自动控制原理简明教程
《自动控制原理》胡寿松自动控制原理简明教程第5章详解
bm1s bm an1s an
➢ 惯性环节：1/(Ts+1)，式中T>0
➢ 一阶微分环节：(Ts+1)，式中T>0
➢ 积分环节：1/s
➢ 微分环节：s
➢ 振荡环节：1/[(s/ωn)2+2ξs/ωn+1]；式中ωn>0，0 < ξ <1 ➢ 二阶微分环节：(s/ωn)2+2 ξ s/ωn+1；式中ωn>0，0 < ξ <1
线性分度，单位是分贝（dB）；对数相频曲线的纵坐标按 φ(ω) 线性分度，单位是度（°）。由此构成的坐标系称为 半对数坐标系。
ω和lgω的关系表
① ω轴为对数分度， 即采 用相等的距离代表相等的 频率倍增，在伯德图中横 坐标按μ=lgω均匀分度。 ② ω=0在对数分度的坐标系中的负无穷远处，ω =0不可能 在横坐标上表示出来，横坐标上表示的最低频率由所感兴 趣的频率范围确定。 ③ 从表中可以看出，ω的数值每变化10倍， 在对数坐标 上lgω相应变化一个单位。 频率变化10倍的一段对数刻度 称为“十倍频程”， 用“dec”表示。
arctg
2
曲线起自幅角
为－v90°的
无穷远处。
1. 极坐标图的起点
2T T 2
2
tan
1
2T T 2 2
1
0 L 0dB
-40
0 90
0
180
L 20 lgT 2 40 lgT
180
n
1 T
90
1 10 TT
40dB dec
(a) (b)
➢ 延迟环节
Gs eTs
G j e jT G j 1 G j T
精确曲线
自动控制原理简明教程第二版课后答案第三章习题解答案
=
s(s 60)( s(s +
=2
70s + 600)
=
s(s2 + 2ξ ω ns +ω
n
2
) + s +10)
显然闭环传递函数为
2ξ ω ω n2 ns +ω n2 ) (s +
2
其中 ω
n
2
= 600 ω n =10 6 2ξ ω n = 70 ξ =
7
26
根据（3-17）
h(t) = 1+
e−t /T e−t /T +
25 1 s + 6 单位阶跃响应 h(t) C(s) = s[(s + 3)2 + 16] = s − (s + 3)2 +16
1
胡寿松自动控制原 理习题解答第三章 电三刘晓峰制作
h(t) = 1− e−3t cos4t −
3 4
e−3t sin4t
3-3 已知系统脉冲响应如下，试求系统闭环传递函数 Φ（ｓ） 。 （1）k(t) = 0.0125e−1.25t （2）k(t) = 5t +10sin(4t + 450 ) （3） k(t) = 0.1(1−e−t /3 ) 解：
3
胡寿松自动控制原 理习题解答第三章 电三刘晓峰制作
h(t) = 1−
e1
−ξ ω nt
2
sin( 1−ξ ω nt +β ) 1−ξ 2 β = arccosξ σ % = e−π ξ tp = 1−π ξ 2ω ts =ξ ω 3.5n ξ =
1− ξ
2
/
n
cosβ = cos55.30 = 0.569
自动控制原理简明教程第二版2.第二章习题答案
P
1
n k 1
pk k
P11 P22
G6
1
G1G2G3G4G5 G2G3H2 G3H1
G3G4
H3
2-15(c) 试用梅森公式求下图的传递函数C(s)/R(s).
梅森公式求得的传递函数：
P
ed(1 bg) abcd
1 (af bg ch ehgf ) afch
(3) 代入初始条件，得到输出量的拉氏形式:
d 2c(t) 3 dc(t) 2c(t) 2r(t)
dt 2
dt
s2C(s) sc(0) c(0) 3{sC(s) c(0)} 2C(s) 2R(s)
s2C(s) s 3sC(s) 3 2C(s) 2 s
与前向通路的P1（增益=ed）对应的余子式Δ1?
1 1 bg
与前向通路的P1（增益=abcd）对应的余子式Δ2?
梅森公式求得的传递函数：
2 1
P
1
n k 1
pk k
P11 P22
1 (af
ed(1 bg) abcd bg ch ehgf ) afch
2-6.已知在零初始条件下，系统的单位阶跃响应为 c(t) 1 e2t et
试求系统的传递函数和脉冲响应。
第一步：对系统响应进行拉氏变换
C(s) 1 1 1 s2 4s 2 1 s2 4s 2 R(s) s s 2 s 1 (s 1)(s 2) s (s 1)(s 2)
3 1
(s)
1
n k 1
自动控制原理简明教程(第二版)ppt
• 传感器包括测量环境参数的传感器(温、湿度、光照、二氧化碳、 土壤水分等)以及营养液成分(pH，电导、氮、磷、钾等)，小气象 传感器(风速、风向、大气温湿度和大气压等)等。
➢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域法
➢1948年维纳(Wiener)在他的名著《控制论：关于在动物和机器中控 制和通信的科学》中基于信息的观点给控制论(Cybernetics)下了一 个广义的定义。而在控制工程中又称为控制理论(Control Theory)。
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统实例 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
2024/5/10
6
自动控制
自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设 备或装置（统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） 自动地按照预定的规律运行。
➢1960年在美国自动控制联合会第一届年会上首次提出 “现代控制理论”这个名词。
➢在状态空间法发展初期，具有重要意义的是庞特里亚金 （Pontryagin）的极大值原理。贝尔曼（Bellman）的动态 规划理论和卡尔曼（Kalman）的最佳滤波理论，有人把它 们作为现代控制理论的起点，主要研究系统辨识、最优控 制、最佳滤波及自适应控制等内容。
2024/5/10
8
• 自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建 立、分析与设计。
《自动控制原理》 胡寿松 自动控制原理简明教程(专业教学)
i 1
j1, j x
= 180 + 1 + 2 + 3 1 2 3
=180 + 56.5 + 19 + 59 技1术0教8育.5 37 90 = 79 23
n
m
zx 180 (zx p j ) (zx zi )
j 1
i1,i x
=180 117 90 + 153 + 63.5 + 119 + 121 =149.5
1）劳斯判据法 应用劳斯判据求出系统处于稳定边界的临界值K’， 由K’值求出相应的ω值。
2）代数法 把 s j 代入特征方程 1 G( j)H ( j) 0
1 1 1 0 d 0 d 1 d 5
3d 2 + 12d + 5 = 0
d1 = 0.472 d2 = 3.53(不在根轨迹上，
舍去，也可代入幅值方程看Kg>0否？) 分 离点上根轨迹的分离角为±90°。
d1 = 0.472
d 180 / k
如果方程的阶次高时，可用试技探术教法育 确定分离点。
j1, ji
p j zi
j 1
;
k 0, 1, 2,
z1
(p1－z1) ( p1－p2 )
( p1－p3 )
p3
0
p2
Im
A
a
s1
pa
3 p3
1 z1
1
0 p1
Re
p2 2
p1 180 (2k 1) ( p1 z1)
(( p1 p2 ) ( p1 p3))
例：起始角 技a 术教育180 (2k 1) 1 (1 2 232)
实轴上的交点 n
胡寿松.自动控制原理简明教程[m]自控1
![胡寿松.自动控制原理简明教程[m]自控1](https://img.taocdn.com/s3/m/91b59a0fe2bd960590c67779.png)
反馈信号
•方框图中的几种表示法：
输入量 环节名称 输出量 (或特性)
r
(+)
e=r-b 或 r
(-)
e=r-b
(-)
c c
引出点 c
b (b)
b
(a)
(c)
闭环控制
+ ug uf
放大器 热电偶
给定电位计
-
Δu
放大器
工件
ua
热处理炉 阀门 煤气 混 合 器
电动机
M
动画： 开闭环控制比较 Ti 给定 装置
•开环控制
+
GT V udo M 给定信号 (电压)
扰动量
ug
晶闸管可 触发 控整流器 器 控制装置
(b) 方块图
输出量
(转速) 受控对象
电动机
(a) 原理图
•控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。 •前馈控制(开环)
+ ug
ui +udo R
放大 i 器 (a) 原理图
M 负载 n ug
第一章 自动控制的一般概念
1.1 一般概念 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
End
1.1 一般概念
1.2 1.3 1.4
何谓控制 何谓自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用控制 装置使被控对象按照预定的技术要求进行工作。 手动控制 自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控 制的系统，它由被控对象和控制装置组成。 自动控制理论所研究的问题 •被控对象 ：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被控对 象是控制系统的主体，例如火箭、锅炉、机器人、电冰箱等。 控制装置则指对被控对象起控制作用的设备总体，有测量变换 部件、放大部件和执行装置。 •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 ：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。 •干扰量 ：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。
自动控制原理简明教程第二版课程设计
自动控制原理简明教程第二版课程设计一、设计目的本次设计旨在加深学生对自动控制原理课程的理解和掌握，在实际应用中掌握抽象的理论知识。
通过本次课程设计，学生要求熟练掌握自动控制基本原理，能够综合运用所学知识分析和设计闭环控制系统，同时增强学生的动手实践能力，提高学生分析和解决实际问题的能力。
二、设计内容1. 设计题目设计题目为：基于单片机的温度控制系统。
2. 设计要求1.设计一个基于单片机的闭环温度控制系统，包含采样、处理、控制驱动等部分；2.温度范围为20℃~60℃，控制精度为±1℃；3.设计实现风扇控制，根据实际温度自动调整扇速，温度较低时自动关闭风扇；4.设计LCD显示实时温度、设定温度和控制状态。
3. 设计流程本课程设计分为以下步骤：1.确定系统硬件布局；2.完成硬件电路设计，包括传感器模块、单片机模块、风扇控制电路、LCD显示电路等；3.确定软件流程，完成单片机程序设计；4.完成系统调试和性能测试。
三、设计方案1. 系统硬件布局本次设计采用基于STM32的控制系统，主要硬件包括温度传感器，单片机模块，驱动模块等。
系统框图如下：系统框图系统框图2. 硬件电路设计2.1 温度传感器模块温度传感器采用DS18B20型号的数字温度传感器，具有较高的准确性和稳定性。
温度传感器接口图如下：温度传感器接口图温度传感器接口图2.2 单片机模块本次设计采用STM32F407VG型号的单片机，具有较强的处理能力和丰富的外设资源。
STM32F407VG芯片引脚分配图如下：STM32F407VG芯片引脚分配图STM32F407VG芯片引脚分配图2.3 驱动模块为了控制风扇的转速，需要设计一个风扇控制电路。
根据需求，本次设计采用三极管作为电压调节器，通过控制三极管开关时间来控制调节器的电流，从而达到控制风扇转速的目的。
电路图如下：驱动电路图驱动电路图2.4 LCD显示模块本次设计采用1602A型号的标准字符型液晶模块，较为简单易用。
自动控制原理简明教程第二版课后答案第四章习题答案
G(s) = K (3s +1) s(2s +1)
试用解析法绘出开环增益 K 从零增加到无穷时的闭环根轨迹图。 解：
系统开环传递函数为 G(s) = 3K /2(s +1/3) = K g (s +1/3) s(s +1/ 2) s(s +1/ 2)
930 θ p4 =1800 −θ −θ p1p4 p2p4 −θ −θ p3p4 p5p3 =1800 +146.450 +1350 + 900 + 75.7 =−930
根轨迹如图所示。
9
胡寿松自动控制原理习题解答第四章 电三刘晓峰制作
与虚轴的交点：令 s = jω 代入特征方程中 s5 +10.5s4 + 43.5s3 + 79.5s2 + 45.5s + K * = 0
3
胡寿松自动控制原理习题解答第四章 电三刘晓峰制作
根轨迹如图中红线所示。
有两个极点：（0＋ｊ０），（－0.5＋ｊ０），有一个零点（－1＋ｊ０）。 分离点坐标计 算如下：
1 + 1 = 1 d 2 + 2d + 0.5 = 0 解方程的 d1 =−1.7 ，d2 =−0.29 d d + 0.5 d +1
起始角 θ pi )：
（１） G(s) = K∗(s + 2)
(s +1+ j2)(s +1− j2)
解：
系统开环传递函数为 G(s) =
K∗(s + 2) K g (s + 2)
自动控制原理简明教程第二版课程设计
自动控制原理简明教程第二版课程设计一、实验目的1.掌握自动控制原理的基本知识；2.熟悉各种控制系统的组成和结构；3.学会利用 MATLAB/Simulink 等工具分析和设计控制系统；4.利用电子元器件和传感器构建实际的控制系统。
二、实验内容1.PID控制器的设计与实现；2.实际控制系统的建立与调节；3.基于 MATLAB 的系统仿真及实验数据分析；4.最终设计实现一个小型的自动控制系统。
三、实验器材与材料1.电脑；2.MATLAB/Simulink；3.电感、电容、电阻等基础电子元器件；4.摆杆、水位、温度等传感器；5.电机、螺旋桨等执行机构。
四、实验步骤步骤一：PID控制器设计1.在 MATLAB/Simulink 中建立 PID 控制器模型，调节参数；2.采集控制对象的响应数据，使用曲线拟合工具确定一二阶转移函数；3.根据转移函数设计控制器，并在 Simulink 中进行模拟。
步骤二：实际控制系统建立1.建立实际的控制系统，包括传感器、执行机构等；2.利用对应的电子元器件进行电路连接；3.编写控制软件，并进行参数调节。
步骤三：基于 MATLAB 的系统仿真及实验数据分析1.在 Simulink 中建立控制系统模型，进行仿真；2.采集仿真数据，进行曲线拟合；3.分析仿真结果，进行初步优化。
步骤四：最终设计实现一个小型的自动控制系统1.利用 PID 控制器控制实际控制系统；2.进行系统优化，使其达到预期效果；3.撰写实验报告。
五、实验思考题1.为什么我们需要控制系统？2.如何评价一个控制系统的性能？3.在实际应用中，我们需要考虑哪些因素？4.如何建立一个完整、稳定的控制系统？六、实验总结通过本课程设计的学习和实践，我们全面掌握了自动控制原理的基本知识和常见的控制系统结构，学会了利用 MATLAB/Simulink 等工具分析和设计控制系统，并实现了最终的小型自动控制系统。
在实验的过程中，我们遇到了许多问题，但通过分析和解决，我们不断提升了自己的能力，更加深刻地理解了自动控制原理。
自动控制原理简明教程答案
自动控制原理简明教程答案1. 简介自动控制原理是研究如何利用控制系统使系统能够自动实现预定目标的一门学科。
它主要研究系统的建模、控制器设计和控制系统的分析与综合等方面的内容。
本教程将从基础概念、控制器设计方法和控制系统分析等角度，介绍自动控制原理的基本知识和应用。
2. 基础概念2.1 控制系统控制系统是指通过对系统输入进行调节，并根据系统输出与预期结果的差异来调整输入，以使系统能够实现预定目标的系统。
它由被控对象、传感器、执行器和控制器等组成。
2.2 反馈控制反馈控制是指通过将系统当前状态的反馈信息作为输入，根据系统的输出与预期目标之间的差异进行调整，以达到预期目标的控制方法。
它具有稳定性好、鲁棒性强等特点。
2.3 控制器控制器是指根据系统的输入和输出之间的关系，对输入信号进行处理从而实现对系统的控制。
常用的控制器包括比例-积分-微分（PID）控制器和状态反馈控制器等。
3. 控制器设计方法3.1 经验法则常用的经验法则包括Ziegler-Nichols方法和Chien-Hrones-Reswick方法。
这些方法通过对系统的阻尼和时间常数进行测量，从而选择合适的PID控制器参数。
3.2 频域方法频域方法通过对系统进行频率特性分析，例如Bode图和Nyquist图，从而设计出合适的PID控制器参数。
3.3 状态空间方法状态空间方法通过对系统的状态方程进行建模，并根据系统的状态响应特性设计出状态反馈控制器或者经验规律控制器。
4. 控制系统分析4.1 系统响应系统响应是指系统在输入变化时的输出变化情况。
常见的系统响应包括阶跃响应、脉冲响应和频率响应等。
4.2 稳定性分析稳定性分析是指确定系统是否稳定的过程。
常用的稳定性分析方法包括线性稳定性分析、Routh-Hurwitz稳定性判据和Nyquist稳定性判据等。
4.3 性能指标性能指标是评价控制系统性能好坏的指标。
常用的性能指标包括超调量、调节时间和稳态误差等。
自动控制原理简明教程
局部反馈
反馈元件 主反馈信号b(t)
测量反馈元件
主反馈
信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向通 路，系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通道称 主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同组成主回路。
2019年3月1日 EXIT 第1章第18页
被控对象（被控过程） ——又称控制对象或受控对象，
2019年3月1日
EXIT第1章第16页源自研究对象 经典控 制理论数学工具
常用分析方法
局限性
单输入-单输 微分方程， 时域分析法， 对复杂多变量系统、 传递函数 频域分析法, 时变和非线性系统 出线性定常 系统 根轨迹分析法 无能为力
现代控 制理论
多输入-多输 线性代数、 矩阵理论 出变系数， 非线性等系 统
状态空间法
比较繁琐（但由于 计算机技术的的迅 速发展，这一局限 性已克服)
2019年3月1日
EXIT
第1章第17页
Show
二、反馈控制系统的基本组成部分
扰动
比较 元件e(t) ＋
r (t ) 给定 元件 输入量
串联 ＋ 校正元件 － 偏差 － 信号
放大 元件
执行 元件
被控 对象
c(t )
输出量
反馈 校正元件
自动控制原理
刘菲菲
2019年3月1日
EXIT
第1章第1页
课程性质和特点
1.本门课程的性质:
自动控制是一门基础性的技术学科，从方法论的角度
来研究系统的建立、分析与设计。经典（古典），现代。 基本内容——自动控制的一般概念、物理系统的数学 模型、控制系统的一般分析方法、系统的设计或校正以及 线性离散系统的初步知识
干扰 检测 元件 比较 元件 放大 元件 执行 元件 受控 对象
自动控制原理简明教程课程设计
自动控制原理简明教程课程设计一、前言自动控制原理是自动化学科中的核心课程，是培养自动控制专业学生的重要课程之一。
本文档介绍了自动控制原理课程设计的内容和考核要求，旨在帮助学生更好地掌握自动控制原理的相关知识和技能。
二、课程设计背景自动控制原理是一门理论性较强的课程，需要学生掌握较多的数学和物理知识，对学习难度较大。
为了增强学生的学习兴趣，培养学生的实际动手能力，本次课程设计增加了实验环节，使得学生在学习理论知识的同时，能够更好地将所学知识应用到实际问题中，提高学生的应用能力。
三、课程设计内容自动控制原理课程设计包括以下内容：1. 理论部分理论部分主要包括以下内容：•自动控制系统的基本概念•自动控制系统的数学模型•控制系统的性能指标•控制系统的稳定性分析•控制器的设计与实现•系统鲁棒性分析2. 实验部分实验部分主要包括以下内容：实验一：传递函数建模及可控性分析在这个实验中，我们将学习传递函数的建模方法，并探究传递函数的可控性分析方法。
实验二：比例控制器的设计与实现在这个实验中，我们将学习比例控制器的基本原理，并实现比例控制器的设计和实现。
实验三：积分控制器的设计与实现在这个实验中，我们将学习积分控制器的基本原理，并实现积分控制器的设计和实现。
实验四：比例积分控制器的设计与实现在这个实验中，我们将学习比例积分控制器的基本原理，并实现比例积分控制器的设计和实现。
实验五：控制器参数整定在这个实验中，我们将学习控制器参数整定的基本原理，并实现控制器参数的整定。
3. 报告撰写在课程设计中，学生需要完成一个完整的实验报告，包括实验原理、实验过程、实验结果、数据处理及分析等内容。
四、考核要求本次课程设计的考核主要包括以下内容：1. 实验成绩根据实验成绩，评估学生对于自动控制原理的理解程度和实际动手能力。
2. 报告成绩根据报告的质量和内容，评估学生的思维能力和综合素质。
3. 总评成绩综合考虑实验成绩和报告成绩，给出总评成绩。
自动控制原理简明教程1 控制系统导论
教材和参考文献
教材：《自动控制原理简明教材》 （第二版） ，胡寿松主编
参考书目： 《自动控制原理》胡寿松主编，科学出版社
《自动控制原理习题解析》（第二版）胡寿松主编，科学出版社
《自动控制原理》（双语教材）摆玉龙主编，清华大学出版社
7
课程内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 控制系统导论 控制系统的数学模型 线性系统的时域分析法 线性系统的根轨迹法 线性系统的频域分析法 线性系统的校正方法 线性离散系统分析 非线性控制系统分析 线性系统的状态空间分析与综合
• 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。
16Leabharlann 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。 麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制 理论的开端。
《自动控制原理》
Principles of Automatic Control
韩学礼
宇航学院力学系 hanxl@ 中关村中教136房间，良乡理科楼A106基础力学办公室
1
引 言
自动控制原理：研究自动控制共同规律的技术科学
自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。
自动化学科的重要理论基础 控制论：
25
§1.1 自动控制的基本原理
2. 自动控制理论发展概述
3. 现代控制理论时期（50年代末-60年代初） 人造卫星和宇宙飞船上, 卡门的 “控制系统的一般理
空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、
自动控制原理简明教程第二版课后答案第六章习题答案
1 ess < 15
(3)截止频率 ω c ≥ 7.5rad / s 。
rad
1 解：在单位斜坡输入下的稳态误差由于 ess < rad ，所以 K >15 取 K = 20 15 20
这时系统开环传递函数 G(s) =
s(s +1)
2
胡寿松自动控制原理第六章习题解答 电三刘晓峰制作
其对数频率渐进曲线如下： -20 26 L(ω)
L(ω)
-20 1
-40 4 -40 ω3 ω
-60
校正后的系统传递函数为：
5(s / ω 2 +1) G(s)Gc(s) = s(s /ω 1 +1)(0.25s +1)(s /ω 3 +1)
设校正后的截止频率 ω c = 2 ω 2 = 0.2
5*ω c *5 1，经计算得 ω 1 = 2/ 25 则 A(ω c ) = = ω cω c /ω
胡寿松自动控制原理第六章习题解答 电三刘晓峰制作
6-2 设单位反馈系统的开环传递函数
K G(s) = s(s + 3)(s + 9)
(1)如果要求系统在单位阶跃输入作用下的超调量 σ % = 20% ，试确定 K 值； (2)
根据所求得的 K 值，求出系统在单位阶跃输入作用下的调节时间 ts ，以及静态速度误差系 数 Kv 。
c
′
− arctanω
c
′
− arctan 0.25ω
c
′
= −900 + 760 −89.20 −140 − 3.60 = −120.80 γ (ω c) =ϕ(ω c) +1800 = 59.20
(2)设校正后系统希望的频率特性如下：
自动控制原理简明教程2
数的1/2。 N 小，表明系统稳定性好。
tr, tp和ts表示控制系统反映输入信号的快
速性，而σ%和N反映系统动态过程的平 稳性。其中ts和σ%是最重要的两个动态 性能的指标。
动态性能指标定义2 σ%= A 100% B
A
B
tr
tp
ts
动态性能指标定义3
调节时间 ts 上升时间tr
2. 稳态性能
R(s)
(- )
1/Ts
C ( s) 1 dc( t ) c( t ) r ( t )，传递函数为 将微分方程为 T R( s ) Ts 1 dt
的系统叫做一阶系统。T的含义随系统的不同而不同。
§3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应
输入r(t)=1(t) ，输出 h( t ) 1 e
计算出的曲线确定ts。
2. 欠阻尼二阶系统 (0< ξ <1)
0 1
n C ( s) (s) 2 R( s) s 2 n n 2
2
s1, 2 n n 2 1
s1, 2 n jn 1 2 令 n — 衰减系数
r(t) C(s)= F(s) R(s) c(t) §R(s) 3.2.3 一阶系统的典型响应 (t) 1
一阶系统典型响应
1(t)
t
例: 某一阶系统如图,（1）Kh＝0.1时求系统的单位阶跃响应调节 时间ts; （2）若要求 ts=0.1s,求反馈系数 Βιβλιοθήκη h 。R(s)E(s)
(- )
100/s
s 2 2n s n 0
2
二阶系统的特征根
s1, 2 n n 2 1
二阶系统的特征根
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电位计+连杆—人脑：记住水位的期望值；
浮子—人眼：观察水池的实际水位；
电位计+连杆—人脑： 反映误差（=水位的期望值-实际 值）；
电动机—人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。
是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图 将水池水位的期望值与实际值间的差值减为0，即误差为 0。
控制过程：测量（测量反馈机构）—浮子 比较（比较机构）—电位计+连杆 执行（执行机构）—电动机
• 现代控制理论
• 60~70年代形成 适用于MIMO （多输入－多输出）系统 • 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 • 目标：最优控制 • 基本方法：状态空间表达式
研究对象 数学工具 常用分析方法
局限性
经典控 单输入-单输 微分方程， 时域分析法， 对复杂多变量系统、
制理论 出线性定常 传递函数 频域分析法, 时变和非线性系统
系统
根轨迹分析法
无能为力
现代控 制理论
多输入-多输 出变系数， 非线性等系
统
线性代数、 矩阵理论
状态空间法
比较繁琐（但由于 计算机技术的的迅 速发展，这一局限
性已克服)
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二、反馈控制系统的基本组成部分
r ( t ) 给定 元件
输入量
比较
＋元件e(t) 串联 ＋ － 偏差 校正元件 －
信号
放大 元件
给定元件——其作用是给出与期望的输出相对应的系统 输入量，是一类产生系统控制指令的装置。
测量反馈元件——如传感器和测量仪表，感受或测量被 控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反 馈到输入端以作比较。
作为研究自动控制系统的分析与综合的方法来说, 对单输入单输出系统常采用的是时域法、频域法、根 轨迹法以及目前广泛应用的计算机辅助设计。
成绩组成： ✓期末考试占 70% ，平时成绩占 30%
– 考勤：10％ – 作业：10％ – 实验：10％
注：五次点名不到即取消考试资格（不能参加期 末及补考考试）
自动控制原理
刘菲菲
课程性质和特点
1.本门课程的性质: பைடு நூலகம்动控制是一门基础性的技术学科，从方法论的角度来
研究系统的建立、分析与设计。经典（古典），现代。 基本内容——自动控制的一般概念、物理系统的数学
模型、控制系统的一般分析方法、系统的设计或校正以及 线性离散系统的初步知识
研究对象——自动控制系统，揭示自动控制系统中存 在的信息转换、传递和反馈。
自动控制和人工控制比较
（1）基本原理相同：都是建立在“测量偏差,修正偏差”的基础上, 并且为了测量偏差,必须把系统的实际输出连接（反馈）到输入 端。自动控制的基本原理因此有时也称为反馈控制原理。
（2）两种控制的区别：自动控制用控制器代替人完成控制。
4.反馈控制原理：在自动控制系统中，通过控制装置对被 控对象施加的控制作用，利用被控量的反馈信息，不断修 正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行 控制的任务。
执行 元件
扰动
被控
c (t)
对象 输出量
反馈 校正元件 局部反馈
主反馈信号b(t)
反馈元件 测量反馈元件
主反馈
信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向通 路，系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通道称
主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同组成主回路。
被控对象（被控过程）——又称控制对象或受控对象， 指需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。被 控对象的输出变量是被控变量，常常记作输出信号或输 出量。被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动 作用。
2.课程特点：研究系统的共性问题
实际 系统
物理 模型
数学 模型
方法（系统组成 分析、设计）
3.先修基础： 高等数学、大学物理、微积分、电路、数字电子技术、 模拟电子技术、信号与系统（含拉氏变换、傅氏变换、 z变换）
自动控制课程的主要任务
本课程的主要内容是阐述构成、分析和设计自动控 制系统的基本理论。对实际系统,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构成、分析、综合 自动控制系统的基本理论和方法。
5.自动控制理论：是研究有关自动控制共同规律的一门技 术科学，是自动控制技术的基础理论，根据发展的不同阶 段，其内容可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控 制理论。
自动控制理论的发展历程
• 经典控制理论
• 40~50年代形成 适用于SISO（单输入－单输出）系统 • 基于：二战军工技术 • 目标：反馈控制系统的稳定 • 基本方法：时域分析法、根轨迹法、频率特性法。
第1章 控制系统导论
1.1 自动控制的基本原理 1.2 自动控制系统的应用实例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 自动控制系统的基本要求
1.1 自动控制的基本原理
一、控制系统基本概念
1. 控制（Control ）：根据某种原理或方法，使特定对象 （被控对象）的某些物理量（被控量）按照预期规律变化 的操纵过程。
人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构） •人脑：记住水位的期望值；比较水池的期望值-实际值；（比较机 构）、控制 •人手：调节进水阀门的开度，执行控制作用。执行（执行机构）
是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水 位的期望值与实际值之间的差值减为0。
人工控制精度不高，人的反应不够快，不少恶劣的场合 人无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。
2.人工控制（Manual Control）：由人直接或间接操作执 行装置的控制方式。
人工控制的例子
示例——水池水位控制
人工控制
被控对象：水池 被控量：水池的水位
观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者 之差为误差。根据误差的大小和方向调节进水阀门的开度， 即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大 阀门开度以改变进水量，从而改变水池水位，使之与要求值 保持一致。
3.自动控制（Automatic Control）：是指在没有人直接
参与的情况下，利用自动控制装置（或称为控制装置或控 制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的 某个工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规 律运行。
自动控制的例子
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期望水位
当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正， 且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出 信号将有正的变化，电动机带动减速器使进水阀门开度增加， 直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。