第一章 自动控制概论
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自动控制原理学习资料
《自动控制原理》学习资料第一章 自动控制概论1、教学目的: 掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。
2、基本要求： 掌握基本概念：自动控制、反馈、控制系统的构成。
要求初步了解如何由系统原理图形成系统的原理方块图及判别控制方式的方法。
要求初步了解本门课程的意义与作用。
一、自动控制的任务通常，在自动控制技术中，把工作的机器的设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。
则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。
下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念。
图1-1 水位自动控制系统水位自动控制系统：控制任务：维持水箱内水位恒定；控制装置：气动阀门、控制器；受控对象：水箱、供水系统；被控量：水箱内水位的高度；给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；测量装置：浮子；比较装置：控制器刻度盘；干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；由此可见：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。
自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。
二、自动控制的基本方式图1-2 自动控制方框图在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，其必须具备以下三种职能部件。
测量元件：用以测量被控量或干扰量。
比较元件：将被控量与给定值进行比较。
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。
参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。
下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式：按给定值操纵的开环控制；按干扰补偿的开环控制；按偏差调节的闭环控制。
1、按给定值操纵的开环控制开环控制——系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。
自动控制理论-第一章 概论
本章重点：
1.自动控制概念； 2.控制系统的组成和术语； 3.控制系统的基本分类；
4.对控制系统的基本要求。
授课内容：
1.自动控制的概念
自动控制，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，电力系统中电压、电流、 功率等物理量或某些化合物的 成分等)，依照预定的规律进 行运动或变化。这种能对被控 制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。 开环控制系统
自动控制理论教程
第一章 概 论
学习控制理论需要哪些预备知 识？
微积分 复变函数、拉普拉斯变换 普通物理 电路原理
控制理论在发展社会生产力中的作用
1. 军事、航天领域
火炮、雷达、跟踪系 统；
人造卫星、宇宙飞 船。
2. 工业生产过程
轧钢过程
造纸
水泥制造
化工
3. 现代农业生产
自 动 灌 概 农 产 品 质 量 检 测
疫 情 检 测
4.自动控制技术应用于其他领域
由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使 得控制技术水平不断提高，已扩大到经济与 社会生活各个领域，如通信、交通、医学、 环境保护、经济管理等领域，控制技术已成 为现代社会不可少的重要组成部分。 近年来，我国在自动化仪表、工业调节 器、数字控制技术、航天工程、核力工程等 方面的研究和应用取得了长足进展。
(2)恒值控制系统和随动系统
恒值控制系统：参考输入为常量，要求它的被 控制量在任何扰动的作用下能尽快地恢复(或接 近)到原有的稳态值。由于这类系统能自动地消 除各种扰动对被控制量的影响，故它又名为自 镇定系统。 随动系统：参考输入是一个变化的量，一般是 随机的，要求系统的被控制量能快速、准确地 跟踪参考输入信号的变化而变化。
精品文档-自动控制原理(李素玲)-第1章
21
(5)执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控 量发生变化。用来作为执行元件的有阀门、电动机、液压电 动机等。
(6)校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调 整的元部件，用串联或并联(反馈)的方式连接于系统中，以 改善系统的性能。最简单的校正元件是电阻、电容组成的无 源或有源网络，复杂的则可用计算机构成数字控制器。
17
(6)反馈量：由系统输出端取出并反向送回系统输入端 的信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。
(7)偏差量：给定量与主反馈信号之差。 (8)自动控制系统：由被控对象和控制器按一定方式连 接起来的、完成一定自动控制任务的有机整体。
18
1.2.2 自动控制系统的基本组成 自动控制系统根据被控对象和具体用途的不同，可以有
各种不同的结构形式。但是，从工作原理来看，自动控制系 统通常是由一些具有不同职能的基本元件所组成。图1-3所 示为典型的反馈控制系统的基本组成，图中各元件的职能如 下：
19 图1-3 反馈控制系统的基本组成
20
(1)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。给定元件一般为电位器。
24 图1-4 开环直流调速系统
25 图1-5 开环直流调速系统方框图
26
图1-4中开环系统的输入量是给定电压ug，输出量是转 速n。电动机励磁电压为常数，采用电枢控制方式。调整给 定电位器滑臂的位置，可得到不同的给定电压ug，放大后得 到不同的电枢电压ua，从而控制电机转速n。当负载转矩不变 时，给定电压ug与电机转速n有一一对应关系。因此，可由给 定电压直接控制电动机转速。如果出现扰动，如负载转矩增 加，电动机转速便随之降低而偏离要求值。
10
1.人工控制 如图1-1所示为人工控制水位保持恒定的供水系统。水 池中的水源源不断地经出水管道流出，以供用户使用。随着 用水量的增多，水池中的水位必然下降。这时，若要保持水 位高度不变，就得开大进水阀门，增加进水量以作补充。因 此，进水阀门的开度是根据实际水位的多少进行操作的。上 述过程由人工操作实现的正确步骤是：操作人员首先将要求 水位牢记在大脑中，然后用眼睛和测量工具测量水池的实际 水位，并将实际水位与要求水位在大脑中进行比较、计算， 从而得出误差值；再按照误差的大小和正负性质，由大脑指 挥手去调节进水阀门的开度，使实际水位尽量与要求水位相 等。
自动控制原理第一章自动控制原理
如图1－5所示。
给定量 控制器
干扰量
被控量 受控对象
自控系统
图1－5 自动控制系统
第一章 自动控制概论
• 如水位自动控制系统：
比较元件
进 水 + 连 杆
测量 元件
实 际 水 位 浮 子
输出量
M 电 机
干扰 信号
出 水
<
受控对象
图1－3 水位自动控制系统原理图
第一章 自动控制概论
1.2.2 自动控制系统的基本组成
基 本 要 求
通过学习本课程，获得自动控制
系统的基本概念和基本理论；掌握分 析自动控制系统或过程控制系统的基 本方法。
自动控制理论
经典控制理论 线性控制系统
连续控制系统
第 二 章 第 三 章 第 四 章 第 五 章
现代控制理论 非线性控制系统
离散控制系统
第 六 章
第 七 章
第 八 章
第一章 自动控制概论
控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制
系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可 以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，
由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武
器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统
自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其
被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被
控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满 足c(t) ≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。
输入量 输出量
串 联 校 正
放 大
执 行
受 控 对 象
1_自动控制概论
u k2u1 1500 (6.1
u ce n IR 0.1n 30 0.5
解出：n=1497转/分
1500
n)
当通过负反馈构成闭环系统后，随着负载的 增加，转速下降很少，说明闭环后，系统的 负载能力和跟踪精度得到极大的提高。
扰动
F (s)
输入 偏差 输出
R( s )
30
E
I If
ur
+ u _ 1 + _
u
电动机
u2
测速机
当系统闭环后，则空载时测得： n=1500转/分
u2 = 6V
u =150V
u1 ur u2 6.1 6 0.1V
150 K K2 1500 0.1
若加载后，I=30A，问此时n=？ 6 u2 6 u1 ur u2 6.1 n 1500 n 1500 而 6
特征：输入信号为预知的随时间变化函数 典型系统：热处理炉控制系统、程序控制机床、灌装生产线、 自动生产流水线。
1.2.3 按使用的数学方法分类
连续系统/离散系统
连续系统 系统传递的信号为时间的连续函数，用 微分方程描述。 离散系统 信号传递中至少有一处信号是脉冲序列 或数字编码。用差分方程描述。
51
1.2.1按控制方式分类
基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
例1-1 水箱的水位控制系统
控制要求：水箱的水位保持一定的高度 控制原理：若水位比要求的水位高，则操纵控制阀，使其开 度减小；若水位比要求的水位低，则使控制阀开 度增大
控制要求：水箱的水位 保持一定的高度 工作原理： 实际水位下降，浮子下 移，通过杠杆机构使控 制阀开度增大
u ce n IR 0.1n 30 0.5
解出：n=1497转/分
1500
n)
当通过负反馈构成闭环系统后，随着负载的 增加，转速下降很少，说明闭环后，系统的 负载能力和跟踪精度得到极大的提高。
扰动
F (s)
输入 偏差 输出
R( s )
30
E
I If
ur
+ u _ 1 + _
u
电动机
u2
测速机
当系统闭环后，则空载时测得： n=1500转/分
u2 = 6V
u =150V
u1 ur u2 6.1 6 0.1V
150 K K2 1500 0.1
若加载后，I=30A，问此时n=？ 6 u2 6 u1 ur u2 6.1 n 1500 n 1500 而 6
特征：输入信号为预知的随时间变化函数 典型系统：热处理炉控制系统、程序控制机床、灌装生产线、 自动生产流水线。
1.2.3 按使用的数学方法分类
连续系统/离散系统
连续系统 系统传递的信号为时间的连续函数，用 微分方程描述。 离散系统 信号传递中至少有一处信号是脉冲序列 或数字编码。用差分方程描述。
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1.2.1按控制方式分类
基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
例1-1 水箱的水位控制系统
控制要求：水箱的水位保持一定的高度 控制原理：若水位比要求的水位高，则操纵控制阀，使其开 度减小；若水位比要求的水位低，则使控制阀开 度增大
控制要求：水箱的水位 保持一定的高度 工作原理： 实际水位下降，浮子下 移，通过杠杆机构使控 制阀开度增大
第一章自动控制概述精品PPT课件
❖ 输入信号1 ：外加变量。 ❖ 输出信号2 ：系统或元件产生的变量。 ❖ 被控变量3 ：最关注的输出信号。
由某一输入信号产生 的输出信号称为对该 输入信号的响应
❖ 控制变量4 ：控制器输出的信号，作用在对象上。
❖ 反馈信号5 : 被控量经传感器变换并返回到输入端的信号，要与输入信 号比较，产生偏差信号。
自动控制的基本理论 分析、设计控制系统的基本方法
❖ 经典控制理论
以传递函数为工具和基础 以频域法和根轨迹法为核心 研究单变量控制系统的分析与设计 20世纪50年代发展成熟
❖ 现代控制理论
以状态空间方法为标志和基础 研究多变量控制系统的分析与设计
1.2 自动控制的基本概念
基本概念
❖ 室温控制系统元件框图
变送器，敏感元件，检测元件。 4.补偿元件（校正元件） 补充的元件。
❖ 典型功能框图
1.4.2 对控制系统的基本要求
❖ 1.稳定性 受控，正常运行。最基本、最重 要的要求。
❖ 2.准确性 误差小。稳态精度，稳态性能。 ❖ 3.快速性与平稳性 过渡过程快速、平稳。
动态性能。
❖ 习题 1-1 ❖ 习题 1-3 ❖ 习题 1-5
作业
课件下载后可自由编辑，如有不理解
之处可根据本节内容进行提问
Thank you for coming and listening,you can ask questions according to this section and this courseware can be downloaded and edited freely
❖ 指令输入、给定值6 ：被控量的希望值。
❖ 参考输入信号7 ：代表指令输入与反馈信号比较的基准信号。
《自动控制概论》课件
添加 标题
劳斯稳定判据适用于线性定常系统，对 于非线性系统或时变系统不适用
添加 标题
劳斯稳定判据基于系统的特征方程，通 过分析特征方程的根的位置来判断系统 的稳定性
添加 标题
劳斯稳定判据的结论是：如果系统的特 征方程的所有根都在左半平面，则系统 是稳定的；如果系统的特征方程的根在 右半平面，则系统是不稳定的。
鲁棒性：控制系统对不确定性和干扰的抵抗能力 鲁棒控制系统设计：考虑不确定性和干扰，设计出能够稳定运行的控制系统 鲁棒控制理论：研究鲁棒控制系统设计的理论和方法 鲁棒控制系统应用：广泛应用于航空航天、电力系统、机器人等领域
定义：能够根据系 统运行状态和环境 变化自动调整控制 策略的控制系统
稳定性：系统 在受到干扰后 能够恢复到原
来的状态
快速性：系统 对输入信号的 反应速度要快
准确性：系统 的输出信号与 期望值之间的
误差要小
鲁棒性：系统 对参数变化和 外部干扰的适
应能力要强
定义：描述系统输入与输出关系 的数学表达式
应用：用于分析系统的稳定性、 动态性能等
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
根轨迹法是一种分析控制系统稳定性的方法 根轨迹法通过绘制系统的根轨迹图，分析系统的稳定性 根轨迹图可以帮助我们了解系统的稳定性、稳定性裕度和稳定性边界 根轨迹法可以应用于各种类型的控制系统，如线性系统、非线性系统等
概述：时域分析法是一种通过观察系统在时域中的响应来评估系统性能的方法。 优点：直观、易于理解，适用于线性和非线性系统。 缺点：需要大量的数据，计算复杂。 应用：在控制系统的设计、分析和优化中广泛应用。
形式：输入与输出之间存在线性 关系
特点：具有时域和频域两种表现 形式
《自动控制原理》第一章-自动控制原理精选全文完整版
● 放大环节： 由于经过计算机处理的信号通常是标准化的 弱信号，不能驱动被控对象，因此需要加以放大。放大环 节的输出必须有足够的能量，一般需要幅值的放大和功率 的放大，才能实现驱动能力。
● 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。
● 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。
自动控制原理第一章PPT课件
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16
首次冲出太阳系 （美国伽利略号木 星 探 测 器 ， 1989 年）
-
仿人机器人 （日本，2001年）
17
神舟五号载人航天成功（中国，2003年）
-
18
勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）
-
19
“作为技术科学的控制论，对工程技术、生物
和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研
究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社
（1）装置用方框表示 （2）信号用带箭头的线段表示 （3）信号引出点 （4）信号相加点（比较点）
-
27
方框（块）图 中的符号
控制系统框图的基本组成单元
元部件 信号（物理量）及传递方向 比较点 引出点 － 表示负反馈
-
返回 28
1-２自动控制系统基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字控 制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用 取得了长足进展。
-
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二．自动控制理论
1．定义 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科 学. 2．分类 （1）经典控制理论：以传递函数为基础，主要研 究单输入—单输出，线性定常系统的分析和设计问题 。 （2）现代控制理论：主要研究具有高性能，高精 度的多变量多参数系统的最优控制问题。
-
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三、自动控制系统
1．定义： 为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象 和控制装置按照一定的方式连接起来组成的一 个有机总体。
控制装置（控制器）：外加的设备或装置. 被控对象（process, plant, controlled system ）：设备或生产过程.
自控01
n k
ud
1.1 自动控制系统的组成、分类和发展
控制理论的发展：（工业控制理论）
1 经典控制理论 40~50年代形成 SISO系统 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域) 2 现代控制理论 60~70年代形成 MIMO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：状态方程 （时域）
自动控制原理 Automatic Control Systems 第一章 自动控制概论 1.1 自动控制系统的组成、分类和发展
开环系统 给定值 r(t) 控制器 控制量 u(t) 被控对象 y(t) 被控量
例：直流电动机调速系统 ~
ug
优点：简单
n
k
ud
缺点：对扰动没有抑制能力
1.1 自动控制系统的组成、分类和发展
1.1 自动控制系统的组成、分类和发展
3 智能控制技术 90年代开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络 4 正在发展的各个领域 自适应控制 大系统理论 H∞鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）
1.2 “自控原理”课程的特点和要求
学习系统的分析方法
· 经典控制论分析系统的方法：
系统稳定性
闭环系统： 给定值＋ 偏差 r(t) － e(t) 控制量 控制器 被控对象 u(t)
被控量
y(t)
测量元件 负反馈：构成按偏差调节的闭环系统 反映了控制量与被控制量相互间的矛盾,动静性能 得到提高。
1.1 自动控制系统的组成、分类和发展
例：直流电动机调速系统
~
ug ub
控制量：ud = K (ug-ub) 偏差信号：ug-ub 按偏差调节：n↑→ub↑→( ug-ub)↓→ud↓→ n↓
自动控制习题
第一章自动控制概论一、单项选择题1、采用负反馈形式连接后（)。
（分数:2分）A. 一定能使闭环系统稳定B。
系统动态性能一定会提高C。
一定能使干扰引起的误差逐渐减小,最后完全消除D。
需要调整系统的结构参数,才能改善系统性能正确答案：D2、按系统结构来分，控制系统可分为:开环控制，闭环控制和（）。
（分数：2分) A。
温度控制B。
压力控制C。
流量控制D。
复合控制正确答案：D3、恒值控制系统的参考量为（）。
(分数:2分)A。
常数B. 无规律变化C. 按程序设定变化D. 0 A第二章控制系统的数学模型一、单项选择题1、方框图化简时，串联连接方框总的输出量为各方框输出量的( ）。
（分数：2分）A. 代数和B. 乘积C。
平均值D. 加权平均值正确答案：B2、单位阶跃信号1（t)的拉氏变换为（）。
(分数：2分)A。
1B. 1/sC. sD. 1/（Ts+1）正确答案：B3、如果单回路单位负反馈系统的开环传递函数为G(s)，则其闭环传递函数为:( ）。
(分数：2分）A。
G（s）/[1+G(s)］B. G(s)/[1+G(s）H（s）]C。
1/[1+G(s)]D。
1/［1+G(s）H(s)]正确答案:A4、方框图化简时，并联连接方框总的输出量为各方框输出量的（）。
（分数：2分)A. 代数和B. 乘积C. 平均值D. 加权平均值正确答案：A5、令线性定常系统闭环传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的（ ). (分数：2分）A. 代数方程B. 差分方程C。
特征方程D. 状态方程正确答案：C6、线性定常系统的传递函数是在零初始条件下（ )。
(分数:2分）A。
系统输出信号与输入信号之比B。
系统输入信号与输出信号之比C。
系统输出信号的Z变换与输入信号的Z变换之比D。
系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比正确答案:D7、线性定常系统的传递函数由（）决定。
（分数：2分）A。
输入信号的形式B。
初始条件C。
《自动控制概论》课件
2023
REPORTING
通过在线辨识系统参数，不断调整控制参数，使得控制系统能够自动适应被控对象的变化。
结合鲁棒控制和自适应控制的优点，设计出具有较强鲁棒性和自适应性的控制系统。
模型参考自适应控制（MRAC）
自校正调节器
自适应鲁棒控制
鲁棒控制
鲁棒调节器
鲁棒预测控制
鲁棒滑模控制
一种常用的鲁棒控制方法，通过设计调节器使得系统具有一定的鲁棒性。
传感器
需要控制的设备或系统。
被控对象
开环控制系统
输出信号不受输入信号影响的控制系统。
复合控制系统
同时包含开环和闭环控制系统的控制系统。
闭环控制系统
输出信号反馈到输入端，影响输入信号的控制系统。
系统在受到扰动后能够恢复到原始状态的能力。
稳定性
系统对扰动的响应速度。
快速性
系统输出值与设定值之间的偏差大小。
一种基于预测模型的鲁棒控制方法，通过预测未来的系统状态和干扰，设计出具有较强鲁棒性的控制策略。
一种基于滑模控制的鲁棒控制方法，通过设计滑模面和控制律，使得系统具有一定的鲁棒性和快速响应能力。
在存在不确定性和干扰的情况下，设计出具有较强鲁棒性的控制系统，使得系统性能具有一定的鲁棒性。
PART
05
控制系统设计与实践
总结词
嵌入式系统是一种专用的计算机系统，具有高性能、低功耗、可靠性高等特点。它通过软硬件的结合，实现对物理设备的自动化控制和管理。嵌入式系统在工业控制、智能家居、医疗设备等领域广泛应用，是实现智能化、自动化的重要手段。
详细描述
总结词
物联网通过互联网和通信技术实现物与物之间的连接和信息交互，与自动控制技术相结合可以实现更高效的智能化控制。
REPORTING
通过在线辨识系统参数，不断调整控制参数，使得控制系统能够自动适应被控对象的变化。
结合鲁棒控制和自适应控制的优点，设计出具有较强鲁棒性和自适应性的控制系统。
模型参考自适应控制（MRAC）
自校正调节器
自适应鲁棒控制
鲁棒控制
鲁棒调节器
鲁棒预测控制
鲁棒滑模控制
一种常用的鲁棒控制方法，通过设计调节器使得系统具有一定的鲁棒性。
传感器
需要控制的设备或系统。
被控对象
开环控制系统
输出信号不受输入信号影响的控制系统。
复合控制系统
同时包含开环和闭环控制系统的控制系统。
闭环控制系统
输出信号反馈到输入端，影响输入信号的控制系统。
系统在受到扰动后能够恢复到原始状态的能力。
稳定性
系统对扰动的响应速度。
快速性
系统输出值与设定值之间的偏差大小。
一种基于预测模型的鲁棒控制方法，通过预测未来的系统状态和干扰，设计出具有较强鲁棒性的控制策略。
一种基于滑模控制的鲁棒控制方法，通过设计滑模面和控制律，使得系统具有一定的鲁棒性和快速响应能力。
在存在不确定性和干扰的情况下，设计出具有较强鲁棒性的控制系统，使得系统性能具有一定的鲁棒性。
PART
05
控制系统设计与实践
总结词
嵌入式系统是一种专用的计算机系统，具有高性能、低功耗、可靠性高等特点。它通过软硬件的结合，实现对物理设备的自动化控制和管理。嵌入式系统在工业控制、智能家居、医疗设备等领域广泛应用，是实现智能化、自动化的重要手段。
详细描述
总结词
物联网通过互联网和通信技术实现物与物之间的连接和信息交互，与自动控制技术相结合可以实现更高效的智能化控制。
自动控制理论各章复习
《自动控制原理》各章知识点
第一章 自动控制概论
基本概念。（自动控制、自动控制系统、被控 对象、被控量、给定量、扰动量、开环控制、 闭环控制、复合控制）
由物理结构图或工作原理示意图绘出元件框图。 由系统的微分方程判断出线性定常系统、线性
时变系统和非线性系统。 自动控制系统的要求：稳、快、准。
第五章 频域相应分析法
频率特性的基本概念 典型环节的频率特性 开环频率特性的绘制 - 幅相曲线的绘制、对数
频率特性曲线（幅频，相频） 稳定判据 - 奈奎斯特稳定判据、对数频率稳定
判据 稳定裕度 频域指标和时域指标的关系
第六章 线性系统的校正方法
校正的基本概念 串联超前校正 串联滞后校正
第二章 控制系统的数学模型
建立微分方程的方法 传递函数的概念和性质 传递函数和微分方程之间的关系 结构图的绘制和等效变换 结构图和信号流图的关系 梅逊公式
第三章 线性系统的时域分析
一阶系统的时域分析 二阶系统的时域分析 欠阻尼、临界阻尼和过阻尼 时域指标及其基本公式 稳定性分析（劳斯判据、稳态误差）
超前校正：K ' m m (c'' ) T
滞后校正：K
'
''
'Байду номын сангаас c
b
T
第七章 线性离散系统
线性离散系统的基本概念 Z变换及Z的反变换 采样系统的数学模型及其推导 W变换以及离散系统的稳定性判据 离散系统的稳态误差
第九章 线性系统的状态空间
线性系统的状态空间表达式 - 状态方程 状态方程的解 - 状态转移矩阵及其性质 控制系统能控性及其判断依据 控制系统能观性及其判断依据
第一章 自动控制概论
基本概念。（自动控制、自动控制系统、被控 对象、被控量、给定量、扰动量、开环控制、 闭环控制、复合控制）
由物理结构图或工作原理示意图绘出元件框图。 由系统的微分方程判断出线性定常系统、线性
时变系统和非线性系统。 自动控制系统的要求：稳、快、准。
第五章 频域相应分析法
频率特性的基本概念 典型环节的频率特性 开环频率特性的绘制 - 幅相曲线的绘制、对数
频率特性曲线（幅频，相频） 稳定判据 - 奈奎斯特稳定判据、对数频率稳定
判据 稳定裕度 频域指标和时域指标的关系
第六章 线性系统的校正方法
校正的基本概念 串联超前校正 串联滞后校正
第二章 控制系统的数学模型
建立微分方程的方法 传递函数的概念和性质 传递函数和微分方程之间的关系 结构图的绘制和等效变换 结构图和信号流图的关系 梅逊公式
第三章 线性系统的时域分析
一阶系统的时域分析 二阶系统的时域分析 欠阻尼、临界阻尼和过阻尼 时域指标及其基本公式 稳定性分析（劳斯判据、稳态误差）
超前校正：K ' m m (c'' ) T
滞后校正：K
'
''
'Байду номын сангаас c
b
T
第七章 线性离散系统
线性离散系统的基本概念 Z变换及Z的反变换 采样系统的数学模型及其推导 W变换以及离散系统的稳定性判据 离散系统的稳态误差
第九章 线性系统的状态空间
线性系统的状态空间表达式 - 状态方程 状态方程的解 - 状态转移矩阵及其性质 控制系统能控性及其判断依据 控制系统能观性及其判断依据
第1章 自动控制概述
2、现代控制理论 由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线 性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统 的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。 随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初， 在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状 态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起 来。
项目 研究对象
3、大系统控制理论 20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和 广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如 （1）现代频域方法 以传递函数矩阵为数学模型， 研究线性定常多变量系统； （2）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数 估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控 制规律； （3）鲁棒控制方法 在保证系统稳定性和其它性 能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学 模型的不确定性。
5、其他的分类方法： 按功能来分：温度控制系统、速度控制系统、位 臵控系统等。 按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统 等。
1.4控制系统的组成及对控制系统的基本要求 自动控制系统的组成 1、执行元件 执行元件的功能是直接带动控制对象，直接改变 被控变量。例如电机控制系统中的电机，液动控 制系统中的液压马达等。执行元件有时也被归入 控制对象中。 2、放大元件 放大元件的功能是将微弱信号放大，使信号具有 足够大的幅值或功率。放大元件又分为前臵放大 器和功率放大器两类。
经典控制理论 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
现代控制理论 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
描述方法
研究办法 研究目标
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实 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
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被控对象(Plant) 控制装置/控制器(Controller) 输入量/输入信号(Input) 被控量/输出量/输出信号(Output)
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第一章 自动控制导论
5
二,基本概念… 二,基本概念…
自动控制系统(Automatic control system)
将被控对象和控制装置按一定的方式连接起来,组 将被控对象和控制装置按一定的方式连接起来, 成一个有机总体, 成一个有机总体,完成一定的任务
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4
二,基本概念
自动控制(Automatic control)
在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装 在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装 机器,设备或生产过程的 置,使机器,设备或生产过程的某一个工作状态或 参数自动地按照预定的规律运行 自动地按照预定的规律运行. 参数自动地按照预定的规律运行.
能源与动力学院 第一章 自动控制导论
22
七,发展历程… 七,发展历程…
现代控制理论时期(1960~) the modern period –MIMO,状态空间法
非线性控制 计算机控制 最优控制 鲁棒控制 分布参数控制 离散事件控制 智能控制 ……
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23
术语
闭环反馈控制系统 closed-loop feedback control system 负反馈 negative feedback 正反馈 positive feedback 开环 open-loop 对象 plant 执行机构 actuator 传感器 sensor
自动控制原理( 自动控制原理(上)
Principles of Automatic Control
黄金泉
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1
第一章 自动控制导论(Introduction)
本章内容:
Why? What? How?
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第一章 自动控制导论
2
一,为什么要学? 一,为什么要学?
DEFC DEEC FADEC IFPC
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五.控制系统分类
1. 2. 3. 4. 线性系统/非线性系统 连续系统/离散系统 时变系统/定常系统 恒值系统(调节系统) 随动系统(跟踪系统) 程序控制系统
5. ……
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18
五.控制系统分类… 控制系统分类…
判断下列系统的线性/非线性 定常/时变 非线性, 例1-6 判断下列系统的线性 非线性,定常 时变
输入
控制装置
对象
输出
控制装置与被控对象之间只有顺向作用,没有反向联系. 控制装置与被控对象之间只有顺向作用,没有反向联系.
能源与动力学院 第一章 自动控制导论
7
三,什么是反馈控制? 三,什么是反馈控制? …
闭环控制/ 闭环控制/反馈控制
预期速度 (电压)
控制装置 放大器
执行机构 直流电机 传感器 转速计
自动控制理论(theory)
研究自动控制共同规律的技术学科
自动控制原理(principles)
控制系统分析和设计的一般理论
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第一章 自动控制导论
6
三,什么是反馈控制? 三,什么是反馈控制?
开环控制
预期速度 (电压 电压) 电压
控制装置 放大器
执行机构 直流电机
受控对象 转台
实际速度
方块图 开环控制
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24
参考文献
科学出版社,2002年 R.C. Dorf, Modern Control System (9th Edition), 科学出版社,2002年. 第八版), 高等教育出版社,2001年 R.C. Dorf, 现代控制系统 (第八版), 高等教育出版社,2001年. 李友善,自动控制原理,国防工业出版社,修订版, 李友善,自动控制原理,国防工业出版社,修订版,1989 吴麒,自动控制原理,清华大学出版社,1990. 吴麒,自动控制原理,清华大学出版社,1990.
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19
六.控制系统的基本要求
稳定性:保证系统正常工作的首要前提 快速性:动态性能 (过渡过程) 准确性:稳态误差 (稳态过程)
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七,发展历程
早期(~1868) the prehistory
中国古代:西汉指南车,东汉天文仪,计时器, 中国古代:西汉指南车,东汉天文仪,计时器,浑 天仪 古希腊: 古希腊:水钟 Cornelis Drebbel [1624]熔炉温度调节器 熔炉温度调节器 W. Salmon [1746]家用供水水位浮球调节器 家用供水水位浮球调节器 J. Brindley [1758]蒸汽机水位浮球调节器 蒸汽机水位浮球调节器 抽水马桶专利[1775], Thomas Crapper改进 抽水马桶专利 改进 James Watt[1769]蒸汽机和飞球速度调节器 蒸汽机和飞球速度调节器 (the beginning of the Industrial Revolution )
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3
一,为什么要学? 一,为什么要学? …
A laboratory robot used for sample preparation. The robot manipulates small objects, such as test tubes, and probes in and out of tight places at relatively high speeds
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七,发展历程… 七,发展历程…
经典控制理论时期(1868~1960) the classical period --SISO,传递函数
1868年J.C. Maxwell蒸汽机调节器数学模型 年 蒸汽机调节器数学模型 稳定性分析方法: 稳定性分析方法 E.J. Routh [1877]/ A. Hurwitz [1895], A.M. Lyapunov[1892]—时域 时域 频率分析法[1920's and 1930's]:H.W. Bode, H. 频率分析法 Nyquist ,H.S. Black (negative feedback), P.S. de Laplace , J. Fourier, A.L. Cauchy N. Minorsky [1922] PID N.B. Nichols[1947] Nichols Chart W.R. Evans[1948]根轨迹法 根轨迹法 Stochastic Analysis: N. Wiener [1949] A.N. Kolmogorov [1941]
例1-2 水钟
被控对象:水箱2 控制装置:浮球 输入:给定液面 输出:实际液面
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三,什么是反馈控制? 三,什么是反馈控制? …
例1-3 蒸汽机转速控制系统
能源是反馈控制? 三,什么是反馈控制? …
例1-4 压力调节器
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被控对象 转台
实际速度
被控对象,输入信号,输出信号, 被控对象,输入信号,输出信号,控制装置 反馈信号, 反馈信号,偏差信号 反馈:负反馈,正反馈;反馈控制/闭环控制 反馈:负反馈,正反馈;反馈控制 闭环控制
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方块图
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三,什么是反馈控制? 三,什么是反馈控制? …
闭环控制/反馈控制
反馈控制系统的组成
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四.基本控制方式… 基本控制方式…
3.复合控制 3.复合控制
扰动
补偿器
输入 输出
-
控制器
对象
测量装置
按扰动补偿的复合控制
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四.基本控制方式… 基本控制方式…
补偿器
输出
输入
控制器
对象
测量装置
按输入补偿的复合控制
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四.基本控制方式
1.开环控制 1.开环控制
输入
控制装置
对象
输出
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四.基本控制方式… 基本控制方式…
2.反馈控制 2.反馈控制
输入量 串 联 补偿 元件 输出量 放大元 件 执 行元件 被控对象
-
局部反馈 反馈 补偿元件
测量元件
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九.教学计划及要求
授课:49+5 授课 实验:6 实验 上机:14 上机 作业:每周四交 作业 每周四交 成绩评定: 成绩评定:平时 10%; ; 实验 15%; ; 上机 5% 考试 70%
习题:1-1,1-10
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2 ( t ) + 3 x ( t ) + 4 x ( t ) = r ( t ) x dc ( t ) t + 3 c ( t ) = r ( t ) + 2 ∫ ∞ r (τ ) d τ dt tc ( t ) = r ( t ) y ( t ) = r ( t ) cos ω t + y2 = r y y = x + 2
Utah/MIT dextrous robotic hand. 3 fingers and a thumb. 18 DOF. 5 Motorola 68000 microprocessors. 36 high-performance electropneumatic actuators