(国家精品课件)自动控制原理王建辉1.1解析
东北大学 自动控制原理 王建辉 清华大学DD 课件1
t t1 t2 t3
图1-5 离散信号
（2） 离散控制系统。 控制系统中只要有一个组成环节的输入信号或输
出信号在时间上是离散的， 就称为离散控制系统。 离
散系统与连续系统的区别仅在于信号只在特定离散的 瞬时（如图1-5所示）是时间的函数， 而在两离散的瞬
时点之间信号是不确定的。 离散控制系统的特性可用
自动控制原理是一门自动控制专业的基础理论课 程， 它属于技术基础课程， 该课程讲述的是自动控制 系统分析设计的一些基本方法， 譬如根轨迹法、频域 响应法、 状态空间法等。
1.1.2 自动控制的发展历史及现状
自动控制技术在工业、 农业、 国防和科学技术现 代化中起着十分重要的作用。 自动控制技术水平的高 低也是衡量科学技术先进与否的重要标志之一。 随着 国民经济和国防建设的发展， 自动控制技术的应用日 益广泛， 其重要作用也越来越显著。 自动控制的发展已有很长的历史， 自动机和自动 钟很早就发明了。
输入端之间不存在反馈联系。
开环控制又有两种方式， 即用给定值操纵的控制 方式和干扰补偿的控制方式。
1） 用给定值操纵的控制方式
用给定值操纵的开环控制系统的方框图如图1-1所示。
给定值
放大 元件
执行 元件
控制 对象
被控量
图 1-1 用给定值操纵的开环控制
这种控制方式的特点是： 在给定输入端到输出端 之间的信号传递是单向进行的。 这种控制方式的缺点 是： 当受控对象或控制装置受到干扰， 或者在工作过 程中元件特性发生变化而影响被控量时， 系统不能进 行自动补偿， 所以控制精度难以保证。 但是由于它的
当系统中各组成环节的特性可以用线性微分方程 （或差分方程）来描述时， 这类系统称为线性控制系 统。 线性控制系统的特点是可以运用叠加原理。
自动控制原理(2015春)module_4_unit_1_p
(s
j)
s
j
XrW ( 2j
j)
A02
W (s)
Xr s2 2
(s
j)
s j
XrW ( j) 2j
xc () A01e jt A02e jt
xc (t)
A() e j(t)
e j(t ) 2j
Xr
A()Xr sin(t ) Xc sin(t )
W ( j) I 1 1/ R 1/ R e j A()e j
U R jL 1 T j 1 (T)2
A() 1/ R , T L / R 1 (T)2
arctan L arctanT
R
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其中：
X c A( ) X r
A( ) X c W ( j )
Xr
() W ( j)
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5.1 频率特性的基本概念
频率特性与传递函数之间的关系：
W ( j) X c ( j) A()e j() X r ( j)
W ( j) W (s) s j
s j
XrW ( 2j
j)
A02
W (s)
Xr s2 2
(s
j)
s j
XrW ( j)
2j
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5.1 频率特性的基本概念
W ( j) A()e j W ( j) A()e j
A01
W (s)
X r s2 2
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自动控制原理第一章课件
自动控制ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ论已经成为现代工程技术人 员和科学工作者不可缺少的重要理论基础之 一。 自动控制原理》 从《自动控制原理》课程的内容上看侧重 于方法论， 于方法论，本课程的教学目的是使学生能学 好当前和近期我国工业部门所需的自动化理 论和技术， 论和技术，使学生深刻理解线性控制理论的 数学原理和方法，掌握自动控制的基本理论、 数学原理和方法，掌握自动控制的基本理论、 基本计算方法， 基本计算方法，为自动控制系统的分析与设 计打下一定的基础。 计打下一定的基础。
3.程序控制系统 3.程序控制系统 输入量按照给定的程序变化。 输入量按照给定的程序变化。 任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作。 任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作。 二、按使用的数学方法分类 1.线性系统 1.线性系统 2.非线性系统 2.非线性系统 3.连续控制系统 3.连续控制系统 4.离散控制系统 4.离散控制系统
1-3
闭环控制系统的基本组成
1-4
对控制系统的基本要求
一、对控制系统的基本要求 对控制系统的基本要求可以归纳为三个字： 对控制系统的基本要求可以归纳为三个字： 稳、快、准。
二、典型外作用 典型外作用的函数应具备以下条件： 典型外作用的函数应具备以下条件： 这些函数在现场或实验室中容易得到； ①这些函数在现场或实验室中容易得到； ②控制系统在这些函数作用下的性能应代表在实际工 作条件下的性能； 作条件下的性能； ③这些函数数学表达式简单，便于理论分析与计算。 这些函数数学表达式简单，便于理论分析与计算。 1.阶跃函数 1.阶跃函数 数学表达式为： 数学表达式为：
1.按输入作用补偿 1.按输入作用补偿 按输入作用补偿的补偿装置可提供一个输入信号 的微分作用， 的微分作用，并作为顺馈控制信号与原输入信号一起 对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。 对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。 2.按扰动作用补偿 2.按扰动作用补偿 按扰动作用补偿的补偿装置能够在可测量的扰动 对系统产生不利影响之前，提供一个控制作用， 对系统产生不利影响之前，提供一个控制作用，以抵 消扰动对系统输出的影响。 消扰动对系统输出的影响。
王划一自动控制原理1-1绪论-文档资料
生的。这使得这种“水位恒定的要求”变得难以实现
了。
所谓控制就是强制性地改变某些物理量（如上例
中的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面
高度h）维持在某种特定的标准上。
这人种工人控为制的例流入子。
地强制性地改
变进水量，而 使液面高度维
水箱
持恒定的过程，
h
即是人工控制
流出
过程。 8
1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件
般用r(t)和c(t)表示。
c(t)
r(t)
0
t
0
t
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2.离散系统
控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码 时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一 般用差分方程来描述。实际物理系统中，信息的表现 形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要， 人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。
c(t)
人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系 统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现 了闭环控制的原理。
直流电动机转速闭环控制的例子。 19
电动机
负载
电 位 器
功率 放大器
M
给定 位置
F 测速发动机
负载 扰动
电位器 ur +- e
uf
功率 ua 放大器
转速 电动机
测速发动机 20
闭环控制的特点： ① 控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏 差信号，由偏差产生对系统被控量的控制； ② 系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差 信号，即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用， 使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。 ③ 提高了控制精度。 闭环控制系统的典型方框图如图所示。
自动控制原理 王建辉
东北大学《自动控制原理》课程组 6
3.1 自动控制系统的时域指标
（2）斜坡函数
0，t 0 xr (t ) At，t 0
A=1时称为单位斜坡函数
1 X r ( s) 2 s
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3.1 自动控制系统的时域指标
%
xmax xc () 100% xc
最大超调量发生在第一个周期中t = tm 时刻。 令 得
dx c t 0 dt t t m
1 2 sin d t m cos d t m
tan d t m 1 2
，
t0
结论：当后一项的衰减指数比前一项大很多时，二阶 系统的暂态响应可类似于一阶系统的响应。
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3.3 二阶系统的阶跃响应
（2）欠阻尼（ 0 1 ）
系统的特征根为
p1 ( j 1 2 ) n p 2 ( j 1 2 ) n
当A=1时，称为单位脉冲函数（t）
(t )dt 1
X r ( s) L[lim ] 1
0
1
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3.1 自动控制系统的时域指标
（5）正弦函数——频域分析用
用正弦函数作输入信号，可以求得系统 对不同频率的正弦输入函数的稳态响应，由 此可以间接判断系统的性能。
值？
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3.2 一阶系统的阶跃响应
解： （1）由系统结构图可写出闭环传递函数
100 X c (s) 10 s WB ( s) X r (s) 1 100 0.1 0.1s 1 s
自动控制原理 王划一 第二版 1-1绪论
1900)西汉漏壶统观念和实践亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(5)中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年)7(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875论运动稳定性的一般问题”(1892设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(Great操江号(62mx10m), 392匹马力，600T排水，备炮9门The Pre-classical Period)(1900-1935)研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analyzer)(1928)V. BushH. S. Black14N.B. Nichols(1942)，提出Wiener一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。
N. WienerH. HazenC. E. Shannon(Sampled Data System)Lan美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method)L.S. Pontryagin(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960)(5)世界第一颗人造地球卫星Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space22 Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of the launch were not initially released.This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.23器人公司，Unimation(7)美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On theGeneral Theory of Control Systems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测R.E. Kalman1961, at the age of 27,Gagarin left the earth. Itwas April the 12th, 9.07Moscow time (launch-site, Baikonur). 108minutes later, he wasback . The period oforbital revolution was89:34 minutes (thisfigure was "calculated byelectronic computers").The missions maximumflight altitude was 327000 meters. Themaximum speedreached was 28 260kilometers per hour.宇宙哥伦布-加加林 A stampissued byRussia tomemorizeY. GagarinCapsule used in first manned orbit of earth In 1961, the first human to pilota spacecraft, Yuri Gagarin, waslaunched by the Soviet Union aboard Vostok I.C. Desoer27N.A. ArmstrongK. J. Astrom Approach(1974)。
王建辉版自动控制原理-课后简答题上课讲义
王建辉版自动控制原理-课后简答题第一章1.什么是自动控制系统？自动控制系统通常由哪些基本环节组成？各环节起什么作用？1)在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。
2)6部分：控制对象：要进行控制的设备或过程；执行机构：直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值；检测装置：检测被控制量；给定环节：设定被控制量的给定值的装置；比较环节：检测的被控制量与给定量比较，确定两者之间的偏差量；中间环节：一般为放大环节，将偏差信号变换成适于控制执行机构执行的信号。
2.试比较开环控制系统与闭环控制系统的优缺点1)工作原理：开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差，控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。
闭环控制系统可以根据检测误差，从而抗干扰性强。
2)结构组成：开环系统没有检测设备，组成简单。
闭环系统由于添加了纠正偏差的环节，所以成本较高。
3)稳定性：开环控制系统的稳定性比较容易解决。
闭环系统中反馈回路的引入增加了系统的复杂性。
3.什么是系统的暂态过程？对一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加到某一个值时，输出量的暂态过程如何？1)系统从一个稳态过度到另一个稳态的需要经历的过渡过程。
2)单调过程；衰减振荡过程；持续振荡过程；发散振荡过程。
第二章1.什么是系统的数学模型？在自动控制系统中常见的数学模型形式有哪些？1)描述系统因果关系的数学表达式2)微分方程、传递函数、状态方程、传递矩阵、结构框图和信号流图。
2.简要说明用解析法编写自动控制系统动态微分方程的步骤。
1)确定系统的输入量和输出量；2)从系统的输入端开始，沿着信号传递方向，逐次依据组成系统各元部件的有关物理规律，列写元件或环节的微分方程；3)消除中间变量，建立只有输入量和输出量及其各阶导数构成的微分方程。
3.什么是小偏差线性化？这种方法能够解决哪类问题？就是将一个非线性函数在工作点展开成泰勒级数，略去二次以上的高次项，得到线性化方程，用来替代原来的非线性函数。
自动控制原理24 24页PPT文档
-
1
1 uo(s)
R 2 I2(s) C 2 s
为了求出总的传递函数，需要进行适当的等效变换。一个
可能的变换过程如下：
C2s
ui (s) -
1 I1(s) - 1 u (s)
R1
I(s) C1s
1 R2C2s 1
uo(s) ①
ui (s) -
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-1
R1
R1C2s
1
u(s)
C1s
1 R2C2s 1
9/8/2019
20Leabharlann 动输入作用下的闭环系统的传递函数（二）扰动作用下的闭环系统：
此时R(s)=0,结构图如下：
N (s)
E(s)
+
G1(s)
G2 (s)
-
B(s) H (s)
输出对扰动的传递函数为：
C(s)
N(s)C N((ss))1G G 21(G s)2H
输出为：C(s) G2 N(s) 1G1G2H
u f (s)
Kf
- (s)
在结构图中，不仅能反映系统的组成和信号流向，还能表 示信号传递过程中的数学关系。系统结构图也是系统的数学模 型，是复域的数学模型。
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结构图的等效变换
二、结构图的等效变换： [定义]：在结构图上进行数学方程的运算。 [类型]：①环节的合并；
--串联 --并联 --反馈连接 ②信号分支点或相加点的移动。 [原则]：变换前后环节的数学关系保持不变。
①信号相加点的移动：
把相加点从环节的输入端移到输出端
X1(s)
G(s) Y (s)
X2(s)
X1(s) G(s) X2(s) N (s)