第一章自动控制系统概念
第一章 自动控制系统概述
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11
举例说明开环控制与闭环控制
图1-2是直流电动机转速开环控制示意图。
V+ 电动机 负载
电 位 器
功率
放大器
图1-2 直流电动机转速开环控制
电动机的转速可由调节电位器来给定。但当电动机 受到负载变化影响时，电动机的转速是要发生变化的。 开环控制系统不能做到自动调节，控制的精度是比 较低的。
自动控制系统的基本结构如图1-4所示。
输入量 r
+ -
偏差
控制器Gc
控制量 u
扰动量 n
受控对象Go
输出量 c
反馈量b
反馈环节H
图1-4 自动控制系统的基本结构
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1. 控制系统的一些常用术语
受控对象
是指被控制的装置或者设备(如电动机、车床等)，有 时也指受控的物理量。
受控过程
受控物理量的变化过程称为受控过程。例如化学反应 过程、水泥窑炉的生产过程等。
在此，对于系统的性能要求可以简要概括为: 响应动作要快 动态过程平稳 跟踪值要准确 上述三条自动控制系统的基本要求如图1-8所示。
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c(t) 给定值 响应缓慢 响应快速 t
c(t) 变化剧烈
c(t)
跟踪误差
响应平稳
t
t
(a)响应快速性
(b)动态平稳性
(c)跟踪准确性
图1-8 控制系统的基本要求
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3
自动控制理论的发展与应用
可以改善劳动条件，把人类从繁重的劳动中解放出来； 由于自动控制系统能以某种最佳方式运行，可以提高劳
动生产率，提高产品质量，节约能源，降低成本。
自动控制原理概述
自自自动动动控控制制原给得理定特值得征主: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得理象性参能量。、工
自业动示生图控下意产制面过系通程统过等得一得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
第一节 自动控制与自动控制系统
例 水温人工控制系统 系工统作得过构程成: : 受控手蒸对动汽象调通:水箱 节被过阀控热门制传得导量开器:水温 度件,把从热而阀量调门传节 蒸递热汽给传得水导流,水器量得件, 来温控度显制与示水蒸仪得汽表 温得蒸度流汽、量成排正水 比冷、水但人工热难水以实现稳定得高质量控制、
第二节 自动控制系统得分类
三、连续系统和离散系统
连续系统:
系统中各部分得信号都就是时间得连 续函数即模拟量。
离散系统: 系统中有一处或多处信号为时间得离 散函数,如脉冲或数码信号。 若系统中既有模拟量也有离散信号, 则又可称之为采样系统。
第二节 自动控制系统得分类
四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统
前馈补偿控制
前馈通道
主通道
给定值 _ 控制器
被控 制量
受控对象
检测元件
反馈控制
第一节 自动控制与自动控制系统
(b) 按扰动前馈补偿得复合控制
前馈补偿控制
扰动
主通道
前馈通道
被控
制量
给定值 _ 控制器
受控对象
检测元件
反馈控制
第一章 概 述
第二节 自动控制系统得分类
自动控制系统得分类方法较多,常见 得有以下几种
自动控制原理概述
第一章 概述
第一节 自动控制与自动控制系统
一、自动控制得基本概念 二、控制系统得基本构成
自动控制系统概述
自动控制原理：经典控制理论，即研究反馈控制。 自动化 自动控制（视频资料） 在没有人参与的情况下，通过控制器或控制装置来控制机器或者设备等物理装置，使
得机器设备的受控物理量按照希望的规律变化，达到控制目的。 是研究控制系统的一般规律，不是讲具体的控制对象、系统、元件。 对象：如炼钢、化工反应，航空航天，机械汽车加工。 系统：运动过程，力学、电学、光学、生物等 元件：控制器、执行（电机），传感器
2021/3/27
2
CHENLI
第一章 自动控制系统概述
自动化的发展过程回顾： ①设备自动化 本世纪50年代开始发展起来，由最初的机器、设备的控制问题，引出了机床、轧钢机等设备 的自动化。主要特点：自动调节系统的出现及其大量应用。 ②生产过程自动化 生产过程自动化需要考虑生产过程的协调、优化、计划与调度等问题。它是生产车间级的自动 化。 离散型生产过程的自动化 机械制造自动化，电子制造自动化，…… 连续型生产过程的自动化 化工自动化，冶金自动化，…… ③工厂自动化 工厂是由若干个生产车间组成的、能够完成一定的产品生产任务的实体，工厂自动化实现了产 品加工生产的自动化，工厂自动化=生产过程自动化+管理自动化。 ④企业自动化 企业自动化包括企业的生产加工、企业管理、产品（设计/开发）、市场、销售、计划等方面 的综合自动化，企业自动化的支撑技术包括：制造资源管理MRP-II，企业资源计划ERP，计 算机辅助设计/制造CAD/CAM，计算机集成制造CIM，并行工程CE，产品数据管理PDM，… 计算机集成制造CIM将制造视为一个信息处理、信息转换的过程，将制造过程视为一个集成的 过程，多种计算机技术与工具的综合应用。
自控原理第1、第2章
第一章自动控制系统概念【教学目的】1了解自动控制系统的工作原理、分类和特点。
2．掌握负反馈在自动控制系统中的作用。
3．掌握自动控制系统的组成和各部分的作用。
4．根据工作原理图，确定控制系统的被控对象、控制量和被控制量正确画出系统的方框图。
5．了解对控制系统的要求。
【教学重点】1 闭环系统（或反馈系统）的特征：采用负反馈，系统的被控变量对控制作用有直接影响，即被控变量对自己有控制作用。
2 典型闭环系统的功能框图。
【教学难点】由系统的物理结构图或工作原理示意图绘出系统元件框图。
【教学方法及手段】通过课堂授课讲解几个典型例题使学生对概念能够理解，建立负反馈概念，并举一些生活例子来说明。
【课外作业】系统分析例题，完成课后习题1-1，1-4。
【学时分配】2课时。
【教学内容】第一节一些重要的概念与名词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或过程按照预定的规律运行。
自动控制系统由控制器和被控对象组成，能够实现自动控制任务的系统。
被控制量在控制系统中．按规定的任务需要加以控制的物理量。
控制量作为被控制量的控制指令而加给系统的输入星．也称控制输入。
扰动量干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入或干扰掐入。
反馈通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。
反送到输入端的信号称为反馈信号。
负反馈反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。
负反馈控制原理检测偏差用以消除偏差。
将系统的输出信号引回插入端，与输入信号相减，形成偏差信号。
然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。
开环控制系统系统的输入和输出之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。
开环控制又分为无扰动补偿和有扰动补偿两种。
(l)无扰动补偿开环控制原理方框图如图1．1(a)所示。
信号由控制信号到被控制信号单向传递，对扰动引起的误差无补偿作用。
这种方式结构简单，适用于结构参数稳定、扰动信号较弱的场合。
自动控制理论
⾃动控制理论第⼀章⾃动控制系统概述1、组成⾃动控制系统的基本元件或装置有哪些？各环节的作⽤？控制系统是由控制对象和控制装置组成，控制装置包括：(1) 给定环节给出与期望的输出相对应的系统输⼊量。
(2) 测量变送环节⽤来检测被控量的实际值，测量变送环节⼀般也称为反馈环节。
(3) ⽐较环节其作⽤是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给出的输⼊值进⾏⽐较，求出它们之间的偏差。
(4) 放⼤变换环节将⽐较微弱的偏差信号加以放⼤，以⾜够的功率来推动执⾏机构或被控对象。
(5) 执⾏环节直接推动被控对象，使其被控量发⽣变化。
常见的执⾏元件有阀门，伺服电动机等。
2、什么是被控对象、被控量、控制量、给定量、⼲扰量？举例说明。
被控对象指需要给以控制的机器、设备或⽣产过程。
被控量指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量，被控量⼜称输出量、输出信号。
控制量也称操纵量，是⼀种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值。
给定值是作⽤于⾃动控制系统的输⼊端并作为控制依据的物理量。
给定值⼜称输⼊信号、输⼊指令、参考输⼊。
除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是⼲扰，⼲扰⼜称扰动。
⽐如⼀个⽔箱液位控制系统，其控制对象为⽔箱，被控量为⽔箱的⽔位，给定量是⽔箱的期望⽔位。
3、⾃动控制系统的控制⽅式有哪些？⾃动控制系统的控制⽅式有开环控制、闭环控制与复合控制。
4、什么是闭环控制、复合控制？与开环控制有什么不同？若系统的输出量不返送到系统的输⼊端（只有输⼊到输出的前向通道），则称这类系统为开环控制系统。
在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作⽤，若能取⾃被控量的反馈信息（有输出到输⼊的反馈通道），即根据实际输出来修正控制作⽤，实现对被控对象进⾏控制的任务，这种控制原理被称为反馈控制原理。
复合控制是闭环控制和开环控制相结合的⼀种⽅式，既有前馈通道，⼜有反馈通道。
5、⾃动控制系统的分类（按元件特性分、按输⼊信号的变化规律、按系统传输信号的性质）？按系统输⼊信号的时间特性进⾏分类，可分为恒值控制系统和随动系统。
《自动控制原理》复习提纲
《自动控制原理》复习提纲自动控制原理复习提纲第一章：自动控制系统基础1.1自动控制的基本概念1.2自动控制系统的组成1.3自动控制系统的性能指标1.4自动控制系统的数学建模第二章：系统传递函数与频率响应2.1一阶惯性系统传递函数及特性2.2二阶惯性系统传递函数及特性2.3高阶惯性系统传递函数及特性2.4惯性环节与纯时延环节的传递函数2.5开环传递函数与闭环传递函数2.6频率响应曲线及其特性第三章：传递函数的绘制和分析3.1 Bode图的绘制3.2 Bode图的分析方法3.3 Nyquist图的绘制和分析3.4极坐标图的应用3.5稳定性分析方法第四章：闭环控制系统及稳定性分析4.1闭环控制系统4.2稳定性的概念和判据4.3 Nyquist稳定性判据4.4 Bode稳定性判据4.5系统的稳态误差分析第五章：比例、积分和微分控制器5.1比例控制器的原理和特性5.2积分控制器的原理和特性5.3微分控制器的原理和特性5.4比例积分(P)控制系统5.5比例积分微分(PID)控制系统第六章：根轨迹法6.1根轨迹的概念和基本性质6.2根轨迹的绘制方法6.3根轨迹法的稳定性判据6.4根轨迹设计法则6.5根轨迹法的应用案例第七章：频域设计方法7.1频域设计基本思想7.2平衡点反馈控制法7.3频域设计法的应用案例7.4系统频率响应的优化设计7.5频域方法的灵敏度设计第八章：状态空间分析和设计8.1状态空间模型的建立8.2状态空间的矩阵表示8.3状态空间系统的特性8.4状态空间系统的稳定性分析8.5状态空间设计方法和案例第九章：模糊控制系统9.1模糊控制的基本概念9.2模糊控制系统的结构9.3模糊控制器设计方法9.4模糊控制系统的应用案例第十章：遗传算法与控制系统优化10.1遗传算法的基本原理10.2遗传算法在控制系统优化中的应用10.3遗传算法设计方法和案例第十一章：神经网络及其应用11.1神经网络的基本概念和结构11.2神经网络训练算法11.3神经网络在控制系统中的应用11.4神经网络控制系统设计和优化方法第十二章：自适应控制系统12.1自适应控制的基本概念12.2自适应控制系统的结构12.3自适应控制器设计方法12.4自适应控制系统的应用案例第十三章：系统辨识与模型预测控制13.1系统辨识的基本概念13.2建模方法及其应用13.3模型预测控制的原理13.4模型预测控制系统设计和优化方法第十四章：多变量控制系统14.1多变量控制系统的基本概念14.2多变量系统建模方法14.3多变量系统稳定性分析14.4多变量系统控制器设计14.5多变量系统优化控制方法以上是《自动控制原理》的复习提纲，内容覆盖了自动控制系统的基本概念、传递函数与频率响应、传递函数的绘制和分析、闭环控制系统及稳定性分析、比例、积分和微分控制器、根轨迹法、频域设计方法、状态空间分析和设计、模糊控制系统、遗传算法与控制系统优化、神经网络及其应用、自适应控制系统、系统辨识与模型预测控制、多变量控制系统等知识点。
自控老师的那些事
三、方框图
炉温控制系统方框图
第二章 控制系统的数学模型 一.控制系统的模型 微分方程、差分方程、状态方程、传递函数、 微分方程、差分方程、状态方程、传递函数、 脉冲传递函数、结构图、 脉冲传递函数、结构图、信号流图 二.传递函数 零初始条件下， 零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量 拉氏变换的比值叫该系统的传递函数， 表示。 拉氏变换的比值叫该系统的传递函数，用G(s)表示。
例 设系统的特征方程为
s + 2s + 24s + 48s + 23s + 46 = 0
5 4 3 2
判断系统的稳定性。 判断系统的稳定性。 解 列劳斯表
s
5
s4 s3
1 24 23 2 48 46 → 2 s 4 + 48 s 2 + 46 = 0 2 × 24 − 48 2 × 23− 46 =0 = 0 0 求导 8s 3 + 96 s = 0 2 2
K * = 0, 6
j
2
2
所以， 所以，与虚轴交点 坐标为
s1,2 = ± j 2
1
p3
-2
p2
-1
sd
p1
O -1
临界增益
K =3
− 2
-2
j
2
1
-4
-3
-2
-1
0
1
-1
-2
第5章 频率域方法
一、频率特性的基本概念
在正弦信号作用下， 在正弦信号作用下，输出信号的稳态分量与输入信号 的复数比。 表示， 的复数比。若用 G ( jω ) 表示，则有
二.二阶系统分析
s1
− ξwn
s1
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。
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第一章自动控制系统概念
控制思想的起源
• 控制思想与技术的存在至少已有数千年的 历史了。“控制”这一概念本身即反映了人们 对征服自然与外在的渴望，控制理论与技 术也自然而然地在人们认识自然与改造自 然的历史中发展起来。
第一章自动控制系统概念
• 给定值（参考输入）： 在整个过程中，被控量所应保持
的理想数值. • 控制的任务：
使受控对象的被控量等于给定值. • 扰动：
不改变控制机构参数而使被控量 发生变化的因素. • 扰动量：妨碍控制量对被控制量按 要求进行正常控制的物理量.
第一章自动控制系统概念
• 开环控制： 被控制量只受控于控制量，而对控制
这类问题广泛存在于技术领域或社会问题中。例
如，确定一个最优控制方式使空间飞行器由一个
轨道转换到另一轨道过程中燃料消耗最少。最优
控制已被应用于综合和设计最速控制系统、最省
燃料控制系统、最小能耗控制系统、线性调节器
等。
第一章自动控制系统概念
按控制方法分类
• 系统辨识 (System Identification)
根据系统的输入输出时间函数来确定描述系统行 为的数学模型。通过辨识建立数学模型的目的是 估计表征系统行为的重要参数，建立一个能模仿 真实系统行为的模型，用当前可测量的系统的输 入和输出预测系统输出的未来演变，以及设计控 制器。 对系统进行分析的主要问题是根据输入时间函数 和系统的特性来确定输出信号。对系统进行控制 的主要问题是根据系统的特性设计控制输入，使 输出满足预先规定的要求。而系统辨识所研究的 问题恰好是这些问题的逆问题。
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
自动控制系统的常用概念
• 控制：某个主体使其它对象按照一定 的目的动作的过程，“其它对象”可以 是一个过程，也可以是器械、生产系 统。
• 自动控制：在无人直接参与的情况下， 通过控制器使被控对象或过程自动按 照预定要求(规律)运行的行为。
第一章自动控制系统概念
按控制对象及控制方式分类
• 单输入--单输出 • 多输入--多输出
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
• 自适应控制 (Self-adaptable control) 自适应是指生物能改变自己的习性以适应
新的环境的一种特征。自适应控制器应当是 这样一种控制器，它能修正自己的特性以适 应对象和扰动的动态特性的变化。
自适应控制的研究对象是具有一定程度不确 定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描 述被控对象及其环境的数学模型不是完全确 定的，其中包含一些未知因素和随机因素。
量不能反施影响的一类系统成为开环控制 系统。 • 系统：
用以完成一定任务的一些元、部件的 组合为系统。 • 控制过程：
消除扰动因素对系统的影响，从而保 持被控制量按预期要求变化的过程，称为 控制过程。
第一章自动控制系统概念
按控制方法分类
• 最优控制 （optimal control）
使控制系统的性能指标实现最优化的基本条件和 综合方法。对一个受控的动力学系统或运动过程， 从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方 案，使系统的运动在由某个初始状态转移到指定 的目标状态的同时，其性能指标值为最优。
第一章自动控制系统概念
历史上的三本重要著作
• 《通讯的数学理论》（A Mathematical Theory of Communication），目前被作为信息论开端的香 农(Claude Elwood Shannon,1916-)的论文 。奠定了 信息论的基础。
• 《控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的 科学》，控制论创立者维纳（Norbert Wienner,1894-1964）的经典论著。
• 《工程控制论》 钱学森(Tsien H S,1991-)的著作《工程控制论》 （Engineering Cybernetics. 1954）。
• 这三部著作对人类社会有着巨大的影响，产生了
新型的综合性基础理论：控制论，信息论和工程
控制论。
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
第一章自动控制系统概念
自动控制的定义及意义
• 自动控制是指应用自动化仪器、仪表或自 动控制装置代替人自动地对仪器设备或工 业生产过程进行控制，使之达到预期的状 态或性能指标。
• 对传统的工业生产过程采用自动控制技术， 可以有效提高产品的质量和企业的经济效 益。对一些恶劣环境下的控制操作，自动 控制显得尤其重要。
• 自动控制系统：实现自动任务的系统
第一章自动控制系统概念
• 被控对象： 以上所指的其它对象，通常称受控对象，即机
械或装备，如燃气轮机、锅炉等。 • 被控量：
表征被控对象工作状态的物理量，如电压、转 速、温度等。 • 输入量：
作用与系统输入端，是实现输出量控制的参考 物理量。 • 输出量：
被控对象中要求实现自动控制的物理量，位 于系统输出端。
第一章自动控制系统概念
• 鲁棒控制(Robust control)
系统的“鲁棒性”，是指控制系统在一定 （结构，大小）的参数摄动下，维持某些性 能的特性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设 计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。
由于工作状况变动、外部干扰以及建模误 差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得 到，而系统的各种故障也将导致模型的不确 定性，因此可以说模型的不确定性在控制系 统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器， 使具有不确定性的对象满足控制品质，就是 鲁棒控制的任务。
自动控制原理
第一章
控制系统的一般概念
第一章自动控制系统概念
课程的内容及要求
• 通过本课程的学习，要求掌握自动控制系 统的组成和工作原理；掌握建立简单控制 系统数学模型的方法；掌握分析控制系统 的三种方法：时域法、根轨迹法和频率法； 了解线性系统的校正方法。
第一章自动控制系统概念
课程的内容及要求
• 了解系统动态过程及性能。 • 对于一个给定的已存在的具体系统，