自动控制原理第一章(胡寿松)
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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_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；
胡寿松《自动控制原理》(第7版)笔记和课后习题(含考研真题)详解(第1~2章)【圣才出品】
第1章自动控制的一般概念1.1复习笔记本章内容主要是经典控制理论中一些基本的概念，一般不会单独考查。
一、自动控制的基本原理与方式1．反馈控制方式反馈控制方式的主要特点是：（1）闭环负反馈控制，即按偏差进行调节；（2）抗干扰性好，控制精度高；（3）系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。
2．开环控制方式开环控制方式可以分为按给定量控制和按扰动控制两种方式，其特点是：（1）无法通过偏差对输出进行调节；（2）抗干扰能力差，适用于精度要求不高或扰动较小的情况。
3．复合控制方式复合控制即开环控制和闭环控制相结合。
二、自动控制系统的分类根据系统性能可将自动控制系统按线性与非线性、连续和离散、定常和时变三个维度进行分类，本书主要介绍了线性连续控制系统、线性定常离散控制系统和非线性控制系统的性能分析。
三、对自动控制系统的基本要求1．基本要求的提法稳定性、快速性和准确性。
2．典型外作用（1）阶跃函数阶跃函数的数学表达式为：0,0(),0t f t R t <⎧⎪=⎨≥⎪⎩（2）斜坡函数斜坡函数的数学表达式为：0,0(),0t f t Rt t <⎧⎪=⎨≥⎪⎩（3）脉冲函数脉冲函数定义为：0000()lim [1()1()]t A f t t t t t →=--（4）正弦函数正弦函数的数学表达式为：f t A tωϕ=-()sin()式中，A为正弦函数的振幅；ω＝2πf为正弦函数的角频率；φ为初始相角。
1.2课后习题详解1-1图1-2-1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1-2-1液位自动控制系统原理图解：当Q1≠Q2时，液面高度的变化。
例如，c增加时，浮子升高，使电位器电刷下移，产生控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的流量减少。
反之，当c 减小时，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度c。
自动控制原理胡寿松第三版第1章
群时延
系统对信号的延迟时间随频率的变化， 反映了系统对信号速度的影响。
稳定性
通过判断系统的极点和零点分布，分 析系统的稳定性，即系统在受到扰动 后恢复平衡状态的能力。
开环频率特性的绘制和分析
开环系统的频率特性
开环系统是指没有反馈控制的系统，其频率特性由系统的开环传 递函数决定。
开环频率特性的绘制方法
自动控制系统的基本要求
总结词
自动控制系统的基本要求包括稳定性、快速性和准确 性。
详细描述
稳定性是自动控制系统的基本要求之一，它是指系统 在受到扰动或输入信号变化时，能够恢复到原来的平 衡状态或达到新的平衡状态的性能。快速性则是指系 统能够快速地响应输入信号的变化，减小调节时间和 超调量。准确性则是指系统能够准确地跟踪输入信号 的变化，减小误差和提高控制精度。这些基本要求相 互关联，在实际应用中需要根据具体情况进行权衡和 优化。
构建方法
通过将系统各部分表示为方框， 并使用信号线连接，构建出整个 系统的动态结构图。
应用
动态结构图便于对控制系统进行 直观分析和设计，可以用于模拟 系统的动态行为和输出响应。
梅森公式
定义
梅森公式是控制系统分析中的一种重要公式，用 于计算系统的传递函数。
公式形式
梅森公式以级数展开的形式表示传递函数，可以 用于分析系统的稳定性、频率响应等特性。
自动控制原理胡寿松第三版 第1章
• 自动控制系统的基本概念 • 自动控制系统的数学模型 • 控制系统的时域分析法 • 控制系统的频率分析法
01
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的定义与组成
总结词
自动控制系统是由控制器、受控对象和反馈通路组成，通过自动调节输入信号，使输出 信号按照预定规律变化。
自动控制原理课件第一章 胡寿松
4
1.1.3 反馈控制原理 自动控制系统: 为实现各种控制任务, 自动控制系统: 为实现各种控制任务,将被控对象和控制装置按 照一定的方式连接起来的一个有机总体. 照一定的方式连接起来的一个有机总体. 反馈控制: 反馈控制: 在自动控制系统中将被控量以负反馈的形式与输入量 进行比较,并利用偏差来不断消除偏差的控制过程. 进行比较,并利用偏差来不断消除偏差的控制过程. 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统
+
电动机
RW
-
Up
>
K2 SD
i
M
fz
Ua D 减速器 CF n
K1
调速系统（ 调速系统（闭环）
∆U
UCF Ur
E
Ur ＋ UCF －
∆U
＞ K1
USD
SD
Up CF
＞ K2
Ua
D
n
调速系统（ 图1-6 调速系统（闭环）及其职能方块图
11
闭环系统的特点： 闭环系统的特点： 利用偏差消除偏差； ① 利用偏差消除偏差； 能抑制内部或外部扰动对系统的影响， ② 能抑制内部或外部扰动对系统的影响，可用低成本元件构 成高精度系统； 成高精度系统； 稳定性是个重要问题。 ③ 稳定性是个重要问题。 注意： 注意： 在实际系统中，一个元件常兼有两种或两种以上的职能； ① 在实际系统中，一个元件常兼有两种或两种以上的职能； 上述元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、气动、 ② 上述元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、气动、 液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压等控制系统， 液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压等控制系统，但其工 作原理都是一致的。 作原理都是一致的。 12
自动控制原理胡寿松第一张
时间离散：系统中存在某些信号，仅在特定旳时间点上有定义。 离散系统描述旳特点：用差分方程来描述。
•非线1-4 对自动控制系统旳基本要求
1.基本要求旳提法 2.经典外作用
怎样评价系统？
•基本要求旳提法
1.稳定性：系统在没有外加信号鼓励条件下，能否最终停留在一种 固定旳位置上。
位置测量
•电阻炉微型计算机温度控制系统
控制目旳：电炉温度在设定旳范围内。 工作原理：电阻丝经过晶闸管主电路加热。温度依托电阻丝中旳电
流大小来调整。
温度检测：热电偶。 控制器：微型计算机。 计算机控制器特点：微型计算机采用数字量，按节拍工作。
设定温度
微型计算机
D/A转换
晶闸管
炉温
电阻丝
A/D转换
热电偶
•锅炉液位控制系统
控制目的：锅炉内水位在设定范围（进水量与蒸发水量平衡）。
调整量：经过调整进水阀门开赌旳大小，变化进水量。 工作原理：由液位测量装置（变送器）测出液位信号，与设定值比
较，若液位降低，则加大阀门开度，反之则减小。
设定水位
调整器
阀门
干扰 水位
锅炉
液位测量
§1-3 自动控制系统旳分类
1.线性连续控制系统 2.线性定常离散控制系统 3.非线性控制系统
1.函数统计仪 2.飞机自动驾驶仪 3.电阻炉微型计算机温度控制系统 4.锅炉液位控制系统
•函数统计仪
控制目的：纪录笔按要求到达要求位置。
控制量：纪录笔位置。 控制对象：纪录笔。
纪录笔运动原理：给定一种电压信号，设定位移量。在输入作用下 开启电机，带动齿轮、绳系，拖动纪录笔运动。
位置精度考虑：为了使纪录笔能精确到达指定位置，应将纪录笔旳 位置测量出来，用来反馈。
《自动控制原理》胡寿松——总结与复习
三、绘制常规根轨迹的基本规则
根轨迹的分支数、对称性、 起点和终点、实轴上的根轨迹、 渐近线（倾角，与实轴的交点）、 分离点和会合点、与虚轴的交点、 出射角和入射角、 特征方程的根之和=开环极点之和（n-m≥2）
分析与设计：
确定主导极点→根轨迹增益→其他闭环极点→闭环传递函数
第五章 频域分析法
一、频率特性的定义 输出的稳态分量与输入正弦信号之间的关系； 幅频特性，相频特性
（参数的稳定域） ➢ 分析系统的相对稳定性。
5. 控制系统的稳态误差
• 稳态误差的定义和分类 跟踪稳态误差、扰动稳态误差。
• 利 用 终 值 定 理 求 稳 态 误差
前 提 ：E(s) 除 原 点 外 ， 其 余 极 点 均在 左 半 平 面 。
• 不 能 利 用 终 值 定 理 时 如何 求 稳 态 误 差
串联校正的两种常用思路
1. 根据性能要求确定希望的开环频率特性的 Bode图，再由Bode图求开环传递函数， 最后得到校正装置的传递函数。
2. 限定校正装置为简单结构，通过改变其参 数来获得尽可能好的开环频率特性。
思路2的常用校正方式： 超前校正，滞后校正，滞后超前校正
R(s) E(s)
-
Gc (s)
• 稳定性的基本概念 • 稳定性的两种常用定义
运动稳定性 有界输入有界输出稳定性（ BIBO 稳定） • 线性定常系统的稳定条件 系统极点均具有负实部 • 反馈控制系统稳定的充要条件 特征方程的根（闭环极点）均具有负实部
•劳斯-赫尔维茨稳定判据
劳斯表的计算规律
劳斯判据的应用：
➢ 判断系统是否稳定； ➢ 判断不稳定极点的个数； ➢ 求出保证系统稳定的参数取值范围；
二、频率特性的几何表示 幅相频率特性图（极坐标图，Nyquist图）； 对数幅频特性和对数相频特性（伯德图）；
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第二节 自动控制的一般概念
控制：使被控对象按照控制者的意愿运动。
系统：是由一些相互联系、相互制约的若干 组成部分结合而成的、具有特定功能的一个 有机整体。
从三个方面理解系统的概念： （1）系统是由若干 要素（部分）组成的。（2）系统有一定的结构。 （3）系统有一定的功能，或者说系统要有一定的 目的性。
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第一章 控制系统导论
例1.11.人工控制恒温箱
[控制过程] 1 观测恒温箱内的温度（
被控制量） 2 与要求的温度（给定值
）进行比较得到温度偏 差的大小和方向 3 根据偏差大小和方向调 节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度 回复到要求值
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第一章 控制系统导论
• 第四章 线性系统的根轨迹分析法 6
• 第五章 线性系统的频域分析法 10
• 第六章 反馈控制系统的设计
8
• 第七章 数字控制系统的分析与设计 8
3
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第一章 控制系统导论
第一节自动控制系统举例 例1.1.以机器人为单元的无人化工厂
4
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第一章 控制系统导论
将系统的输出量反送到输入端，与输入量相 比较产生偏差；根据偏差确定控制信号；驱 动执行器操作以减小或消除偏差，实现控制 目标。
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第一章 控制系统导论
控制系统的基本组成
输入信号 给定值
偏差 控制器
-
执行机构
测量装置
干扰
被控对象
输出量
典型控制系统的方块图
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例1.11.人工控制恒温箱（续）
期望温度 偏差 大脑
手
-
眼睛
调压器 恒温箱 温度计
实际温度
人工控制恒温箱方块图
21
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第一章 控制系统导论
例1.12恒温箱自动控制系 统
[控制过程]
1 恒温箱实际温度由热电 偶转换为对应的电压u2
2 恒温箱期望温度由电压 u1给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信 号u=u1-u2
第一章 控制系统导论
被控对象：要求实现自动控制的设备或过程
被控量（输出量）：指被控对象的输出
控制量：控制器施加给被控对象的控制信号
输入量（参考输入）：作用于控制系统输入 端，并可实现使系统具有预定性能或预定输 出的物理量
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第一章 控制系统导论
偏差：参考输入与反馈信号之间的差值
第一章 控制系统导论
控制系统的工作过程： ➢检测输出量（被控制量）的实际值；
➢将输出量的实际值与给定值（输入量 ）进行比较得出偏差；
➢用偏差值产生控制调节作用去消除偏 差，使得输出量维持期望的输出。
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第一章 控制系统导论
反馈控制原理：
为了实现被控对象的状态或参数按预定规律 运行，需要获取被控对象的反馈信息，控制 装置根据反馈信息对被控对象施加控制作用 ，用来不断修正输出量与预定规律的偏差。
第一章 控制系统导论
例1.6.[人造卫星]:在预定轨道飞行
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第一章 控制系统导论
例1.7.[电热水器]:将水加热到设定温度
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第一章 控制系统导论
例1.8.[全自动洗衣机]:按设定程序洗衣服
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第一章 控制系统导论
第一章 控制系统导论
方块图（方框图）：由方块、信号线、比较 点和引出点组成。
信号线 比较点
方块
引出点
信号线：表示信号的流向，用带箭头的线表 示
方块：表示控制装置和被控对象，表示对信号的
变换 。
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第一章 控制系统导论
比较点：表示对两个以上信号进行加减运算。
引出点：表示信号引出或测量的位置。
绘制方框图时，首先画出系统各元部件的方块 ，然后根据各元部件的信号流向，用信号线将 各方块连接起来。 Nhomakorabea17
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第一章 控制系统导论
例1.10：汽车方向控制系统
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第一章 控制系统导论
预期行
驶路线
偏差
+ 比较器
驾车人
方向盘
视觉测量
实际行 汽车 驶路线
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3 温度偏差信号经放大后 ，驱动执行电动机调节 电流，直到温度达到给 定值为止，此时，偏差 u=0,电机停止转动。
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第一章 控制系统导论
例1.12.恒温箱自动控制系统（续）
设定 温度
放大器
控制电机
减速器 调压器 恒温箱
恒温箱 温度
热电偶
恒温箱自动控制系统方块图
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误差：期望输出与实际输出之间的偏差
扰动：指外界或系统内部影响系统输出的干 扰信号
反馈：指取出输出量送回到输入端并与输入 信号相比较产生偏差的过程
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例1.2.墙面清洗机器人
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第一章 控制系统导论
例1.3.机械手
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第一章 控制系统导论
例1.4.[导弹]:自动飞行到预定目标
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第一章 控制系统导论
例1.5.[无人驾驶飞机]:按照预定航线飞行
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第一章 控制系统导论
第三节 控制系统基本结构 例1.9：调节容器液面位置的人工闭环控制系统
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第一章 控制系统导论
预期
眼 观 察
干扰或 激励
液体的流 入和流出
目标 分析
脑
执手
工作
决策
行
对象
实际 结果
液位
眼 观
察
15
成都信息工程学院控制工程系
自动控制原理
自动控制原理
授课老师：瞿福存
联系方式：Email：qufc@
课件密码：student
课程基本情况：见《自动控制原理A》课程 教学大纲 。
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自动控制原理
课程的主要内容及学时分配
• 第一章 控制系统导论 6
• 第二章 控制系统的数学模型
8
• 第三章 线性系统的时域分析法 10
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第一章 控制系统导论
自动控制 :在没有人直接参与的情况下，利用 外加的设备或装置,使机器、设备或生产过程的 某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运 行。
自动控制系统 :为了实现自动控制任务，将被 控对象和控制装置按照一定的方式连接起来组 成的一个有机整体。
自动控制理论 :是研究自动控制共同规律的一 门技术科学。