第一章 自动控制系统概述
自动控制原理与系统
二、系统的稳态性能： 系统从一个稳定状态过渡到新的稳定状态后，会 出现偏差，称为稳态误差ess。ess=0,系统称为无静差 系统。否则称为有静差系统。稳态误差的大小反映了 系统的稳态精度，表征系统的准确程度。
t
0
1
输入r(t)
t
0
1
输入c(t)
1
2
理想的
实际
ess
01
任何实际系统从原平衡状态到达新的平衡状
03
入端，以增强或减弱输入信号的效应。
04
闭环控制系统：
例2.引入闭环控制后的直流电机转速控制系统
电
压
放
大
器
可
控
硅
功
放
负载
△u
k
u
a
u
n
+
M
R
Us
uf
G
方框图
电位器
电压 放大器
可控硅 放大器
直流 电动机
测速机
us
uf
uk
-
n
扰动
ua
转速负反馈的作用：引入测速发电机后，当外来 的电网电压波动使电机的转速发生变化时，测速发电 机会将变化的情况反馈到比较环节，系统作出相应调 节，最终控制转速稳定。
振荡次数 N：指在调整时间内，输出量在稳
性能指标是衡量自动控制系统技术品质的客
01
观标准，也是定货、验收的基本依据。对性能指
02
标的要求，在同一系统中往往相互矛盾；性能指
03
标要求过高，成本会大幅增加；因此要统筹兼顾。
04
建立数学模型
定性分析：弄清工作原理
1-6 研究自动控制系统的方法
定量分析：静、动态指标
第1章自动控制原理概述
(3)放大元件 将检测信号转换为控制信号，输出足够的功率以 驱动电机控制阀门。 (4) 执行器 执行器为一电动调节阀，它包括执行电机和阀体 两部分，它根据控制器的命令，命令。
(5) 被控对象 此例中的被控对象是液位的高度。 (6) 校正装置 对系统的参数或结构进行调整，用于改善系统框 图。
1.3 对自动控制系统的基本性能要求 尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统也 都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在 已知系统的结构和参数时，对该系统在某种典型 输入信号作用下，其被控变量变化全过程的基本 要求都是一样的，可以归结为稳定性、准确性和 快速性，即稳、准、快的要求。
1．稳定性 对于一个自动控制系统，最基本要求为系统是绝 对稳定的。否则系统无法正常工作，也无法完成 控制任务，甚至会毁坏设备，造成重大损失。考 虑到实际系统工作环境或参数的变动，可能导致 系统不稳定，因此，我们除要求系统稳定外，还 要求其具有一定的稳定裕量。
在控制过程中，人要连续不断地观测箱体内的水 位，并与要求水位比较，反映到大脑中，然后大 脑根据水位差的大小和方向，产生控制指令，加 大或减小进水阀门的开度，以减少差异，人通过 连续不断的操作，达到箱体水位维持在要求值附 近。 通过研究上述人工控制恒温箱的水位过程，可以 看到，所谓控制就是使某个对象中物理量按照一 定的目标来动作。本例中，对象指箱体，其中的 物理量指箱体水位，一定目标就是事先要求的高 度期望值。
比较 输入量 元件 校正元件 — 反馈信号 反馈元件 放大元件 控制器 输出量 执行元件 被控对象
1.2 自动控制系统的分类 1.2.1 线性和非线性控制系统 (1)线性控制系统 组成系统元器件的特性均为线性的，可用一个或 一组线性微分方程来描述系统输入和输出之间的 关系。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加 性。 当线性微分方程的系数不随时间变化时，为线性 定常系统。本门课重点讨论线性定常系统。
自动控制系统概述ppt课件
号
号
1 就地安 装仪表
2 集中仪 表盘面 安装仪 表
3 就地仪 表盘面 安装仪 表
4
嵌在管道 中
集中仪表 盘后安装 仪表
5 就地仪表 盘后安装 仪表
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同 功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆 与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同 一图纸上），如下图所示。
对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统 ）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时 的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也 经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。
第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标
信号常见形式 斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号、阶跃信号等。
执行器
液位自动控制系统方框图
每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭 头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离 开方框的为环节输出。
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
注意！
方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。 方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联 系，与工艺流程图上的物料线有区别。 “环节”的输入会引起输出的变化，而输出不会反过来直 接引起输入的变化。环节的这一特性称为“单向性” 。 自动控制系统是一个闭环系统
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
用同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统
蒸汽加热器温度控制系统
给定值x
偏差e
控制器输出p
控制器
干扰作用f
操纵变量q 执行器
对 象 被控变量y
自动控制系统概述
1.1 引言
自动控制概念： 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，电力系统中的电压,电流,功率等物理 量，或某些化合物的成分，航空航天中的飞船姿态等） 依照预定的规律进行运动或变化。 这种能对被控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
负反馈：输入信号—反馈信号（输出信号） 线性定常系统根据参考输入量又可分为：
它一般由控制装置和被控对象组成
自动控制：传感器、控制器、执行器、水箱+阀门
控制器
执行器
h 水箱系统
传感器
典型的自动控制系统方框图
参考输入 元件
参 考
理想化系统
输
入
r(t) +
_
b(t)
e(t)
控制元件
偏 差
主 反 馈
执行元件 反馈元件
+
g(t)
_ 系统误差
被控对象
被 C(t) 控 量
1.3自动控制与自动控制系统
反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与 输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈
负反馈：输入信号—反馈信号（输出信号） 输出偏差减小
正反馈：输入信号+反馈信号 反馈控制、闭环控制:按偏差进行控制
一些基本概念
b.设计。根据分析确定控制方法：
0.6
数字——物理装置
c. 仿真：数字，物理仿真，反复进行
0.4
d.实现：制作，调试、重购。
0.2
0 0
1
2
3
4
5
第一章 自动控制系统概述
+ 杠 杆
-
自动控制系统概述
控制装置(简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某
一物理量（如温度、压力等）准确地按照预期的规律运行。
二、自动控制系统的常用术语
在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象 或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量 的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正 常控制的所有因素称为扰动量。给定量和扰动量都是自动控 制系统的输入量。扰动量按其来源分内部扰动和外部扰动。
第一章 自动控制系统概述
三、闭环控制系统
系统的控制装置和被控对象不仅有顺 向作用，而且输出端和输入端之间存在反 馈关系，所以称为闭环控制系统，闭环控 制系统就是反馈控制系统。
第一章 自动控制系统概述
直流电动机调速系统
第一章 自动控制系统概述
恒温箱
闭 环 控制
第一章 自动控制系统概述
系统框图
第一章 自动控制系统概述
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第一章 自动控制系统概述
第五节 自动控制系统的性能指标
一、稳定性
系统的稳定性：系统在受到外部作用后，能否恢复平衡状态
稳定
的能力。
不稳定
第一章 自动控制系统概述
稳定的重要性：不稳定的系统是无法进行工作的；因此，对
任何自动控制系统，首要的条件便是系统能 稳定正常运行。
二、快速性
系统响应的快速性：是指在系统稳定性的前提下，通过系统 的自动调节，最终消除因外作用改变而引起的输出量与给定 量之间偏差的快慢程度。一般用调节时间来衡量 。如图1-16 所示，系统输出即系统响应经过几次振荡后，达到新的稳定 状态。对于系统动态过程性能的优劣除了快速性之外，还有 反映系统动态过程平稳性指标，故将快速性和平稳性作为表 征系统动态性能的指标，统称为动态性能指标。
自动控制系统概述
自动控制原理：经典控制理论，即研究反馈控制。 自动化 自动控制（视频资料） 在没有人参与的情况下，通过控制器或控制装置来控制机器或者设备等物理装置，使
得机器设备的受控物理量按照希望的规律变化，达到控制目的。 是研究控制系统的一般规律，不是讲具体的控制对象、系统、元件。 对象：如炼钢、化工反应，航空航天，机械汽车加工。 系统：运动过程，力学、电学、光学、生物等 元件：控制器、执行（电机），传感器
2021/3/27
2
CHENLI
第一章 自动控制系统概述
自动化的发展过程回顾： ①设备自动化 本世纪50年代开始发展起来，由最初的机器、设备的控制问题，引出了机床、轧钢机等设备 的自动化。主要特点：自动调节系统的出现及其大量应用。 ②生产过程自动化 生产过程自动化需要考虑生产过程的协调、优化、计划与调度等问题。它是生产车间级的自动 化。 离散型生产过程的自动化 机械制造自动化，电子制造自动化，…… 连续型生产过程的自动化 化工自动化，冶金自动化，…… ③工厂自动化 工厂是由若干个生产车间组成的、能够完成一定的产品生产任务的实体，工厂自动化实现了产 品加工生产的自动化，工厂自动化=生产过程自动化+管理自动化。 ④企业自动化 企业自动化包括企业的生产加工、企业管理、产品（设计/开发）、市场、销售、计划等方面 的综合自动化，企业自动化的支撑技术包括：制造资源管理MRP-II，企业资源计划ERP，计 算机辅助设计/制造CAD/CAM，计算机集成制造CIM，并行工程CE，产品数据管理PDM，… 计算机集成制造CIM将制造视为一个信息处理、信息转换的过程，将制造过程视为一个集成的 过程，多种计算机技术与工具的综合应用。
自动控制原理与系统
自动控制原理与系统，第三版第一章自动控制系统概述填空1.所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程等进行自动调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。
（1.1）2.18世纪瓦特(Watt)利用小球离心调速器使蒸气机转速保持恒定。
(1.1)3.若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，这样的系统称为开环控制系统。
(1.2)4.若系统的输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，这样的系统称为闭环控制系统。
(1.2)5.反馈信号与输入信号的极性相同则称为正反馈。
(1.3)6.恒值控制系统的特点是输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。
(1.4)7.随动系统的特点是输入量是变化着的，并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。
(1.4)8.自动控制系统的性能通常是指系统的稳定性、稳态性能和动态性能。
(1.5)9.控制系统的动态指标通常用最大超调量、调整时间和振荡次数来衡量。
(1.5)10.经典控制理论是建立在传递函数概念基础之上的。
(1.6)11.现代控制理论是建立在状态变量概念基础之上的。
(1.6)单选1.在自动控制系统的性能指标中，最重要的性能是() (1.5)动态性能稳定性稳态性能快速性双选1.若系统的输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，这样的系统称为() (1.2)开环控制系统闭环控制系统前馈控制系统反馈控制系统复合控制系统2.开环控制系统的适用场合是() (1.2)系统的扰动量影响不大系统的扰动量大且无法估计控制精度达不到预期要求系统未设反馈环节系统的扰动量可以预计并能进行补偿3.闭环控制系统的适用场合是() (1.2)系统的扰动量影响不大控制精度达不到预期要求系统未设反馈环节系统的扰动量大系统的扰动量可以预计并能进行补偿4.自动控制系统按输入量变化的规律可分为恒值控制系统和() (1.4)连续控制系统伺服系统过程控制系统离散控制系统时变系统5.自动控制系统按系统的输出量和输入量间的关系可分为() (1.4)连续控制系统离散控制系统线性系统非线性系统定常系统6.恒值控制系统是最常见的一类自动控制系统，例如() (1.4)火炮控制系统自动调速系统雷达导引系统刀架跟随系统水位控制系统简答1. 简述开环控制和闭环控制的优缺点及适用场合。
自动控制理论
⾃动控制理论第⼀章⾃动控制系统概述1、组成⾃动控制系统的基本元件或装置有哪些？各环节的作⽤？控制系统是由控制对象和控制装置组成，控制装置包括：(1) 给定环节给出与期望的输出相对应的系统输⼊量。
(2) 测量变送环节⽤来检测被控量的实际值，测量变送环节⼀般也称为反馈环节。
(3) ⽐较环节其作⽤是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给出的输⼊值进⾏⽐较，求出它们之间的偏差。
(4) 放⼤变换环节将⽐较微弱的偏差信号加以放⼤，以⾜够的功率来推动执⾏机构或被控对象。
(5) 执⾏环节直接推动被控对象，使其被控量发⽣变化。
常见的执⾏元件有阀门，伺服电动机等。
2、什么是被控对象、被控量、控制量、给定量、⼲扰量？举例说明。
被控对象指需要给以控制的机器、设备或⽣产过程。
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。
控制量也称操纵量，是⼀种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值。
给定值是作⽤于⾃动控制系统的输⼊端并作为控制依据的物理量。
给定值⼜称输⼊信号、输⼊指令、参考输⼊。
除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是⼲扰，⼲扰⼜称扰动。
⽐如⼀个⽔箱液位控制系统，其控制对象为⽔箱，被控量为⽔箱的⽔位，给定量是⽔箱的期望⽔位。
3、⾃动控制系统的控制⽅式有哪些？⾃动控制系统的控制⽅式有开环控制、闭环控制与复合控制。
4、什么是闭环控制、复合控制？与开环控制有什么不同？若系统的输出量不返送到系统的输⼊端（只有输⼊到输出的前向通道），则称这类系统为开环控制系统。
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（有输出到输⼊的反馈通道），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，这种控制原理被称为反馈控制原理。
复合控制是闭环控制和开环控制相结合的⼀种⽅式，既有前馈通道，⼜有反馈通道。
5、⾃动控制系统的分类（按元件特性分、按输⼊信号的变化规律、按系统传输信号的性质）？按系统输⼊信号的时间特性进⾏分类，可分为恒值控制系统和随动系统。
自动控制技术(整理)
n
B1 B2
B1 B2 B1
n>1:衰减振荡。n 越大，则控制系统的稳定度也越高，当 n 趋于无穷大时， 控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。 n=1:等幅振荡。 n<1:发散振荡。n 越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低， 根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左 右，与此对应的衰减比在 4:1 到 10:1 的范围内。
（3）余差
e
e r y ()
定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。 余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零， 或不超过预定的范围。在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程
e r y () C 的要求，并不是越小越好，上例中
（4）过渡过程的长短。
定义： 控制系统在受到阶跃外作用后， 被控变量从原有稳态值达到新 的稳态值所需要的时间。 理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间 实际上，被控变量接近于新稳态值的 5% 或 3% 或 2% 的范围 内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般希望过渡 时间短一些。 （5）振荡频率（或振荡周期）
自动控制示例 控制变量： 受控制器操纵的用以 克服干扰的影响， 使被控变量保 持设定值的物理量(水的流量) 扰动： 除操纵变量外， 作用于被 控过程并引起被控变量变化的 因素 (水压力、蒸汽压力) 设定值： 工艺参数所要求保持的 术语 数值 被控过程（被控对象） ：自动控 偏差： 被控变量设定值与实际值 制系统中， 工艺参数需要控制的 之差 生产过程、 设备或机器。 （气泡） 负反馈： 将被控变量送回输入端 被控变量： 被控过程内要求保持 并与输入变量相减 设定值的工艺参数(气泡液位)
自动控制理论 (2)
第一章自动控制系统概述1、组成自动控制系统的基本元件或装置有哪些？各环节的作用？控制系统是由控制对象和控制装置组成，控制装置包括：(1) 给定环节给出与期望的输出相对应的系统输入量。
(2) 测量变送环节用来检测被控量的实际值，测量变送环节一般也称为反馈环节。
(3) 比较环节其作用是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。
(4) 放大变换环节将比较微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。
(5) 执行环节直接推动被控对象，使其被控量发生变化。
常见的执行元件有阀门，伺服电动机等。
2、什么是被控对象、被控量、控制量、给定量、干扰量？举例说明。
被控对象指需要给以控制的机器、设备或生产过程。
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。
控制量也称操纵量，是一种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值。
给定值是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。
给定值又称输入信号、输入指令、参考输入。
除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干扰，干扰又称扰动。
比如一个水箱液位控制系统，其控制对象为水箱，被控量为水箱的水位，给定量是水箱的期望水位。
3、自动控制系统的控制方式有哪些？自动控制系统的控制方式有开环控制、闭环控制与复合控制。
4、什么是闭环控制、复合控制？与开环控制有什么不同？若系统的输出量不返送到系统的输入端（只有输入到输出的前向通道），则称这类系统为开环控制系统。
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（有输出到输入的反馈通道），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，这种控制原理被称为反馈控制原理。
复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式，既有前馈通道，又有反馈通道。
5、自动控制系统的分类（按元件特性分、按输入信号的变化规律、按系统传输信号的性质）？按系统输入信号的时间特性进行分类，可分为恒值控制系统和随动系统。
自动控制理论
第一章自动控制系统概述1、组成自动控制系统的基本元件或装置有哪些各环节的作用控制系统是由控制对象和控制装置组成，控制装置包括：(1) 给定环节给出与期望的输出相对应的系统输入量。
(2) 测量变送环节用来检测被控量的实际值，测量变送环节一般也称为反馈环节。
(3) 比较环节其作用是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。
(4) 放大变换环节将比较微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象。
(5) 执行环节直接推动被控对象，使其被控量发生变化。
常见的执行元件有阀门，伺服电动机等。
2、什么是被控对象、被控量、控制量、给定量、干扰量举例说明。
被控对象指需要给以控制的机器、设备或生产过程。
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。
控制量也称操纵量，是一种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值。
给定值是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。
给定值又称输入信号、输入指令、参考输入。
除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干扰，干扰又称扰动。
比如一个水箱液位控制系统，其控制对象为水箱，被控量为水箱的水位，给定量是水箱的期望水位。
3、自动控制系统的控制方式有哪些自动控制系统的控制方式有开环控制、闭环控制与复合控制。
4、什么是闭环控制、复合控制与开环控制有什么不同若系统的输出量不返送到系统的输入端（只有输入到输出的前向通道），则称这类系统为开环控制系统。
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（有输出到输入的反馈通道），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，这种控制原理被称为反馈控制原理。
复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式，既有前馈通道，又有反馈通道。
5、自动控制系统的分类（按元件特性分、按输入信号的变化规律、按系统传输信号的性质）按系统输入信号的时间特性进行分类，可分为恒值控制系统和随动系统。
东南大学《自动控制原理》复习总结
过阻尼系统（ ζ
1）：单位阶跃响应 c(t)
1
T2
1
1
e
t T1
T1
1
1
e
t T2
,t
0 ，T1
1 ωn(ζ ζ2
1)
，
T1
T2
T2
ωn(ζ
1 ζ2
1)
，调节时间
ts 最长，无超调；
临界阻尼系统（ ζ 1）：单位阶跃响应 c(t) 1 ωnteωnt eωnt ,t 0 ，调节时间 ts 较短，无超
出量能自动地跟踪给定量。减小了跟踪误差，提高了控制精度，此时系统抗干扰能力强，可 以抑制内外扰动。
开环控制系统
闭环控制系统
1-3 自动控制与自动控制系统 设计基本要求：在确保稳定性的前提下，要求系统的动态性能和稳态性能好，即快速、平稳、
准确，即响应动作要快，动态过程平稳，跟踪值要准确。 设计原则：保证系统的输出在给定性能要求的基础上跟踪输入信号，并且有一定的抗干扰能
微分环节：传递函数 G(s) s ；
一阶微分环节： G(s) Ts 1 ； 二阶微分环节： G(s) T 2s2 2ζTs 1 (T > 0 , 0 < ζ < 1)；
一阶惯性环节： G(s) 1 ； Ts 1
二阶振荡环节： G(s)
s2
ωn2 2ζωns
ωn2
(ωn >
0
,
所有闭环的极点均具有负实部位于 s 左半平面（不包括虚轴）的系统为稳定系统（劳斯判据）。
3-6 控制系统的稳态误差分析
若系统的开环传递函数 Go(s)
Ko sυ
Gn(s) ，则系统的开环增益
Ko
lim sυ
第一章概述
第四节 自动控制理论发展简述
具有“自动”功能的装置自古有之 ，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比 较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成 功的首例。麦克斯韦对它的稳定性进行分 析，于1868年发表的论文当属最早的理论 工作。从20世纪20年代到40年代形成了以 时域法，频率法和根轨迹法为支柱的“古 典”控制理论。
• 2. ①输入量(Input Variable)——又称控制量 或参考输入量(Reference Input Variable)， • ②输出量(Output Variable)——又称被控 制量(Controlled Variable)， • ③反馈量(Feedback Variable) ④扰动量(Distrubance Variable)——又称 干扰或“噪声”(Noise)， • ⑤中间变量——它是系统各环节之间的 作用量。它是前一环节的输出量，也是 后一环节的输入量。
第二节 自动控制系统的分类
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。
四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统
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。 如：火炮自动 跟踪系统、轮 舵位置控制系 统等。
第一节 自动控制与自动控制系统
二、自动控制系统的基本构成 及控制方式
自动控制系统一般有两种基本控制 方式.
1．开环控制
开环控制 控制装置与受控对象之间只 有顺向作用而无反向联系.
第一节 自动控制与自动控制系统
例 驱动盘片匀速旋转的转台 由图可见： 系统组成： 被控制量速 电机 转台 度没有反馈到 电源和放 输入端与给定 大装置 信号比较,为开 速度设置 环控制系统。 这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器 等现代装置中广泛应用.
自控原理课件 第1章-自动控制系统概
2
第1章 自动控制系统概述
第1章 自动控制系统概述
1.1自动控制系统基础知识
3
第1章 自动控制系统概述
4
第1章 自动控制系统概述
开环控制系统是一种最简单的控制系统。下面举例 说明其结构特点和工作原理。 图1.1所示是一个电阻炉温度控制系统，希望电阻炉 的温度T c保持在允许范围内。在该系统中，可以通过调 整自耦变压器滑动端的位置来改变电阻炉的温度，并使 其保持在允许范围内。因而被控对象就是电阻炉，被控 量就是电阻炉的温度。自耦变压器滑动端的位置对应了 一个电压值uc，也就对应了一个电阻炉的温度Tc，改变 M c也就改变了T”在这个控制系统中，没有对电阻炉的实 际温度进行测量，就是说，实际温度Tc是多少不得而知 。当系统中出现外部扰动(如炉门开关频繁变化)或内部 扰动(如电源电压波动)时，了c将偏离“c所对应的数值， 5 结果温度可能比希望值偏高或偏低。
25
第1章 自动控制系统概述
而放大器的输入电压为给定电压与反馈电压比 较后的偏差电压ΔU=Ug-Ufn, 其中Ug是由给定电 位器给定的，Ufn是由测速发电机TG输出电压 经电位器分压获得的。 Ufn的大小取决于转速 的高低。因此,测速发电机和电位器构成检测元 件和反馈单元；由于Ug和Ufn极性相反，所以构 成负反馈。
第1章 自动控制系统概述
6．检测元件 该装置用来检测被控制量，并将其转换成与 给定量相同的物理量。检测元件的精度和特性逐 渐影响控制系统的控制品质，它是构成自动控制 系统的关键部件。在此系统中是热电耦。
20
第1章 自动控制系统概述
由图1.6可见．系统中作用量的被控制量如
下： 给定量：又称为控制量或参考输入量。它通 常由给定信号电压构成，或通过检测元件将非电 量转换成电压信号。如图1.6中的给定电压UsT。 输出量：又称为被控制量。它是控制对象的 输出，是自动控制的目标。如图1.6中的炉温T 。 反馈量：是通过检测元件将输出量转换成与 给定量性质相同且数量级相同的信号。图1.6中 的反馈量是由热电偶将炉温转换来的信号电压 UfT。
自动控制原理讲义
自动控制原理讲义第一章概述1.1自动控制系统基本概念1.2自动控制系统的组成和基本特点1.3自动控制的作用和意义1.4自动控制系统的发展历程第二章数学模型与传递函数2.1控制系统的模型化2.2传递函数的定义与性质2.3电气系统的传递函数2.4机械系统的传递函数2.5热系统的传递函数2.6液压系统的传递函数第三章时域分析与性能指标3.1控制系统的时域响应3.2控制系统的稳定性分析3.3闭环控制系统的稳态误差3.4控制系统的性能指标第四章线性系统的根轨迹法4.1根轨迹的定义与性质4.2根轨迹的绘制方法4.3根轨迹与系统性能的关系4.4根轨迹法的应用举例第五章频域分析与稳定性5.1频域分析的基本概念与方法5.2 Nyquist准则与稳定性判据5.3 Bode图与频率响应5.4频域法在系统设计中的应用第六章频域设计与校正6.1控制系统的校正问题6.2极点配置法与频率域设计6.3 Bode积分法与相位校正6.4全套控制器的设计与校正实例第七章系统鲁棒性与鲁棒控制7.1系统鲁棒性的定义与评估7.2H∞控制理论与方法7.3鲁棒控制的应用举例与原理第八章自适应控制8.1自适应控制的基本概念与原理8.2参数识别与模型跟踪8.3自适应控制器设计与应用例子8.4自适应控制的发展与前景第九章非线性系统与控制9.1非线性系统的基本概念与性质9.2非线性系统的稳定性分析9.3非线性系统的控制方法9.4非线性系统的应用实例第十章控制系统优化与参数优化10.1控制系统的优化问题10.2优化理论与方法10.3控制器参数优化的举例与原理第十一章模糊控制与神经网络控制11.1模糊控制的基本概念与原理11.2模糊控制系统的设计与应用例子11.3神经网络控制的基本概念与原理11.4神经网络控制系统的设计与应用例子第十二章智能控制与拓展12.1智能控制基本概念与发展12.2智能控制系统的设计与应用例子12.3控制系统的拓展与创新结语自动控制原理的讲义主要介绍了自动控制系统的基本概念、组成和基本特点，以及自动控制的作用和意义。
第1章 自动控制系统概述
(1)开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自 动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生 的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开 环控制是有利的。
(2)闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠负反馈 环节进行自动调节，以补偿扰动对系统产生的影 响。闭环控制极大地提高了系统的精度。但闭环 系统使系统稳定性变差，需要重视并加以解决。
本章作业
P15： 1-7 1-8
我国古代的自动控制技术
东汉时期张衡制造了浑天仪和地动仪
三国时期的马钧、南朝时的祖冲之创造和复制 了指南车。
产业革命时期，自动控制技术取得了巨大的发展
1748年瓦特发明的蒸汽机中的离心调节器
1868年麦克斯韦利用描述系统的微分方 程解释了这种现象，并提出了判别低阶 系统稳定性的判据 1877年和1895年劳斯[英]和数学家胡尔 维茨[瑞士]提出了可以判别高阶线性系统 的稳定性的判据
(3)自动控制系统通常由给定元件、检测元件、比较 环节、放大元件、执行元件、控制对象和反馈环节 等部件组成。系统的作用量和被控制量有：输入量、 反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。 框图可直观地表达系统各环节(或各部件)间的因果关 系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和传 递情况以及它们对输出量的影响。
特点：无反馈环节 优点：结构简单，系统稳定性好，成本也低 缺点：当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影 响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无法预计的 扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度时 ，开环控制 系统便无法满足技术要求
适用场合：在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参 数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差 可以预计确定并能进行补偿，应尽量采用开环控制系统。
第1章 自动控制系统简介
微积分（含微分方程）
课程学习要面临
数学基础宽而深 控制原理抽象 计算复杂且繁琐 绘图困难
ax bx c d
2
计算机数学语言 MATLAB 数值解/解析解（数学运算）
控制理论的内容
二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论 控制论：
经典控制理论 现代控制理论（智能控制理论）
1.1.2 自动控制系统举例
一个自动运行的系统，就是指它的运行不需要人为的干预。
令人的体温保持在37℃的自动温控系统 心跳控制系统 眼球聚焦系统 温控系统 汽车自动导航控制系统 电梯调度系统自动发送电梯搭载乘客
空调—自动调节房间温度：
以取暖为例，空调通过温度传 感器检测房间的温度高低，空调控 制器将检测的温度与设定值进行比 较，若温度低于设定值的下限，则 使压缩机运行，温度上升，温度上 升到设定值的上限时则停止运行。 空调运行基于反馈信息（温度 测量值），属于 “反馈控制”，最 为常见。
• 由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解 释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大 约一个世纪之久。
自动控制理论的开端
• 1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出： • 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控 制的不稳定。 • 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从 而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控 制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征 根的实部的正、负号问题。
1.2.3 闭环控制系统（核心）
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，称为闭环控制系统。
前/正向通道
反/负向通道
闭环控制系统的优缺点
第1章 自动控制系统概述
第1章 自动控制系统概述
智能控制系统是指具有某些仿人智能的工程控制 与信息处理系统， 其中最典型的就是智能机器人。 对自动控制理论的具体描述可表示为图1-1。
第1章 自动控制系统概述
图1-1 对自动控制理论的具体描述
第1章 自动控制系统概述
1.2 开环控制和闭环控制
1. 开环控制系统(Openloop Control System) 若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产 生影响， 则这样的系统称为开环控制系统。
减转器
调电器
电炉
过电热
图 1 - 5 电炉箱自动控制方框图
第1章 自动控制系统概述
T
UfT
∆U＝(UsT －UfT ) (>0)
Ua (>0)
电机电转
UR
T
自自自自，直直＝给定定， ＝0时时 T ∆U
图 1 - 6 炉温自动调节过程
第1章 自动控制系统概述
1.3 自动控制系统的组成
现以图 1 - 4 和图 1 - 5 所示的恒温控制系统来说 明自动控制系统的组成和有关术语。
要分析一个实际的自动控制系统， 首先要了解它 的工作原理， 然后画出组成系统的方框图。 在画方框 图之前， 必须明确以下问题： (1) 哪个是控制对象？被控量是什么？影响被控量 的主扰动量是什么？ (2) 哪个是执行元件？
第1章 自动控制系统概述
(3) 测量被控量的元件有哪些？ 有哪些反馈环节？ (4) 输入量由哪个元件给定？ 反馈量与给定量如何 进行比较？ (5) 此外还有哪些元件（环节）? 它们在系统中处 于什么地位？ 起什么作用？
第1章 自动控制系统概述
(5) 执行元件（Executive Element）： 驱动被控制 对象的环节。 (6) 控制对象（Controlled Plant）： 亦称被调对象。 (7) 反馈环节（Feedback Element）： 由它将输出 量引出， 再回送到控制部分。
自动控制原理与系统自动控制系统的基本概念
第一章 自动控制系统概述
总结
开环系统和闭环系统的输入量和输出量 都存在一一对应关系
开环系统中，只有输入量对输出量产生 控制作用，输出量不参与系统控制，因 而开环系统没有抗干扰能力
第一章 自动控制系统概述
闭环控制系统必须有检测反馈环节 和比较环节
闭环控制系统正是依靠放大的偏差 信号来纠正偏差的
第一章 自动控制系统概述
恒温箱
第一章 自动控制系统概述
开环控制系统的特点:
系统结构和控制过程简单 稳定性好，成本低廉 没有自动调节能力，抗干扰能力差
适用范围：
用于对系统控制性能要求不高，系统输 入与输出关系明确、干扰较小且相对稳定的 场合。
第一章 自动控制系统概述
二、闭环控制系统
系统的输入量和输出量不仅有顺向作用， 而且输出端和输入端之间存在反馈关系，所 以称为闭环控制系统。
第一章 自动控制系统概述
按控制原理的不同，自动控制系统可分为开环控制 系统和闭环控制系统。
一、开环控制系统
开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关 系，系统的输出量对控制作用没有任何影响。这种系统控制 装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。
第一章 自动控制系统概述
开环系统示例
系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制 作用没有任何影响.输入量与输出量之间只有顺向作用，没有反 向联系。
第一章 自动控制系统概述
闭环系统示例
n↓→ ufn↓→ue ＝（ur —ufn ）↑→uc↑→ud↑→ n↑
第一章 自动控制系统概述
恒温闭环控制系统
温度↑→ufT↑→Δu↓→产生电压ud→电动机转动→带动 调压器滑动臂转动→ur↓→温度↓
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举例说明开环控制与闭环控制
图1-2是直流电动机转速开环控制示意图。
V+ 电动机 负载
电 位 器
功率
放大器
图1-2 直流电动机转速开环控制
电动机的转速可由调节电位器来给定。但当电动机 受到负载变化影响时，电动机的转速是要发生变化的。 开环控制系统不能做到自动调节，控制的精度是比 较低的。
自动控制系统的基本结构如图1-4所示。
输入量 r
+ -
偏差
控制器Gc
控制量 u
扰动量 n
受控对象Go
输出量 c
反馈量b
反馈环节H
图1-4 自动控制系统的基本结构
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16
1. 控制系统的一些常用术语
受控对象
是指被控制的装置或者设备(如电动机、车床等)，有 时也指受控的物理量。
受控过程
受控物理量的变化过程称为受控过程。例如化学反应 过程、水泥窑炉的生产过程等。
在此，对于系统的性能要求可以简要概括为: 响应动作要快 动态过程平稳 跟踪值要准确 上述三条自动控制系统的基本要求如图1-8所示。
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c(t) 给定值 响应缓慢 响应快速 t
c(t) 变化剧烈
c(t)
跟踪误差
响应平稳
t
t
(a)响应快速性
(b)动态平稳性
(c)跟踪准确性
图1-8 控制系统的基本要求
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3
自动控制理论的发展与应用
可以改善劳动条件，把人类从繁重的劳动中解放出来； 由于自动控制系统能以某种最佳方式运行，可以提高劳
动生产率，提高产品质量，节约能源，降低成本。
自动控制理论的应用是实现工业、农业、国防等方面 科学技术现代化的有利工具。
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§1-2 开环控制与闭环控制 • 系统
常见的执行元件有步进电动机、电磁阀、气动阀、各 种驱动装置等。
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测量变送元件 又称传感器，用于检测受控对象的输出量，如温度、 压力、流量、位置转速等非电量，并变换成标准信号(一般 是电信号)后作为反馈量送到控制器。 例如各种压力传感器、流量传感器、差压变送器、测 速发电机等。 比较元件 用以产生偏差信号来形成控制。 有的系统以标准装置的方式配以专用的比较器，大部 分是以隐藏的方式合并在其它控制装置中，如计算机控制
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综上所述
• 闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输出
信号的负反馈作用而产生的。
• 经典控制理论
主要研究对象是负反馈的闭环控制系统。 研究目的是得到它的一般规律，从而可以设计出符合 设计要求的，满足实际需要的，性能指标优良控制系统。
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§1-3 自动控制与自动控制系统
1-3-1 自动控制系统的组成及定义
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1-3-3 自动控制系统的设计
自动控制系统的设计方法根据实际情况的不同而不同。 首先要符合自动控制系统的基本要求，其次要遵循自动
控制系统设计的基本原则。
1. 对自动控制系统的基本要求 对于一个控制系统首要的要求是系统的绝对稳定性。 在系统稳定的前提之下，要求系统的动态性能和稳态性能 要好。系统的动态性能和稳态性能是由相应的性能指标来 描述的。
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2. 自动控制系统的设计原则 自动控制系统设计的目的是要保证系统的输出在给定性
能要求的基础上跟踪输入信号,并且要有一定的抗干扰能力。 自动控制系统的设计大体上可以归结为以下几个步骤： (1) 系统分析
(2) 系统设计
(3) 实验仿真
(4) 控制实现 在本书中，重点从理论上探讨、研究自动控制系统的分 析问题和系统的设计问题(自动控制系统的校正)。
自动控制技术广泛应用在各个领域
不仅广泛应用于工业控制中，在军事、农业、航空、 航海、核能利用等领域也发挥着重要作用。
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2
“自动控制原理”是自动控制学科的基础理论 ，是一门理论性较强的工程科学。
本课程的主要任务是研究与讨论控制系统的一般规 律，从而设计出合理的自动控制系统，满足工农业生产和 各种工程上的需要。
。设定值既可以由手动操作设定，也可以由自动装置给 定。参考输入的值根据实际情况而定，其类型与变送器 的类型相一致。 在当前的计算机控制中，参考输入或者设定值一般可 以由计算机给出，因此没有专用的定值元件。
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控制器 接收偏差信号或者输入信号，通过一定的控制规律给 出控制量，送到执行元件。 如常规控制仪表(电动仪表，气动仪表)、可编程逻辑 控制器(PLC)、工业控制计算机等都属于控级别转换或者物理量 纲转换的装置称为执行元件，又常称为执行机构或者执行 器。
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扰动信号
外界或者系统内部影响系统输出的干扰信号。 外部的扰动称为外扰，它是系统的一个输入量。
内部的扰动称为内扰，也可等价为系统的一个输入量。
一般用符号n表示。 前向通路 从输入端到输出端的单方向通路。 反馈通路 从输出端到输入端的反方向通路。
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2. 控制系统的组成
一个典型的控制系统由以下几部分组成： 受控对象(或者受控过程，其定义如前所述) 定值元件 在常规仪表控制中，用它来产生参考输入或者设定值
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反馈：系统的输出量通过测量变送元件返回到系统的 输入端，并和系统的输入量作比较的过程就称为反馈。 负反馈：如果输入量和反馈量相减则称为负反馈。 正反馈：如果输入量和反馈量相加则称为正反馈。 控制系统中一般采用负反馈方式。 偏差信号：输入量与反馈量之差称为偏差信号。
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闭环控制系统在控制上的特点
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图1-3是直流电动机转速闭环控制示意图。
V+ 电 位 器 功率 放大器 电动机 负载
测速发电机
图1-3 直流电动机转速闭环控制
图1-3中，增加了一个由测速发动机构成的反馈回路 ，检测输出转速的变化并进行反馈。 闭环控制可以实现电动机转速的自动调节。
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系统自动调节电动机转速的过程如下：
系统等。
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1-3-2 自动控制系统的分类
前面已经介绍过开环控制系统与闭环控制系统，这是 按照控制原理来分类的。下面再介绍自动控制系统的另外 几种主要分类方法。
1．恒值控制系统与随动控制系统
根据给定的参考输入信号的不同来分类。 恒值控制系统：系统的参考输入为恒值或者波动范围 很小，系统的输出量也要求保持恒定，这类控制系统称为 恒值控制系统。
由于输出信号的反馈量与给定信号作比较产生偏差 信号，利用偏差信号实现对输出量的控制或者调节，所 以系统的输出量能够自动地跟踪给定量，减小跟踪误差
，提高控制精度，抑制扰动信号的影响。
其他的优点：引进反馈通路后，使得系统对前向通 路中元件参数的变化不灵敏，从而系统对于前向通路中 元件的精度要求不高；反馈作用还可以使得整个系统对 于某些非线性影响不灵敏等等。
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6
开环控制
开环控制是最简单的一种控制方式。 特点：控制量与输出量之间仅有前向通路，而没有反 馈通路。也就是说，输出量不能对控制量产生影响。 开环控制系统结构简单、维护容易、成本低、不存 在稳定性问题，应用于许多控制设备中。
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7
缺点：
控制精度取决于组成系统的元件的精度，因此对元器
当系统受到负载扰动作用时，如果负载增大，则电 动机的转速降低，测速发电机的端电压减小，功率放大 器的输入电压增加，电动机的电枢电压上升，使得电动
机的转速增加。 如果负载减小，则电动机转速调节的过程与上述过 程相反。 这样，消除或者抑制了负载扰动对于电动机转速的 影响，提高了系统的控制精度。
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指由内部互相联系的部件按照一定规律组成，能够完成 一定功能的有机整体。
• 控制系统的两种最基本的形式：
开环控制和闭环控制，如图1-1(a)、(b)所示。
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输入量 控制器
控制量
受控对象
输出量
（a）开环控制系统
输入量
+
控制量 输出量 受控对象 控制器
-
反馈元件
（b）闭环控制系统
图1-1 开环控制系统与闭环控制系统
第一章 自动控制系统概述
1-1 引言 1-2 开环控制与闭环控制 1-3 自动控制与自动控制系统 1-4 自动控制理论发展
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1
§1-1 引言
自动控制
指在没有人参与的情况下，通过控制器或控制装置来 控制机器或者设备等物理装置，使得机器设备的受控物理 量按照希望的规律变化，达到控制的目的。
给定值 +
输出
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4．单输入-单输出系统与多输入-多输出系统
单输入-单输出系统与多输入-多输出系统如图1-7所示。
u1 u2 um y1 y2 yr
(b) MIMO系统
u
系统
y
系 统
(a) SISO系统
图 1-7 单输入-单输出系统与多输入-多输出系统
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28
从端口关系上来分类，故不考虑端口内部的通路与结 构。 单输入-单输出系统(SISO)：只有一个输入量和一个 输出量。单输入-单输出系统是经典控制理论的主要研究 对象。 多输入-多输出系统(MIMO)：多个输入量和多个输 出量，其主要特点是输出与输入之间呈现多路耦合。与单 输入-单输出系统相比，系统的结构要复杂得多，本书基 本不予讨论。 除了以上提到的分类方法外，自动控制系统还有其 他的分类方法，如集中参数系统与分布参数系统、确定性 系统与随机控制系统等。