第一章_控制系统导论
控制系统导论-PPT
经典控制理论与现代控制理论比较:
• 经典控制理论
研究对象:单输入、单输出系统 数学模型与工具:微分方程→传递函数 研究内容:确定模型,系统分析,系统设计
• 现代控制理论
研究对象:多输入、多输出系统 数学模型与工具:状态方程→传递矩阵 研究内容:最优控制,系统辨识,自适应类
线1、性线系性统系—统可与用非线线性性微系分统方程或差分方程描述。
2、定线常性系系统统与重时要变系特统性—叠加性,均匀性 非定时非线常 变方线线性系 系程性性系统 统或系系:;统差统统参 参分—特中数 数方y描点各不就程述元随是—。系件时时统特间间得系性变t 运数均化得动为函随方直数变程线量为，大非y如小线性而微变分化
r 电位计式桥路 us
给定值
〉 ua 电动机构 工作机械
（执行、对象）
被控量 c
(三)液位自动控制系统
液位控制系统
控制器
Q1
浮子
c
用水开关
Q2
电位器
减速器
电动机
SM
if
§1-3 自动控制系统中得常用术语
扰动
比较环节
n
参考输入
偏差 控制环节 控制量 被控对象
e
Gc
u
G0
输出 c
主反馈 b
反馈环节 H
一、自动控制系统组成
热力系统自动控制流程图
人工控制
自动控制系统方框图
系统组成:
• 被控对象 • 测量元件 • 控制装置 • 执行机构
二 、控制得基本方式 1、开环控制
开环控制之一:按给定值操作
给定值 计算
执行
干扰 被控量
被控对象
• 信号由给定值至被控量单向传递; • 抗干扰能力差,不能保证控制精度。
自动控制原理简明教材胡寿松
自动控制原理简明教材胡寿松图书目录前言第一章控制系统导论1-1 自动控制的基本原理1-2 自动控制系统示例1-3 自动控制系统的分类1-4 自动控制系统的基本要求习题第二章控制系统的数学模型2-1 傅里叶变换与拉普拉斯变换2-2 控制系统的时域数学模型2-3 控制系统的复数域数学模型2-4 控制系统的结构图与信号流图2-5 数学模型的实验测定法习题第三章线性系统的时域分析法3-1 系统的时域性能指标3-2 一阶系统的时域分析3-3 二阶系统的时域分析3-4 高阶系统的时域分析3-5 线性系统的稳定性分析3-6 线性系统的稳态误差计算习题第四章线性系统的根轨迹法4-1 根轨迹法的基本概念4-2 常规根轨迹的绘制法则4-3 广义根轨迹4-4 系统性能的分析习题第五章线性系统的频域分析法5-1 频率特性5-2 典型环节与开环系统频率特性5-3 频域稳定判据5-4 频域稳定裕度5-5 闭环系统的频域性能指标习题第六章线性系统的校正方法6-1 系统的设计与校正问题6-2 常用校正装置及其特性6-3 串联校正6-4 反馈校正习题第七章线性离散系统的分析7-1 离散系统的基本概念7-2 信号的采样与保持7-3 ｚ变换理论7-4 离散系统的数学模型7-5 离散系统的稳定性与稳态误差7-6 离散系统的动态性能分析习题第八章非线性控制系统分析8-1 非线性控制系统概述8-2 常见非线性特性及其对系统运动的影响8-3 描述函数法习题。
自动控制原理_胡寿松_第五版_第一章_绪论(简)改ppt
掌握系统的基本分析方法
为设计自动控制系统打下一定的基础 为进一步的学习和研究控制理论创造条件
教学方式：讲授 学时：48 H 考核方式： 笔试70％ 平时30％：作业（20％），课堂（10％） 教材： 胡寿松主编，《自动控制原理基础教程》第三版，科学 出版社 参考书： 李友善主编，《自动控制原理》，国防科技出版社 高国燊主编，《自动控制原理》，华南理工大学出版社 文锋主编，《自动控制理论》，中国电力出版社 目标：学到真本事，考个好成绩！ 要求：认真听课，不能无故旷课、迟到；独立完成作业，能够提 出问题，讨论问题。 即：严肃认真，生动活泼！
前苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着 陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号 把宇航员N. A. Armstrong 送上月球。
第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)。
旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索。
控制论是一门多学科性的技术科学。在理论研究中，广 泛的使用了各种数学工具：微积分，概率论，复变函数，泛 函，变分法，拓扑学等，实际上是数学的一个分支。
信号与系统（含 拉氏变换，傅氏 变换、z变换
复变函数
电路理论
模拟电子技术
电机与拖动
自动控制理论
线性代数 微积分（含微分方程）
大学物理（力学、热力学）
我们讨论的自控原理，仅仅是控制论的一个小部分，只讨论 了控制系统分析和设计的最一般的理论。属于经典控制部分。
Chapter 1: 主要介绍自动控制的基本概念，控制系统的常用术语及方框图表示； 主要内容： 1.自动控制、自动控制系统的概念 2.自动控制系统的基本方式 3.自动控制系统的类型 4.自动控制系统的要求和分析设计 chapter 2: 如何建立系统的数学模型（定量分析的基础），着重讨论对传递 函数的分析和基于方框图、梅逊公式的数学模型的简化方法；
飞行器自动控制导论_第一章飞行控制系统概述
第一章飞行控制系统概述1.1飞行器自动控制1.1.1飞行控制系统的功能随着飞行任务的不断复杂化，对飞机性能的要求越来越高，不仅要求飞行距离远（例如运输机），高度高（高空侦察机），而且还要求飞机有良好的机动性（例如战斗机）。
为了减轻驾驶员在长途飞行中的疲劳，或使驾驶员集中精力战斗，希望用自动控制系统代替驾驶员控制飞行，并能改善飞机的飞行性能。
这种系统就是现代飞机上安装的飞行自动控制系统。
飞行控制系统的功能归结起来有两点：1）实现飞机的自动飞行；2）改善飞机的飞行性能。
飞机的自动飞行控制系统在无人参与的情况下，自动操纵飞机按规定的姿态和航迹飞行，通常可实现对飞机的三轴姿态角和飞机三个方向的空间位置的自动控制与稳定。
例如，无人驾驶飞行器（如无人机或导弹等），实现完全的飞行自动控制；对于有人驾驶的飞机（如民用客机或军用飞机），虽然有人参与驾驶，但某些飞行阶段（如巡航段），驾驶员可以不直接参与操纵，而由飞行控制系统实现对飞机飞行的自动控制，但驾驶员应完成对自动飞行指令的设置和监督自动飞行的情况，并可以随时切断自动控制而实现人工驾驶。
采用自动飞行具有以下优点：1）长距离飞行时解除驾驶员的疲劳，减轻驾驶员的工作负担；2）在一些恶劣天气或复杂的环境下，驾驶员难于精确控制飞机的姿态和航迹，自动飞行控制系统可以精确对飞机姿态和航迹的精确控制；3）有一些飞行操纵任务，驾驶员难于精确完成，如进场着陆，采用自动飞行控制则可以较好地完成任务。
一般来说，飞机的性能和飞行品质是由飞机本身气动特性和发动机特性决定的，但随着飞机飞行高度及飞行速度的增加，飞机的自身特性将会变坏。
如飞机在高空飞行时，由于空气稀薄，飞机的阻尼特性变坏，致使飞机角运动产生严重的摆动，靠驾驶员人工操纵将会很困难。
此外，设计飞机时，为了减小质量和阻力，提高有用升力，将飞机设计成静不稳定的。
对于这种静不稳定的飞机，驾驶员是难于操纵的。
在飞机上采用增稳系统或阻尼系统可以很好地解决这些问题。
自动控制原理教学大纲
《自动控制原理》课程教学大纲一、课程的地位、目的和任务本课程地位:自动控制原理是机械设计制造及其自动化专业的专业方向课。
自动控制技术是现代化技术中重要的一个方面，本课程主要讲述现代自动控制技术的基本原理与结构模型，自动控制系统的分析方法与设计方法，使学生具备自动化控制的基础理论知识以及实践能力。
本课程目的：通过本课程的学习,要求学生理解自动控制的基本概念，掌握简单系统的建模方法，掌握对线性定常系统的稳定性、快速性和准确性的基本分析方法以及设计和校正方法，能熟练使用根轨迹法和频率特性法分析与设计控制系统和控制器，对非线性系统也能进行初步的分析.本课程任务:1.掌握自动控制的基本概念、原理，学会对实际物理系统进行数学抽象，并用已学过的数学工具进行系统分析和综合，能灵活应用各种理论知识来解决实际问题的综合设计能力。
2.不仅为后续课程的学习奠定基础，而且直接为解决实际控制系统问题提供理论和方法，养成将来在工程实际中经常进行理性思维的习惯.3。
培养学生在掌握课程知识、概念、原理方法基础上，独立思考、独立解决问题、实验与仿真实现的能力。
二、本课程与其它课程的联系本课程的先修课是高等数学（上、下)、大学物理、电工电子技术（Ⅰ、Ⅱ)。
这些课程的学习，为本课程学习奠定数学基础和分析系统建立数学模型提供必要的电学知识。
本课程学习为后续课程的学习提供所应用的系统分析、设计的基本理论和基本方法，掌握必要的基本技能,为进一步深造打下必要的理论基础.三、教学内容及要求第一章控制系统导论教学要求：通过本章教学，使学生理解自动控制的定义、组成、基本控制方式及特点,对控制系统性能的基本要求，自动控制系统的分类，自动控制系统实例有一定掌握。
使学生对反馈控制的基本理论和方法有一全面、整体的了解。
重点:自动控制的定义、组成、基本控制方式、特点及基本要求难点：自动控制系统实例的分析教学内容：第一节自动控制的基本原理（一）自动控制技术及其应用(二)自动控制理论（三）反馈控制原理（四)反馈控制系统的基本组成(五）自动控制系统基本控制方式第二节自动控制系统示例（一)函数记录仪（二)电阻炉微型计算机温度控制系统（三)锅炉液位控制系统第三节自动控制系统的分类（一）线性连续控制系统（二）线性定常离散控制系统（三)非线性控制系统第四节自动控制系统的基本要求（一）基本要求的提法(二）典型的外作用第二章控制系统的数学模型教学要求:通过本章教学，要求学生掌握拉普拉斯变换的概念、定理及拉普拉斯反变换的数学方法；了解数学模型的概念、表达方式，建模的方法；掌握微分方程的建立、典型元部件及其传递函数、结构图及化简、信号流图和梅森公式，控制系统传递函数的表示方法，学会对一般的机电系统等进行机理建模。
控制系统导论.答案
自动控制系统的基本控制方式
反馈控制（闭环控制） 开环控制 复合控制
1. 反馈控制——闭环控制
➢反馈控制又称为闭环控制，是最基本、也是应 用最广泛的一种控制方式。
➢反馈控制是指：在系统输出端与输入端之间， 不但有顺向作用，而且还有反馈回路，或者说输 出量直接或间接地参与了控制作用。
➢另一方面，对于一些复杂系统，难于建立数学 模型，难于用常规控制理论定量计算分析，必须 采用定量、定性相结合的控制方式，于是提出了 智能控制理论——模拟人的控制技术，虽然不能 实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比 较满意的控制。
课程学习要面临
• 数学基础宽而深 • 控制原理抽象 • 计算复杂且繁琐 • 绘图困难
少或消除扰动对被调量的影响，使它按一定的 规律变化。
控制器：指对被控对象起控制作用的控 制装置的总体。
自动控制系统：指控制装置和被控对象 的总称。
自动控制系统的原理方框图
自动控制装置 广义对象
偏差
控制作用
扰动输入 控制量
给定输入
控制器
比较环节 测量值
执行机构 测量装置
控制 对象
被控量 输出量
➢所谓反馈是指：通过测量装置将系统的输出信号 反馈到系统的输入端。
➢原理框图如图所示。
给定 输入
Байду номын сангаас偏差
控制器
扰动输入
输出量 被控对象
前/正向通道
反/负向通道
检测装置
➢反馈控制是根据负反馈原理，按偏差量进 行控制的。
负反馈原理：
是指将系统的输出反馈到系统的输入端，与 给定值进行比较产生一个偏差信号，并根据输入 量与输出量的偏差信号进行控制。
自控原理 第五节
式中，c(t)是被控量；r(t)是系统输入量。系数是常数时称为定常系统； 系数随时间变化时称为时变系统。 线性定常连续系统又可分为：
(1). 恒值控制系统，这类控制系统的参据量是一个常值，要求被控 量亦等于一个常值，故又称为调节器。
(2). 随动系统，这类控制系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函
1.2 自动控制系统示例
3. 锅炉液位控制系统
锅炉是电厂和化工厂里常见的生产蒸汽的设备，常见 的锅炉液位控制系统示意图如图1-11所示。 当蒸汽的耗汽量与锅炉进水量相等时，液位保持为正 常值。当锅炉的给水量不变，而蒸汽负荷突然增加或减少 时，液位就会下降或上升；或者其它原因引起锅炉液位发 生变化，实际液位高度与正常给定液位之间出现了偏差， 调节器均应立即进行控制，去开大或关小给水阀门，使液 位恢复到给定值。 图1-12 是锅炉液位控制系统方框图
1.1 自动控制的基本原理
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。它 的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于 工业控制。 第二次世界大战期间，为了设计和制造基于反馈原理的 军用装备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战 后已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基 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。
u0 比较电路 ﹘﹘ ut ∆u 放大器 uk 触发器 测速发电机 晶闸管 ua 电动机 n
图1-4 龙门刨床速度控制系统方框图
1.1 自动控制的基本原理
4. 反馈控制系统的基本组成
反馈控制系统是由各种不同的元部件组成的，从完成 “自动控制”这一职能来看，一个系统必然包含被控对象 和控制装置两大部分，而控制装置是由具有一定职能的各 种基本元件组成的。组成系统的元部件按职能分类主要有 以下几种：
控制系统类的课程设计
控制系统类的课程设计一、教学目标本课程的教学目标是让学生掌握控制系统的基本概念、原理和方法，培养学生分析和解决控制系统问题的能力。
具体来说，知识目标包括：掌握控制系统的数学模型、稳定性分析、控制器设计等基本理论；技能目标包括：能够运用MATLAB等软件进行控制系统分析和仿真；情感态度价值观目标包括：培养学生对控制工程的兴趣，提高学生的问题意识和创新精神。
二、教学内容根据课程目标，教学内容主要包括控制系统的基本概念、数学模型、稳定性分析、控制器设计等。
具体安排如下：1.第一章：控制系统导论，介绍控制系统的基本概念、发展历程和应用领域。
2.第二章：控制系统的数学模型，学习状态空间表示、系统性质和状态反馈。
3.第三章：稳定性分析，掌握李雅普诺夫方法、劳斯-赫尔维茨准则等。
4.第四章：控制器设计，学习PID控制、状态反馈控制和观测器设计。
5.第五章：控制系统仿真，利用MATLAB进行控制系统分析和仿真。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本课程采用多种教学方法，包括讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。
1.讲授法：用于传授基本理论和概念，引导学生掌握控制系统的基本知识。
2.讨论法：学生针对实际案例进行讨论，培养学生的分析问题和解决问题的能力。
3.案例分析法：分析控制系统在实际工程中的应用，帮助学生了解控制系统的应用价值。
4.实验法：利用MATLAB进行控制系统分析和仿真，提高学生的动手能力和实践能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，本课程准备以下教学资源：1.教材：《控制系统导论》、《控制工程基础》等。
2.参考书：《现代控制系统》、《控制理论及其应用》等。
3.多媒体资料：制作课件、教学视频等，以便于学生复习和自学。
4.实验设备：计算机、MATLAB软件、控制系统实验板等，用于实验教学和仿真练习。
五、教学评估本课程的评估方式包括平时表现、作业、考试等。
平时表现主要评估学生的课堂参与度、提问和讨论等，占总成绩的20%；作业主要包括练习题和小论文，占总成绩的30%；考试分为期中考试和期末考试，各占总成绩的30%。
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第一章
控制系统导论
本章提纲
1.1自动控制的基本原理
1.2 自动控制系统的分类 1.3 对控制系统的基本要求 1.4自动控制的发展简史
本章小结
本章提要
本章提要：本章将讨论自动控制的基本概念，自动控制系统的分类，对控制系统的基本要求，自动控制的历史等问题。
1.1自动控制的基本原理
⏹自动控制作为一种技术手段已经广泛地应用于
工业、农业、国防乃至日常生活和社会科学许多领域。
⏹所谓自动控制就是指在脱离人的直接干预，利
用控制装置（简称控制器）使被控对象（如设备生产过程等）的工作状态或简称被控量（如温度、压力、流量、速度、pH值等）按照预定的规律运行。
实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体称为自动控制系统。
从物理角度上来看，自动控制理论研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况；从数学角度上来看，研究的是输入与输出之间的映射关系；从信息处理的角度来看，研究的是信息的获取、处理、变换、输出等问题。
随着科学技术的进步，自动控制的概念也在扩大，政治、经济、社会等各个领域也越来越多地被认为与自动控制有关。
现在已发展成为一门独立的学科——控制论。
其中包括：工程控制论、生物控制论和经济控制论。
1.1．1 一个实例
直流电动机速度自动控制的原理结构图如图1-1所示。
图中，电位器电压为输入信号。
测速发电机是电动机转速的测量元件，又称为变送元件（变送器）。
图1-1中，代表电动机转速变化的测速发电机电压送到输入端与电位器电压进行比较，两者的差值（又称偏差信号）控制功率放大器（控制器），控制器的输出控制电动机的转速，这就形成了电动机转速自动控制系统。
功率
放大器
＋U
电动机
测
速
发
电
机
电位
器 ＋ ＋图
1-1 直流电动机速度自动控制的原理结构图
当电源变化、负载变化等引起转速变化，称为扰动。
电动机被称为被控对象，转速称为被控量，当电动机受到扰动后，转速（被控量）发生变化，经测量元件（测速发电机）将转速信号（又称为反馈信号）反馈到控制器（功率放大器），使控制器的输出（称为控制量）发生相应的变化，从而可以自动地保持转速不变或使偏差保持在允许的范围内。
1.1.2 控制系统方框图
自动控制系统至少包括测量、变送元件、控制器等组成的自动控制装置和被控对象，它的组成方框图如图1-2所示。
图1-2 自动控制系统的组成框图
1.2 自动控制系统的分类
下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法。
1．2．1 按信号的传递路径来分
1．2．2 按系统输入信号的变化规律不同来分 1．2．3 按系统传输信号的性质来分
1．2．4 按描述系统的数学模型不同来分
1.2.5 其它分类方法。