第1章自动控制概论
自动控制原理学习资料
《自动控制原理》学习资料第一章 自动控制概论1、教学目的: 掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。
2、基本要求： 掌握基本概念：自动控制、反馈、控制系统的构成。
要求初步了解如何由系统原理图形成系统的原理方块图及判别控制方式的方法。
要求初步了解本门课程的意义与作用。
一、自动控制的任务通常，在自动控制技术中，把工作的机器的设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。
则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。
下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念。
图1-1 水位自动控制系统水位自动控制系统：控制任务：维持水箱内水位恒定；控制装置：气动阀门、控制器；受控对象：水箱、供水系统；被控量：水箱内水位的高度；给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；测量装置：浮子；比较装置：控制器刻度盘；干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；由此可见：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。
自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。
二、自动控制的基本方式图1-2 自动控制方框图在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，其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。
下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式：按给定值操纵的开环控制；按干扰补偿的开环控制；按偏差调节的闭环控制。
1、按给定值操纵的开环控制开环控制——系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。
自动控制的基本知识
七、调节过程的品质指标 调节过度过程： 1）等幅振荡 2）扩散振荡 3）衰减振荡 4）非周期过程
1。稳定性：衰减率
Ψ愈大，越稳定。 Ψ=0.75~0.98
2.准确性：准确性是指被控量的偏差大小，它包括动态偏差yM和 静态(稳态)偏差yK 动态偏差:在控制过程中，被控量与给定值之间的最大偏差称为动态偏差. 静态偏差:在控制过程结束后，被控量的稳态值y∞与给定值yg之间的残余
只包含一个容积
单容对象是最简单的热工调节对象，电厂热工生产过程中 许多储水容器，如除氧器、加热器、凝汽器等。
2）多容对象
包含两个或以上容积
（1）有自平衡能力的多容对象： 可用一个迟延时间为τ的纯迟延环节和个时间常数为Tc的惯性环节 近似。
（2）无自平衡能力的多容对象： 可用一个迟延时间为τ的纯迟延环节和一个积分环节近似。
3。阶跃响应特性：比较直观 在阶跃输入信号的作用下，系统的输出特性。 突然的扰动。 在电厂生产过程中，有许多输入信号近似于阶跃信号， 如负荷突然变化，阀门、挡板的开与关等。只要生产 过程允许，一般也比较容易通过控制机构(如控制阀 门)或扰动机构造成一个阶跃输入扰动。所以常在现 场用阶跃响应试验来检验控制系统的工作性能。
3。比例带δ对调节过程的影响
比例带： 3。比例带δ对调节过程的影响
比例带δ 小：调节作用强；
比例带δ太小：调节阀动作过频繁，不稳定。
二、积分调节规律调节器（P）
1。积分规律调节器的动态特性
U (S ) 1 WI ( S ) KP E (S ) Ti s 式中 Si——称为积分规律调节器的积分速度； Ti，——积分时间，习惯上多用积分时间来表示被调量偏差 积累的快慢。 Ti 越小表示偏差积累越快，积分作用越强。Ti是积分规律调节 器的整定参数。
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
自动控制知识
(三)、大系统理论和智能控制论（第三阶段）
1970年以后
1.大系统理论 是指规模庞大、结构复杂、变量众多的 信息与控制系统，交通运输、生物工程、社会经 济和空间技术等复杂系统。
2.智能控制论 是具有某些仿人智能的工程控制与信
息处理系统， 如智能机器人、无人驾驶飞机。
vcd
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§1-2 基本控制方式
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§1-4 自动控制系统的分类
一、按给定信号分类: 1、恒值控制系统： 输入为常数，系统能排除扰动影响，使输
出保持恒定不变。 2、随动控制系统： 输入是时间的未知函数，要求输出跟随输
入信号变化。 3、程序控制系统： 输入量是时间的已知函数，要求输出以一
定精度跟随输入信号变化。
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二、按数学描述分类:
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四、自动控制系统举例 恒温箱自动控制系统
§1-3 自动控制系统的组成及术语
一、自动控制系统的组成 二、控制系统中的常用术语
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一、自动控制系统的组成
由控制器与被控对象组成,控制器是系统 中对被控对象起控制作用的各部分的总称。
被 控 对 象
自
控
系
统件 比调较节元元件件校 放 执 行 元 件
1、线性系统：用线性方程描述的系统。 性质：1）组成系统的所有元件都是线性元件； 2）具有齐次性和叠加性。
2、非线性系统：用非线性方程描述的系统。 性质：1）系统中只要有一个非线性元件就是
非线性系统。 2）不满足叠加原理。
三、按时间信号的性质分类
1.连续时间系统： 系统中所有信号都是连续函数形成的模拟量。
• 误差的稳态分量称为稳态误差；
• 稳态误差表示到达平衡状态（过渡过程 结束）的精度。
1_自动控制概述
35
建立作工程的思维方预备知识预备知识预备知识预备知识常微分方程解法常微分方程解法复变函数拉氏变换与付氏变换复变函数拉氏变换与付氏变换电路理论电路理论基本的电子学和力学知识基本的电子学和力学知识主要内容主要内容主要内容主要内容自动控制概论自动控制概论控制系统的数学模型控制系统的数学模型控制系统的时域分析法控制系统的时域分析法频率特性法频率特性法pid控制控制状态空间分析状态空间分析离散控制系统离散控制系统11自动控制概论自动控制概论自动控制概论自动控制概论自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制的基本原理自动控制的基本原理自动控制的基本概念自动控制的基本概念自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统结构自动控制系统结构控制系统的基本要求控制系统的基本要求自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制理论的发展经典控制理论经典控制理论4050年代形成年代形成siso系统基于
6
自动控制理论的发展
自动控制理论的发展 经典控制理论
40~50年代形成 SISO系统 基于：二战军工技术 研究对象：单输入单输出线性定常系统 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器
现代控制理论
60年代为适应宇航技术（宇宙飞船、导弹自 动制导）而发展的
7
自动控制理论的发展
27
自动控制系统的结构
闭环自动控制的一般组成
控制对象、执行元件、控制器、比较元件 测量元件——测量系统的输出量并与给定值 相比较。 执行元件——纠正偏差，或输出足够功率的 部件。 放大变换部件——将检测到的偏差信号加以 放大和进行能量形式的转换，并决定控制信 号是增大还是减小系统的输出量。
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系统方框图
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。
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(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。
自动控制系统概述
1.1 引言
自动控制概念： 是指在无人直接参与的情况下，利用 控制装置（控制器）使被控对象（如生产过程中的位 移，速度，温度，电力系统中的电压,电流,功率等物理 量，或某些化合物的成分，航空航天中的飞船姿态等） 依照预定的规律进行运动或变化。 这种能对被控对象的工作状态进行控制的系统称为自 动控制系统。它一般由控制装置和被控对象组成
负反馈：输入信号—反馈信号（输出信号） 线性定常系统根据参考输入量又可分为：
它一般由控制装置和被控对象组成
自动控制：传感器、控制器、执行器、水箱+阀门
控制器
执行器
h 水箱系统
传感器
典型的自动控制系统方框图
参考输入 元件
参 考
理想化系统
输
入
r(t) +
_
b(t)
e(t)
控制元件
偏 差
主 反 馈
执行元件 反馈元件
+
g(t)
_ 系统误差
被控对象
被 C(t) 控 量
1.3自动控制与自动控制系统
反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与 输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈
负反馈：输入信号—反馈信号（输出信号） 输出偏差减小
正反馈：输入信号+反馈信号 反馈控制、闭环控制:按偏差进行控制
一些基本概念
b.设计。根据分析确定控制方法：
0.6
数字——物理装置
c. 仿真：数字，物理仿真，反复进行
0.4
d.实现：制作，调试、重购。
0.2
0 0
1
2
3
4
5
第一章 自动控制系统概述
+ 杠 杆
-
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。
自动控制原理课程教学大纲
《自动控制原理》课程教学大纲Principles of Automatic Control System课程编号：2000081适用专业：电气工程与自动化学时数：40 学分数：2.5执笔者：邱瑞昌王艳编写日期：2002.5一、课程的性质与目的概要：随着生产和科学技术的发展，自动控制技术在国民经济和国防建设中所起的作用越来越大。
自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大的提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，并且在人类探索新能源，发展空间技术和改善人民物质生活都起着极为重要的作用课程性质：自动控制原理是电气工程与自动化专业的技术基础课（专业基础平台课），是必修课，是以原理为主的理论性课程；主要讲述自动控制原理与控制系统设计、实验等内容。
根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制原来可分为古典控制理论和现代控制理论两大部分。
古典控制理论的主要内容是以传递函数为基础，研究单输入单输出一类自动控制系统的分析和设计问题。
这些理论研究较早，现在已经比较成熟。
并且在工程实践中得到了广泛的应用。
现代控制论是60年代在古典控制论的基础上，随着科学技术的发展和工程实践的需要而迅速发展起来的。
其内容主要以状态空间法为基础，研究多输入多输出、变参数、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。
最优控制、最佳滤波、系统辩识、自适应控制等理论都是这一领域研究的主要课题。
特别是近年来由于电子计算机技术和现代应用数学研究的迅速发展，使现代控制理论又在研究庞大的系统工程的大系统理论和模仿人类智能活动的智能控制、生物控制、模糊控制等方面有了重大进展。
主要目的：培养学生1．掌握经典控制论中，线性定常连续、单输入单输出闭环控制系统的工作原理、分析和综合，掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的一般规律，使其具有分析和设计自动控制系统的初步能力，使学生对系统的认识上升到更高的层次。
2．了解控制系统中常用的检测装置，常用执行机构的工作原理，数学模型的建立过程，以及自控原理、经典控制论在当今的发展状况。
控制工程基础C作业2017
《控制工程基础C》作业——适用于测控技术与仪器专业（48学时，含6学时实验）说明：以胡寿松主编《自动控制理论简明教程》为教材，习题的页码以该教材为准。
第一章自动控制概论（参考教材第一章控制系统导论）1-1（P14，1-1）图1-16是液位自动控制系统原理示意图。
在任意情况下，希望液面高度c维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。
图1-16 液位自动控制系统1-2（P16，1-5）图1-5是电炉温度控制系统原理示意图。
试分析系统保持电炉温度恒定的工作过程，指出系统的被控对象、被控量以及各部件的作用，最后画出系统方块图。
图1-5 温度控制系统的原理图第二章 控制系统的数学模型（参考教材第二章控制系统的数学模型） 2-1（P81，2-5）设弹簧特性由下式描述：F=12.65y 1.1，其中，F 是弹簧力；y 是变形位移。
若弹簧在形变位移0.25附近作微小变化，试推导Δy 的线性化方程。
2-2（P81，2-7）设系统传递函数为：2()2()32C s R s s s =++，且初始条件 (0)1(0)0c c =-=， 。
试求阶跃输入r （t ）=1（t ）时，系统的输出响应c （t ）。
2-3（P81，2-8）如图，已知G(s)和H(s)两方框相对应的微分方程分别是：()610()20()dc t c t e t dt += ()205()10()db t b t c t dt+=且初始条件均为零，试求传递函数C(s)/R(s)及E(s)/R(s)。
2-4（P82，2-11（a ）（b ）（c ））已知控制系统结构图如图所示。
试通过结构图等效变换求系统传递函数C(s)/R(s)。
（a ）（b ）（c ）2-5（p82，2-12（a ））试简化图中的系统结构图，并求系统传递函数C(s)/R(s)和C(s)/R(s)。
()N s2-6（p83，2-15（b ）、（c ））试用梅森增益公式求图中各系统信号流图的传递函数C(s)/R(s)。
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所谓自动控制，就是指在没有人直接参与的情况下， 利用外加的设备（称为控制器）操作被控对象（如机器、 设备或生产过程）的某个状态或参数（称为被控量）使 其按预先设定的规律自动运行。如化工生产中合成氨反 应塔内的温度和压力能够自动维持恒定不变，雷达跟踪 和指挥仪所组成的防空系统能使火炮自动地瞄准目标， 无人驾驶飞机能按预定轨道自动飞行，人造地球卫星能 够发射到预定轨道并能准确回收等等，都是应用自动控 制技术的结果。自动控制理论就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，随着工业生产和科学技术的发展，现已发 展成为一门独立的学科——控制论。控制论包括工程控 制论、生物控制论和经济控制论。
控制量:施加给受控对象的信号
输出量:控制系统的输出,即受控的物理量
偏差信号:系统的参考输入信号与反馈信号之差
扰动信号:外界或者系统内部影响系统输出的干扰信号 前向通路:从输入端到输出端的方向通路 反馈通路:从输出端到输入端的通路
二、控制系统的基本要求 1、稳定性 2、准确性 3、快速性
1、稳定性 一个控制系统能正常工作的首要条件是系统 必须是稳定的。稳定的系统在阶跃信号或扰动信 号的作用下，其响应的暂态过程应该是收敛的。 如果系统设计不当，则在阶跃信号下或扰动信号 的作用下，输出的幅值振荡可能成为等幅振荡， 甚至成为振幅逐渐增大的发散振荡，发生这种情 况的系统称为不稳定系统。
2、准确性(稳态精度) 系统的准确性（稳态精度），一般采用稳态 误差来表示。系统在输入信号的作用下，其响应 经过暂态过程进入稳态后，系统的输出量与希望 值之间的误差，称为稳态误差。
3、快速性与阻尼特性
c(t )- c(∞) 过渡过程时间：当t≥ts时，有： c(∞ )
则ts为过渡过程时间。
1.4 控制系统的组成与对控制系统的基本要求
一、控制系统的基本组成
反馈控制系统方框图
2.组成与术语 组成: 1.执行元件 2.放大元件 3.测量元件 4.补偿元件 5.比较元件 术语: 参考输入r(t) 偏差ε(t) 扰动(干扰)f(t)
主反馈 控制量 输出c(t)
被控对象:指被控制的装置或者设备 参考输入(设定值):系统的给定输入信号,或者称希望值
影响，即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。
输入量 控制量 控制器 被控对象 输出量
优点 :系统结构简单，调试容易，当输入信号和扰动能 预先知道时，控制效果较好。 缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数 变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大，抗干扰 能力差。
2、闭环控制：系统的被控制信号对控制作用 有直接影响的，即控制装置与被控对象之间 既有正向作用，又有反向联系的控制过程， 则称为闭环控制系统，或称为反馈控制系统，
超调量：表示正弦振荡曲线的振荡衰减程度。 用σP 表示，则：
c max - c(∞) P 100% c(∞ )
按照给定的控制任务设计一个既满足稳定 性和稳态精度的要求，又满足动态指标要的控 制系统，是控制工程人员必须解决的课题，也 是自动控制原理学科的基本任务。
1.1 自动控制与自动控制系统的基本概念
1、开环控制，手动控制与自动控制系统的基本概念
(1)开环控制：
(2)手动控制：
（3）自动控制系统：
前向通道
输入量 偏差量 _ 控制器 控制量 被控对象 输出量
反馈通道
反馈量 测量元件
1.2 开环控制与闭环控制
1、开环控制：系统的被控量对系统控制作用没有
输入量 偏差量 _ 控制器 控制量 被控对象 输出量
反馈量
测量元件
反馈控制：在控制系统中，根据实际输出和参考输出的差值
来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，那么这 种控制原理称为反馈控制原理。
闭环控制的特点：由于引入了反馈信息（反馈量）, 使整个
控制过程成为闭合的，因此，按反馈控制原理建立起来的控 制系统，叫做闭环控制系统。在闭环控制系统中，其控制作 用的基础是被控量（输出量）与给定值之间的偏差，这个偏 差是各种实际扰动所导致的总“后果”，它并不区分其中的 个别原因。因此，这种系统往往同时能够抵制多种扰动，而 且对系统自身元部件参数的波动也不甚敏感。
1.3 控制系统举例
一、随动控制：主要特点是输入给定信号的变化 规律是事先不能确定的随机信号，这类系统的 任务是使输出快速、准确地跟随给定信号的变 化，故称作随动控制系统。
1、火炮随动系统
2、位置控制电液伺服系统
二、定值调节系统：参考输入信号为恒定的常量。
1、电炉炉温控制系统
炉温控制系统方块图