自动控制原理 绪论 ppt课件.ppt
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自动控制原理-绪论、第2章新 114页PPT文档
5.5 用频率法分析控制系统的稳定性
5.6 系统暂态特性和开环闭环特性的关系
第六章 控制系统的校正及综合
6学时
6.1 控制系统校正的一般概念
6.2 串联校正
6.3 反馈校正
注：实验6学时依课程进度安排；另在期中、期末各安排2学时
习题课。
三、学习方法和要求
1、自动控制理论发展的不同阶段 自动控制的飞速发展是在20世纪，主要阶段为： 20世纪30 ~ 50年代，形成经典控制理论 主要成就：
3学时 （2）
（1）
第二章 自动控制系统的数学模型
10~12学时
2.1 动态微分方程式的编写
（3）
2.2 非线性数学模型线性化
（1）
2.3 传递函数
（3）
2.4 系统动态结构图
（3）
2.5 系统传递函数和结构图的等效变换 （2）
第三章 自动控制系统的时域分析 时
3.1 自动控制系统的时域指标 3.2 一阶系统的阶跃响应 3.3 二阶系统的阶跃响应 3.4 高阶系统的暂态响应 3.5 自动控制系统的代数稳定判据 3.6 稳态误差
（2）现代控制理论 — 采用状态空间法，研究多输入— 多输出（MIMO）、时变、非线性、高精度、高效能 等控制系统 的分析与设计问题。
（3）智能控制 — 以人工智能、控制理论和计算机科学为 基础的新型控制技术。
3、学习方法和要求
（1）熟练掌握各章节基本概念、基本理论和分析方法； （2）了解时域法、频域法和根轨迹法的内在联系，以便
特点： 不满足叠加原理；暂态特性与初始条件有关。
3、典型的非线性环节特性 4、两者的关系（参考教材Page6)
二、 连续数据系统和离散数据系统
1 、连续数据系统—— 信号为模拟的连续函数。
中职教育-《自动控制原理》课件：第1章 绪论(5)电子工业出版社.ppt
4
1-5 自动控制系统的基本要求
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
1．稳定性 对于一个自动控制系统，最基本要求为系统是
3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
自动控制理论研究的主要内容是阐述对自 动控制系统进行分析和设计的基本理论。在对 实际控制系统进行分析和设计时，首先要建立 研究问题的数学模型，进而利用所建立的数学 模型来讨论对自动控制系统进行分析和设计的 基本理论和方法。在已知系统数学模型下，计 算和研究自动控制系统的性能并寻找系统性能 与系统结构、参数之间的关系，称为系统的分 析。如果已知对工程系统性能指标的要求，寻 找合理的控制方案，这类问题称为系统的设计 或校正。
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。
2．准确性 系统的准确性是用稳态误差来衡量的，稳态误差
是指系统过渡到新的平衡工作状态以后，或系统对 抗干扰重新恢复平衡后最终保持的精度。稳态误差 与控制系统的结构及参数，输入信号形式有关。
2
3．快速性 动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作
用下随时间变化的全过程，衡量系统快速性的品质 好坏常采用单位阶跃信号作用下动态过程中的超调 量，过渡过程时间等性能指标。
对不同的被控对象，系统对稳、准、快的要求 有所侧重。例如，随动系统对快要求较高。同一系 统稳、准、快是相互制约的。过分提高响应动作的 快速性，可能会导致系统的强烈振荡；而过分追求 系统的平稳性，又可能使系统反映迟钝，控制过程 拖长，最终导致控制精度也变差。如何分析与解决 这些矛盾，是自动控制理论研究的重要内容。
1-5 自动控制系统的基本要求
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
1．稳定性 对于一个自动控制系统，最基本要求为系统是
3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
自动控制理论研究的主要内容是阐述对自 动控制系统进行分析和设计的基本理论。在对 实际控制系统进行分析和设计时，首先要建立 研究问题的数学模型，进而利用所建立的数学 模型来讨论对自动控制系统进行分析和设计的 基本理论和方法。在已知系统数学模型下，计 算和研究自动控制系统的性能并寻找系统性能 与系统结构、参数之间的关系，称为系统的分 析。如果已知对工程系统性能指标的要求，寻 找合理的控制方案，这类问题称为系统的设计 或校正。
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。
2．准确性 系统的准确性是用稳态误差来衡量的，稳态误差
是指系统过渡到新的平衡工作状态以后，或系统对 抗干扰重新恢复平衡后最终保持的精度。稳态误差 与控制系统的结构及参数，输入信号形式有关。
2
3．快速性 动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作
用下随时间变化的全过程，衡量系统快速性的品质 好坏常采用单位阶跃信号作用下动态过程中的超调 量，过渡过程时间等性能指标。
对不同的被控对象，系统对稳、准、快的要求 有所侧重。例如，随动系统对快要求较高。同一系 统稳、准、快是相互制约的。过分提高响应动作的 快速性，可能会导致系统的强烈振荡；而过分追求 系统的平稳性，又可能使系统反映迟钝，控制过程 拖长，最终导致控制精度也变差。如何分析与解决 这些矛盾，是自动控制理论研究的重要内容。
《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
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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
自动控制第一章绪论
中心。在受地震横波袭击时，由于惯
性力作用，它将倒向震源方向，从而
带动该方向的传动部件，使相应方向
的龙口上额起挠，龙口中的铜丸便掉
编辑ppt 落在蟾蜍口中。
8
1.1 引言
近代控制理论的逐步形成和发展
1、用于工业过程的自动反馈 控制器-飞球调速器
1769瓦特发明了飞球调速器， 用来与蒸汽机的进气阀连接 构成蒸汽机转速的闭环自动 调速系统。
系统的频率特性分析方法。
编辑ppt
10
1.1 引言
5、积分和微分控制的思想：1922 年俄裔美国工程师米诺斯基分析了 船舶驾驶控制系统的稳定性。
6、1934年美国麻省理工的赫曾教 创立了伺服控制理论，首次提出轨 迹跟踪在反馈控制中的重要性；
7、1936年英国工程师考伦德：温 度控制系统的PID控制器；
Ch6:频率特性分析
4
第一章 绪论
1.1 引言 1.2 自动控制的基本原理 1.3 反馈控制系统的组成 1.4 控制系统的分类 1.5 控制系统应用实例三则 1.6 控制系统的设计概述 1.7 本书内容安排 1.8 小结
编辑ppt
5
1.1 引言
1.1.1 自动控制理论发展简史
远古时期的自动装置
刻漏：
8、1942年美国工程师：PID参数整 定准则，至今仍适用；
9、二战期间及战后10年：控制系 统的图解分析法和根轨迹综合法， 创立根轨迹法的完整理论。
编辑ppt
现代PID控制器
11
1.1 引言
10、1948年美国数学家维纳出版专 著“控制论”。1956年我国科学家 钱学森出版“工程控制论”。
11、20世纪50年代，人造卫星和空 间技术的发展，成为自动控制理论 新的发展推动力。极大值原理、动 态规划理论、状态空间方法、多变 量最优控制和最优滤波理论。
自动控制原理(全套课件659P)
手动控制
人在控制过程中起三个作用： （1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；
（2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行
判断节，如调节阀门开度、改变触点位置。
ppt课件 4
1.1 自动控制的基本概念
在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。 如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收
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。
脑
手
输出量 （手的位置）
ppt课件
16
闭环控制系统方框图
ppt课件
17
反馈控制系统的组成、名词术语和定义
反馈控制系统方框图
ppt课件
18
1.2 自动控制理论的发展
自动控制原理课件ppt
控制目标。
传感器
检测系统的状态或参数，并将 检测结果转换为电信号传输给
控制器。
调节机构
根据控制器的指令调整系统的 参数或结构，以实现系统的稳
定和性能优化。
02
控制系统基本概念
系统稳定性
01Biblioteka 0203稳定性的定义
一个控制系统在受到扰动 后能够回到原始状态的能 力。
稳定性的分类
根据系统响应的不同，可 以分为渐近稳定、指数稳 定和不稳定三种类型。
闭环控制系统
系统的输出反馈到输入端，通过反馈 控制提高控制精度。
03
控制系统的数学模型
传递函数
定义
传递函数是描述线性定常系统动 态特性的数学模型，它反映了系 统输出与输入之间的函数关系。
形式
传递函数通常表示为有理分式的 形式，即 G(s) = num(s)/den(s) ，其中 s 是复变量，num(s) 是 分子多项式，den(s) 是分母多项
参数优化
根据系统性能指标，调整控制器的参数，以实现更好的控制效果 。
结构优化
对控制系统结构进行调整，以提高系统的稳定性和动态性能。
鲁棒性优化
提高系统对不确定性和干扰的抵抗能力，保证系统在各种情况下 都能稳定运行。
控制系统的调试与测试
硬件调试
对控制系统的硬件部分进行调试，确保硬件设备正常工作 。
软件调试
自动控制的应用
工业自动化
航空航天
交通运输
智能家居
自动化生产线、机器人 、自动化仪表等。
飞行器控制、卫星轨道 控制等。
自动驾驶车辆、列车控 制等。
智能家电、智能照明等 。
自动控制系统的组成
01
02
03
传感器
检测系统的状态或参数，并将 检测结果转换为电信号传输给
控制器。
调节机构
根据控制器的指令调整系统的 参数或结构，以实现系统的稳
定和性能优化。
02
控制系统基本概念
系统稳定性
01Biblioteka 0203稳定性的定义
一个控制系统在受到扰动 后能够回到原始状态的能 力。
稳定性的分类
根据系统响应的不同，可 以分为渐近稳定、指数稳 定和不稳定三种类型。
闭环控制系统
系统的输出反馈到输入端，通过反馈 控制提高控制精度。
03
控制系统的数学模型
传递函数
定义
传递函数是描述线性定常系统动 态特性的数学模型，它反映了系 统输出与输入之间的函数关系。
形式
传递函数通常表示为有理分式的 形式，即 G(s) = num(s)/den(s) ，其中 s 是复变量，num(s) 是 分子多项式，den(s) 是分母多项
参数优化
根据系统性能指标，调整控制器的参数，以实现更好的控制效果 。
结构优化
对控制系统结构进行调整，以提高系统的稳定性和动态性能。
鲁棒性优化
提高系统对不确定性和干扰的抵抗能力，保证系统在各种情况下 都能稳定运行。
控制系统的调试与测试
硬件调试
对控制系统的硬件部分进行调试，确保硬件设备正常工作 。
软件调试
自动控制的应用
工业自动化
航空航天
交通运输
智能家居
自动化生产线、机器人 、自动化仪表等。
飞行器控制、卫星轨道 控制等。
自动驾驶车辆、列车控 制等。
智能家电、智能照明等 。
自动控制系统的组成
01
02
03
第1章-绪论高教PPT课件
L.S. Pontryagin
.
13
1957年世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功
1957. Laika. Sputnik 2
Sputnik 1 was the
first artificial satellite
launched into space
.
14
Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of the launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.
In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.
1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of orbital revolution was 89:34 minutes (this figure was "calculated by electronic computers"). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters. The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour.
.
13
1957年世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功
1957. Laika. Sputnik 2
Sputnik 1 was the
first artificial satellite
launched into space
.
14
Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of the launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.
In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.
1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of orbital revolution was 89:34 minutes (this figure was "calculated by electronic computers"). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters. The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour.
自动控制原理课件ppt
03
非线性控制系统
非线性控制系统的特点
非线性特性
01
非线性控制系统的输出与输入之间存在非线性关系，
如放大器、继电器等。
复杂的动力学行为
02 非线性控制系统具有复杂的动力学行为，如混沌、分
叉、稳定和不稳定等。
参数变化范围广
03
非线性控制系统的参数变化范围很广，如电阻、电容
、电感等。
非线性控制系统的数学模型
线性控制系统的性能指标与评价
性能指标
衡量一个控制系统性能的好坏，需要使用一些性能指标，如响应时间、超调量、稳态误差等。
性能分析
通过分析系统的性能指标，可以评价一个控制系统的优劣。例如，响应时间短、超调量小、稳态误差小的系统性能较 好。
系统优化
根据性能分析的结果，可以对控制系统进行优化设计，提高控制系统的性能指标。例如，可以通过调整 控制器的参数，减小超调量；或者通过改变系统的结构，减小稳态误差。
。
采样控制系统的数学模型
描述函数法
描述函数法是一种分析采样控制系统的常用方法，通过将连续时间 函数离散化，用差分方程来描述系统的动态特性。
z变换法
z变换法是一种将离散时间信号变换为复平面上的函数的方法，可 用于分析采样控制系统的稳定性和性能。
状态空间法
状态空间法是一种基于系统状态变量的方法，可以用于分析复杂的采 样控制系统。
航空航天领域中的应用
总结词
高精度、高可靠性、高安全性
详细描述
自动控制原理在航空航天领域中的应用至关重要。例如 ，在飞机系统中，通过使用自动控制原理，可以实现飞 机的自动驾驶和自动着陆等功能，从而提高飞行的精度 和安全性。在火箭和卫星中，通过使用自动控制原理， 可以实现推进系统的精确控制和姿态调整等功能，从而 保证火箭和卫星能够准确地进行轨道变换和定点着陆。
自动控制理论绪论PPT课件
29
第29页/共32页
曲柄的滑动头 驱动电机
硬盘 轴心
滑动曲柄
磁道a
电机
17
第17页/共32页
＋ ＋
输出角度
－
同位仪 电压和功率放大器
直流电动机 炮身
输入角度
图1-10 地空导弹跟踪系统示意图
18
第18页/共32页
＋ ＋
输出角度
－
同位仪 电压和功率放大器
直流电动机 炮身
输入角度
图1-10 火炮跟踪系统示意图
工作原理： 同位仪是误差检测装置，输入信号是火炮跟踪目标 的监测角度，反馈装置把炮架转动的角度送入同位仪，放大 装置输出相应的偏差信号，使直流电动机带动火炮的炮架转 动，如此直至反馈的角度信号与输入的角度信号相等时，放 大装置的输出功率为零，电动机停止转动。由于火炮的目标 是飞行物体，因此系统的输入角度必须根据实际目标方位随 时调整，所以火炮跟踪系统是一个随动系统。
返回
5
输入量 控制器
输出量 执行器
图1-4 开环控制系统示意图
• 缺陷：由于系统周围环境的变化会给系统造成干扰，开环控制系统的输出量不 可能精确地对应于输入量，因此开环系统不具备克服输出量与输入量之间的偏差 的能力，它的准确性和稳态精度都不高。如果系统输入量再随时间变化，而系统 的被控对象一般都存在惯性，所以不可能瞬时完成对输入量的响应。——抗干扰 能力差
19
第19页/共32页
连续系统和离散系统
连续系统——系统各个组成环节的输入、输出信号都是时间 连续信号。
➢ 一般采用微分方程作为分析连续系统的数学工具。
上面所举的恒值调节系统和随动系统的例子都属于连续 控制系统。
离散系统——系统各个环节的输入、输出信号都是离散信
第29页/共32页
曲柄的滑动头 驱动电机
硬盘 轴心
滑动曲柄
磁道a
电机
17
第17页/共32页
＋ ＋
输出角度
－
同位仪 电压和功率放大器
直流电动机 炮身
输入角度
图1-10 地空导弹跟踪系统示意图
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＋ ＋
输出角度
－
同位仪 电压和功率放大器
直流电动机 炮身
输入角度
图1-10 火炮跟踪系统示意图
工作原理： 同位仪是误差检测装置，输入信号是火炮跟踪目标 的监测角度，反馈装置把炮架转动的角度送入同位仪，放大 装置输出相应的偏差信号，使直流电动机带动火炮的炮架转 动，如此直至反馈的角度信号与输入的角度信号相等时，放 大装置的输出功率为零，电动机停止转动。由于火炮的目标 是飞行物体，因此系统的输入角度必须根据实际目标方位随 时调整，所以火炮跟踪系统是一个随动系统。
返回
5
输入量 控制器
输出量 执行器
图1-4 开环控制系统示意图
• 缺陷：由于系统周围环境的变化会给系统造成干扰，开环控制系统的输出量不 可能精确地对应于输入量，因此开环系统不具备克服输出量与输入量之间的偏差 的能力，它的准确性和稳态精度都不高。如果系统输入量再随时间变化，而系统 的被控对象一般都存在惯性，所以不可能瞬时完成对输入量的响应。——抗干扰 能力差
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连续系统和离散系统
连续系统——系统各个组成环节的输入、输出信号都是时间 连续信号。
➢ 一般采用微分方程作为分析连续系统的数学工具。
上面所举的恒值调节系统和随动系统的例子都属于连续 控制系统。
离散系统——系统各个环节的输入、输出信号都是离散信
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19
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 描述方法 研究办法
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述）
根轨迹法和频率法
线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出） 向量空间
（状态空间描述）
状态空间法
研究目标
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
例1.1 热力系统
通过调节蒸汽阀门，使流出的 热水 保持一定的温度。如果由手 工控制，就要求控制者观测温度计 的指示值，调节阀门开关的开度。 调节方法为：如果温度计的指示值 蒸汽 高于期望值，则关小阀门，降低热
冷水
水温度；否则，开大阀门，升高热 水温度，从而使流出的热水保持设 定的温度。
温度计 热水
采样控制理论
3. 现代控制理论 4. 大系统理论 5. 智能控制理论
11
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 ➢ 1892俄国李雅普诺夫“论运动稳定性的一般问题”论文
•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12，
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。
9
1－2 自动控制理论的发展
一.控制系统的发展史
自动控制成为一门科学是从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
T T KTΦIa Ia
入) 。
5
上述两个系统都是由人工控制的，可以看出，人在控 制过程中起三个作用： （1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值； （2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数 据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控 制量； （3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开 度、改变触点位置。 人工控制的缺点：精度不高，速度慢，有些场合人不 能参与（高温，有放射性）
13
1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器
14
15
2、经典控制理论 （1940-1960）
➢1945年美国人Bode “网络分析与放大器的设计”，奠定了 控制理论的基础。 ➢1945年美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲提出了《系统论》 ➢1948年美国数学家维纳提出了著名的《控制论》形成了完 整的经典控制理论（以传递函数为基础）。 ➢研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。 ➢如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车 的运动轨迹等。
6
在自动控制中，用控制装置代替人来完成上述功能。 例如，自动控制热力系统如图1.4所示。
给定水温 实际水温 放大器 电动阀门
蒸汽
温度检测 热水
冷水 排水
图1.4 自动控制热力系统
7
直流电动机自动调速系统如图1.5所示。
U
Ug
U 放大器 U d
D
I f 常数
Uf +
测速发电机
图1.5 直流电动机速度自动控制系统
Ud
D
I f 常数
转速表
图1.3 直流电动机速度控制系统
4
转矩平衡过程
当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动 机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自 动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。
例：设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时，
若T2突然增加，则调整过程为
T2
n E KEΦn E
《自动控制原理》
河池学院物电系
1
《自动控制原理》教材
1.《自动控制原理》 科学出版社 胡寿松
(推荐教材)
2.《控制理论基础》
科学出版社
王显正等
3.《自动控制系统》
高教出版社
汪小帆等
4.《Automatic Control System》Benjamin C. Kuo
（高教出版社 ）
2
1－1 概述
因此所谓自动控制是在没有人参与的情况下，利用 控制装置使被控制对象和过程自动地按预定规律变化 的控制过程。具有自动控制功能的系统称为自动控制 系统。
8
控制器：对被控对象起控制作用装置的总体. 被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。 被控量：被控对象的工作状态. 输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动
16
17
18
3、现代控制理论 （ 50年代末-60年代初）
➢空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、 人造卫星和宇宙飞船上。 ➢匈牙利数学家Kalman “控制系统的一般理论”奠定了 现代控制理论的基础 ➢研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。 ➢如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏 板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。 ➢计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展
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、人造器官。 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论
五个阶段:
10
1－2 自动控制理论的发展
1.胚胎萌芽期
线性控制理论 2. 经典控制理论非线性控制理论
排水 图1.2 热力系统
3
例1.2 直流电动机速度控制系统
控制目标是使电动机稳定在要求的转速上运行。 从图中可见，对应滑动电阻器的触点的某一位置，有 一给定电压，经过放大器放大为，即为电动机电枢电 压。在没有任何扰动的情况下，对应滑动电阻器的触 点的某一位置，则有一电机转速与之对应。
➢U
Ug
放大器
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控
合
制与设计
20
1－2 自动控制理论的发展
4、大系统控制理论（ 70年代）
➢ 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。它是一个多输入、多输出、 多干扰、多变量的系统。
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 描述方法 研究办法
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述）
根轨迹法和频率法
线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出） 向量空间
（状态空间描述）
状态空间法
研究目标
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
例1.1 热力系统
通过调节蒸汽阀门，使流出的 热水 保持一定的温度。如果由手 工控制，就要求控制者观测温度计 的指示值，调节阀门开关的开度。 调节方法为：如果温度计的指示值 蒸汽 高于期望值，则关小阀门，降低热
冷水
水温度；否则，开大阀门，升高热 水温度，从而使流出的热水保持设 定的温度。
温度计 热水
采样控制理论
3. 现代控制理论 4. 大系统理论 5. 智能控制理论
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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 ➢ 1892俄国李雅普诺夫“论运动稳定性的一般问题”论文
•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12，
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。
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1－2 自动控制理论的发展
一.控制系统的发展史
自动控制成为一门科学是从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
T T KTΦIa Ia
入) 。
5
上述两个系统都是由人工控制的，可以看出，人在控 制过程中起三个作用： （1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值； （2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数 据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控 制量； （3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开 度、改变触点位置。 人工控制的缺点：精度不高，速度慢，有些场合人不 能参与（高温，有放射性）
13
1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器
14
15
2、经典控制理论 （1940-1960）
➢1945年美国人Bode “网络分析与放大器的设计”，奠定了 控制理论的基础。 ➢1945年美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲提出了《系统论》 ➢1948年美国数学家维纳提出了著名的《控制论》形成了完 整的经典控制理论（以传递函数为基础）。 ➢研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。 ➢如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车 的运动轨迹等。
6
在自动控制中，用控制装置代替人来完成上述功能。 例如，自动控制热力系统如图1.4所示。
给定水温 实际水温 放大器 电动阀门
蒸汽
温度检测 热水
冷水 排水
图1.4 自动控制热力系统
7
直流电动机自动调速系统如图1.5所示。
U
Ug
U 放大器 U d
D
I f 常数
Uf +
测速发电机
图1.5 直流电动机速度自动控制系统
Ud
D
I f 常数
转速表
图1.3 直流电动机速度控制系统
4
转矩平衡过程
当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动 机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自 动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。
例：设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时，
若T2突然增加，则调整过程为
T2
n E KEΦn E
《自动控制原理》
河池学院物电系
1
《自动控制原理》教材
1.《自动控制原理》 科学出版社 胡寿松
(推荐教材)
2.《控制理论基础》
科学出版社
王显正等
3.《自动控制系统》
高教出版社
汪小帆等
4.《Automatic Control System》Benjamin C. Kuo
（高教出版社 ）
2
1－1 概述
因此所谓自动控制是在没有人参与的情况下，利用 控制装置使被控制对象和过程自动地按预定规律变化 的控制过程。具有自动控制功能的系统称为自动控制 系统。
8
控制器：对被控对象起控制作用装置的总体. 被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。 被控量：被控对象的工作状态. 输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动
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3、现代控制理论 （ 50年代末-60年代初）
➢空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、 人造卫星和宇宙飞船上。 ➢匈牙利数学家Kalman “控制系统的一般理论”奠定了 现代控制理论的基础 ➢研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。 ➢如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏 板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。 ➢计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展
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、人造器官。 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论
五个阶段:
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1－2 自动控制理论的发展
1.胚胎萌芽期
线性控制理论 2. 经典控制理论非线性控制理论
排水 图1.2 热力系统
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例1.2 直流电动机速度控制系统
控制目标是使电动机稳定在要求的转速上运行。 从图中可见，对应滑动电阻器的触点的某一位置，有 一给定电压，经过放大器放大为，即为电动机电枢电 压。在没有任何扰动的情况下，对应滑动电阻器的触 点的某一位置，则有一电机转速与之对应。
➢U
Ug
放大器
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控
合
制与设计
20
1－2 自动控制理论的发展
4、大系统控制理论（ 70年代）
➢ 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。它是一个多输入、多输出、 多干扰、多变量的系统。