第1章 经典控制理论的概念
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自动控制原理--第1章 自动控制理论的一般概念
1-3 典型控制系统
恒值系统：
也称镇定系统。输出量以一定的精度等于 给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢， 扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产 过程中，这类系统非常多。例如：恒温系统， 恒压系统等。
例 锅炉空气预热器密封间隙控制系统
系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算 机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调 整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。
u
~220V
开关闭合后，不同 的输入电压u对应于 不同的温度t。
炉温开环控制系统
扰动量
输入量 (电源 )
开关
加热电 阻丝
控制装置
电炉恒 温箱
受控对象
输出量 (温度)
炉温开环控制系统方框图
扰动
给定值
控制器
被控制 对象
典型开环控制的方框图
输出量
系统框图帮助理解系统的构成和性质
开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.
第1章 自动控制理论的一般概念
1-1 自动控制发展史 1-2 自动控制的基本方式 1-3 典型控制系统 1-4 对于自动控制系统的要求
1-1 自动控制发展史
经典控制理论（20世纪40年代及其以前）
主要研究单输入单输出线性定常系统 时域、频域和复域分析和设计问题。
现代控制理论（20世纪60年代）
主要研究多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统 分析和设计问题；最优控制问题。
(c)
五、复合控制
它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主
要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组
成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生
自动控制原理知识点
自动控制原理知识点 The document was finally revised on 2021第一章自动控制的一般概念自动控制的基本原理与方式1、自动控制、系统、自动控制系统◎自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（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（给定值）运行。
◎系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。
◎自动控制系统：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。
除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它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。
2、自动控制原理及其要解决的基本问题◎自动控制原理：是研究自动控制共同规律的技术科学。
而不是对某一过程或对象的具体控制实现（正如微积分是一种数学工具一样）。
◎解决的基本问题：建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述）分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能）综合：控制系统的综合与校正——控制器设计（方案选择、设计）3、自动控制原理研究的主要内容4、室温控制系统5、控制系统的基本组成◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。
◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放大器）。
◎执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空调器）。
◎测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件（热敏电阻）。
◎比较元件：将测量元件和给定元件给出的被控量实际值与参据量进行比较并得到偏差的元件。
控制系统的一般概念
三.开环控制系统 开环控制系统 1.定义：输出量与输入量之间没有反向联系，只靠 定义： 定义 输出量与输入量之间没有反向联系，
输入量对输出量单向控制的系统叫开环控制系统。 输入量对输出量单向控制的系统叫开环控制系统。
控制量 扰动 控制装置 被控对象 被控制量
开环控制又可称为前馈控制， 开环控制又可称为前馈控制，因为控制作用是由输入 信号直接向前输送， 信号直接向前输送，而不是由输出信号回输到输入信 号来进行控制的，故称为前馈控制。 号来进行控制的，故称为前馈控制。
比较繁琐（ 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) 性已克服
1-2 自动控制系统的基本概念
一.自动控制系统 自动控制系统
自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起 来的， 来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控 制的一个有机整体。 制的一个有机整体。 1.被控对象：（要求实现自动控制的机器设备 被控对象： 被控对象 或生产过程） 或生产过程） 2.被控制量：（指被控制系统所要控制的物理 被控制量： 被控制量 一般指系统的输出量） 量，一般指系统的输出量）
五.重要概念 重要概念
主反馈：直接取自系统输出端 ， 主反馈：直接取自系统输出端n，经过测量和变 叫主反馈信号， 换，又引入到系统输入端的信号ub叫主反馈信号， 相应的反馈叫主反馈。 相应的反馈叫主反馈。 前向通道： 前向通道：从系统输入端到输出量之间的通道称 为前向通道。 为前向通道。 主反馈通道： 主反馈通道：从输出量到主反馈信号之间的通道 称为主反馈通道。 称为主反馈通道。 单位反馈系统： 单位反馈系统：主反馈信号等于输出量的系统叫 单位反馈系统。 单位反馈系统。 非单位反馈系统： 非单位反馈系统：主反馈信号不等于输出量的系 统叫非单位反馈系统。 统叫非单位反馈系统。 局部反馈：对应内回路。 局部反馈：对应内回路。
第一章 控制系统导论
第一章控制系统导论一、填空1、对于一个自动控制的性能要求可以概括为三个方面：、、。
2、“经典控制理论”的内容是以为基础的。
3、根据采用的信号处理技术的不同，控制系统分为模拟控制系统和。
4、反馈控制又称偏差控制，其控制作用是通过与反馈量的差值进行的。
5、复合控制有两种基本形式：即按的前馈复合控制和按的前馈复合控制。
6、在水箱水温控制系统中，受控对象为，被控量为。
7、自动控制系统有两种基本控制方式，当控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为；当控制装置与受控对象之间不但有顺向作用而且还有反向联系时，称为；含有测速发电机的电动机速度控制系统，属于。
8、火炮跟踪系统是一种控制系统，一般对系统的指标要求较高。
9、按控制方式分类，制动控制系统分为、和。
10、就历史发展而言，自动控制理论可分为以为基础的经典控制理论和以为基础的现代控制理论。
二、选择题1、通过测量输出量，产生一个与输出信号存在确定函数比例关系值的元件称为（C ）A.比较元件B.给定元件C.反馈元件D.放大元件2、当忽略电动机的电枢电感后，以电动机的转速为输出变量，电枢电压为输入变量时，电动机可看作一个（B ）A.比例环节B.微分环节C.积分环节D.惯性环节3、与开环控制系统相比较，闭环控制系统通常对（B ）进行直接或间接地测量，通过反馈环节去影响控制信号。
A.输出量B.输入量C.扰动量D.设定量4、主要用于产生输入信号的元件称为（B ）A.比较元件B.给定元件C.反馈元件D.放大元件5、如果被调量随着给定量的变化而变化，这种控制系统叫（B ）A.恒值调节系统B.随动系统C.连续控制系统D.数字控制系统6、与开环控制系统相比较，闭环控制系统通常对（B ）进行直接或间接地测量，通过反馈环节去影响控制信号。
A.输出量B.输入量C.扰动量D.设定量7、直接对控制对象进行操作的元件称为（D ）A.给定元件B.放大元件C.比较元件D.执行元件8、开环控制系统的的特征是没有（C ）A.执行环节B.给定环节C.反馈环节D.放大环节9、主要用来产生偏差的元件称为（A ）A.比较元件B.给定元件C.反馈元件D.放大元件10、随动系统对（A ）要求较高。
夏德钤自动控制理论(第4版)知识点总结笔记课后答案
第1章引论1.1复习笔记自动控制，就是采用控制装置使被控对象自动地按照给定的规律运行，使被控对象的一个或数个物理量能够在一定的精度范围内按照给定的规律变化。
一、开环控制和闭环控制自动控制系统有两种最基本的形式：开环控制和闭环控制。
1.开环控制（1）开环控制的框图开环控制的示意框图如图1-1所示图1-1 开环控制示意框图（2）开环控制的特点在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响。
2.闭环控制（1）闭环控制的框图闭环控制的示意框图如图1-2所示图1-2 闭环控制示意框图（2）闭环控制的特点在控制器与被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且存在着反馈作用，即系统的输出量对控制量有直接影响。
二、自动控制系统的类型根据不同的分类方法，自动控制系统的类型有如下分类：1.随动系统与自动调整系统（1）随动系统：输入量总在频繁地或缓慢地变化，要求系统的输出量能够以一定的准确度跟随输入量而变化。
（2）自动调整系统：输入保持为常量，或整定后相对保持常量，而系统的任务是尽量排除扰动的影响，以一定准确度将输出量保持在希望的数值上。
2.线性系统和非线性系统（1）线性系统：组成系统的元器件的特性均为线性（或基本为线性），能用线性常微分方程描述其输入与输出关系的系统。
（2）非线性系统：组成系统的元器件中，只要有一个元器件的特性不能用线性方程描述，该系统即为非线性系统。
3.连续系统与离散系统（1）连续系统：各部分的输入和输出信号都是连续函数的模拟量。
（2）离散系统：某一处或数处的信号以脉冲列或数码的形式传递的系统。
4.单输入单输出系统与多输入多输出系统（1）单输入单输出系统：其输入量和输出量各为一个，系统结构较为简单。
（2）多输入多输出系统：其输入量和输出量多于一个，系统结构较为复杂，回路多。
5.确定系统与不确定系统（1）确定系统：系统的结构和参数是确定的、已知的，系统的输入信号（包括参考输入及扰动）也是确定的，可用解析式或图表确切表示。
自动控制原理
自动控制原理
张 泉
第一章自动控制理论概论
第一节 第二节 第三节 自动控制理论的发展 自动控制与自动控制系统 自动控制系统应用示例
自动控制理论（Automatic Control Theory），是控制论的一个重要分支，包括 经典控制理论和现代控制理论两大部分，是 一门既与技术科学又与基础科学相关的学科， 同相对论和量子论一起被誉为20世纪上半叶 的三大伟绩。 本书主要介绍经典控制理论的基本内容。
4、 恒值系统、随动系统和程序控制系统
这是根据给定的参考输入信号的不同来分类的。 当系统的参考输入为一定值，而控制任务就是克服 扰动，使被控量保持恒值，此类系统称为恒值系统 (Uniform Control System)；若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， 则此类系统称为随动系统(Following Control System)； 若系统的给定值按照设定的时间函数变化，并要求被控 量随之变化，则此类系统称为程序控制系统 （Programed Control System）。如一些自动化生产线 等。 本书主要的研究对象是线性定常控制系统（Linear Time-Invariant Control System）。
三、机电控制系统
例1-3 造纸机分部传动 系统，如图1-10所示。 本例中，受控对象为电动机， 控制装置为电位器、放大器，测量 装 置为测速发电机，被控量为电 动机转速，给定值为适宜的转速值， 即 电压Ur。 工作中，压榨辊拖动电机 M的转 速由测速发电机TG检测出来，并转 换为速度反馈电压Uf。参考输入电 压Ur与反馈电压Uf都送到运算放大 器的输入端并相比较（相减），得 到偏差电压Ur-Uf，经过放大器放 大去控制拖动电机的转速。
张 泉
第一章自动控制理论概论
第一节 第二节 第三节 自动控制理论的发展 自动控制与自动控制系统 自动控制系统应用示例
自动控制理论（Automatic Control Theory），是控制论的一个重要分支，包括 经典控制理论和现代控制理论两大部分，是 一门既与技术科学又与基础科学相关的学科， 同相对论和量子论一起被誉为20世纪上半叶 的三大伟绩。 本书主要介绍经典控制理论的基本内容。
4、 恒值系统、随动系统和程序控制系统
这是根据给定的参考输入信号的不同来分类的。 当系统的参考输入为一定值，而控制任务就是克服 扰动，使被控量保持恒值，此类系统称为恒值系统 (Uniform Control System)；若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， 则此类系统称为随动系统(Following Control System)； 若系统的给定值按照设定的时间函数变化，并要求被控 量随之变化，则此类系统称为程序控制系统 （Programed Control System）。如一些自动化生产线 等。 本书主要的研究对象是线性定常控制系统（Linear Time-Invariant Control System）。
三、机电控制系统
例1-3 造纸机分部传动 系统，如图1-10所示。 本例中，受控对象为电动机， 控制装置为电位器、放大器，测量 装 置为测速发电机，被控量为电 动机转速，给定值为适宜的转速值， 即 电压Ur。 工作中，压榨辊拖动电机 M的转 速由测速发电机TG检测出来，并转 换为速度反馈电压Uf。参考输入电 压Ur与反馈电压Uf都送到运算放大 器的输入端并相比较（相减），得 到偏差电压Ur-Uf，经过放大器放 大去控制拖动电机的转速。
自动控制一般概念与基本要求
徐寿
黄鹄号自复原动图控制的一般
华蘅芳
➢ 1866年，英国J.M. Gray设计出第一艘明轮驱 动的全自动蒸汽轮船“东方”号
自动控制的一般
3.2 劳斯-赫尔维茨稳定判据—第三章 ➢ 1877年，英国E.J. Routh提出根据
多项式的系数决定多项式在右半平 面的根的数目，从而将当时各种有 关稳定性的孤立的结论和非系统的 结果统一起来，开始建立有关动态 稳定性的系统理论。
自动控制的一般概念和基本要 求
自动控制的一般
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 自动控制系统示例 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 1-5 自动控制系统的分析与设计工具
2
自动控制的一般
1-1 自动控制的基本原理与方式
一.自动控制科学的发展
➢ 1770年，他利用离心式飞锤调速器构 建了蒸汽机的转速自动控制系统，此 系统在锅炉压力和负荷变化的条件下， 通过离心式调速器自动调节进气阀门 的开度，使蒸汽机转速维持在一定的 詹姆斯·瓦特 范围内。
7
自动控制的一般
转速自动控制原理
缺点：调速系统会出 现振荡问题，当振荡 过大时会造成系统的 不稳定。(稳态性能及 动态性能差，存在稳 态误差——第三章)
自动控制的一般
劳斯
14
➢ 1895年，瑞士A. Hurwitz在不了 解Routh工作的情况下，独立给出 了根据多项式的系数决定多项式的 根是否都具有负实部的另一种方法。
这两种判据实质是一样的，都是根 据特征方程的系数来判断高阶系统 的稳定性。
赫尔维茨
15
自动控制的一般
3.3 李雅普诺夫稳定判据—第九章 ➢ 1892年，俄国A.M.Lyapunov在其
黄鹄号自复原动图控制的一般
华蘅芳
➢ 1866年，英国J.M. Gray设计出第一艘明轮驱 动的全自动蒸汽轮船“东方”号
自动控制的一般
3.2 劳斯-赫尔维茨稳定判据—第三章 ➢ 1877年，英国E.J. Routh提出根据
多项式的系数决定多项式在右半平 面的根的数目，从而将当时各种有 关稳定性的孤立的结论和非系统的 结果统一起来，开始建立有关动态 稳定性的系统理论。
自动控制的一般概念和基本要 求
自动控制的一般
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 自动控制系统示例 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 1-5 自动控制系统的分析与设计工具
2
自动控制的一般
1-1 自动控制的基本原理与方式
一.自动控制科学的发展
➢ 1770年，他利用离心式飞锤调速器构 建了蒸汽机的转速自动控制系统，此 系统在锅炉压力和负荷变化的条件下， 通过离心式调速器自动调节进气阀门 的开度，使蒸汽机转速维持在一定的 詹姆斯·瓦特 范围内。
7
自动控制的一般
转速自动控制原理
缺点：调速系统会出 现振荡问题，当振荡 过大时会造成系统的 不稳定。(稳态性能及 动态性能差，存在稳 态误差——第三章)
自动控制的一般
劳斯
14
➢ 1895年，瑞士A. Hurwitz在不了 解Routh工作的情况下，独立给出 了根据多项式的系数决定多项式的 根是否都具有负实部的另一种方法。
这两种判据实质是一样的，都是根 据特征方程的系数来判断高阶系统 的稳定性。
赫尔维茨
15
自动控制的一般
3.3 李雅普诺夫稳定判据—第九章 ➢ 1892年，俄国A.M.Lyapunov在其
第1章 现代控制理论概述-控制理论发展
经典控制理论—标志阶段(7/9)
➢ 传递函数只描述了系统的输入输出间关系,没有内部变量 的表示。
➢ 经典控制理论的特点是以传递函数为数学工具,本质上是 频域方法,主要研究“单输入单输出”(Single-Input Single-output, SISO)线性定常控制系统的分析与设计,对线 性定常系统已经形成相当成熟的理论。
瓦特
经典控制理论—起步阶段(3/5)
瓦特离心调速器
Watt’s fly ball governor
This photograph shows a flyball governor used on a steam engine in a cotton factory near anchester in the United Kingdom.
➢ 这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追 求,迫切要求拓展已有的控制技术,促使了许多新的见解和 方法的产生。
➢ 同时,还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系 统的研究。
➢ 可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展。
经典控制理论—标志阶段(4/9)
以传递函数作为描述系统的数学模型,以时域分析法、根轨迹 法和频域分析法为主要分析设计工具,构成了经典控制理论的 基本框架。 ➢ 到20世纪50年代,经典控制理论发展到相当成熟的地步,形 成了相对完整的理论体系,为指导当时的控制工程实践发 挥了极大的作用。
经典控制理论—起步阶段(5/5)
经典控制理论—发展阶段(1/4)
3. 发展阶段
实践中出现的问题,促使科学家们从 理论上进行探索研究。
➢ 1868年,英国物理学家麦克斯韦 (J.C. Maxwell)通过对调速系统 线性常微分方程的建立和分析,
第1章 绪论
5
主要经历三个阶段： 经典控制理论 现代控制理论 智能控制理论
6
1.1.1 经典控制理论
1 自动装置的发明与应用
公 元 前 1500 年 ， 埃 及 人 （ Egyptians ） 和 巴 比 伦 人 （Babylonian.）发明了世界上最早的计时器－水钟，又称漏刻、 漏滴、漏壶或漏等。
7
图1-1 铜壶漏刻
Control
Systems》
Benjamin
高教出版社
6.《Modern
等
Control
Systems》
Richard C.Dorf 高教出版社
2
第一章
绪 论
主要内容：
1.1 引言
1.2
1.3 1.4 1.5 1.6
自动控制的基本概念
自动控制系统的组成 自动控制系统的分类 自动控制系统的应用实例 对自动控制系统的基本要求及教学内容
4
自动化的应用领域 ：
工农业生产（如压力、张力、温度、流量、位移、湿度、粘度等自动 控制） 国防建设（如飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船 等自动控制） 社会经济（如模拟经济管理过程、经济控制论、大系统、交通管理、 图书管理等） 人类生活（如生物控制论、波斯顿假肢、人造器官等）
8
1642年，法国物理学家帕斯卡（B. Pascal）发明了第一台机械式十 进制加法器，解决了自动进位这一关键问题，也第一次确立了计算器 的概念，因此他被公认为制造机械计算机的第一人。 1657年，荷兰科学家惠更斯（C. Huygens）应用伽利略（G. Galilei， 1564-1642）的理论设计了钟摆，在他的指导下年轻的钟匠考斯特（S.
同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭 环控制。
自动控制理论概述
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8.1 传感器的选用
• 8.1.2 传感器选择的一般步骤 选择传感器总的原则是：在满足对传感器所有要求的情况
下，力求成本低、工作可靠且便于维修的原则，即性能价格 比要高的原则。一般可按下列步骤进行： 1 ．借助于传感器分类表。即按被测量的性质，从典型应用中可 以初步确定几种可供选用的传感器的类别。 2 ．借助于常用传感器比较表。即按测量的范围、测量精度及环 境要求等进一步确定传感器的类别。 3 ．借助于传感器的产品目录。根据所选的传感器的类别，借助 产品目录，选出传感器的规格、型号、性能和尺寸。
图1-3 直流电动机转速闭环控制方框图
闭环控制特点
循环控制， 路径闭合
系统精度高， 抗干扰能力强
结构复杂，元 件和参数配置 要求较高
第一章 自动控制的基本概念
1.4 自动控制系统的分类
定值、随动和程序控制系统
定值控制系统 系统给定值（参考输入）为恒定常数，这种控制系统称为定值控制
系统，这种系统可通过反馈控制使系统的被控参数（输出）保持恒定、 希望的数值。
返回
8.1 传感器的选用
由于传感器精度的高低、性能的好坏直接影响到检测的 结果，影响到自动检测系统的品质和整个系统的运行状态 ，因此，选择合适的传感器是一个很重要环节。
• 8.1.1 传感器的选择要求 传感器的选择要求是全面的、严格的，是选用传感器的依
据。具体要求主要有以下几点： 1)技术指标要求。
如绝缘电阻、耐压等级及接地保护等。
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8.1 传感器的选用
5）可靠性要求 如抗干扰、使用寿命、无故障工作时间等。
6）维修及管理要求 如结构简单、模块化、有自诊断能力、有故障显示等。 上述要求又可分为两大类：一类是共同的要求，如线性度
8.1 传感器的选用
• 8.1.2 传感器选择的一般步骤 选择传感器总的原则是：在满足对传感器所有要求的情况
下，力求成本低、工作可靠且便于维修的原则，即性能价格 比要高的原则。一般可按下列步骤进行： 1 ．借助于传感器分类表。即按被测量的性质，从典型应用中可 以初步确定几种可供选用的传感器的类别。 2 ．借助于常用传感器比较表。即按测量的范围、测量精度及环 境要求等进一步确定传感器的类别。 3 ．借助于传感器的产品目录。根据所选的传感器的类别，借助 产品目录，选出传感器的规格、型号、性能和尺寸。
图1-3 直流电动机转速闭环控制方框图
闭环控制特点
循环控制， 路径闭合
系统精度高， 抗干扰能力强
结构复杂，元 件和参数配置 要求较高
第一章 自动控制的基本概念
1.4 自动控制系统的分类
定值、随动和程序控制系统
定值控制系统 系统给定值（参考输入）为恒定常数，这种控制系统称为定值控制
系统，这种系统可通过反馈控制使系统的被控参数（输出）保持恒定、 希望的数值。
返回
8.1 传感器的选用
由于传感器精度的高低、性能的好坏直接影响到检测的 结果，影响到自动检测系统的品质和整个系统的运行状态 ，因此，选择合适的传感器是一个很重要环节。
• 8.1.1 传感器的选择要求 传感器的选择要求是全面的、严格的，是选用传感器的依
据。具体要求主要有以下几点： 1)技术指标要求。
如绝缘电阻、耐压等级及接地保护等。
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8.1 传感器的选用
5）可靠性要求 如抗干扰、使用寿命、无故障工作时间等。
6）维修及管理要求 如结构简单、模块化、有自诊断能力、有故障显示等。 上述要求又可分为两大类：一类是共同的要求，如线性度
经典控制理论——第一章
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.自动控制技术及其应用
自动控制：是指在没有人直接参与的情况下， 利用外加的设备或装置(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。
2．自动控制理论 自动控制理论是研究自动控制共同规律的 技术科学。 发展：1）以传递函数为基础的经典控制理 论，它主要研究单输入—单输出、 线性定常系统的分析和设计问题。 2）现代控制理论。它主要研究具有高 性能、高精度的多变量变参数系统的 最优控制问题，主要采用的方法是以 状态为基础的状态空间法。 3）以控制论、信息论、仿生学为基础 的智能控制理论。
(3)复合控制方式 把按偏差控制与按扰动控制结合起 来，对于主要扰动采用适当的补偿装置 实现按扰动控制，同时，再组成反馈控 制系统实现按偏差控制，以消除其余扰 动产生的偏差。这种按偏差控制和按扰 动控制相结合的控制方式称为复合控制 方式。图1—7表示一种同时按偏差和扰 动控制电动机速度的复合控制系统原理 线路图和方块图。
3．非线性控制系统
系统中只要有一个元部件的输入— 输出特性是非线性的，这类系统就称为 非线性控制系统，这时，要用非线性微 分(或差分)方程描述其特性。非线性方程 的特点是系数与变量有关，或者方程中 含有变量及其导数的高次幂或乘积项， 例如
t y t y t y y
采用教材
参考文献目录
主要参考书：
《自动控制原理》 胡寿松主编, 科学出版社
《自动控制原理》
《自动控制原理》 《自动控制原理》
顾树生、王建辉主编, 冶金工业出版社
吴 麒主编， 清华大学出版社 国防工业出版社
李友善主编，
《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。
控制工程基础—第1章绪论
三 .反馈控制系统的基本组成
一个典型的反馈控制系统应该包括给定元件、反 馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正 元件等。
给定 元件 比较元件 扰动 串联校正 元 件 +放大变 换元件 执行 元件 输出 控制 信号 对象 xo
+输入 偏差 信号 xi 信号 e
并联校正 元 件 局部反馈 反馈元件 主反馈
图1-2 人工控制的恒温箱
人工控制恒温的过程可归结如下：
1. 观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱（被 控制元件）的温度； 2. 与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏 差的大小和方向； 3. 根据偏差大小和方向再进行比较控制：当温度 高于所要求的给定温度值时，就调节调压器动 触头使电压减小，温度降低；若温度低于给定 的值，则调节调压器动触头，使电压增加，温 度升高； 4. 如温度还达不到要求时，要反复进行上面的步 骤操作。 因此，人工控制的过程就是测量、求偏差、再控 制以纠正偏差的过程。也就是“检测偏差用以 纠正偏差”的过程。
自动控制？
是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器 （机械装臵、电气装臵或电子计算机）使生产 过程或被控制对象（机器、设备）的某一物理 量（温度、压力、液面、流量、速度、位移等） 自动地按照预定的规律运行。
例如： 电冰箱自动地控制冰箱中的温度恒定； 无塔供水系统保证楼宇自动恒压供水； 加工中心根据加工工艺的要求，能够自动地 按照一定的加工程序加工出所需要的工件。
所谓系统的动态性能，主要分如下三类 1.已知系统的参数m、k、f及输入x(t)，确 定输出y(t)； 2.已知输入x(t)及输出y(t)，确定系统的参数 m、k及f； 3.已知系统的参数m、k及f，给定输出y(t)时， 确定输入x(t)。
现代控制理论 第一章 绪论
控制论之父— 控制论之父 —维纳 维纳
2.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实 2.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实 我国著名科学家钱学森 并与1954年出版了《工程控制论》 1954年出版了 践，并与1954年出版了《工程控制论》。
钱学森
从四十年代到五十年代末，经典控制理论的 发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大 的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防 建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。 （可以说工业革命和战争促使了经典控制理论 的发展）。
闭环与开环控制系统的比较
优点 闭环 采用了反馈， 采用了反馈，因而使系统的响 应对外部干扰和内部系统的参 数变化均相当不敏感。 数变化均相当不敏感。 控制精度高 构造简单，维护容易； 构造简单，维护容易； 成本比相应的闭环系统低； 成本比相应的闭环系统低； 不存在不稳定性问题； 不存在不稳定性问题； 当输出量难于测量， 当输出量难于测量，或者要测 量输出量在经济上不允许时， 量输出量在经济上不允许时， 采用开环比较合适（ 采用开环比较合适（比如洗衣 机）。 扰动和标定尺度的变化 将引起误差， 将引起误差，从而使系统 的输出量偏离希望的数值； 的输出量偏离希望的数值； 精度通常较低， 精度通常较低，无自动 纠偏能力。 纠偏能力。 缺点 存在稳定、振荡、超调等问题； 存在稳定、振荡、超调等问题； 系统性能分析和设计较麻烦。 系统性能分析和设计较麻烦。
1.5控制理论中的一些术语
（6）反馈控制 ） 是这样一种控制，它能够在存在扰动的情况下， 是这样一种控制，它能够在存在扰动的情况下，力图 减少系统的输出量与某种参考输入量之间的偏差， 减少系统的输出量与某种参考输入量之间的偏差，且 其工作原理是基于这种偏差。 其工作原理是基于这种偏差。 这里的扰动是指不可预测的扰动。 这里的扰动是指不可预测的扰动。对于可预测或已知 的扰动，总是可以在系统内部加以补偿。 的扰动，总是可以在系统内部加以补偿。
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(T2 s 1)(T1s 1) ( T2 s 1)(T1s 1)
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
4、连续系统的离散化 采样控制方式(亦称离散控制方式)在现代工业控制 中应用非常广泛。数字控制器或计算机在控制精度、速 度及性能价格比等方面都比模拟控制器有明显的优越性， 同时数字控制器还具有很好的通用性，可以很方便地改 变控制规律。尤其当采用计算机控制多个生产过程时， 上述优点就显得更加突出。典型的采样控制系统如图1.7 所示。
图1.4 系统的方块图
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
2、系统的稳定性 系统的稳定性包括绝对稳定性和相对稳定性。
绝对稳定性：回答系统是否稳定的问题。
劳斯判据、 奈氏判据
相对稳定性：不仅要求系统必须稳定，同时还要关 心系统的稳定程度。
稳定裕度 (幅值、相 角)
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
5、自适应控制 是指一类控制系统，既能适应内部参数变化，又能适 应外部环境变化，而自动调整控制作用，使系统满足要求。
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
本章小结
1、回顾经典控制理论中的相关知识； 2、了解控制理论的发展及现代控制理论的主要研究内容，
特别是现代控制理论与经典控制理论的区别；
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
三、现代控制理论与经典控制理论的比较
经典控制理论 现代控制理论
多输入-多输出、线性与非线性、定 常与时变系统
向量空间理论(矩阵) 时域法(用状态空间法来分析) 确定控制方式使某项性能指标为极 小(如时间最小、能量最小、……)，对 于该项性能指标来说是最优的。分析研 究后，数值计算可由计算机完成，有标 准程序可用。 (主要研究最优化) 输入→状态变量→输出 着重于系统的状态，通过状态变量 来描述系统的内在规律。
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
3、最佳估计(滤波) 当系统中有随机干扰时，其综合就必须同时应用概率 和统计的方法来进行，即在系统数学模型已经建立的基础 上，通过对系统输入输出数据的测量，利用统计方法对系 统的状态进行估计。主要方法是卡尔曼滤波。 4、系统辨识 要研究系统的状态，首先要建立系统在状态空间中的 数学模型，由于系统比较复杂，所以往往不能通过解析的 方法直接建立其数学模型，而主要通过试验或运行的数据 来估计出控制对象的数学模型及参数。即如何根据系统的 输入输出数据来确定系统的数学模型。
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
四、现代控制理论的主要研究内容
1、线性系统理论 这是现代控制理论中最基础、最成熟的部分。用状态 空间分析法来分析和研究线性系统，主要有：控制系统的 状态空间描述、状态方程求解、系统的能控性和能观测性、 状态反馈和状态观测器、系统的稳定性理论，它揭示了系 统的内在联系。 2、最优控制 在给定的限制条件和性能指标下，寻找使系统性能指 标最佳的控制规律。主要有两种方法：庞德亚金的极大值 原理和贝尔曼的动态规划。
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第1章 经典控制理论的概念
主首极点：当系统闭环主导极点数大于2时，即n≥3，其 中最靠近虚轴的极点，对系统响应起着首要作 用，即在整体上决定响应类型及走向，称之为 闭环主首极点。
图1.5 主导极点与主首极点
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
当控制系统的稳态、动态性能不能满足所要求的性能 指标时，通过极点配置法对系统进行校正和设计。 校正装置接入系统的主要形式有两种：串联校正和局 部反馈校正(或并联校正)。如图1.6所示。
3、掌握自控原理和线性代数中的有关知识。
控制理论的发展过程 经典控制理论的有关知识 现代控制理论与经典控制理论的比较
现代控制理论的主要研究内容
小结
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
一、控制理论的发展过程
1、经典控制理论 研究对象以单输入-单输出系统为主，系统的数学模 型为传递函数，系统的分析与设计方法包括频率法、根轨 迹法等。 2、现代控制理论 研究对象为单输入-单输出、多输入-多输出、时变、 非线性等系统，系统的数学模型为状态空间描述，系统的 分析与设计方法是状态空间分析法。
研究对象
数学基础 研究方法
单输入-单输出、线性定常系统
常系数微分方程(拉氏变换) 频率法(用传递函数分析) 由笼统的性能指标(如σ、ts、tr等) 来确定校正装置，只要满足这些性能 指标即可，对于统一要求，有多种答 案。 (主要研究稳定性)
研究观点
着眼点
输入→传递函数→输出 着重于系统的输出，注重外部联系。
图1.6 加入校正装置的系统方块图
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
对于串联校正而言，常用的三种串联校正法有：超前 校正、滞后校正、滞后-超前校正。
超前校正： 滞后校正：
G(s)
Ts 1
Ts 1
(α>1)
Ts 1 G ( s) (β>1) Ts 1
滞后-超前校正：G ( s)
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
3、大系统理论与智能控制理论 大系统是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与 控制系统；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，最典型的是智能机器人，智能控制主 要包括神经网络控制、模糊控制和专家控制三方面内容。 (1) 神经网络控制 以神经元为单位构成的网络叫神经网络。每个神经元 具有记忆功能，其结构图1.1所示。
图1.7 典型采样系统方块图
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
采样器：把连续信号变换为脉冲序列的装置，又叫 采样开关。 离散化条件：满足香农采样定理。 香农采样定理：采样频率 s > 2 m (连续信号的最高频率)
2 s T
保持器：是将离散信号转换成连续信号的元件。保 持器的类型有零阶保持器、一阶保持器等，在工程实践 中普遍采用零阶保持器。 零阶保持器：在两个采样时刻之间保持 1 e Ts 前一个采样时刻的值不变 Gh ( s) s 的保持器。其传递函数为
(2) 系统的方块图 将组成系统中的每一个环节，用标有传递函数的方块 形式表示出来，然后从比较环节入手，按输入信号流经的 先后次序，将各方块图连接起来，表示系统功能的图形为 系统的方块图。如图1.4所示。
Y ( s) G1 ( s)G2 ( s) U ( s) 1 G1 ( s)G2 ( s) H ( s )
第1章 经典控制理论的概念
(2)模糊控制 以模糊数学为基础。模糊控制的实现过程如图1.3所 示。
模糊控制器
被控对象
模糊控制器 模糊化
规则库
推理机
图1.3 模糊控制的实现过程
反模糊化
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念Leabharlann 二、经典控制理论的有关知识
1、系统的描述方法 (1) 系统的传递函数
Y ( s) G( s) U ( s)
3、极点与系统性能 当用极点决定系统阶跃响应类型的概念去分析高阶系 统动态性能时，需要用闭环主导极点与闭环主首极点的概 念进行近似分析。 主导极点：在高阶系统中，只有少数几个极点对系统响 应起决定性影响，而其余闭环极点影响较小。 把那些起主要作用的闭环极点称为主导极点， 并用主导极点代替全部闭环极点来分析系统的 动态性能。
门槛(或阈值) 突 触
图1.1 神经元结构图
现代控制理论
第1章 经典控制理论的概念
常见的神经网络结构如图1.2所示。
x1
y1
y2
x1
y1
y2
x2
x2
xn
yn
xn
yn
前向网络(BP网) 图1.2 神经网络结构图
反馈网络(Hopfield网)
现代控制理论
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电子与信息工程学院
主讲人：赫健
课程介绍
1、学时分配：共48学时；
2、成绩评定：平时成绩30％，期末成绩70％； 出勤率达到要求，总成绩在60分 以上； 3、学习要求：出勤，笔记，作业，认真听讲； 4、主要内容：控制系统的基本概念，控制系统 的性能分析，控制系统的综合设计。
第1章 经典控制理论的概念