1. 《自动控制原理》胡寿松主编 第五版 电子课件——第一章
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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五版_图文
• 随动系统（又称伺服系统） 输入信号是预先不知道的随时间任意变化的函数， 控制系统能使输出信号以任意高的精度跟随给定值 的变化 。主要强调跟随性。
• 程序控制系统 输入信号是已知的、预先设定好的时间的函数。
26
1-3 自动控制系统的分类
2.线性定常离散控制系统 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码 形式，因而信号在时间上是离散的。连续系统经过采样开 关的采样就可以转换成离散信号。离散系统用差分方程描 述。
1954年第一台工业机器人 3
1-1 自动控制的基本原理与方式
汽车自动焊接生产线
月球车（月面巡视器）
4
1-1 自动控制的基本原理与方式
自动控制定义：在无人直接参与的情况下，利用外加的 设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生 产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控 量）自动地按预定的规律（给定量）运行。（强调控制的 目的，自动的含义）
性的、时变的。这一时期的主要代表人物有庞特里亚
金、贝尔曼（Bellman），及卡尔曼（R.E.Kalman，
1930～）等人。庞特里亚金于1961年发表了极大值原
理；贝尔曼在1957年提出了动态规划原则；1959年，卡
尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即
所谓著名的卡尔曼滤波
7
1-1 自动控制的基本原理与方式
15
1-1 自动控制的基本原理与方式
闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性 质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误 差)的控制系统。 闭环控制系统的特点： 1. 系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚
敏感。 2. 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。 3. 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于
• 程序控制系统 输入信号是已知的、预先设定好的时间的函数。
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1-3 自动控制系统的分类
2.线性定常离散控制系统 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码 形式，因而信号在时间上是离散的。连续系统经过采样开 关的采样就可以转换成离散信号。离散系统用差分方程描 述。
1954年第一台工业机器人 3
1-1 自动控制的基本原理与方式
汽车自动焊接生产线
月球车（月面巡视器）
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1-1 自动控制的基本原理与方式
自动控制定义：在无人直接参与的情况下，利用外加的 设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生 产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控 量）自动地按预定的规律（给定量）运行。（强调控制的 目的，自动的含义）
性的、时变的。这一时期的主要代表人物有庞特里亚
金、贝尔曼（Bellman），及卡尔曼（R.E.Kalman，
1930～）等人。庞特里亚金于1961年发表了极大值原
理；贝尔曼在1957年提出了动态规划原则；1959年，卡
尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即
所谓著名的卡尔曼滤波
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1-1 自动控制的基本原理与方式
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1-1 自动控制的基本原理与方式
闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性 质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误 差)的控制系统。 闭环控制系统的特点： 1. 系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚
敏感。 2. 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。 3. 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于
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）
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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
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第1章第19页
1.3.1 基本组成部分
r(t) 给定 元件
输入量
胡寿松自动控制原理第五版
②系统快速性较好， ①系统反应迟钝。
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1-4 对自动控制系统的基本要求
• 准确性 对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出 量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统稳态 精度的重要指标。 稳态误差越小，表示系统的准确性越好。 稳、准、快是相互制约的！
a0c(k + n) + a1c(k + n 1) + + an1c(k + 1) + anc(k ) b0r (k + m) + b1r (k + m 1) + + bm1r (k + 1) + bmr (k )
3、非线性控制系统 系统中只要有一个元部件是非线性的，这类系统称为非线 性系统。要用非线性微分（或差分）方程来描述其特征。
1954年第一台工业机器人
3
1-1 自动
1-1 自动控制的基本原理与方式
自动控制定义：在无人直接参与的情况下，利用外加的 设备或装臵（称控制装臵或控制器），使机器、设备或生 产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控 量）自动地按预定的规律（给定量）运行。（强调控制的 目的，自动的含义） 自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般 由控制装臵和被控对象组成。
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1-1 自动控制的基本原理与方式
常用的名词术语 输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出 量变化规律的指令信号。 输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又 称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。 反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件) 输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。
测量元件—用以测量被控的物理量，量并将其转换成与 输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。如果 这个物理量是非电量，一般转换为电量。 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。 比较元件—其职能是把测量元件检测的被控量实际值与 给定元件给出的输入量进行比较，求出它们的偏差。 放大元件—其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放 大，用来推动执行元件去控制被控对象。 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。 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，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系 统的性能。
第一章自动控制原理(1)(共59张PPT)
分类：正反馈和负反馈 一定的给定值对应一定的输出量。
下面是非线性系统的一些例子： 如步进电机，继电器开关。 人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造许多装置。 C 麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题。
负反馈控制原理 ：利用反馈产生偏差，并利用 低精度元件可组成高精度系统；
❖ 1786年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心 调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。
5
瓦特
6
瓦特的蒸汽机
7
离心调速器工作原理
8
工作原理：进入蒸汽缸中的蒸汽量，可根据蒸汽机
的希望转速与实际转速的差值自动地进行调整。它的 工作原理是：根据希望的转速，设置输入量(控制量) 。如果实际转速降低到希望的转速值以下，则调速器 的离心力下降，从而使控制阀上升，进入蒸汽机的蒸 汽量增加，于是蒸汽机转速随之增加，直至上升到希 望的转速值时为止。反之，若蒸汽机的转速增加到超 过希望的转速值，调速器的离心力便会增加，造成控 制阀向下移动。这样就减少了进入蒸汽机的蒸汽量， 蒸汽机的转速也就随之下降，直到下降至希望的转速 时为止。
对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无 法自动补偿。。
28
主要特点：
输出不影响输入，对输出不需要测量，容易实现；
对构成系统的元部件精度要求高，只有元部件精度 高，系统的精度才能高；
系统的稳定性不是主要问题
结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳 定和扰动信号较弱的场合
29
按扰动控制的开环控制方式：
❖ 闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、 外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制 精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加）；系统 设计、分析麻烦。
下面是非线性系统的一些例子： 如步进电机，继电器开关。 人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造许多装置。 C 麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题。
负反馈控制原理 ：利用反馈产生偏差，并利用 低精度元件可组成高精度系统；
❖ 1786年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心 调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。
5
瓦特
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瓦特的蒸汽机
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离心调速器工作原理
8
工作原理：进入蒸汽缸中的蒸汽量，可根据蒸汽机
的希望转速与实际转速的差值自动地进行调整。它的 工作原理是：根据希望的转速，设置输入量(控制量) 。如果实际转速降低到希望的转速值以下，则调速器 的离心力下降，从而使控制阀上升，进入蒸汽机的蒸 汽量增加，于是蒸汽机转速随之增加，直至上升到希 望的转速值时为止。反之，若蒸汽机的转速增加到超 过希望的转速值，调速器的离心力便会增加，造成控 制阀向下移动。这样就减少了进入蒸汽机的蒸汽量， 蒸汽机的转速也就随之下降，直到下降至希望的转速 时为止。
对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无 法自动补偿。。
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主要特点：
输出不影响输入，对输出不需要测量，容易实现；
对构成系统的元部件精度要求高，只有元部件精度 高，系统的精度才能高；
系统的稳定性不是主要问题
结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳 定和扰动信号较弱的场合
29
按扰动控制的开环控制方式：
❖ 闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、 外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制 精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加）；系统 设计、分析麻烦。
胡寿松自动控制原理第五版
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1-1 自动控制的基本原理与方式
2.自动控制科学 2.自动控制科学
自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。 自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。 控制理论的发展过程一般可分为三个阶段： 控制理论的发展过程一般可分为三个阶段： 第一阶段。时间为本世纪40 60年代 称为“ 40～ 年代， （1）第一阶段。时间为本世纪40～60年代，称为“经 典控制理论”时期。 典控制理论”时期。经典控制理论主要是解决单输入单 输出问题，主要采用传递函数、频率特性、 输出问题，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基 础的频域分析方法。 础的频域分析方法。此阶段所研究的系统大多是线性定 常系统，对非线性系统， 常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般也 不超过两个变量， 不超过两个变量，经典控制理论能够较好地解决生产过 程中的单输入单输出问题。 程中的单输入单输出问题。这一时期的主要代表人物有 伯德（ 1905～）和伊文思（W.R.Evans）。 ～）和伊文思 ）。伯 伯德（H.W.Bode 1905～）和伊文思（W.R.Evans）。伯 德于1945年提出了简便而实用的伯德图法。1948年 1945年提出了简便而实用的伯德图法 德于1945年提出了简便而实用的伯德图法。1948年，伊 文思提出了直观而又形象的根轨迹法。 文思提出了直观而又形象的根轨迹法。 6
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1-1 自动控制的基本原理与方式
常用的名词术语 输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值， 输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出 量变化规律的指令信号。 量变化规律的指令信号。 输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量， 输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又 称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。 称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。 反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件) 反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件) 输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。 输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。 主反馈 之分 偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。 偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。 误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。 误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。 扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反， 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， 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，前者称内部扰动 后者称外部扰动 内部扰动， 外部扰动。 又可来自系统外部，前者称内部扰动，后者称外部扰动。
胡寿松自动控制原理第五版
②系统快速性较好， ①系统反应迟钝。
29
1-4 对自动控制系统的基本要求
• 准确性 对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出 量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统稳态 精度的重要指标。 稳态误差越小，表示系统的准确性越好。 稳、准、快是相互制约的！
c(t):被控量；r(t):系统输入量。
a0 , a1 ,an , b0 , b1 ,bm
1、常数-线性定常系统
2、随时间变化-时变系统
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1-3 自动控制系统的分类
1、恒值控制系统 按输入量的变化规律分 2、随动系统 3、程序控制系统
• 恒值控制系统（又称自动调节系统） 输入信号为常数。主要强调抗扰性。
5.自动控制系统的基本控制方式
• 反馈控制方式
• 开环控制方式
• 复合控制方式
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1-1 自动控制的基本原理与方式
复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质 上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或 扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。
补偿装置
R 控制装置
被控对象
C
—
a.按输入作用补偿
dn d n 1 d a0 n c(t ) + a1 n 1 c(t ) + + an 1 c(t ) + an c(t ) dt dt dt dm d m 1 d b0 m r (t ) + b1 m 1 r (t ) + bm 1 r (t ) + bm r (t ) dt dt dt
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1-1 自动控制的基本原理与方式
2.自动控制科学
自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。 控制理论的发展过程一般可分为三个阶段： （1）第一阶段。时间为本世纪40～60年代，称为“经 典控制理论”时期。经典控制理论主要是解决单输入单 输出问题，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基 础的频域分析方法。此阶段所研究的系统大多是线性定 常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般也 不超过两个变量，经典控制理论能够较好地解决生产过 程中的单输入单输出问题。这一时期的主要代表人物有 伯德（H.W.Bode 1905～）和伊文思（W.R.Evans）。伯 德于1945年提出了简便而实用的伯德图法。1948年，伊 文思提出了直观而又形象的根轨迹法。
自动控制原理【课件】第1章
(3) 反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。 虽然在实际系统中, 反馈控制系统的形式是多样的, 但一般 均可化为图1 - 4的形式。
第一章自动控制的一般概念
1.2.2 线性控制系统和非线性控制系统
按照系统是否满足叠加原理, 系统可分为线性系统和非线性
系统两类。
在线性控制系统中, 组成控制系统的元件都具有线性特性。
式中：u(t) —系统的输入量；y(t) —系统的输出量。 线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系 统的输入分别为r1(t)和r2(t)时，对应的输出分别为c1(t) 和c2(t)，则当输入为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为 c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中为a1、a2为常系数。
第一章自动控制的一般概念
1、线性系统 由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线 性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系 统。其运动方程一般形式为:
y a1 y
( n)
( n1)
an y bou(n) bu(n1) bn1u bnu an1 y 1
在控制系统中, 反馈的概念非常重要。在图1-4中, 如果将反
馈环节取得的实际输出信号加以处理, 并在输入信号中减去这 个反馈量, 再将结果输入到控制器中去控制被控对象, 这样的反 馈称为负反馈; 反之, 若由输入量与反馈量相加作为控制器的输 入, 则称为正反馈。在一个实际的控制系统中, 具有正反馈形式 的系统一般是不能改进系统性能的, 而且容易使系统性能变坏, 因此不被采用; 而具有负反馈形式的系统, 它通过自动修正偏离
值。一旦室内温度达到设定值后, 放大器输出电压e使空调断电
而停止运行。于是室内温度就被控制在设定值的附近。
第一章自动控制的一般概念
1.2.2 线性控制系统和非线性控制系统
按照系统是否满足叠加原理, 系统可分为线性系统和非线性
系统两类。
在线性控制系统中, 组成控制系统的元件都具有线性特性。
式中：u(t) —系统的输入量；y(t) —系统的输出量。 线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系 统的输入分别为r1(t)和r2(t)时，对应的输出分别为c1(t) 和c2(t)，则当输入为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为 c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中为a1、a2为常系数。
第一章自动控制的一般概念
1、线性系统 由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线 性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系 统。其运动方程一般形式为:
y a1 y
( n)
( n1)
an y bou(n) bu(n1) bn1u bnu an1 y 1
在控制系统中, 反馈的概念非常重要。在图1-4中, 如果将反
馈环节取得的实际输出信号加以处理, 并在输入信号中减去这 个反馈量, 再将结果输入到控制器中去控制被控对象, 这样的反 馈称为负反馈; 反之, 若由输入量与反馈量相加作为控制器的输 入, 则称为正反馈。在一个实际的控制系统中, 具有正反馈形式 的系统一般是不能改进系统性能的, 而且容易使系统性能变坏, 因此不被采用; 而具有负反馈形式的系统, 它通过自动修正偏离
值。一旦室内温度达到设定值后, 放大器输出电压e使空调断电
而停止运行。于是室内温度就被控制在设定值的附近。
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重 点 与 难 点 重 点
1、自动控制的基本原理与基本方式 2、根据系统原理图画方框图的方法
难
点
根据系统原理图画方框图的方法
第一章 自动控制概论
§1. 2 自动控制的基本原理
1.2.1 自动控制的基本概念
控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。 1、人工控制：
进水 要求水位 实际 水位 水 池 出水
(9) 自动控制系统：由受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总体。
如图1－5所示。
给定量 控制器 自控系统
干扰量 被控量 受控对象
图1－5 自动控制系统
第一章 自动控制概论
1.2.2 自动控制系统的基本组成
自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其 被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被 控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满 足c(t) ≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。
60 ~70年代 ð 现代控制理论（状态空间法） 核心：状态变量的能控、能观性， 系统性能的最优化 特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统， 有完整的理论体系 数学基础：线性代数，矩阵理论 缺点：对系统的数学模型精度要求高， 实际性能达不到设计的最优， 所需状态反馈难以直接实现
MIMO: Multi-Input and Multi-Output
出水 量 要求水位 实际 水位
电位器连杆比较
〉
电机
阀门
水池
< 控制器 >
浮子
图1－4水位自动控制系统方框图
第一章 自动控制概论
3、控制系统中的常用术语
(1) 自动控制—在没有人直接参与的情况下，利用外加 的设备或装置使整个生产过程或工作机械自动的按 预定规律运行、或使其某个参数按要求变化。 (2) 控制装置—外加的设备或装置，亦叫控制器。 (3) 受控对象—被控制的机器或物体。 (4) 被控量—表征被控对象工作状态的物理参量，也叫 输出量。 (4) 给定量—要求被控量所应保持的数值。也叫输入量 或叫参考输入。 (5) 干扰量—系统不希望的外作用，也叫扰动输入。
本课程的体系结构
内容：经典控制理论 建模、分析、综合 范围：线性定常SISO系统 （包括连续与离散）与非线性系统 重点：基本概念、基本理论、基本方法
需要复习的内容
高等数学——微分方程、拉氏变换、富 氏变换及复变函数等 电 路——电路理论及运算方法、暂 态过程分析 电子技术——运算放大器元件及参数 计算 电 机——工作原理及机械特性
设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。
比如：人造地球卫星的 发射成功与安全返回。
导弹的准确击中目标， 雷达系统的准确跟踪目标；
交通系统：
安全、快捷、舒适、准点
钢 铁 生 产
制造系统：
数控机床
加工生产线
自动包装机器人
自动码垛机器人
家用电器：
电扇：控制转速 洗衣机：控制水位、强弱、时间等 电冰箱、空调、电饭煲：控制温度
自动控制原理
山东理工大学 李素玲
参考书
1.《自动控制原理》第四版，胡寿松，科学出版 社，2002年； 2. 《自动控制原理》高国燊，华南理工大学出版 社； 3.《自动控制原理》第二版 ，夏德钤，机械工业 出版社 4.《自动控制理论》第二版，文锋、贾光辉，中 国电力出版社。
引 言
自动控制学科由自动控制技术和自动控 制理论两部分组成。 什么是自动控制? 无须人的直接参与，通过控制装置，使 机器、设备、生产过程等按照预定的规律运 行，完成要求的任务，就叫自动控制。 近几十年来，自动控制技术正在迅猛的 发展，并在工农业生产、交通运输、国防建
系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可 以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后， 由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武 器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统 通常是用高阶微分方程来描述的。由于高阶微分方 程求解的困难，各种控制系统的理论研究和分析方 法就应运而生。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在 研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据，并 提出了稳定裕量的概念。 在此基础上，1945年伯德（H.W.Bode）提出
第一章 自动控制概论
如水位自动控制系统：
比较元件
进水 +
测量 元件
实 际 水 位 浮子
输出量
M 电机
连 杆
干扰 信号
出水
<
受控对象
图1－3 水位自动控制系统原理图
第一章 自动控制概论
(7) 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。 (8) 偏差量：给定量与主反馈信号之差。
人工控制（续）
根据系统原理图可画出其方框图如图1－2所示。
出水量 要求水位 实际水位
比较、计算
执行 测量
水池
<人 >
图1－2 水位人工控制系统方框图
第一章 自动控制概论
2、自动控制：
该水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由 浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏 差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。 最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图1-3所示。
要使炼钢炉提供优质的产品，就必须严格控制炉 温……等等。
所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。
自动控制理论的发展概况
随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展，出 现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。 自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程 中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控制技术 的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。 按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典 控制理论和现代控制理论两大部分。 经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制
§1. 1 引言 §1. 2 自动控制的基本原理 §1. 3 自动控制系统的分类 §1. 4 自动控制理论概要
主要内容
1.自动控制的基本原理 2.概念：自动控制、受控对象、控制器、被控量等 3.自动控制的基本方式和自动控制系统的分类 4.掌握根据系统原理图画方框图的方法 5.对控制系统的基本要求 6.典型输入信号
40~50年代 ð 经典控制理论 （频域法或复频域法） 核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等 特点：图形方法，直观简便，设置参数少， （以简单控制结构获取相对满意的性能） 适用范围：单输入单输出（SISO）系统 数学基础：复变函数，积分变换
SISO: Single Input and Single Output
图1－1 水位人工控制原理图
如图1－1 所示， 水 位保持系统。
第一章 自动控制概论
人工控制（续）
若要求在出水量随意的条件下，保持水位高 度不变：操作人员需先测实际水位，并在脑 子中与要求的水位进行比较。若低于要求的 水位，则需开大进水阀门。否则应关小进水 阀门。若两者正好相等，则进水阀门不动。
第一章 自动控制概论
进水 + 连 杆 实 际 水 位 浮子
M 电机
<
出水
图1－3 水位自动控制系统原理图
第一章 自动控制概论
自动控制（续）
在此：浮子测水位，由连杆和电位器进行比较： 浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机向进 水阀门开大的方向旋转；反之，当浮子高时，电位器 上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位 正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不动。
了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研 究控制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。 随后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又创立了另 一种图解法即有名的根轨迹法。追溯到1877年，劳 斯（E.Routh）和1895年赫尔维茨（A.Hurwitz） 分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数 判据。这些都是经典控制理论的重要组成部分。50 年代中期，经典控制理论又添加了非线性系统理论 和离散控制理论，从而形成了完整的理论体系。
自动控制技术的应用，不仅使生产过程实 现自动化，从而提高了劳动生产率和生 活质量，降低生产成本，提高经济效 益，改善劳动条件，而且在人类征服大 自然、探索新能源、发展空间技术和创 造人类文明等方面都具有十分重要的意 义。作为现代的工程技术人员和科学工 作者，都必须具备一定的自动控制理论 基础知识。
基 本 要 求
通过学习本课程，获得自动控制 系统的基本概念和基本理论；掌握分 析自动控制系统或过程控制系统的基 本方法。
自动控制理论
经典控制理论 线性控制系统 现代控制理论 非线性控制系统 离散控制系统
第 六 章
ห้องสมุดไป่ตู้
连续控制系统
第 二 章 第 三 章 第 四 章 第 五 章
第 七 章
第 八 章
第一章 自动控制概论
50年代开始，由于空间技术的发展，各种高速、 高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变 量、非线性、时变和自适应等控制问题，60年代初 又形成了现代控制理论。现代控制理论的基础是： 1956年庞特里亚金提出了极大值原理，1957年贝 尔曼（R.Bellman）提出了动态规划，1960年卡尔 曼（R.E.Kalman）提出了最优滤波理论以及状态 空间方法的应用。从60年代至今40多年来，现代控 制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支， 如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、 自适应控制、大系统理论等。
输入量 输出量
串联校正
放大
执行
受控对象
反馈校正 测量
图1－6 自动控制系统的组成
第一章 自动控制概论
基本组成（续）
<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。一般为电位器。 <2>比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值 与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们 之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动 装置、电桥电路、计算机等。 <3>测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。 如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转 变压器、浮子等。