第一章 自动控制原理(胡寿松)ppt
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胡寿松自动控制原理PPT课件
1. 典型环节
最小相位环节 比例环节:G(s)=K (K>0) 积分环节:G(s)=1/s 微分环节:G(s)=s
非最小相位环节 比例环节:G(s)=K (K<0)
惯性环节:G(s)=1/(Ts+1)
惯性环节:G(s)=1/(1-Ts)
一阶微分环节:G(s)=Ts+1
一阶微分环节:G(s)=1-Ts
2j
2j
G( jw) Asin(t ()) Ac sin(t ())
第4页/共67页
A() G( j)
() G( j)
幅频特性 相频特性
线性系统的稳态输出是和输入具有相同频率的正弦信号，
其输出与输入的幅值比为
A() G( j)
输出与输入的相位差
() G( j)
第5页/共67页
(1)、频率响应 在正弦输入信号作用下，系统输出的稳态值称为系统的频率响应, 记为css(t)
第52页/共67页
二、系统开环对数频特性曲线的绘制
控制系统一般由多个环节组成，在绘制系统Bode图时，应先将系统传递函数 分解为典型环节乘积的形式，再逐步绘制。
G(s)H (s)
K (1s
s (T1s
1)
(
2 2
s
2
1) (T22 s 2
22 2s 1) 22T2s 1)
b0s m b1s m1 bm1s bm s n a1s n1 an1s an
解 首先求出系统的闭环传递函数(s) ，令s=j 得
如=2, 则 (j2)=0.35 -45o 则系统稳态输出为：c(t)=0.35sin(2t-45o)
第8页/共67页
频率特性表示法
频率特性可用解析式或图形来表示。 （一）解析表示
最小相位环节 比例环节:G(s)=K (K>0) 积分环节:G(s)=1/s 微分环节:G(s)=s
非最小相位环节 比例环节:G(s)=K (K<0)
惯性环节:G(s)=1/(Ts+1)
惯性环节:G(s)=1/(1-Ts)
一阶微分环节:G(s)=Ts+1
一阶微分环节:G(s)=1-Ts
2j
2j
G( jw) Asin(t ()) Ac sin(t ())
第4页/共67页
A() G( j)
() G( j)
幅频特性 相频特性
线性系统的稳态输出是和输入具有相同频率的正弦信号，
其输出与输入的幅值比为
A() G( j)
输出与输入的相位差
() G( j)
第5页/共67页
(1)、频率响应 在正弦输入信号作用下，系统输出的稳态值称为系统的频率响应, 记为css(t)
第52页/共67页
二、系统开环对数频特性曲线的绘制
控制系统一般由多个环节组成，在绘制系统Bode图时，应先将系统传递函数 分解为典型环节乘积的形式，再逐步绘制。
G(s)H (s)
K (1s
s (T1s
1)
(
2 2
s
2
1) (T22 s 2
22 2s 1) 22T2s 1)
b0s m b1s m1 bm1s bm s n a1s n1 an1s an
解 首先求出系统的闭环传递函数(s) ，令s=j 得
如=2, 则 (j2)=0.35 -45o 则系统稳态输出为：c(t)=0.35sin(2t-45o)
第8页/共67页
频率特性表示法
频率特性可用解析式或图形来表示。 （一）解析表示
自动控制原理_胡寿松_第五版_第一章_绪论(简)改ppt
提高综合分析问题的能力。 本课程的基本任务: 获得自动控制系统的基本理论
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；
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；
第1章自动控制原理课件胡寿松
扰动信号：简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种 不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自 系统内部，又可来自系统外部，前者称为内部扰动，后者 称为外部扰动。 外部扰动是不希望的输入信号。
2023年9月20日
EXIT
第1章第24页
1.4 自动控制系统的分类
2023年9月20日
EXIT
第1章第25页
注意：在实际中，绝大多数对象都具有非线性特性，而大 多数仪器仪表也是非线性的，所以很少有真正意义上线性系 统，一般是采用线性化措施将非线性系统处理成线性系统， 这样就可简化分析和运算。（本质非线性除外）
2023年9月20日
EXIT
第1章第27页
1.4.3 按系统参数是否随时间变化而分
1.定常系统：特性不随时间变化的系统称定常系统，又 称时不变系统。描述定常系统特性的微分方程或差分方 程的系数不随时间变化。定常系统分为定常线性系统和 定常非线性系统。
2023年9月20日
EXIT
第1章第32页
1.5.2 导弹发射架方位控制系统
手轮
r
E0
给定装置 输入轴 Ⅰ
ur
+ +
u_e 放大器
ua _
0
+
_
导弹发射架方位控制系统原理图
反馈装置
发射架
Ⅱ
u0
输出 轴
E0
随 动 系 统
r
e 电位器 u e
－
Ⅰ、Ⅱ
0
放大器 ua
直流 电动机
减速器
0 导 弹
发射架
2023年9月20日
第1章第19页
1.3.1 基本组成部分
r(t) 给定 元件
输入量
2023年9月20日
EXIT
第1章第24页
1.4 自动控制系统的分类
2023年9月20日
EXIT
第1章第25页
注意：在实际中，绝大多数对象都具有非线性特性，而大 多数仪器仪表也是非线性的，所以很少有真正意义上线性系 统，一般是采用线性化措施将非线性系统处理成线性系统， 这样就可简化分析和运算。（本质非线性除外）
2023年9月20日
EXIT
第1章第27页
1.4.3 按系统参数是否随时间变化而分
1.定常系统：特性不随时间变化的系统称定常系统，又 称时不变系统。描述定常系统特性的微分方程或差分方 程的系数不随时间变化。定常系统分为定常线性系统和 定常非线性系统。
2023年9月20日
EXIT
第1章第32页
1.5.2 导弹发射架方位控制系统
手轮
r
E0
给定装置 输入轴 Ⅰ
ur
+ +
u_e 放大器
ua _
0
+
_
导弹发射架方位控制系统原理图
反馈装置
发射架
Ⅱ
u0
输出 轴
E0
随 动 系 统
r
e 电位器 u e
－
Ⅰ、Ⅱ
0
放大器 ua
直流 电动机
减速器
0 导 弹
发射架
2023年9月20日
第1章第19页
1.3.1 基本组成部分
r(t) 给定 元件
输入量
自动控制原理课件胡寿松
系统开环频率响应相位在临界 频率处的值与180度之间的差值 。
带宽频率
系统开环幅频特性等于0.707时 的频率。
剪切频率
系统开环幅频特性等于0.707时 的频率。
稳定性与性能的关系
稳定性是控制系统的重要性能指 标，它决定了系统能否正常工作
。
系统的稳定性与其性能指标密切 相关，如系统的超调量、调节时
自动控制原理课件胡 寿松
目录
• 自动控制概述 • 控制系统稳定性分析 • 控制系统的性能指标 • 控制系统的设计方法 • 控制系统的校正与补偿 • 控制系统的应用实例
01
自动控制概述
定义与分类
定义
自动控制是利用控制装置，使被 控对象按照预设规律自动运行的 系统。
分类
开环控制系统、闭环控制系统、 复合控制系统等。
通过分析系统的频率特性 ，研究系统的稳定性、带 宽和阻尼特性。
现代控制理论设计方法
状态空间法
01
基于系统的状态方程进行系统分析和设计，适用于线性时变系
统和非线性系统。
线性二次型最优控制
02
通过优化性能指标，设计最优控制律，适用于多输入多输出系
统。
滑模控制
03
设计滑模面和滑模控制器，使得系统状态在滑模面上滑动，适
无人机飞行控制系统通过自动控制算法，实现无人机的稳定飞行 和精确控制。
卫星姿态控制
卫星姿态控制系统通过传感器和执行机构，实现卫星的稳定指向 和精确姿态调整。
航空发动机控制
航空发动机控制系统通过调节燃油流量和点火时间等参数，实现 发动机的稳定运行和性能优化。
工业自动化控制系统的应用
智能制造
智能制造系统通过自动化设备和传感器，实现生产过程的自动化控 制和优化。
带宽频率
系统开环幅频特性等于0.707时 的频率。
剪切频率
系统开环幅频特性等于0.707时 的频率。
稳定性与性能的关系
稳定性是控制系统的重要性能指 标，它决定了系统能否正常工作
。
系统的稳定性与其性能指标密切 相关，如系统的超调量、调节时
自动控制原理课件胡 寿松
目录
• 自动控制概述 • 控制系统稳定性分析 • 控制系统的性能指标 • 控制系统的设计方法 • 控制系统的校正与补偿 • 控制系统的应用实例
01
自动控制概述
定义与分类
定义
自动控制是利用控制装置，使被 控对象按照预设规律自动运行的 系统。
分类
开环控制系统、闭环控制系统、 复合控制系统等。
通过分析系统的频率特性 ，研究系统的稳定性、带 宽和阻尼特性。
现代控制理论设计方法
状态空间法
01
基于系统的状态方程进行系统分析和设计，适用于线性时变系
统和非线性系统。
线性二次型最优控制
02
通过优化性能指标，设计最优控制律，适用于多输入多输出系
统。
滑模控制
03
设计滑模面和滑模控制器，使得系统状态在滑模面上滑动，适
无人机飞行控制系统通过自动控制算法，实现无人机的稳定飞行 和精确控制。
卫星姿态控制
卫星姿态控制系统通过传感器和执行机构，实现卫星的稳定指向 和精确姿态调整。
航空发动机控制
航空发动机控制系统通过调节燃油流量和点火时间等参数，实现 发动机的稳定运行和性能优化。
工业自动化控制系统的应用
智能制造
智能制造系统通过自动化设备和传感器，实现生产过程的自动化控 制和优化。
自动控制原理胡寿松根轨迹法ppt资料
法则3 根轨迹的条数
n阶系统，其闭环特征方程有n个根。当Kg 从0连续
变化时，n个根将绘出有n条轨迹分支。因此根轨迹的条 数或分支数等于其闭环特征根的个数，即系统的阶数。
K j
K= 0
K= 0
0
K Kg
j Kg
0
Kg
j
0
j
0
j
-21
j
1
0
法则4 根轨迹的起点和终点
根轨迹起始于系统开环极点， 终止于系统开环零点。
在s 平面内满足幅角条件的所有s1 点，将这些点连成光滑 曲线，即是闭环系统根轨迹。
在1948年，伊凡思（W.R.Evdns）提出了用图解法 绘制根迹的一些基本法则，可以迅速绘制闭环系统的根 轨迹草图，在根轨迹草图的基础上，必要时可用幅角条 件使其精确化，从而使整个根规迹的绘制过程大为简化。
4-2 绘制系统根轨迹的基本法则
上式说明Kg= 0时，闭环特征方程的根就是开环极点。
将特征方程改写为：
1 n
m
Kg
(s pj ) (s zi ) 0
j 1
i 1
当 Kg 时，有
s = zi
( i =1, 2, … , m)
所以根轨迹必终止于开环零点。
在实际系统中，开环传函中 m n ，有m 条根轨迹终 点为开环零点处，另有nm条根轨迹的终点将在无穷远处， 可以认为有nm 个无穷远处的开环零点。
法则5 根轨迹的渐近线
根据法则4，当开环传递函数中m < n 时，将有n m 条
根轨迹分支沿着与实轴夹角为a ，交点为a 的一组渐近
线趋于无穷远处，且有：
a
(2k 1)
nm
(k = 0,1, … , n m 1)
n阶系统，其闭环特征方程有n个根。当Kg 从0连续
变化时，n个根将绘出有n条轨迹分支。因此根轨迹的条 数或分支数等于其闭环特征根的个数，即系统的阶数。
K j
K= 0
K= 0
0
K Kg
j Kg
0
Kg
j
0
j
0
j
-21
j
1
0
法则4 根轨迹的起点和终点
根轨迹起始于系统开环极点， 终止于系统开环零点。
在s 平面内满足幅角条件的所有s1 点，将这些点连成光滑 曲线，即是闭环系统根轨迹。
在1948年，伊凡思（W.R.Evdns）提出了用图解法 绘制根迹的一些基本法则，可以迅速绘制闭环系统的根 轨迹草图，在根轨迹草图的基础上，必要时可用幅角条 件使其精确化，从而使整个根规迹的绘制过程大为简化。
4-2 绘制系统根轨迹的基本法则
上式说明Kg= 0时，闭环特征方程的根就是开环极点。
将特征方程改写为：
1 n
m
Kg
(s pj ) (s zi ) 0
j 1
i 1
当 Kg 时，有
s = zi
( i =1, 2, … , m)
所以根轨迹必终止于开环零点。
在实际系统中，开环传函中 m n ，有m 条根轨迹终 点为开环零点处，另有nm条根轨迹的终点将在无穷远处， 可以认为有nm 个无穷远处的开环零点。
法则5 根轨迹的渐近线
根据法则4，当开环传递函数中m < n 时，将有n m 条
根轨迹分支沿着与实轴夹角为a ，交点为a 的一组渐近
线趋于无穷远处，且有：
a
(2k 1)
nm
(k = 0,1, … , n m 1)
自动控制原理(胡寿松版)课件
自动控制原理(胡寿松版) 课件
自动控制原理是关于自动化生产中的传感器及控制器的课程。系统性、专业 性、实用性是其特点。学好自动控制原理，掌握自动化生产的核心技术，是 提高现代工业水平的重要途径之一。
什么是自动控制原理？
定义
自动控制原理是指用传感器将被控对象（如温 度、压力等）转换为电信号，再由控制电路进 行比较，控制执行机构输出控制量，以在实现 目标的同时，对被控对象进行自动调节的一种 学科。
2
基于控制方式分类
例如PID、ON/OFF等。
3
基于功能分类
例如开关型、调节型等。
控制系统的数学模型
模型
数学模型是用数学语言来描述控制系统的行为 规律所构建的数学关系式。
应用
控制系统的数学模型是系统分析、系统设计及 系统性能评价的重要依据。
总结及提问
总结
自控原理是自动控制专业中的一门基础课。 通过这门课的学习，我们不仅可以掌握自动 控制的核心技术，还能不断提高工业的自动 化水平。
自动控制系统的特点
1 自动性
实现机器的智能程度，减少人工干预，提高工作效率。
2 高精度
自动控制系统的控制对象精度要求很高，智能程度决定系统控制精度。
3 高可靠性
自动控制系统由多个组件组成，如一单个组件出现问题不会对系统的正常工作产生影响。
自动控制系统的分类
1
基于传感器类别分类
例如压力、温度、流量等。
提问
有没有什么实例可以更好地解释基于控制方 式的自动控制系统的分类？
应用
自动控制原理的应用非常广泛，例如在汽车制 造、机床、钢铁、化工等工业中都有着非常重 要的地位。
自动控制系统的基本组成
传感器
将被控对象的信息（如温度、压力等）转 化为电信号。
自动控制原理是关于自动化生产中的传感器及控制器的课程。系统性、专业 性、实用性是其特点。学好自动控制原理，掌握自动化生产的核心技术，是 提高现代工业水平的重要途径之一。
什么是自动控制原理？
定义
自动控制原理是指用传感器将被控对象（如温 度、压力等）转换为电信号，再由控制电路进 行比较，控制执行机构输出控制量，以在实现 目标的同时，对被控对象进行自动调节的一种 学科。
2
基于控制方式分类
例如PID、ON/OFF等。
3
基于功能分类
例如开关型、调节型等。
控制系统的数学模型
模型
数学模型是用数学语言来描述控制系统的行为 规律所构建的数学关系式。
应用
控制系统的数学模型是系统分析、系统设计及 系统性能评价的重要依据。
总结及提问
总结
自控原理是自动控制专业中的一门基础课。 通过这门课的学习，我们不仅可以掌握自动 控制的核心技术，还能不断提高工业的自动 化水平。
自动控制系统的特点
1 自动性
实现机器的智能程度，减少人工干预，提高工作效率。
2 高精度
自动控制系统的控制对象精度要求很高，智能程度决定系统控制精度。
3 高可靠性
自动控制系统由多个组件组成，如一单个组件出现问题不会对系统的正常工作产生影响。
自动控制系统的分类
1
基于传感器类别分类
例如压力、温度、流量等。
提问
有没有什么实例可以更好地解释基于控制方 式的自动控制系统的分类？
应用
自动控制原理的应用非常广泛，例如在汽车制 造、机床、钢铁、化工等工业中都有着非常重 要的地位。
自动控制系统的基本组成
传感器
将被控对象的信息（如温度、压力等）转 化为电信号。
自动控制原理胡寿松(课堂PPT)
G2(s)G4(s)
G3(s)H(s) G4(s)H(s)
C(s) G5 (s)
3
R(s) G 1 ( s ) G 3 ( s ) G 2 ( s ) G 4 ( s )
C(s) G5 (s)
G 3 ( s ) G 4 ( s ) H ( s )
4
R(s)
1
G 1 ( s ) G 3 ( s ) G 2 ( s ) G 4 ( s ) 1G3(s)G4(s)H(s)
函数确定。 r (t )
1 e(t) 1/ s
1
c(t)
1
22
信号流图常用的名词术语
➢源节点（输入节点）：只有信号输出支路的节点。
➢阱节点（输出节点）：只有信号输入支路的节点。
C(s) G5 (s)
5
C R ( (s s) ) G 1 1 (s G )G 3 3 (( ss )) G G 4 2 (( ss ))H G 4 (( ss ))G 5(s) 6
21
• 信号流图的组成及性质
信号流图是以点和有向线段，描述系统的组成、结构、信号传 递关系的图形。它完全表述了一个系统。
C(s)
1G2(s)G3(s)H2(s) G4(s)
H3(s)/G2(s) H1(s)
G2(s)G3(s)G4(s) 1G2(s)G3(s)H2(s)
C(s)
H3(s)/G2(s) H1(s)
G1(s)
G 2(s)G 3(s)G 4(s)
C(s)
1G 2(s)G 3(s)H 2(s)G 3(s)G 4(s)H 3(s)
1
§2-3 控制系统的结构图与信号流图
1.系统结构图的组成和绘制 2.结构图的等效变换和简化 3.信号流图的组成和性质 4.信号流图的绘制 5.梅逊增益公式 6.闭环系统的传递函数
G3(s)H(s) G4(s)H(s)
C(s) G5 (s)
3
R(s) G 1 ( s ) G 3 ( s ) G 2 ( s ) G 4 ( s )
C(s) G5 (s)
G 3 ( s ) G 4 ( s ) H ( s )
4
R(s)
1
G 1 ( s ) G 3 ( s ) G 2 ( s ) G 4 ( s ) 1G3(s)G4(s)H(s)
函数确定。 r (t )
1 e(t) 1/ s
1
c(t)
1
22
信号流图常用的名词术语
➢源节点（输入节点）：只有信号输出支路的节点。
➢阱节点（输出节点）：只有信号输入支路的节点。
C(s) G5 (s)
5
C R ( (s s) ) G 1 1 (s G )G 3 3 (( ss )) G G 4 2 (( ss ))H G 4 (( ss ))G 5(s) 6
21
• 信号流图的组成及性质
信号流图是以点和有向线段，描述系统的组成、结构、信号传 递关系的图形。它完全表述了一个系统。
C(s)
1G2(s)G3(s)H2(s) G4(s)
H3(s)/G2(s) H1(s)
G2(s)G3(s)G4(s) 1G2(s)G3(s)H2(s)
C(s)
H3(s)/G2(s) H1(s)
G1(s)
G 2(s)G 3(s)G 4(s)
C(s)
1G 2(s)G 3(s)H 2(s)G 3(s)G 4(s)H 3(s)
1
§2-3 控制系统的结构图与信号流图
1.系统结构图的组成和绘制 2.结构图的等效变换和简化 3.信号流图的组成和性质 4.信号流图的绘制 5.梅逊增益公式 6.闭环系统的传递函数
自动控制原理PPT课件
1.1 控制技术的发展及应用
控制概念的引入：
要求汽车沿道路中心线行驶（控制汽车的位置） 1 ）预期：道路中心位置 2 ）汽车当前位置相对预期位置的差 3 ）操纵方向盘改变汽车位置使差减小
某一装置 代替人
汽车自 动驾驶 系统
1.1 控制技术的发展及应用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
控制概念的引入
•温度调节装置（控制房间的温度）
1 ）预期：要求的室内温度
闭环控制
1.3 开环控制和闭环控制
闭环控制
输入 误差
实际输出
控制器 对象
闭环控制
传感器
特点：系统的输出是由偏差控制的，被控量经过反馈影响偏差，产生 一个相应的控制作用去减小或消除偏差，使被控量与期望值趋与一致。
结果：控制结构复杂，成本高；
抗元件参数变化和外界干扰的能力强
闭环系统可能不稳定
1.3 开环控制和闭环控制
2 ）室内当前温度相对预期温度的差
温 度
3 ）打开或关闭加热开关改变室内温度使差减小
温度测量，比较功 能，自动打开、关 闭加热开关的装置
温度自 动控制 系统
1.1 控制技术的发展及应用
自动控制的概念
自动控制是指在没有人的直接参与的情况下，利用自 动控制装置（控制器）使工作对象（被控对象）自动地 按照预先规定的规律运行，或使它的某些物理量（被控 量）按预定的要求变化。
第一章基本要求及作业
1-1 什么是随动系统？
这类系统的参考量是预先未知的随时间任意变化的函数， 要求被控制量以尽可能小的误差跟随参考量的变化。
系统中：被控对象为指针，被控量为指针位移，输入电压为 给定输入量。
给定电压 电位器
放大器
电动机
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大脑 （控制器） 手脚 （执行器） 眼睛 （传感器） 控制器 执行装置 测量装置 控制 对象 对象
1.1 自动控制的概念
• 自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利 用控制装置（称控制器），使整个生产过程或 工作机械（称被控对象）的某个工作状态或参 数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。 • 自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统， 由控制器与控制对象组成。
2.反馈控制 —— 闭环控制（核心）
闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制,其 原理框如图所示。从系统中信号流向看,系统的输 出信号沿反馈通道又回到系统的输入端,构成闭合 通道,故称闭环控制系统,或反馈控制系统。
前/正向通道
反/负向通道
这种控制方式,无论是由于干扰造成,还是由于 结构参数的变化引起被控量出现偏差,系统就利用 偏差去纠正偏差,故这种控制方式为按偏差调节。 闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正 偏差,使系统达到较高的控制精度。但与开环控制 系统比较,闭环系统的结构比较复杂,构造比较困难。 需要指出的是,由于闭环控制存在反馈信号,利用偏 差进行控制,如果设计得不好,将会使系统无法正常 和稳定地工作。另外,控制系统的精度与系统的稳 定性之间也常常存在矛盾。
开环控制和闭环控制方式各有优缺点,在实际 工程中应根据工程要求及具体情况来决定。如果 事先预知输入量的变化规律,又不存在外部和内部 参数的变化,则采用开环控制较好。如果对系统外 部干扰无法预测,系统内部参数又经常变化,为保证 控制精度,采用闭环控制则更为合适。如果对系统 的性能要求比较高,为了解决闭环控制精度与稳定 性之间的矛盾,可以采用开环控制与闭环控制相结 合的复合控制系统。
控制系统中常用的名词术语
(1)输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外 界输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其 中控制信号又称控制量、参考输入、或给定值。 (2)输出信号:是指反馈控制系统中被控制的物理量, 它与输入信号之间有一定的函数关系。 (3)反馈信号:将系统(或环节)的输出信号经变换、 处理送到系统(或环节)的输入端的信号,称为反馈 信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入 端,这种反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部 反馈信号。
控制系统
(自动控制系统方块图的绘制)
1.2 控制原理与方式
1.开环控制
开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统,即 需要控制的是被控对象的某一量(被控量),而测量的 只是给定信号,被控量对于控制作用没有任何影响的 系统。结构如图所示。
扰动
给定值
输出量
控制器
控制对象
按给定值操纵的开环 控制原理方框图
（3）.复合控制
补偿器
输入量
扰动 输出量
控制器
控制对象
扰动
补偿器
输入量 输出量
控制器
控制对象
1.3 自动控制系统的组成及术语
典型反馈控制系统的原理如图所示
(1)被控对象:它是控制系统所控制和操纵的对象, 它接受控制量并输出被控制量。
(2)控制器:接收变换和放大后的偏差信号,转换为 对被控对象进行操作的控制信号。 (3)放大变换环节:将偏差信号变换为适合控制器 执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来 放大变换。
本章主要讲什么内容?
从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、 设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本 概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控 制理论的总的目标有个大致的了解。
飞机导航系统
制导导弹 现代的高新技术 让导弹长上了“眼睛” 和“大脑”，利用负反 馈控制原理去紧紧盯住 目标
15
经典控制理论的形成
● 1948年，维纳出版《控制论》，形成完整的经 典控制理论，标志控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人！ ●维纳《控制论》是关于怎样把机械元件和电气元 件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。 这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考 虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门 自然科学中，这些因素是十分重要的。 ● 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同 部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统 的总体运 动状态。
扰动量 输入量 输出量
控制器
控制对象
?
• 控制对象：要求实现自动控制的机器、 设备或生产过程。 • 控制器：对控制对象起控制作用的控制 装置总体。 • 输入量：作用于控制系统输入端，并可 使系统具有预定功能或预定输出的物理 量。 • 输出量：位于控制系统输出端，并要求 实现自动控制的物理量。 • 扰动量：破坏系统输入量和输出量之间 预定规律的信号。
自动控制原理
Principles of Automatic Control
电气工程及其自动化
引
控制理论：
言
自动化学科的重要理论基础
研究自动控制共同规律的技术科学
自动控制技术应用
自动控制系统
课程的性质和特点
• 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。 • 《自动控制原理》是本学科的专业基础课，是 自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程 的关系如下。
1.0 自动控制发展简史
中国古代自动化方面的成就：
• 公元前14世纪至前11世纪，中国、 埃及和巴比伦出现自动计时漏壶； • 公元130年，张衡发明水运浑象， 132年研制出自动测量地震的候风 地动仪； • 公元235年，马钧研制出用齿轮传 动自动指示方向的指南车，类似按 扰动补偿的自控系统；
10
11
飞球调节器 世界上公认的第一个自动控制系统
• 1788年瓦特发明飞球 调节器，进一步推
调节器轴
动蒸汽机的应用， 促进了工业的发展。
• 推动了社会进步是飞 球调节器公认为第一 个自动控制系统的最 主要原因！
关 汽阀联结器 套环 开 汽轮机轴
图1.1 飞球调节器原理图
没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！ • 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度 振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 • 由于当时还没有自控理论，所以不能从理 论上解释这一现象。为了解决这个问题， 盲目探索了大约一个世纪之久。
中国古代自动化方面的辉煌成就：
• 公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的 水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按被 调量偏差调节的自动调节器； • 公元1086-1092年，苏颂和韩公廉建造具有“天衡” 自动调节和自动报时机构的水运仪象台； • 公元l135年，宋代王普记述“莲华漏”上使用浮 子—阀门式机构自动调节漏壶的水位； • 公元1637年，明代的《天工开物》一书中记载有 程序控制思想的提花织机结构图。
(4)校正装置:为改善系统动态和静态特性而附加 的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中, 称为串联校正装置;如果校正装置接成反馈形式, 称为并联校正装置,又称局部反馈校正。
(5)反馈环节:它用来测量被控量的实际值,并经 过信号处理,转换为与被控制量有一定函数关系, 且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般 也称为测量变送环节。 (6)给定环节:产生输入控制信号的装置。
自动控制系统控制原理方框图
自动控制装置 偏差 控制器 输入量 广义对象 扰装置 测量装置
控制 对象
输出量
元素：
（1）
（2）
：元件
：信号（物理量）及传递方向
（3）
（4）
：比较点（信号叠加）
：引出点（分支、信号强度）
（5）+/- ：符号的意义（正、负反馈）
信号与系统 电路理论 电机与拖动 复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术
自动控制理论
线性代数
大学物理（力学、热力学）
微积分（含微分方程）
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
计算机数学语言 MATLAB 数值解/解析解（数学运算）
ax bx c d
人造地球卫星 控制其准确地进入预定轨道运行并 回收
哈勃望远镜－特殊地卫星
中巴资源卫星
雷达技术
雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是 把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去， 并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起 的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个 天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使 天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行 “搜索”。
炉温控制系统方框图
+ RP1
R1
R0
ug R0 -ut
+
+ uc
RP2 +
直流电机调 速系统
udo
M
TG
扰动
给定 装置
ug
ue (-) ut
放大器
触发器 控制装置 转速反 馈装置
方框图
晶阐管可 控整流器
udo
电动机 受控对象
n
关键点：
• • • • • 工作原理 输入输出 被控对象 中间环节 信号传递
18
经典控制理论(古典控制理论)
以传递函数为基础，研究单输入---单输 出定常控制系统的分析与设计问题：
线性控制系统分析：时域分析、稳定性与 稳态误差分析、根轨迹分析、频域分析。
非线性控制系统分析：相平面分析、描述 函数分析。 （连续控制系统、离散控制系统）
现代控制理论
以状态空间法为基础，研究多输入--多 输出时变、非线性、高精度、高效能控制 系统的分析与设计问题： （线性系统、自适应控制、最优控制、 鲁棒控制、最佳估计、容错控制、系统辨 识、集散控制、大系统复杂系统） 智能控制（专家系统、模糊控制、神经 网络、遗传算法）
参考资料
• • • • • • 自动控制原理（第五版） 胡寿松 自动控制原理实验指导 李秋红 自动控制原理的MATLAB实现 黄忠霖 控制数学问题的MATLAB求解 薜定宇 自动控制原理习题集 胡寿松 现代控制工程（第三版） 卢伯英
1.1 自动控制的概念
• 自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利 用控制装置（称控制器），使整个生产过程或 工作机械（称被控对象）的某个工作状态或参 数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。 • 自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统， 由控制器与控制对象组成。
2.反馈控制 —— 闭环控制（核心）
闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制,其 原理框如图所示。从系统中信号流向看,系统的输 出信号沿反馈通道又回到系统的输入端,构成闭合 通道,故称闭环控制系统,或反馈控制系统。
前/正向通道
反/负向通道
这种控制方式,无论是由于干扰造成,还是由于 结构参数的变化引起被控量出现偏差,系统就利用 偏差去纠正偏差,故这种控制方式为按偏差调节。 闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正 偏差,使系统达到较高的控制精度。但与开环控制 系统比较,闭环系统的结构比较复杂,构造比较困难。 需要指出的是,由于闭环控制存在反馈信号,利用偏 差进行控制,如果设计得不好,将会使系统无法正常 和稳定地工作。另外,控制系统的精度与系统的稳 定性之间也常常存在矛盾。
开环控制和闭环控制方式各有优缺点,在实际 工程中应根据工程要求及具体情况来决定。如果 事先预知输入量的变化规律,又不存在外部和内部 参数的变化,则采用开环控制较好。如果对系统外 部干扰无法预测,系统内部参数又经常变化,为保证 控制精度,采用闭环控制则更为合适。如果对系统 的性能要求比较高,为了解决闭环控制精度与稳定 性之间的矛盾,可以采用开环控制与闭环控制相结 合的复合控制系统。
控制系统中常用的名词术语
(1)输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外 界输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其 中控制信号又称控制量、参考输入、或给定值。 (2)输出信号:是指反馈控制系统中被控制的物理量, 它与输入信号之间有一定的函数关系。 (3)反馈信号:将系统(或环节)的输出信号经变换、 处理送到系统(或环节)的输入端的信号,称为反馈 信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入 端,这种反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部 反馈信号。
控制系统
(自动控制系统方块图的绘制)
1.2 控制原理与方式
1.开环控制
开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统,即 需要控制的是被控对象的某一量(被控量),而测量的 只是给定信号,被控量对于控制作用没有任何影响的 系统。结构如图所示。
扰动
给定值
输出量
控制器
控制对象
按给定值操纵的开环 控制原理方框图
（3）.复合控制
补偿器
输入量
扰动 输出量
控制器
控制对象
扰动
补偿器
输入量 输出量
控制器
控制对象
1.3 自动控制系统的组成及术语
典型反馈控制系统的原理如图所示
(1)被控对象:它是控制系统所控制和操纵的对象, 它接受控制量并输出被控制量。
(2)控制器:接收变换和放大后的偏差信号,转换为 对被控对象进行操作的控制信号。 (3)放大变换环节:将偏差信号变换为适合控制器 执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来 放大变换。
本章主要讲什么内容?
从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、 设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本 概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控 制理论的总的目标有个大致的了解。
飞机导航系统
制导导弹 现代的高新技术 让导弹长上了“眼睛” 和“大脑”，利用负反 馈控制原理去紧紧盯住 目标
15
经典控制理论的形成
● 1948年，维纳出版《控制论》，形成完整的经 典控制理论，标志控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人！ ●维纳《控制论》是关于怎样把机械元件和电气元 件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。 这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考 虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门 自然科学中，这些因素是十分重要的。 ● 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同 部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统 的总体运 动状态。
扰动量 输入量 输出量
控制器
控制对象
?
• 控制对象：要求实现自动控制的机器、 设备或生产过程。 • 控制器：对控制对象起控制作用的控制 装置总体。 • 输入量：作用于控制系统输入端，并可 使系统具有预定功能或预定输出的物理 量。 • 输出量：位于控制系统输出端，并要求 实现自动控制的物理量。 • 扰动量：破坏系统输入量和输出量之间 预定规律的信号。
自动控制原理
Principles of Automatic Control
电气工程及其自动化
引
控制理论：
言
自动化学科的重要理论基础
研究自动控制共同规律的技术科学
自动控制技术应用
自动控制系统
课程的性质和特点
• 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。 • 《自动控制原理》是本学科的专业基础课，是 自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程 的关系如下。
1.0 自动控制发展简史
中国古代自动化方面的成就：
• 公元前14世纪至前11世纪，中国、 埃及和巴比伦出现自动计时漏壶； • 公元130年，张衡发明水运浑象， 132年研制出自动测量地震的候风 地动仪； • 公元235年，马钧研制出用齿轮传 动自动指示方向的指南车，类似按 扰动补偿的自控系统；
10
11
飞球调节器 世界上公认的第一个自动控制系统
• 1788年瓦特发明飞球 调节器，进一步推
调节器轴
动蒸汽机的应用， 促进了工业的发展。
• 推动了社会进步是飞 球调节器公认为第一 个自动控制系统的最 主要原因！
关 汽阀联结器 套环 开 汽轮机轴
图1.1 飞球调节器原理图
没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！ • 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度 振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 • 由于当时还没有自控理论，所以不能从理 论上解释这一现象。为了解决这个问题， 盲目探索了大约一个世纪之久。
中国古代自动化方面的辉煌成就：
• 公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的 水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按被 调量偏差调节的自动调节器； • 公元1086-1092年，苏颂和韩公廉建造具有“天衡” 自动调节和自动报时机构的水运仪象台； • 公元l135年，宋代王普记述“莲华漏”上使用浮 子—阀门式机构自动调节漏壶的水位； • 公元1637年，明代的《天工开物》一书中记载有 程序控制思想的提花织机结构图。
(4)校正装置:为改善系统动态和静态特性而附加 的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中, 称为串联校正装置;如果校正装置接成反馈形式, 称为并联校正装置,又称局部反馈校正。
(5)反馈环节:它用来测量被控量的实际值,并经 过信号处理,转换为与被控制量有一定函数关系, 且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般 也称为测量变送环节。 (6)给定环节:产生输入控制信号的装置。
自动控制系统控制原理方框图
自动控制装置 偏差 控制器 输入量 广义对象 扰装置 测量装置
控制 对象
输出量
元素：
（1）
（2）
：元件
：信号（物理量）及传递方向
（3）
（4）
：比较点（信号叠加）
：引出点（分支、信号强度）
（5）+/- ：符号的意义（正、负反馈）
信号与系统 电路理论 电机与拖动 复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术
自动控制理论
线性代数
大学物理（力学、热力学）
微积分（含微分方程）
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
计算机数学语言 MATLAB 数值解/解析解（数学运算）
ax bx c d
人造地球卫星 控制其准确地进入预定轨道运行并 回收
哈勃望远镜－特殊地卫星
中巴资源卫星
雷达技术
雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是 把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去， 并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起 的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个 天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使 天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行 “搜索”。
炉温控制系统方框图
+ RP1
R1
R0
ug R0 -ut
+
+ uc
RP2 +
直流电机调 速系统
udo
M
TG
扰动
给定 装置
ug
ue (-) ut
放大器
触发器 控制装置 转速反 馈装置
方框图
晶阐管可 控整流器
udo
电动机 受控对象
n
关键点：
• • • • • 工作原理 输入输出 被控对象 中间环节 信号传递
18
经典控制理论(古典控制理论)
以传递函数为基础，研究单输入---单输 出定常控制系统的分析与设计问题：
线性控制系统分析：时域分析、稳定性与 稳态误差分析、根轨迹分析、频域分析。
非线性控制系统分析：相平面分析、描述 函数分析。 （连续控制系统、离散控制系统）
现代控制理论
以状态空间法为基础，研究多输入--多 输出时变、非线性、高精度、高效能控制 系统的分析与设计问题： （线性系统、自适应控制、最优控制、 鲁棒控制、最佳估计、容错控制、系统辨 识、集散控制、大系统复杂系统） 智能控制（专家系统、模糊控制、神经 网络、遗传算法）
参考资料
• • • • • • 自动控制原理（第五版） 胡寿松 自动控制原理实验指导 李秋红 自动控制原理的MATLAB实现 黄忠霖 控制数学问题的MATLAB求解 薜定宇 自动控制原理习题集 胡寿松 现代控制工程（第三版） 卢伯英