第一章自动控制系统的基本概念

策得出的； 在自动控制系统中偏差则是通过反馈，由控制器 进行比较、计算产生的。
自动控制就是利用控制装置代替人去 自动地完成人要完成的事情
★分析控制系统的工作原理——分析人要做 这个事情的思路
★分析控制系统的结构——设计与组成系统
★分析控制系统的性能指标——是否能够完 成任务
自动控制理论
——研究和分析控制系统共性的理论
1-1 引言 1-2 自动控制的基本方式 1-3 自动控制系统的组成 1-4 自动控制系统的分类 1-5 对控制系统的基本要求 1-6 自动控制系统的发展简史
1-1 引言
一、自动控制的基本概念
自自现动动在代控控无科制制人学：系直技统接术参中受与的控下对，象利: 用机 生工航控器产业天制、过控器装程设制置等备操、 纵 信受号自控变动了对化控广象规制泛，律技 的使去术 应受变得 用控控化到制对。装象置的:被家控 测机控用制元器量电器件人按器、等给检定
1-2 自动控制的基本方式
自动控制系统从控制的基本方式看，可分 为开环控制、闭环控制和复合控制。
1．开环控制
控制装置与受控对象之间只 开环控制
有顺向作用而无反向联系.
例 转台速度开环控制系统
由系图统可组见成：： 转被台控电制机量速 度没有反馈到 输 信电入号大源端比装和与较置放给,为定开 环速控度制设系置统。
——将来我们做什么
工程技术人员（包括其他技术家）和科学 家的职责不同。
科学家的任务是如何认识，因而他可以选 择自己感兴趣的研究课题；
工程师的任务是如何实现，所以他必须解 决面临的实际问题。工程问题受到多方面因素 的制约，工程师必须在多种可能方案中做出选 择，谋求最可靠、最经济、最实用的解决方法。
（ 二）对工程技术人才的要求
三、复合控制 1。按输入信号补偿的补复偿合控量制
输入量
ug
补偿装置
控制器 方波信号 uf
C
干扰
执行机构 被控对象 微分 脉冲信号
输出量
no
检测装置
u 输补入偿量量
ug
n
输出量
n0
t
t
应用：提高系统跟踪输入信号的能力和精度
2。按干扰作用补偿的复合控制
输入量
补偿装置
干扰
控制器 执行机构 被控对象 输出量
• 本课程学习要求 学会分析、解决工程问题的基本思路和方法
五、选用教材
自动控制原理（第二版） 孙炳达 主编
机械工业出版社出版
该书基本概念清楚，数学推导严谨， 理论系统性强，例题具有代表性，图解 说明性强，习题丰富，文字简洁。
几点要求：
关于出勤 课堂纪律
关于作业 其它。。。
第一章 自动控制系统的基本概念
——合格人才是什么样的
一个工程师接受任务的时候总会问自己这样的问题：
会不会做——是否在科学技术上掌握了必须的知识和技 能，能够解决工程上的难题。
可不可以做——是否在政策法规和社会公德允许的条 件下的工程。 该不该做——是否拥有了良好的生态可行性和工程持 续性，并且能在人、才、物和时空约束条件下经济合 理地完成任务。 如何去做——拿出切实可行的解决方案。
第二章 线性连续系统的数学模型 学时数：８
第三章 控制系统的时域分析法 学时数：10
第四章 控制系统的根轨迹分析法 学时数：６
第五章 控制系统的频率特性分析法 学时数：1０
第六章 频率校正方法
学时数：3
第七章 非线性系统分析
学时数：3
总复习及小测验
学时数：４
四、课程的学习目的、方法与要求
★专业的培养目标 ★对高级工程技术人才的要求 ★如何学习才能成为人才 ★该课程的学习方法与要求
（四）该课程的学习方法与要求
——了解课程特点明确学习方法与要求
课程重要性
☆《自动控制原理》是工科的技术基础课，该 课程与其它课程的关系——承上启下的课程。
信号与系统
电路理论
复变函数 拉氏变换模拟电子技术
线性代数
电机与拖动
大学物理 自动控制理论
微积分
各类 专业课
现代控 线性系统 制理论
课程特点及性质
系统的给定值为一定值，而控制任务就是 克服扰动，使被控量保持恒值。
例如：电机速度 控制、恒温、恒 压、水位控制系 统等。
2.随动系统：
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。
如：火炮自动 跟踪系统、轮 舵位置控制系 统等。
3.程序控制系统： 系统的给定值按照一定的时间函数
▲传感器代替眼看测量出实 际水位高度并反馈到控制器
▲在控制器中将实际水位与 传 感 器 设定水位进行比较得出偏差 给 定 水 位 值，对偏差信号进行放大送
阀 门 到执行器
出 水 口 ▲执行器执行开关阀门动作
共同特点：通过检测被控量，得到与给定值的偏差，并去纠
正偏差，进而减小偏差。 在人工控制中偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决
☆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。研究控 制系统的共性问题。
——提供了研究思想与研究方法
实际 系统
物理 模型
数学 模型
方法（系统组成 分析、设计）
☆自动控制技术是应用非常广泛的技术
• 本课程学习方法 ☆打好基础——复习学过的基础课 ☆认真听课——掌握基本理论和基本方法 ☆做好习题——锻炼解决实际问题的能力
1.恒值控制系统
▲系统输入量为常值，要求被控量也等于常值。 ▲系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出 量保持为恒定的期望值 ▲工业产生中的温度、压力、流量、液面等参数的 控制电力系统的电网电压、频率控制等
2.程序控制系统
▲系统输入量按预定规律变化，系统的控制过程按 预定的程序进行。 ▲数控机床按预定程序自动地切削工件。
给系定统电组压成：
反直馈流电电压机
测e=速U发n-U电f 机
Un
于与电大反转给源装馈速定和置电电取放压压决
Uf
源自文库的差负值载。
调速系统结构图
un e
ud
n
_ 放大器 直流电动机
uf
测速机
闭由环电控网制电系压统波具动有，的负特载点变：化以及其他部 分的参数变化所引起的转速变化，都可以通 过系减统小的或自消动除调由整于加扰以动抑所制形。成的偏差值，
（一）专业的培养目标
——明确学习目的
电气工程及其自动化专业
培养具有创新意识和创新能力、综合素质 高、适应能力强的，能够从事与电气工程有 关的系统运行、自动控制、电力电子技术、 信息处理、试验分析、研制开发、经济管理 以及电子与计算机技术应用等领域工作的宽 口径“复合型”高级工程技术人才。
工程技术人员的任务
ug输入量 uf
控制器
闭环控制特点：
干扰
执行机构
n
被控对象
输出量
no
检测装置
★通过检测装置构成的反馈通道将输出量送回输入端，与给定信号进
★系统具有抗干扰能力，能实现高精度控制
★因系统按偏差调节，有时间延迟，输出量的偏离不能立即得到修正
应用：对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭 环控制方式。
变化，并要求被控量随之变化。
例如：
数控伺服 系统
自动化生产线：
二、连续控制系统和离散控制系统
▲控制系统中各部分的信号若都是时间 t 的连续函数， 则称这类系统为连续控制系统。
▲在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间 t 的离 散信号，则称这种系统为离散控制系统。
脉冲和数码都属于离散信号。
计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。
具有较高n↓的→控U制f↓精→度e和↑ 较→强U的d↑抗→扰n能↑ 力。
输入量
控制器
执行机构
干扰 输出量
被控对象
开环控制特点：
★系统的输出与输入之间没有反馈通道，输出量没有与输 ★系统没有抗干扰能力 ★结构简单，所用的元器件少、成本低
应用：多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。 如：自动化流水线、自动洗衣机
二、课程体系设置
（一）结构体系：理清“三纵三横”。
这里讲的“三纵”：指系统在三域（时域、 复域、频域）中的数学模型；“三横”： 指系统特性（稳定性、稳态特性、动态特 性）的三分析。
1、“三纵”：
结合系统的数学模型，讲清工程上实际求 解与数学上理论计算之间的内在联系与区 别。具体地说，就是要搞清楚几种数学模 型之间的相互关系。
例 转台速度闭环控制系统
测速发电 机是一种传 感器
测出电动 机的速度与 给定信号比 较产生偏差 电压.
实现对速度的闭环控制。
转台速度闭环控制系统结构图
预期速度 偏差 _ 放大器 反馈量
直流电动机 测速机
实际转速
转台
当实际速度受扰动的影响发生变化时， 通过系统的调节，从而消除扰动对速度的 影响。
例 转速负反馈直流电动机调速系统
检测装置
检测出干扰量，通过补偿装置对输入信号 进行补偿以抵消干扰对系统输出量的影响
应用：增强系统的抗干扰能力
1-3顺自着动从控输入制到系输统出的的组信成号传递方向走
出的通道称为前向通道
干扰
给定 环节
串联校正 装置
放大环节
执行机构
输出量 被控对象
反馈
测设出应改的串输量希的定输进偏差统将串善联入环值被望输与入行差信期系改 法联系在端节之控将值入系信与比号望统善调统系，，校连间参局相统指输较描值号的局整正性统又接因将号之机典的数称部对令输出，述与，将入实部局能的称输为进达微构型误的反输之 产 了 实该（输际环 部入行 到小 的闭差传称馈出间 生 系 际偏局出输节 信称与控的 能放环感校为送部（出性 号为系制偏 量大检系器正局回输局反测能 达主统执，差 要校统反与部（到装入部馈正的 到反输行信 求执 驱使结馈测置或反局装）输到装校馈出行动构通量置并馈部动的出输置正通的控被框道电通联输力通）入，的道反控制图路校道入设道送端用目馈被 或 需 的 被要 自 的对任，正的备被回反的通控过参控要求动过设象务它）通称到馈，道设程数参控实控程备的，道为输的所被备中即数制现制或被方以
自动控制原理
讲授 程曼
河北农业大学 机电工程学院
一、课程简介
自动控制原理是电气类专业的一门重 要的专业技术基础课。该课程主要讲授 经典控制理论的三大分析方法（时域分 析法，根轨迹分析法和频域分析法）、 自动控制系统综合与校正的一般方法和 非线性系统等内容。
通过对本课程的学习，要求学生系 统地掌握自动控制的基本原理和基本方 法，并能对控制系统进行定性分析、定 量计算和综合设计。
1-4 自动控制系统的分类
可以从不同角度对控制系统进行分类：
●按系统结构分，开环 / 闭环控制系统 ●按输入量形式分，恒值 / 随动控制系统 ●按信号传递形式分，连续 / 离散控制系统 ●按系统是否满足叠加性分，线性 / 非线性控 制系统 ●按系统执行装置分，机电 / 液压 / 气压控制 系统等
一.按输入量的特征
自自自动动动控控制制原给的理定特值的征主：要任务：
被控量
控制分通析过和对设各计类自机控动器制器控、制各系种受统物控对的理象性参能量。、工
自业动示生图控下意产制面过系通程统过等的一的基些控本实制概例直念来接检说造测明福元自于件 动社控会制。和
例：人工控制与自动控制：水箱水位控制问题
人工控制
人工控制过程归纳：
计算机只能接受和处理数字信号，计算机的输出 经D/A转换加给放大器，然后再去驱动执行元件， 或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后 驱动数字式执行元件。
石油化学工业中的反应塔。
3.伺服系统又称随动系统
▲系统输入量随时间任意变化。系统输出量常是 机械位移、速度、加速度、力、力矩等机械量。 ▲系统的基本任务是使系统输出量能快速、准确 地跟随输入量变化。 ▲机械加工中的仿形机床。
武器装备中的火炮自动瞄准系统、雷达跟踪 系统、导弹目标自动跟踪系统
1.恒值控制系统：
手
阀门
大脑
▲用眼观察水位，目测出实 际水位高度并反馈到大脑中
（测量过程）
进水口
水 箱
眼 ▲在脑中与要求水位进行比 给 定 水 位 较，得出偏差大小，决定手
阀 门 的操作动作（决策过程）
出 水 口 ▲手执行大脑决定的动作， 打开或关闭阀门（执行过程）
自动控制
控制器
执行机构
阀门
进水口
水 箱
自动控制过程归纳：
2、“三横”：
掌握系统分析的三要素：稳定性、静 态特性和动态特性。
性能指标是衡量一个系统好坏的重要标 志，也是对系统进行校正的主要依据， 抓住这条线，就是抓住了系统分析改造 的关键，有利于学生建立一个“横向” 的思路。
（二）内容体系 ：
三、课程内容（共48学时）
第一章 自动控制系统的基本概念 学时数: 4
这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器 等现代装置中广泛应用.
转台速度开环控制系统结构图:
预期速度
放大器
直流电动机
实际转速
转台
开2．环闭闭控环环制控的控制特制:点：
系控统制结装构置和与控受制控过对程象均之很间简，单不，但但抗 扰能有力顺差向，作控用制，精而度且不还高有，反故向一联般系只. 能用 于闭对环控控制制性又能称要为求反较馈低控的制场或合偏。差控制。