程、电子信息等领域的工作具有重要意义。同时，该课程也是许多高校自动化、电 气工程及其自动化等专业的必修课程之一。
《自动控制原理》第一章-自动控制原理精选全文完整版
● 执行环节： 其作用是产生控制量，直接推动被控对象的 控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。
常用的名词术语
1.稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正 常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到 原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、 发散振荡或单调增长运动。
2.动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。 当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为 阶跃响应。
时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。
即若系统的输入为 r(t) 时，对应的输出为 y(t)，则
当输入量为 Kr(t)时，输出量为 Ky(t) 。
（2）非线性系统
● 特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 ● 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、
间隙特性等。
图1-5 典型的非线性特性
对被控对象的控制作用，实现控制任务。
图1-3 闭环控制系统原理框图
Hale Waihona Puke (3)复合控制系统 工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系 统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信 号进行补偿，以达到精确的控制效果。
图1-4 复合控制系统原理框图
2.按系统输入信号分类
（1）恒值控制系统 系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服 干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。
举例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制 系统。
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
自动控制原理 第一章绪论
◆定义：系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统
◆特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，
这种控制方式称为开环控制 在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不 需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此， 开环控制系统又称无反馈控制系统。
参考输入量
放大器
执行元件
干扰 信号
被控变量
被控对象
当蒸汽机、发电机出现之后，人类的“力气”不知 被放大多少亿倍！人类的力臂不知不 觉被延长到几千公里之外！物质丰富 了，一些农民被改造成为工人，进入 了资本主义社会时期。
2
中国矿业大学信电学院
引言：人类社会发展的三个时代
自动控制原理
❖ 自动化时代
在这个时代中，能量变换与信息变换都可由机器来 完成，在人类活动所见的空间里，只要需要用“力”的 地方，都可以给它配上一个小的脑袋－－单片机或微处 理器之类设备，代替人进行某种判断或操作。
19
中国矿业大学信电学院
二、闭环控制系统
自动控制器
温度测 量装置
自动控制原理 热水
控制阀 蒸汽 冷水
热力系统的自动反馈控制
排水
20
中国矿业大学信电学院
二、闭环控制系统
给定装置
－＋
给定电压
放大器
e
电机
M
自动控制原理
减速器
－＋
热电偶 电阻丝
热电偶 输出电压
被控对象？ 被控量？
图1-7电热炉炉的闭环控制方式
如果扰动产生在系统的内部，称为内部扰动； 当扰动产生在系统的外部时，则称之为外部扰动。
11
中国矿业大学信电学院
第二节 自动控制系统的工作原理
自动控制原理
自动控制原理第一章绪论控制系统的一般概念
模糊控制 神经网络
智能控制理论
遗传算法
温度计
炉子 电热丝
调压器 220
自动控制
炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
u
ub
ur
电压 放大器
电动机
功率 +
放大器 _E
减速器 调压器
220
二.自动控制要解决的基本问题
自动控制是使一个或一些被控制 的物理量按照另一个物理量即控制量 的变化而变化或保持恒定，一般地说 如何使控制量按照给定量的变化规律 变化，就是一个控制系统要解决的基 本问题。
缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
适用场合：系统元件参数变化和扰动无法预计的场合。
§3 反馈控制系统的组成
校正元件：基于偏差信号按一定函数规律产生供执行元件执行的 控制命令对系统进行校正以改善系统的动态和静态性能
如：由放大器、电阻、电容组成的具有预定传递函数的电路。 执行元件：也称执行器。用来执行校正元件产生的控制命令，以便
• 闭环控制(closed-loop control)
闭环控制工作原理： 外部作用：
给定量：使 c跟踪r 干扰量：使 c偏离r
控制目的：排除干扰因素、影响、使被控量随给定量变化。
1)、有反馈，能够成闭回路 是按偏差控制的、
2)、偏差信号起控制作用
具有负反馈的闭环系统
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。
• 被控变量：简称被控量，指被控对象输出需按控制要 求变化的物理量，在单输出系统中，也就是系统得输 出量。
• 控制通道：控制变量通过被控对象（被控过程）到控 制系统输出的通道。
《自动控制原理》知识点资料整理总结
第一章绪论1.机械系统：以实现一定的机械运动、输出一定的机械能和承受一定的机械载荷为目的。
激励（输入）：外界与系统的作用，如作用力（载荷）。
分为控制输入和扰动输入。
响应（输出）：系统由于激励作用而产生的变形或位移。
2.机械工程控制论的研究对象和任务是什么？机械工程控制论实质上是研究机械工程中广义系统的动力学问题。
具体地说，是广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历程，研究系统与其输入、输出三者之间的动态关系。
从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械控制工程论的任务可以分为以下五个方面：（系统分析问题）已知系统和输入，求系统的输出。
（最优控制问题）已知系统和理想输出，设计输入。
（最优设计问题）已知输入和理想输出，设计系统（滤波与预测问题）已知输出，确定系统，以识别输入或输出中的有关信息。
（系统辨识问题）已知输入和输出，求系统的结构与参数。
3.控制系统的基本要求（稳、准、快）稳定性：动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。
稳定性是系统工作的首要条件。
准确性：在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差。
衡量系统工作性能的重要指标。
快速性：系统输出量与希望值之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。
控制的三要素：控制对象、控制目标、控制手段。
控制论的两个核心：信息和反馈需要解决的两大基本问题：控制系统的分析和控制系统的设计。
4.反馈：将系统的输出以一定的方式返回到系统的输入端并共同作用于系统的过程。
内反馈：系统或过程中存在的各种自然形成的反馈。
内反馈是造成机械系统存在动态特性的根本原因。
外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈。
正反馈：能使系统的绝对值增大的反馈。
负反馈：能使系统的绝对值减小的反馈。
5.自动控制的本质：闭环自动控制系统的工作过程就是一个“检测偏差并纠正偏差”的过程。
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的系统。
一般由控制器和被控对象组成。
3、控制系统分类： 1）开环控制系统 2）闭环控制系统 3）复合控制系统
1.1.2 控制系统的发展史
三千年前发明了“铜壶滴漏”装置; 公元前2世纪发明了用来模拟天体运动和研究天体运动规 律的“浑天仪”; 两千一百年前研制出指南车; 公元132年产生了世界上第一架自动测量地震的“地动 仪”; 公元3世纪发明了自动记录里数的“记里鼓车”。
四个阶段: 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 瓦特改良的蒸汽机 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
关于课程的相关背景内容
1、英文课名： Principle of Automatic Control 2、学 时：60学时（实验10学时） 3、学 分：4学分 4、课程性质：必修专业基础课 5、与相关课程的关系： 先修课程：高等数学、电路原理、模拟电子技术、电机及拖动基础 后续课程：直流调速、交流调速、毕业设计 6、开课目的与任务： （1）掌握自动控制系统的基本概念和分析、综合系统的方法； （2）具有初步分析和解决自动控制方面相关问题的能力； （3）为后续专业课的学习及毕业设计、报考研究生打下基础。 7、课程重点、难点、手段和方法 重点：从系统获得传递函数、动态结构图，会用时域法、根轨迹法和频率法 分析线性系统。掌握校正装置的设计方法，会用描述函数法、相平面法分析 非线性系统。掌握离散系统基本概念和基本理论。 难点：开环频率特性的绘制；奈氏判据及对数稳定判据判断系统的稳定性； 校正装置设计；相平面法分析非线性系统。 方法及手段：以CAI教学为主，通过一定数量的习题、实验，深入掌握本课 程的基本概念、基本理论和方法。
本章介绍开环控制和闭环控制，控制系统的基本原理和 组成，控制系统的类型，以及对控制系统的基本要求。
知识要点
开环控制，闭环控制，控制装置，被控对象 ，稳定性， 稳态误差，动态特性。
§1.1 引言
1.1.1 相关术语
1、自动控制：在人不直接参与的情况下，利用自动控制装置 使工作机械或生产过程自动地按预定规律运行，或使被控量 （工作机械或生产过程的某个物理参数）按预定的要求变化。
✓关于课堂教学的几点问题
1、内容较多，讲课速度快。 2、针对主要内容，多结合例题、习题讲解。 3、涉及高等数学的内容较多，希望对相关知识做好
复习工作。 4、扩展了一些教材之外的内容，希望同学做好笔记。 5、重要的知识点更细致些，重要的内容结合例题详解。 6、讲课过程中，可以多渗透一些将来考试的内容。 7、有些过程需要详细了解的，手写其过程。 8、自觉维护课堂秩序。
✓关于课程成绩
最终成绩＝平时(10分)＋实验(10分)＋考试(80分) 平时——考勤＋作业＋课堂测验 考试——100分×80％＝80分
✓参考书
1、胥布工主编.自动控制原理. 电子工业出版社,2011.1 2、胡寿松编.自动控制原理(第4版).国防工业出版社，2006.6 3、白文峰编.自动控制原理.吉林科学技术出版社，2003.8 4、于希宁、刘红军编.自动控制原理.中国电力出版社，2007.6 5、张爱民编.自动控制理论重点难点及典型题解析.西安交通大学出 版社，2006.8 6、胡寿松，沈程智编.自动控制原理习题集. 国防工业出版社,1990
本课程学习方法
1、打好基础
高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）
2、做好预习
讲课的速度较快、了解课程内容
3、听好课
掌握基本理论和基本方法
4、做好习题
应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题源自第1章 绪论内容提要
自动控制理论是自动化学科的重要理论基础，专门研究 有关自动控制系统中基本概念、基本原理和基本方法。
1945年美国人波德(Bode)写了“网络分析和反馈放大器设计” 一文, 奠定了经典控制理论基础, 在西方国家开始形成了自动控 制学科;
1947年美国出版了第一本自动控制教材“伺服机件原理”;
1948年美国麻省理工学院出版了另一本“伺服机件原理”教 材, 建立了现在广泛使用的频率法。
20世纪50年代是经典控制理论发展和成熟的时期。主要内容 为频率法(拉氏变换及Z变换)、根轨迹法、相平面法、描述函 数法、稳定性的代数判据和几何判据、校正网络等, 这些理论 基本解决了单输入-单输出自动控制系统的有关问题。
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。
2.经典控制理论时期（ 20世纪40－60年代）
3.现代控制理论时期（50年代末-60年代初）
空间技术的发展迫切要求对多输入/多输出、高精度、参数 时变系统进行分析与设计, 这是经典控制理论无法有效解决的 问题, 于是出现了新的自动控制理论, 称为“现代控制理论”。 1960年卡尔曼(Kalman)发表了“控制系统的一般理论”, 1961年又与Bush发表了“线性过滤和预测问题的新结果”。 西方国家公认卡尔曼奠定了现代控制理论的基础。他的主要工 作是引进了 “校正”的概念。 现代控制理论的主要内容为: 状态空间法、系统辨识、最佳 估计、最优控制和自适应控制。
自动控制成为一门学科是从1945发展起来的。
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