自动控制理论的一般概念
自动控制原理--第1章 自动控制理论的一般概念
1-3 典型控制系统
恒值系统：
也称镇定系统。输出量以一定的精度等于 给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢， 扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产 过程中，这类系统非常多。例如：恒温系统， 恒压系统等。
例 锅炉空气预热器密封间隙控制系统
系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算 机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调 整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。
u
~220V
开关闭合后，不同 的输入电压u对应于 不同的温度t。
炉温开环控制系统
扰动量
输入量 (电源 )
开关
加热电 阻丝
控制装置
电炉恒 温箱
受控对象
输出量 (温度)
炉温开环控制系统方框图
扰动
给定值
控制器
被控制 对象
典型开环控制的方框图
输出量
系统框图帮助理解系统的构成和性质
开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.
第1章 自动控制理论的一般概念
1-1 自动控制发展史 1-2 自动控制的基本方式 1-3 典型控制系统 1-4 对于自动控制系统的要求
1-1 自动控制发展史
经典控制理论（20世纪40年代及其以前）
主要研究单输入单输出线性定常系统 时域、频域和复域分析和设计问题。
现代控制理论（20世纪60年代）
主要研究多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统 分析和设计问题；最优控制问题。
(c)
五、复合控制
它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主
要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组
成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生
自动控制原理知识点
自动控制原理知识点 The document was finally revised on 2021第一章自动控制的一般概念自动控制的基本原理与方式1、自动控制、系统、自动控制系统◎自动控制：是指在没有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）自动地按照预定的规律（给定值）运行。
◎系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。
◎自动控制系统：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。
除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它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。
2、自动控制原理及其要解决的基本问题◎自动控制原理：是研究自动控制共同规律的技术科学。
而不是对某一过程或对象的具体控制实现（正如微积分是一种数学工具一样）。
◎解决的基本问题：建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述）分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能）综合：控制系统的综合与校正——控制器设计（方案选择、设计）3、自动控制原理研究的主要内容4、室温控制系统5、控制系统的基本组成◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。
◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放大器）。
◎执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空调器）。
◎测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件（热敏电阻）。
◎比较元件：将测量元件和给定元件给出的被控量实际值与参据量进行比较并得到偏差的元件。
自动控制理论第四版夏德钤翁贻方版
1-1 自动控制的基本原理与方式
1、自动控制技术及应用 （1）什么是自动控制
无人直接参与 利用外加设备或装置（控制器） 使机器、设 备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量） 自动按预定的规律运行
外作用
控制器
被控对象
被控量
（2）自动控制技术的应用
工业、农业、导航、核动力 理和其它许多社会生活领域
（3）智能控制理论 （发展方向） 以控制论、信息论、仿生学为基础
3、反馈控制理论 （1）自动控制系统
被控对象、控制器按一定的方式连接所组成的系统
最基本的连接方式是反馈方式，按该方式连接的系统 称为反馈控制系统
（2）反馈控制原理 控制器对被控对象施加的控制作用取自被控
量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的 偏差，从而对被控对象进行控制。
输入
输出
（电扇调档）
按扰动控制：利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，
（顺馈控制） 以减少或抵消扰动对输出量的影响。
（3） 复合控制方式 按偏差控制与按扰动控制相结合
1-2 自动控制系统举例
飞机示意图
给定电位器
反馈电位器
给 θ0 定
装 置
飞机方块图 扰动
放 大
舵 机
器
反馈电 位器
垂直 陀螺仪
飞 θc 机
f (t) A Sin(t )
第二章 控制系统的数学模型
1、线性连续控制系统 用线性微分方程描述 P11 定常、时变
a0
d nc(t) dt n
a1
d n1c(t) dt n1
an1
dc(t) dt
an c(t )
第一章 自动控制理论概述
第一章 自动控制基本概念
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4 引言 自动控制的基本概念 自动控制系统的组成和分类 自动控制系统的基本要求
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
本章重点
1. 自动控制的含义； 自动控制的含义； 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。 控制系统的组成和分类和特点。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
• 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等 各个领域中起着重要的作用！ • 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医 学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。 • 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。
• 《自动控制理论》是自动控制技术的基础理论，是 一门理论性较强的工程科学。 现代的工程技术人员和科学工作者， 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备 一定的自动控制理论基础知识！ 一定的自动控制理论基础知识！
输入r(t) 输出c(t) 实际 1 2 1 0 t 0 t 控制工程基础 理想的 调节过程
本章难点
1. 深刻理解反馈的概念和思想； 深刻理解反馈的概念和思想； 2. 确定控制系统的被控对象、被控量、给定量 确定控制系统的被控对象、被控量、 等等，绘制方块图， 等等，绘制方块图，分析实际控制系统的基 本原理。 本原理。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
§1－1 引言 －
以系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 为代表的科学方法论 是一门新兴的学科， 是一门新兴的学科，为人类认识世界和改造世界提 供了强有力的武器。 供了强有力的武器。 关于控制论的几种说法 说法一： 控制论”是关于机器的理论。 说法一：“控制论”是关于机器的理论。 说法二： 控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法三： 控制论”是类似于数学的一门学科。 说法三：“控制论”是类似于数学的一门学科。 说法四： 控制论” 说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通 信的科学。（维纳定义） 。（维纳定义 信的科学。（维纳定义）
自动控制一般概念与基本要求
黄鹄号自复原动图控制的一般
华蘅芳
➢ 1866年，英国J.M. Gray设计出第一艘明轮驱 动的全自动蒸汽轮船“东方”号
自动控制的一般
3.2 劳斯-赫尔维茨稳定判据—第三章 ➢ 1877年，英国E.J. Routh提出根据
多项式的系数决定多项式在右半平 面的根的数目，从而将当时各种有 关稳定性的孤立的结论和非系统的 结果统一起来，开始建立有关动态 稳定性的系统理论。
自动控制的一般概念和基本要 求
自动控制的一般
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的分析与设计工具
2
自动控制的一般
1-1 自动控制的基本原理与方式
一.自动控制科学的发展
➢ 1770年，他利用离心式飞锤调速器构 建了蒸汽机的转速自动控制系统，此 系统在锅炉压力和负荷变化的条件下， 通过离心式调速器自动调节进气阀门 的开度，使蒸汽机转速维持在一定的 詹姆斯·瓦特 范围内。
7
自动控制的一般
转速自动控制原理
缺点：调速系统会出 现振荡问题，当振荡 过大时会造成系统的 不稳定。(稳态性能及 动态性能差，存在稳 态误差——第三章)
自动控制的一般
劳斯
14
➢ 1895年，瑞士A. Hurwitz在不了 解Routh工作的情况下，独立给出 了根据多项式的系数决定多项式的 根是否都具有负实部的另一种方法。
这两种判据实质是一样的，都是根 据特征方程的系数来判断高阶系统 的稳定性。
赫尔维茨
15
自动控制的一般
3.3 李雅普诺夫稳定判据—第九章 ➢ 1892年，俄国A.M.Lyapunov在其
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第一章自动控制的一般概念1.1 引言自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。
自动控制理论的任务是研究自动控制系统中变量的运动规律以及改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。
1.2 自动控制和自动控制系统的基本概念1.2.1自动控制问题的提出在许多工业生产过程或生产设备运行中，往往需要对某些物理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。
如图1-l所示是锅炉给水人工控制示意图。
人工调节是一个“检测偏差、纠正偏差”的过程。
可以用一整套自动控制仪表(自动调节器)来代替操作人员的作用。
图1-2所示是锅炉给水汽包水位自动控制示意图。
图1-2 汽包锅炉给水自动调节示意图1—过热器；2—汽包；3—省煤器；4—给水凋节阀；5—水位计任何一个控制系统，都包含着被控对象和控制器两个组成部分。
1.2.2 开环控制系统常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控制和复合控制。
系统的控制输入不受输出影响的控制系统称为开环控制系统。
图1-3所示的烘箱温度控制系统是一个开环控制系统。
烘箱是被控对象，烘箱的温度是被控量，也称为系统输出量。
开关设定位置为系统的给定量或输入量，电阻及加热元件可看成是调压器（控制器）。
该系统中只有输入量对输出量的单向控制作用，输出量对输入量没有任何影响和联系。
烘箱温度开环控制系统可用图1-4所示的方框图表示。
1.2.3 闭环控制系统在图1-3所示的烘箱温度开环控制系统中，加入一些装置，构成了如图1-5所示的烘箱温度闭环控制系统。
系统中，烘箱是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u (表征烘箱温度的希望值)。
系统方框图如图1-6所示。
通常，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。
自动控制理论概述
8.1 传感器的选用
• 8.1.2 传感器选择的一般步骤 选择传感器总的原则是：在满足对传感器所有要求的情况
下，力求成本低、工作可靠且便于维修的原则，即性能价格 比要高的原则。一般可按下列步骤进行： 1 ．借助于传感器分类表。即按被测量的性质，从典型应用中可 以初步确定几种可供选用的传感器的类别。 2 ．借助于常用传感器比较表。即按测量的范围、测量精度及环 境要求等进一步确定传感器的类别。 3 ．借助于传感器的产品目录。根据所选的传感器的类别，借助 产品目录，选出传感器的规格、型号、性能和尺寸。
图1-3 直流电动机转速闭环控制方框图
闭环控制特点
循环控制， 路径闭合
系统精度高， 抗干扰能力强
结构复杂，元 件和参数配置 要求较高
第一章 自动控制的基本概念
1.4 自动控制系统的分类
定值、随动和程序控制系统
定值控制系统 系统给定值（参考输入）为恒定常数，这种控制系统称为定值控制
系统，这种系统可通过反馈控制使系统的被控参数（输出）保持恒定、 希望的数值。
返回
8.1 传感器的选用
由于传感器精度的高低、性能的好坏直接影响到检测的 结果，影响到自动检测系统的品质和整个系统的运行状态 ，因此，选择合适的传感器是一个很重要环节。
• 8.1.1 传感器的选择要求 传感器的选择要求是全面的、严格的，是选用传感器的依
据。具体要求主要有以下几点： 1)技术指标要求。
如绝缘电阻、耐压等级及接地保护等。
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8.1 传感器的选用
5）可靠性要求 如抗干扰、使用寿命、无故障工作时间等。
6）维修及管理要求 如结构简单、模块化、有自诊断能力、有故障显示等。 上述要求又可分为两大类：一类是共同的要求，如线性度
自动控制理论沈传文pdf
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自动控制理论是一门研究物理、化学、生物等实际系统的自动控制原理和方法的学科。
自动控制理论重要的基本概念包括系统、控制器、信号、误差、反馈等。
自动控制理论的核心是控制器的设计，即根据系统的特性和要求选择合适的控制器结构和参数，使得系统能够满足预定的控制要求。
自动控制理论的发展史可以追溯到19世纪中叶。
20世纪初，随着电力系统、飞机、火箭等重要工程的发展，自动控制理论得到了迅速的发展。
到了20世纪50年代，计算机的出现进一步推动了自动控制理论的发展，使得控制系统的精度、稳定性、可靠性等都有了质的飞跃。
沈传文教授是中国自动控制理论的开创者之一。
他的《现代控制理论》一书被誉为中国自动控制理论教材的经典之作。
该书系统地介绍了现代控制理论的主要内容和基本方法，成为了一代代控制工作者的必备读物。
总之，自动控制理论在现代科技中的应用非常广泛，涉及到机电设备、通信、交通运输、航空航天、冶金、化工、生物医药等众多领域。
掌握自动控制理论对于控制工作者来说非常重要，能够提高工程技术水平，实现科学、高效的控制。
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第一章：自动控制理论的一般概念
§1.1引言
§1.2自动控制理论发展概述 发展过程：
19世纪
−−−−−−−→−呼应
与西方工业革命发展相
⎪⎭
⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧频域复域时域 20世纪60年代初
−−−−−−→−与航天技术发展相呼应
⎪⎪⎭
⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧系统辩识等最佳估计最优控制线性系统 应用：深入到人民生产、生活的各个领域
日常生活：收音机、电视机、冰箱、空调、汽车、飞机… 工程：数控机床、合成塔、核反应堆… 军事:火炮群、导弹、特种炸弹、垂直起降飞机… 科技：航天飞机、卫星姿态控制、机器人… §1.3自动控制和自动控制系统的基本概念
◇ 自动控制: 在无人直接参与的情况下，使被控对象的一个物理
量（被控量）按预定规律（给定量）运行。
出）（单入古典控制理论/出）
（多入现（近）代控制理论/
◇ 自动控制系统：能对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。
举例： 被控对象 被控量C 给定量R 炉温控制系统 烘炉 炉温T u r （T 希望值）
X -Y 记录仪 笔 笔位移L u r （L 希望值） 液压控制系统
水箱
水箱水位H
u r
（H 希望值）
1． 开环（信号单向流动）
特点：简单、稳定、精度低。
2． 闭环（信号有反向作用）
特点：复杂、抗干扰能力强、精度高、有稳定性问题。
3． 复合（前向联系、反向作用）
特点：性能要求高时用之。
例如：炉温系统可以采用开环或闭环的。
闭环控制工作原理：
外部作用：⎩
⎨⎧r c r
c 偏离干扰量：使跟踪给定量：使
控制目的：排除干扰因素、影响、使被控量随给定量变化。
负反馈原理——构成闭环控制系统的核心
把系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。
负反馈控制系统的特点——按偏差控制的具有负反馈的闭环系统1）、有反馈，信号流动构成闭回路。
2）、按偏差进行控制。
§1.4控制系统的组成
组成（以X-Y记录仪为例）
控制器：
①测量元件：测量被控量
②比较元件：产生偏差信号
③放大元件：对偏差信号进行幅值、功率放大
④执行机构：对被控对象施加作用
⑤校正元件：改善系统性能
⑥给定元件：给出输入信号
二、外部作用：
1．给定量：使被控量跟随给定量。
2．干扰量：使被控量偏离给定量。
自控系统的目的在于：排除扰动量的影响，使被控量随给定量而变化。
例：液面控制系统：
介绍由原理图画方块图的步骤：（以角度随动系统为例）
①看懂工作原理图，找出被控量、被控对象、给定量。
②从两头来，先画出给定量、被控对象和被控量。
③依原理图补上中间部分。
§1.5 示例
§1.6 分类（按r 形式）
⎩
⎨⎧记录仪）随动系统（如）调节系统（如炉温系统
Y -X 按特性分：线性、非线性、定常或时变
◇ 负反馈（闭环）控制原理：——构成自控系统的核心
根据给定量与被控量之间的偏差，产生控制作用，并力图减小偏差，使被控量趋于给定量。
◇ 闭环（负反馈）控制系统的特点：——用以区分开、闭环系统
⎭
⎬
⎫
、偏差信号起控制作用
路
、有反馈，能够成闭回
)2
)1
是按偏差控制的、具有负反馈的闭环系统
§1.7 控制系统的基本要求--是否只要构成负反馈就能正常工作?
一、控制过程分析：（加阶跃输入，以X-Y记录仪为例）
可见：控制过程有一个过渡过程：
振荡原因：
1、内部原因：系统有惯性，有储能元件。
2、外部原因：参数配置不当。
3、分类（按输入
信号的形式不同）
（1）稳定系统（调节系统）:r（t）是定常值（如炉温系统）
（2）随动系统（跟踪系统）：r（t）是时变量（如角度控制系统）
1、 典型外作用: 2.对系统的阶跃响应性能要求：
我们要求被控量尽可能好地跟踪给定量，但常常不能完全符合。
例如角度系统。
⎪⎪⎪⎩⎪
⎪⎪
⎨⎧
⎩⎨⎧⎩⎨⎧00::::σ超调量调节时间过渡过程要求匀
快稳态要求，稳态误差准基本要求，稳定性稳性能要求：s s t e
§1.8 本课程的研究内容
自动控制系统概念的扩展(见非控稿第1-4页) 本次课的重点：
作用 名称 表达式 图形 关系 举例 常
用于 时域 分析
单位 脉冲
挑瓜、钉丁 打炮、踢球
单位 阶跃
合闸
滴注、龙头 单位
斜坡 ⎩⎨⎧≥<=0,0,0)(t t t t f
匀速跟踪
频域分析
正弦函数
交流电压
⎰
∞
∞
-=⎩⎨
⎧=∞≠=1
)(0
,0,0)(dt t t t t δδ⎩⎨
⎧≥<=0
,10,0)(1t t t )
sin()(ϕω-⋅=t A t f
⑴掌握有关自动控制理论的一些基本概念
⑵掌握负反馈控制原理
⑶掌握由工作原理图画出相应方框图的方法
自动控制系统概念的扩展：
生物领域：人体温的调节机能
眼睛瞳孔对光线的调节能力
人手拿书的控制过程
经济领域：价值规律：商品价格由市场供需关系的调节在商品价值附近波动的过程
社会领域：教学过程：
作业布置：第一章1-5题
参考书：
[1]自动控制原理北航、孙虎章中央电大出版社
[2]自动控制原理(上册) 三院校合编国防工业出版社
[3]现代控制工程[日]绪方胜彦
本课程的内容及其任务
⎪⎩⎪⎨⎧→→⎩⎨⎧实践理论实践有用不与实践相结合改行无用本课程是否有用:)2)1?。