自动控制原理第1章
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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。
自动控制原理_第一章
（b）只有有限个极值点。 满足狄利赫里条件的函数 fT (t ) 在 叶级数。
T T ， 2 2
上可展成傅里
在 fT (t ) 的连续点处，级数的三角形式为
a0 fT (t ) (an cos n0t bn sin n0t ) 2 n 1
（1－1）
其中：0
《现代控制工程》（第四版）
E-mail: goulinfeng @
第一章 概 论
主要问题：
（1） 自动控制系统的基本概念
（2） 自动控制系统的分类
（3） 自动控制系统的性能指标
（4） 拉普拉斯变换简介
（5） 典型输入信号
一、自动控制系统的基本概念
瓦特(James Watt)
2
3s 4 2 3s 2 4 s 2 y( s) 2 2 s 3s 2 s ( s 3s 2) s ( s 1)( s 2) 1 1 3 s s 1 s 2
y (t ) L [ y( s)] 1 e 3e
1
t
d 2 y (t ) dy (t ) x(t ) 2, 3 2 y (t ) x(t ), 例1: 2 dt dt y(0) 5 y(0) 3, 求响应 y (t )
解：对方程两边做拉氏变换：
2 s y( s) sy(0) y(0) 3[sy (s) y (0)] 2 y (s) s y(0) 5 可得: 代入 y(0) 3,
3 傅立叶变换：
e jx e jx e jx e jx 利用欧拉公式：cos x , sin x 2 2j
代入式（1-1）可得可积周期函数连续点处的傅里叶三角级 数表达式 化简后： fT (t ) 其中
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。
孙炳达版 《自动控制原理》第1章 自动控制系统的基本概念-1
1.1 自动控制的基本方式
3、复合控制方式 开环控制+闭环控制 两种结构：按输入信号补偿 按扰动信号补偿
1.1 自动控制的基本方式
4、控制方式比较 (1) 从系统组成结构看，开环控制方式简单，复 合控制方式复杂，闭环控制方式介于两者间； (2) 从性能看，开环控制方式较差，闭环控制方 式较好；复合控制方式最好；
+ 5 ΔU -5 功 率 放 大 器
1.1 自动控制的基本方式
方法一：人工控制 眼（观察） 脑（判断） 手（操作） 目的：减少或消除Δh
1.1 自动控制的基本方式
方法二：自动控制 受控对象：水池； 输出量：实际水位（h实）； 输入量：要求水位（h要）； 浮子——检测装置； 控制电源——检测Δh，转变为电信号； 电动机——执行机构； 干扰输入量：对系统输出起反作用的输入量， 例如功率放大器信号的飘移。
开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统 输出量即电动机转速并转换为电压。 反馈电压与给定电压比较 (相减)后，产生一偏差电压， 经电压和功率放大器放大后去控制电动机的转速。 当系统处于稳定运行状态时，电动机就以电位器滑动 端给出的电压值所对应的希望转速运行。 当系统受到某种干扰时(例如负载变大)，电动机的转速 会发生变化(下降)，测速反馈电压跟着变化(变小)，由于 给定电压值未变，偏差电压值发生变化(变大)，经放大后 使电动机电枢电压变化(提高)，从而电动机转速也变化(上 升)，以减小或消除由于干扰引起的转速偏差。
1.1 自动控制的基本方式
基本名词：
1 控制器：实现控制功能的装置； 2 被控对象：被控制的设备或机械； 3 被控量（输出量）：被控对象内要求自动控 制的物理量； 4 输入量：影响系统输出量的外界输入，包括 给定输入量和扰动输入量。
自动控制原理课件第一章 胡寿松
4
1.1.3 反馈控制原理 自动控制系统: 为实现各种控制任务, 自动控制系统: 为实现各种控制任务,将被控对象和控制装置按 照一定的方式连接起来的一个有机总体. 照一定的方式连接起来的一个有机总体. 反馈控制: 反馈控制: 在自动控制系统中将被控量以负反馈的形式与输入量 进行比较,并利用偏差来不断消除偏差的控制过程. 进行比较,并利用偏差来不断消除偏差的控制过程. 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统
+
电动机
RW
-
Up
>
K2 SD
i
M
fz
Ua D 减速器 CF n
K1
调速系统（ 调速系统（闭环）
∆U
UCF Ur
E
Ur ＋ UCF －
∆U
＞ K1
USD
SD
Up CF
＞ K2
Ua
D
n
调速系统（ 图1-6 调速系统（闭环）及其职能方块图
11
闭环系统的特点： 闭环系统的特点： 利用偏差消除偏差； ① 利用偏差消除偏差； 能抑制内部或外部扰动对系统的影响， ② 能抑制内部或外部扰动对系统的影响，可用低成本元件构 成高精度系统； 成高精度系统； 稳定性是个重要问题。 ③ 稳定性是个重要问题。 注意： 注意： 在实际系统中，一个元件常兼有两种或两种以上的职能； ① 在实际系统中，一个元件常兼有两种或两种以上的职能； 上述元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、气动、 ② 上述元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、气动、 液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压等控制系统， 液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压等控制系统，但其工 作原理都是一致的。 作原理都是一致的。 12
自动控制原理：第1章 自动控制的基本概念 (2)
m
Md ML
J s2 Bs
c
1
i
m
将每个子方程的结构图按照相互关系，正确地连接起来， 得到下图
自动控制原理
27
2.4.3 结构图的等效变换
(1)结构图的基本组成形式 1）串联连接
C(s) G2 (s)U (s) G2 (s)G1(s)R(s)
C(s) R(s)
G1(s)G2 (s)
2）并联连接
在控制系统稳定的前提下，总是希望响应越快越好，而 且超调量越小越好。
自动控制原理
4
1.4 对控制系统的性能要求
1.4.3 稳态误差
控制系统在稳定的情况下，希望的输出与实际的输出之 差称为误差，误差的稳态分量称为稳态误差（或称为静态误 差），一般用ess表示。
自动控制系统的性能指标分别描述了系统在稳定性、动态 性能、稳态性能三个方面的要求，根据这些性能指标，就可以 判别系统性能的优劣。
i
(2-6)
式（2-5）或（2-6）就是描述简单水槽对象特性的数 学模型。它是一个一阶常系数微分方程式。
T为时间常数。 K 为放大系数。
自动控制原理
16
2.3 传递函数
2.3.1 传递函数的概念
RC电路如下：根据克希霍夫定律， 可列写微分方程
Ri(t) uc (t) ur (t)
uc
(t)
1 C
1
uc (t) C idt
（2）消去中间变量i后，得输入输出微分方程式
LC
d
2uc (t) dt 2
RC
duc (t) dt
uc
(t)
ur
(t)
或
T1T2
d
2uc (t) dt 2
第1章--自动控制原理课件
45
下面从系统特性角度分类。 一、按系统构成元件是否线性分类 1 线性控制系统 由线性元件构成的系统是线性控制系统。或者 说，如果系统满足叠加原理，则称其为线性系统。 2 非线性控制系统 在控制系统中，如果有一个以上的元件具有非 线性，则称这个系统为非线性控制系统。或者说， 如果不能应用叠加原理，则系统是非线性的。 严格地说，绝对的线性控制系统是不存在的。 为了简化，在一定条件下，可以对某些非线性特性 作线性化处理。这样，非线性控制系统就可以近似 为线性控制系统。
22
指出：被控对象、测量元件、比较机构、放大机构 和执行机构 该系统方框图：
23
三、方框图的画法： 用方框表示系统中的各个组成部件，在每个 方框中填入它所表示部件的名称或其功能函数的 表达式，而不必画出它们的具体结构。 根据信号在系统中的传递方向，用有向线段 依次把它们连接起来，就得到整个系统的框图。
3
经典控制理论（20世纪60年代以前）：主 要解决单输入单输出问题，所研究的系统多半 是线性定常系统。 现代控制理论：20世纪60年代， 随着高精 度数字计算机的诞生，为解决复杂控制系统提 供了实现上的可能性。现代控制理论涉及多变 量控制系统、最优控制理论、系统辨识与模式 识别、最优估计、自适应控制、自学习控制、 模糊控制、专家系统、神经元及其网络控制等 等。
4
第二节 自动控制系统的一般概念
一、自动控制技术及其应用
1 自动控制： 在没有人直接参与的条件下，通过 控制器使被控对象或过程自动地按 要求的规律运行。 2 自动控制系统： 能够完成自动控制功能的基本体 系，称为自动控制系统。 3 自动控制理论： 分析与综合自动控制系统的理论称 为自动控制理论。 4 应用： 自动控制技术已经应用在工程、军事和科 学技术等各个领域，包括：航空、航天、 航海、冶金、机械、能源、电子、生物、 医疗、化工、石油、建筑等。 5
下面从系统特性角度分类。 一、按系统构成元件是否线性分类 1 线性控制系统 由线性元件构成的系统是线性控制系统。或者 说，如果系统满足叠加原理，则称其为线性系统。 2 非线性控制系统 在控制系统中，如果有一个以上的元件具有非 线性，则称这个系统为非线性控制系统。或者说， 如果不能应用叠加原理，则系统是非线性的。 严格地说，绝对的线性控制系统是不存在的。 为了简化，在一定条件下，可以对某些非线性特性 作线性化处理。这样，非线性控制系统就可以近似 为线性控制系统。
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指出：被控对象、测量元件、比较机构、放大机构 和执行机构 该系统方框图：
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三、方框图的画法： 用方框表示系统中的各个组成部件，在每个 方框中填入它所表示部件的名称或其功能函数的 表达式，而不必画出它们的具体结构。 根据信号在系统中的传递方向，用有向线段 依次把它们连接起来，就得到整个系统的框图。
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经典控制理论（20世纪60年代以前）：主 要解决单输入单输出问题，所研究的系统多半 是线性定常系统。 现代控制理论：20世纪60年代， 随着高精 度数字计算机的诞生，为解决复杂控制系统提 供了实现上的可能性。现代控制理论涉及多变 量控制系统、最优控制理论、系统辨识与模式 识别、最优估计、自适应控制、自学习控制、 模糊控制、专家系统、神经元及其网络控制等 等。
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第二节 自动控制系统的一般概念
一、自动控制技术及其应用
1 自动控制： 在没有人直接参与的条件下，通过 控制器使被控对象或过程自动地按 要求的规律运行。 2 自动控制系统： 能够完成自动控制功能的基本体 系，称为自动控制系统。 3 自动控制理论： 分析与综合自动控制系统的理论称 为自动控制理论。 4 应用： 自动控制技术已经应用在工程、军事和科 学技术等各个领域，包括：航空、航天、 航海、冶金、机械、能源、电子、生物、 医疗、化工、石油、建筑等。 5
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(第一章)
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
① 恒值控制系统
系统的输入量是一个常值，要求被控量也等于一个 系统的输入量是一个常值，要求被控量也等于一个 一个常值 常值。 常值。 基本任务：当出现扰动时， 基本任务：当出现扰动时，使得系统的输出量保持 恒定的希望值。 为恒定的希望值。
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
1-1 自动控制的基本原理
1） 自动控制技术及其应用 ）
控制器 自动控制(Automatic Control)是指在没有人直接参 是指在没有人直接参 自动控制 是指在 的情况下， 机器、 与的情况下，利用外加的设备和装置，使机器、 设备或生产过程的某个工作状态或参数，自动地 按照预定的规律运行。 按照预定的规律运行。
1-2 自动控制系统示例
函数记录仪 飞机-自动驾驶仪系统 飞机 自动驾驶仪系统 电阻炉微型计算机温度控制系统 锅炉液位控制系统
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
1-3 自动控制系统的分类
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
2）快速性 ）
对控制系统过渡过程的时间的要求。 对控制系统过渡过程的时间的要求。
期望 温度
大脑
手 眼睛
调压器
恒温箱
《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。
自动控制原理各章知识精选全文完整版
⑴ 偏差、误差的概念
(s), (t) E(s), e(t) cdesired (t) c(t)
E(s) 1 (s)
H
G (s)
1
H
H
⑵ e(t) ets (t) ess (t)
暂态 稳态
单位负反馈系统开环传函
r(t)
1 2
t2
时稳态误差
Ts 1 E(s) Ts 1 s3
e(t)
T
2. 运动方程式
确定输入量、输出量 列写各元件运动方程 消除中间变量 化为标准形式
RL
u1
C u2
Fi
K
m
f
y
L
C
u1
u2
R
R1
u1
C
R2 u2
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
u1
m
d2y dt 2
f
dy dt
Ky
Fi
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
RC
du1 dt
tg1 1 2 cos1
p e 1 2 100 %
d. c(t) c() c() t ts
2%或5%
4 ts n
2%
3 ts n
5%
d. N : 振荡次数
N ts Td
Td
2 d
d n 1 2
tr , t p 评价响应速度
p , N 评价阻尼程度
ts
以分析，并将分析结果应用于工程系统的综合和自然界 系统的改善。 自动控制
毋需人直接参与，而是被控制量自动的按预定规律变 化的控制过程。
4. 开环控制、闭环控制、反馈控制原理
(s), (t) E(s), e(t) cdesired (t) c(t)
E(s) 1 (s)
H
G (s)
1
H
H
⑵ e(t) ets (t) ess (t)
暂态 稳态
单位负反馈系统开环传函
r(t)
1 2
t2
时稳态误差
Ts 1 E(s) Ts 1 s3
e(t)
T
2. 运动方程式
确定输入量、输出量 列写各元件运动方程 消除中间变量 化为标准形式
RL
u1
C u2
Fi
K
m
f
y
L
C
u1
u2
R
R1
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C
R2 u2
LC
d 2u2 dt 2
RC
du2 dt
u2
u1
m
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f
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Ky
Fi
LC
d 2u2 dt 2
RC
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u2
RC
du1 dt
tg1 1 2 cos1
p e 1 2 100 %
d. c(t) c() c() t ts
2%或5%
4 ts n
2%
3 ts n
5%
d. N : 振荡次数
N ts Td
Td
2 d
d n 1 2
tr , t p 评价响应速度
p , N 评价阻尼程度
ts
以分析，并将分析结果应用于工程系统的综合和自然界 系统的改善。 自动控制
毋需人直接参与，而是被控制量自动的按预定规律变 化的控制过程。
4. 开环控制、闭环控制、反馈控制原理
自动控制原理 第一章绪论
◆定义：系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统
◆特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，
这种控制方式称为开环控制 在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不 需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此， 开环控制系统又称无反馈控制系统。
参考输入量
放大器
执行元件
干扰 信号
被控变量
被控对象
当蒸汽机、发电机出现之后，人类的“力气”不知 被放大多少亿倍！人类的力臂不知不 觉被延长到几千公里之外！物质丰富 了，一些农民被改造成为工人，进入 了资本主义社会时期。
2
中国矿业大学信电学院
引言：人类社会发展的三个时代
自动控制原理
❖ 自动化时代
在这个时代中，能量变换与信息变换都可由机器来 完成，在人类活动所见的空间里，只要需要用“力”的 地方，都可以给它配上一个小的脑袋－－单片机或微处 理器之类设备，代替人进行某种判断或操作。
19
中国矿业大学信电学院
二、闭环控制系统
自动控制器
温度测 量装置
自动控制原理 热水
控制阀 蒸汽 冷水
热力系统的自动反馈控制
排水
20
中国矿业大学信电学院
二、闭环控制系统
给定装置
－＋
给定电压
放大器
e
电机
M
自动控制原理
减速器
－＋
热电偶 电阻丝
热电偶 输出电压
被控对象？ 被控量？
图1-7电热炉炉的闭环控制方式
如果扰动产生在系统的内部，称为内部扰动； 当扰动产生在系统的外部时，则称之为外部扰动。
11
中国矿业大学信电学院
第二节 自动控制系统的工作原理
自动控制原理
自动控制原理第一章绪论控制系统的一般概念
模糊控制 神经网络
智能控制理论
遗传算法
温度计
炉子 电热丝
调压器 220
自动控制
炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
u
ub
ur
电压 放大器
电动机
功率 +
放大器 _E
减速器 调压器
220
二.自动控制要解决的基本问题
自动控制是使一个或一些被控制 的物理量按照另一个物理量即控制量 的变化而变化或保持恒定，一般地说 如何使控制量按照给定量的变化规律 变化，就是一个控制系统要解决的基 本问题。
缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
适用场合：系统元件参数变化和扰动无法预计的场合。
§3 反馈控制系统的组成
校正元件：基于偏差信号按一定函数规律产生供执行元件执行的 控制命令对系统进行校正以改善系统的动态和静态性能
如：由放大器、电阻、电容组成的具有预定传递函数的电路。 执行元件：也称执行器。用来执行校正元件产生的控制命令，以便
• 闭环控制(closed-loop control)
闭环控制工作原理： 外部作用：
给定量：使 c跟踪r 干扰量：使 c偏离r
控制目的：排除干扰因素、影响、使被控量随给定量变化。
1)、有反馈，能够成闭回路 是按偏差控制的、
2)、偏差信号起控制作用
具有负反馈的闭环系统
优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修 正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精 度高。
• 被控变量：简称被控量，指被控对象输出需按控制要 求变化的物理量，在单输出系统中，也就是系统得输 出量。
• 控制通道：控制变量通过被控对象（被控过程）到控 制系统输出的通道。
(完整版)自动控制原理知识点汇总
自动控制原理总结第一章绪论技术术语1.被控对象 :是指要务实现自动控制的机器、设施或生产过程。
2.被控量：表征被控对象工作状态的物理参量 (或状态参量 )，如转速、压力、温度、电压、位移等。
3.控制器：又称调理器、控制装置，由控制元件构成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。
4.给定值或指令信号 r(t) ：要求控制系统按必定规律变化的信号，是系统的输入信号。
5.扰乱信号 n(t) ：又称扰动值，是一种对系统的被控量起损坏作用的信号。
6.反应信号 b(t) ：是指被控量经丈量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。
7.偏差信号 e(t)：是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反应信号的差值。
闭环控制的主要长处：控制精度高，抗扰乱能力强。
弊端：使用的元件多，线路复杂，系统的剖析和设计都比较麻烦。
对控制系统的性能要求:稳固性迅速性正确性稳固性和迅速性反应了系统的过渡过程的性能。
正确性是权衡系统稳态精度的指标，反应了动向过程后期的性能。
第二章控制系统的数学模型拉氏变换的定义:F ( s) f ( t )e- st d t几种典型函数的拉氏变换1.单位阶跃函数1(t)2.单位斜坡函数3.等加快函数4.指数函数e-at5.正弦函数sin ωt6.余弦函数cos ωt7.单位脉冲函数 (δ函数 )拉氏变换的基本法例1.线性法例2.微分法例3.积分法例Lf ( t )d t1F ( s )s4.终值定理e( ) lim e( t ) lim sE ( s)ts 05.位移定理L f (t)e 0 s F(s)Le atf ( t )F ( s a )传达函数： 线性定常系统在零初始条件下， 输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比 称为系统 (或元零件 )的传达函数。
动向构造图及其等效变换1.串连变换法例2.并联变换法例3.反应变换法例4.比较点前移“加倒数”；比较点后移“加自己”。
5.引出点前移“加自己”；引出点后移“加倒数” 梅森（ S. J. Mason ）公式求传达函数典型环节的传达函数 1.比率 (放大 )环节 2.积分环节 3.惯性环节 4.一阶微分环节 5.振荡环节G ( s)12 s 22 Ts 1T C ( s ) ＝ 1 n6.二阶微分环节( s )P k kR ( s )k 1第三章时域剖析法二阶系统剖析2nKJF2nJ2 n(完整版)自动控制原理知识点汇总二阶系统的单位阶跃响应1.过阻尼 ξ>1 的状况 ：系统闭环特色方程有两个不相等的负实根。
自动控制原理 第一章 自动控制系统的基本概念(2011-1)
现代控制理论
•以状态空间为基础； 研究多输入-多输出、 时变、非线性一类控 制系统的分析与设计 问题。 •具有高精度和高效能 的特点。
1.2 自动控制系统基本概念
自动控制 控制对象 控制量 给定 扰动 自动控制系统 反馈 反馈控制系统 随动系统 过程控制系统
○自动控制 在没有人直接参与的情况下，通过控制器 使被控对象的某些物理量自动地按照预定 规律进行。 控制器 控制对象 控制量
控制系统动态过程曲线
如上图，系统在外作用作用下，输出逐渐与期望值一 致，则系统稳定的，如曲线１所示； 反之，输出如曲线２所示，则系统是不稳定的。
快速性： 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般 称为动态性能。 □形式 □快慢
◆快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明
系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝。如曲线２所示。
○随动系统 □ 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，
输出量是机械位移、速度或者加速度。
□ 随动系统这个术语，与位置（速度或加速度）控
制系统是同义语。
□ 在现代工业中，广泛采用着随动系统。
○过程控制
在工业生产过程中，对诸如压力、温度、湿度、流 量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制， 称为过程控制。
自动控制原理
Automatic Control Principle
Version 2011
中国矿业大学（北京）
自动控制原理
第一章 自动控制系统的基本概念
第一章 自动控制系统的基本概念
1.1 引言 1.2 自动控制系统的基本概念 1.3 闭环控制和开环控制 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的基本要求
◆稳和快反映了系统过渡过程的性能的好坏。既快又稳，表明
自动控制原理 第一章
钱学森
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论—标志阶段 经典控制理论 标志阶段(3/3) 标志阶段
• 从20世纪40年代到50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。
– 第二次世界大战期间,反馈控制方法被广泛用于设计研制飞机自 动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。 – 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。
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论
经典控制理论即古典控制理论 。它的发展大致 经历了以下几个过程： –萌芽阶段 萌芽阶段 – 起步阶段 –发展阶段 发展阶段 – 标志阶段
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论--萌芽阶段 经典控制理论 萌芽阶段
• 早在古代,劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和 对反馈概念的直观认识,发明了许多闪烁自动控制 自动控制智慧火 自动控制 花的杰作。 • 如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国 就有了自动控制技术的萌芽 萌芽。 萌芽
– 例如,两千年前我国发明的 指南车,就是一种开环 开环自动 指南车 开环 调节系统。
指南车
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论—起步阶段(1/4) 经典控制理论 起步阶段(1/4) 起步阶段
• 随着科学技术与工业生产的发展,到十七、十八世 十八世 纪,自动控制技术逐渐应用到现代工业中。 – 1681年法国物理学家、发明家巴本巴本(D. Papin)发明了用做安全调节装置的锅炉压力调 节器; – 1765年俄国人普尔佐诺夫(I. Polzunov)发明了 蒸汽锅炉水位调节器等；
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“现代控制理论”以状态空间法( state-space method ) 为基础，主要研究非线性、时变、多输入多输出自动控制 系统(nonlinear time-variant MIMO automatic control systems)的分析analysis和设计design问题。
自动控制原理
4
3 Liquid-Level Control
4 Aircraft Wing Control System
该系统设计成使飞机机翼边缘的倾角由飞行员手动控制操纵杆控制。系统工作如 下：当操纵杆推到一个新位置时，电位器P的位置的变化，在A、B两点间产生 电位差，这一电位差作用于电磁铁，液压伺服阀电机阀门的活塞移动。阀门的移 动使压力油进入动力缸并推动其活塞左、右移动，使飞机的机翼向下或向上。这 样，飞行员可以控制机翼的倾角。
5 Missile Direction Control System
6 Remote Robot Control
7 A three-axis control system for inspecting individual semiconductor wafers with a highly sensitive camera
采用高敏感度照相机检测半导体晶片的三轴控制系统
8 Boiler–generator control system
锅炉-发电机控制系统
9 Automobile steering control system
11 Laser Eye Surgery Control System
飞机示意图
给定电位器
Robust control system design widely studied. Introduction of the personal computer ( and control design software soon thereafter) brought the tools of design to the engineer’s desktop. Expert-oriented manufacturing companies emphasize automation. Feed-back control widely used in automobiles. Reliable, roust systems demanded in manufacturing. First ever autonomous rover vehicle, known as Sojourner, explores the Martian surface.
瓦特的离心调速器
1769
1800
1868 1913 1927 1932 1941 1952 1954 1957 1960 1970 1980
1983
1990 1994 1997 19982003
Table Selected Historical Developments of Control Systems
反馈电位器
给 θ0 定
装 置
飞机方块图
放 大
舵 机
器
扰动
飞
θc
机
反馈 电位器
垂直 陀螺仪
俯仰角控制系统方块图
1.2 自动控制的基本原理
Principles of Automatic Control
1.2.1 自动控制系统举例
(1) 温度控制系统
自动控制原理
22
1.2 自动控制的基本原理
(2)位置随动系统 Position Servo System
H.S. Black conceives of the negative feedback amplifier and H. W. Bode analyzes feedback amplifiers. H. Nyquist develops a method for analyzing the stability of systems. Creation of first antiaircraft gun with active control.
Numerical control (NC) developed at Massachusetts Institute of Technology for control of machine-tool axes.
George Devol develops "programmed article transfer." considered to be the first industrial robot design.
Advances in micro- and nanotechnology. First intelligent micromachines are developed and functioning nanomachines are created.
PRACTICAL CONTROL EXAMPLES
自动控制系统简要的历史回顾Historical Review
the regulator of Heron of Alexandria
调节器工作方式如下：火，作为系统的输入，加热祭坛底部的空气， 热（膨胀的）空气将水从中容器（罐1）推到桶（罐2）中。罐1的位 置是固定的，桶由缠绕在门轴上的绳索吊起来，W为配重，当桶为空 时，在配重W作用下，门关闭。当桶中有适量的水时，向下移动，而 配重W向上移动，门被自动打开。当火被熄灭时，水从桶中回流到罐 1，配重W向下移动，大门自动关闭。
“经典控制理论”以传递函数(transfer function)为数 学工具，研究对象主要是一类线性的单输入单输出自动控 制系统(linear SISO automatic control systems) 。
60年代初，第一颗人造卫星上天，太空飞船成功登月，催 生了“现代控制理论” (Modern Control Theory) 。
Watt’s centrifugal speed regulator
控制应用始于18世纪下半叶， 1769年詹姆斯瓦特James Watt 发明了第一台离心式调速器， 广泛用于机车控制。特别是， 用来控制蒸汽发动机的转速。 实现如下：随着蒸汽机角速度 的增大，离心力推动小球向上 ，蒸汽阀门关小。随着蒸汽阀 门关小，从锅炉进入引擎的蒸 汽减少，蒸汽机的角速度减小 。反之，随着蒸汽机角速度的 下降，小球向下，蒸汽阀门开 大，进入发动机的蒸汽量增加 ，角速度增加。通过这种方式 ，调节发动机转速。
Sputnik launches the space age leading, in time, to miniaturization of computers and advances in automatic control theory. First Unimate robot introduced, based on Devol's designs. Unimate installed in1961 for tending die-casting machines State-variable models and optimal control developed.
术进步做出了贡献。
1 Position Control System or Position Servomechanism
r(t) 希望位置
电位器1 e(t)
比较器
放大器
u(t) 发电机-电动 机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ统
电位器2
控制器
变速箱
实际位置 y(t)
2 Metal Sheet Thickness Control System
自动控制系统是由各部分元件构成的有机整体，自动地按照 预定规律完成某种任务。 当今的机器和设备，或全部或部分为自动化产品。如冰箱、 热水器、洗衣机、电梯、遥控电视，世界范围内的电话通讯系 统，互联网等。 工业生产也全部或部分自动化，如：食品、造纸、水泥、汽
车等行业。 控制应用的实例还包括其他领域：电厂、(核和化学)反应堆 、运输系统(汽车、飞机、船舶、直升机、潜水艇、等等)，机 器人(装配、焊接等)，武器系统(火控系统、导弹等)、电脑打 印机、磁盘驱动器、磁带等)，农业(温室、灌溉等)，以及许多 其他方面，如位置或速度、温度、电压、压力、液面、交通的 控制、办公自动化、计算机集成制造、建筑物的能源管理、楼 宇自动化等。 结论：自动控制已用于人类技术活动的所有领域，对现代技
James Watt's steam engine and governor developed. The Watt steam engine is often used to mark the beginning of the Industrial Revolution in Great Britain. During the industrial revolution, great strides were made in the development of mechanization.。technology preceding automation. Eli Whitney's concept of interchangeable parts manufacturing demonstrated in the production of muskets. Whitney's development is often considered as the beginning of mass production.
C. Maxwell formulates a mathematical model for a governor control of a steam engine.
Henry Ford's mechanized assembly machine introduced for automobile production.
自动控制原理
4
3 Liquid-Level Control
4 Aircraft Wing Control System
该系统设计成使飞机机翼边缘的倾角由飞行员手动控制操纵杆控制。系统工作如 下：当操纵杆推到一个新位置时，电位器P的位置的变化，在A、B两点间产生 电位差，这一电位差作用于电磁铁，液压伺服阀电机阀门的活塞移动。阀门的移 动使压力油进入动力缸并推动其活塞左、右移动，使飞机的机翼向下或向上。这 样，飞行员可以控制机翼的倾角。
5 Missile Direction Control System
6 Remote Robot Control
7 A three-axis control system for inspecting individual semiconductor wafers with a highly sensitive camera
采用高敏感度照相机检测半导体晶片的三轴控制系统
8 Boiler–generator control system
锅炉-发电机控制系统
9 Automobile steering control system
11 Laser Eye Surgery Control System
飞机示意图
给定电位器
Robust control system design widely studied. Introduction of the personal computer ( and control design software soon thereafter) brought the tools of design to the engineer’s desktop. Expert-oriented manufacturing companies emphasize automation. Feed-back control widely used in automobiles. Reliable, roust systems demanded in manufacturing. First ever autonomous rover vehicle, known as Sojourner, explores the Martian surface.
瓦特的离心调速器
1769
1800
1868 1913 1927 1932 1941 1952 1954 1957 1960 1970 1980
1983
1990 1994 1997 19982003
Table Selected Historical Developments of Control Systems
反馈电位器
给 θ0 定
装 置
飞机方块图
放 大
舵 机
器
扰动
飞
θc
机
反馈 电位器
垂直 陀螺仪
俯仰角控制系统方块图
1.2 自动控制的基本原理
Principles of Automatic Control
1.2.1 自动控制系统举例
(1) 温度控制系统
自动控制原理
22
1.2 自动控制的基本原理
(2)位置随动系统 Position Servo System
H.S. Black conceives of the negative feedback amplifier and H. W. Bode analyzes feedback amplifiers. H. Nyquist develops a method for analyzing the stability of systems. Creation of first antiaircraft gun with active control.
Numerical control (NC) developed at Massachusetts Institute of Technology for control of machine-tool axes.
George Devol develops "programmed article transfer." considered to be the first industrial robot design.
Advances in micro- and nanotechnology. First intelligent micromachines are developed and functioning nanomachines are created.
PRACTICAL CONTROL EXAMPLES
自动控制系统简要的历史回顾Historical Review
the regulator of Heron of Alexandria
调节器工作方式如下：火，作为系统的输入，加热祭坛底部的空气， 热（膨胀的）空气将水从中容器（罐1）推到桶（罐2）中。罐1的位 置是固定的，桶由缠绕在门轴上的绳索吊起来，W为配重，当桶为空 时，在配重W作用下，门关闭。当桶中有适量的水时，向下移动，而 配重W向上移动，门被自动打开。当火被熄灭时，水从桶中回流到罐 1，配重W向下移动，大门自动关闭。
“经典控制理论”以传递函数(transfer function)为数 学工具，研究对象主要是一类线性的单输入单输出自动控 制系统(linear SISO automatic control systems) 。
60年代初，第一颗人造卫星上天，太空飞船成功登月，催 生了“现代控制理论” (Modern Control Theory) 。
Watt’s centrifugal speed regulator
控制应用始于18世纪下半叶， 1769年詹姆斯瓦特James Watt 发明了第一台离心式调速器， 广泛用于机车控制。特别是， 用来控制蒸汽发动机的转速。 实现如下：随着蒸汽机角速度 的增大，离心力推动小球向上 ，蒸汽阀门关小。随着蒸汽阀 门关小，从锅炉进入引擎的蒸 汽减少，蒸汽机的角速度减小 。反之，随着蒸汽机角速度的 下降，小球向下，蒸汽阀门开 大，进入发动机的蒸汽量增加 ，角速度增加。通过这种方式 ，调节发动机转速。
Sputnik launches the space age leading, in time, to miniaturization of computers and advances in automatic control theory. First Unimate robot introduced, based on Devol's designs. Unimate installed in1961 for tending die-casting machines State-variable models and optimal control developed.
术进步做出了贡献。
1 Position Control System or Position Servomechanism
r(t) 希望位置
电位器1 e(t)
比较器
放大器
u(t) 发电机-电动 机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ统
电位器2
控制器
变速箱
实际位置 y(t)
2 Metal Sheet Thickness Control System
自动控制系统是由各部分元件构成的有机整体，自动地按照 预定规律完成某种任务。 当今的机器和设备，或全部或部分为自动化产品。如冰箱、 热水器、洗衣机、电梯、遥控电视，世界范围内的电话通讯系 统，互联网等。 工业生产也全部或部分自动化，如：食品、造纸、水泥、汽
车等行业。 控制应用的实例还包括其他领域：电厂、(核和化学)反应堆 、运输系统(汽车、飞机、船舶、直升机、潜水艇、等等)，机 器人(装配、焊接等)，武器系统(火控系统、导弹等)、电脑打 印机、磁盘驱动器、磁带等)，农业(温室、灌溉等)，以及许多 其他方面，如位置或速度、温度、电压、压力、液面、交通的 控制、办公自动化、计算机集成制造、建筑物的能源管理、楼 宇自动化等。 结论：自动控制已用于人类技术活动的所有领域，对现代技
James Watt's steam engine and governor developed. The Watt steam engine is often used to mark the beginning of the Industrial Revolution in Great Britain. During the industrial revolution, great strides were made in the development of mechanization.。technology preceding automation. Eli Whitney's concept of interchangeable parts manufacturing demonstrated in the production of muskets. Whitney's development is often considered as the beginning of mass production.
C. Maxwell formulates a mathematical model for a governor control of a steam engine.
Henry Ford's mechanized assembly machine introduced for automobile production.