控制工程基础PPT课件(王积伟)第一章 控制系统的基本概念
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控制工程基础课件第一章绪论
19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从1960年到1980，确定线性系统、随机系统的最佳控制及复杂系统的自适应和智能控制，都得到充分的研究。从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。
按给定量的特点来分：
（1）连续控制系统：系统的各环节输入量与输出量是信号连续的系统称为～
按系统反应特性来分
（2）离散控制系统：系统的各环节输入量、输出量信号是离散的系统称为～（如采样信号）
三 反馈控制系统的基本组成
1. 组成：给定元件、比较元件、反馈元件、放大元件、执行元件、控制对象及校正元件。
②闭环控制系统：反馈控制系统也称为闭环控制系统，是指系统的输入端与输出端之间存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响，其作用应用反馈来减少偏差，但不能消除偏差。
(1)开环控制系统特点 抗干扰能力差，控制精度低，但结构简单，调整方便，成本低，无自动纠偏能力。
(2)闭环控制系统特点 抗干扰能力强，控制精度高，结构复杂，能自动纠偏。 缺点：由于引入反馈，存在稳定、振荡和超调等问题，设计分析比较复杂。
人工控制恒温箱系统功能框图
总结： 人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差
（2）自动控制系统
恒温箱的自动控制系统原理图
恒温箱自动控制系统工作原理：（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U1给定，并与实际温度U2 比较得到温度偏差信号△U＝U1 - U2（3）温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之，加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差△U＝0，电机停止转动。
《控制基础》课件
智能交通系统
在智能交通系统中，控制系统的稳定性对于提高道路通行效率和交通安全具有重要作用。
控制系统的性能指标
幅值裕度
相位裕度
带宽频率
剪切频率
01
02
03
04
指系统开环频率响应幅值在临界频率处的值与1之间的差值。
指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。
指系统开环频率响应幅值下降到0.707时的频率。
指系统开环频率响应相位下降到0度时的频率。
改变系统结构
通过改变控制系统的结构，如串联、并联或反馈结构，可以改善控制系统的性能指标。
采用先进控制算法
采用先进的控制算法，如模糊控制、神经网络控制等，可以改善控制系统的性能指标。
调整控制参数
通过调整控制系统的控制参数，如PID控制器的比例、积分和微分系数，可以改善控制系统的性能指标。
通过计算系统的特征方程，判断系统是否稳定。
劳斯-赫尔维茨判据
通过分析系统的频率响应，判断系统是否稳定。
奈奎斯特判据
通过分析系统的能量特性，判断系统是否稳定。
李雅普诺夫稳定性判据
航空航天控制
在航空航天领域，控制系统的稳定性对于确保飞行器的安全和稳定运行至关重要。
工业自动化
在工业自动化领域，控制系统的稳定性对于生产过程的稳定和产品质量控制具有重要意义。
感谢观看
THANKS
传递函数的变换
为了更好地分析控制系统的性能，有时需要对传递函数进行变换，如将传递函数转换为标准形式、进行零极点分析等。
控制系统的稳定性分析
如果一个系统受到扰动后能够自我调节并回到原来的平衡状态，则称该系统是稳定的。
根据系统对扰动的响应，稳定性可以分为线性稳定性和非线性稳定性。
控制工程基础课件及课后答案.ppt
小结
本章主要介绍控制系统的基本概念（控制系统、 控制器、被控对象、输入量、输出量、反馈） 控制系统的分类 基本组成（输入元件、比较元件、控制元件、 执行元件、被控对象、反馈元件） 涉及到的名词术语（输入信号、输出信号、反 馈信号、偏差信号、误差信号、扰动信号） 控制系统的基本要求
20世纪40年代，频率响应法为技术人员设计满 足性能要求的线性闭环控制系统提供了可行的 方法；20世纪40年代末到50年代初，伊凡思提 出并完善了根轨迹法。 频率响应法和根轨迹法是经典控制理论的核心。 经典控制理论主要是在复数域内利用传递函数 或是频率域内利用频率特性来研究与解决单输 入、单输出线性系统的稳定性、响应快速性与 响应准确性的问题，这也是我们这门课要着重 阐明的问题，也就是说这门课我们主要学习古 典控制理论
1.1历史回顾
第二个时期：现代控制理论时期（20世纪60年代初） 现代控制理论主要是在时域内利用状态空间来研究与解决多 输入多输出系统的最优控制问题。 第三个时期：大系统理论时期（20世纪70年代） 现代频域方法、自适应控制理论和方法、鲁棒控制方法、 预测控制方法。 第四个时期：智能控制时期 智能控制的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技 巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问 题。智能控制的方法包括：模糊控制、神经元网络控制、 专家控制。
1、理解控制系统中的各个物理量的含义 2、理解开环控制和闭环控制的含义 3、理解反馈的含义 4、掌握基本控制系统的组成
1.1历史回顾
控制理论发展的三个时期： 第一个时期：经典控制理论时期 （40年代末到50年代） 18世纪，瓦特为自动调节蒸汽机运转速度 设计离心式调速器，是自动控制领域的第一 项重大成果。 在控制理论发展初期，作出 过重大贡献的众多学者中有
1—控制系统的基本概念1
分类法小结（补充28、29）
• 开环与闭环(Open-loop / Closed-loop)系统 • 线性与非线性 (Linear/Nonlinear)系统 • 集中参数与分布参数 (Lumped / Distributed Parameter)系统 • 时变与时不变 (Time-variant / Time-invariant or Stationary / Non-stationary)系统 • 确定性与随机(Deterministic / Random)系统 • 单变量与多变量 (Single variable / Multivariable or SISO / MIMO)系统 • 连续与离散(Continuous / Discrete)系统
§1-4 控制工程发展概况
控制工程是一门新型的技术科学，也是一 门边缘科学。它的理论基础是工程控制论。 早在一千多年以前，我国就先后发明了铜 壶滴漏计时器、指南针以及天文仪器等多种自 动控制装置，这些发明促进了当时社 会经济的发展。即使从1788年瓦特（J.Watt） 发明蒸汽机飞球调速器算起，控制工程也已有 了二百多年的历史。然而，控制工程作为一门 学科，它的形成并迅速发展却是最近五六十年 的事。
1.1.3 闭环控制系统的组成
§1-2 控制系统的基本类型
一、按输入量的特征分类 1.恒值控制系统 生产中温度、压力、流量、液面控制； 原动机速度控制、机床位置控制； 电力系统电网电压、频率控制 2. 程序控制系统
液位控制系统
§1-2 控制系统的基本类型
2. 程序控制系统（数字控制、计算机控制） 变化规律预知
不连续系统 (Discontinuous Variable System)
离散系统(Discrete Variable System)
控制工程基础王积伟
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1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）提出极大 值原理
1957年：R. I. Bellman提出动态规划理论
1960年：R. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论 1960～1980年：确定性系统的最优控制、随机
系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习 控制 1980迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、 智能控制等
1954年：钱学森发表《工程控制论》；
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4
50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代 控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研 究多输入-多输出( MIMO )、时变、非线性等 系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适 应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重 点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空 间方法。
0 前言
一、控制工程发展概况 二、控制工程基础的研究对象与任务 三、本课程的主要内容 四、本课程的学习方法
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1
一、控制工程发展概况
一千多年前：铜壶滴漏计时
时
器、指南针、各种天文仪器
间 刻
1788年：J. Watt 发明蒸汽机
度
调速器
浮子
1868年：J. C. Maxwell发表
2、学会分析一个控制系统的性能——稳、准、快 包括控制系统数学模型的建立、时域分析、频域分析
3、学会改进一个控制系统性能的基本方法——控制 系统的设计与校正
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17
四、本课程的学习方法
1、不苛求严格的数学推证，但应注意数学结 论的准确性和物理概念的明晰性
2、重视实验、习题，有助于基本概念的理解 和基本方法的应用
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控制工程基础PPT课件(王积伟)第一章控制系统的基本概念
2/4/2024
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第一章 控制系统的基本概念
输入量 控制器
输出量 对象或过程
反馈量 测量元件
闭环控制系统框图
➢ 半闭环控制系统 特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。
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第一章 控制系统的基本概念 闭环控制系统的组成
比较
给定 元件
+ 元件
_
串联校正 元件
输入信号 偏差信号
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第一章 控制系统的基本概念
准确性 控制精度，以稳态误差来衡量。 稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋 于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量 之间的差值。
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第一章 控制系统的基本概念
快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏 差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。
注意：在机械、液压、气动、机电等系统中 存在着内在反馈，这种反馈无须专门 的反馈元件，是系统内部各参数相互 作用产生的，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。
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23
第一章 控制系统的基本概念
➢ 比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差 信号；
➢ 放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能。
系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分 地返回，并作用于系统，即输出量的返回过程称 为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
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第一章 控制系统的基本概念
综上所述，控制系统的工作原理： ➢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
《控制工程基础》课件
PLC的原理与应用
1 输入与输出
PLC通过输入模块接收信号，通过输出模块控制设备。
2 程序设计
使用逻辑图或编程语言编写控制程序。
3 实时响应
PLC能够实时监测输入信号并作出相应的输出控制。
DCS的原理与应用
1 分散控制系统
将控制任务分散到多个控 制设备中。
2 通信系统
使用高速通信网络连接分 散的控制设备。
上升时间
指系统响应从初始状态到达 稳态所需的时间。
转移函数的稳定性分析
1
极点
转移函数的极点的位置对系统稳定性影响显著。
2
零点
转移函数的零点的位置对系统稳定性影响较小。
3
频率响应
分析转移函数的频率响应可以判断系统的稳定性和性能。
极点配置法
1 选择理想的极点位置
根据系统要求和性能指标 来选择极点的位置。
描述。
3
状态空间法
系统用一组一阶微分方程描述。
时域法
系统用微分方程描述，利用初始条件和 输入信号求解。
线性系统的稳定性分析
稳定系统
系统的输出有界并趋向于稳态。
不稳定系统
临界稳定系统
系统的输出趋向于无穷大或发散。
系统的输出在稳态和不稳态之间 波动。
PID控制器的原理
1
积分（I）
2
根据误差信号的累积值，产生一个与累
控制系统的基本元素
1 输入
系统接收的控制信号或指令。
2 输出
系统产生的响应或输出信号。
3 反馈
将输出信号与预期目标进行比较，并进行相应的调整。
控制系统的分类
开环系统
系统只考虑输入信号，没有反馈机制。
闭环系统
控制工程基础王积伟
《调速器》，提出反馈控制
铜壶滴漏
的概念及稳定性条件。
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2
1884年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据。 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定
性理论。
1895年：A. Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。 1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。
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2、学会分析一个控制系统的性能——稳、准、快 包括控制系统数学模型的建立、时域分析、频域分析
3、学会改进一个控制系统性能的基本方法——控制 系统的设计与校正
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四、本课程的学习方法
1、不苛求严格的数学推证，但应注意数学结 论的准确性和物理概念的明晰性
2、重视实验、习题，有助于基本概念的理解 和基本方法的应用
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6
第一阶段：
20世纪40~50年代，以反馈控制为中心的理论体系， 形成了经典控制理论。在复数域中以传递函数为基础， 主要研究单输入—单输出（SISO）系统的分析和段：
20世纪60~70年代，为现代控制理论发展时期。 现代控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研
机械工程
机械工程控制论
共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈进
行控制。
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二、控制工程基础的研究对象与任务
控制工程基础的研究对象
机械工程控制论研究机械工程中广义系统的 动力学问题，即系统与输入、输出三者之间的动 态关系。
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0 前言
一、控制工程发展概况 二、控制工程基础的研究对象与任务 三、本课程的主要内容 四、本课程的学习方法
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7/15/2013 7
第一章 控制系统的基本概念
恒温箱自动控制系统工作原理：
恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 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 温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，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 控制系统的基本概念
快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏 差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。 注意： 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快 速性要求各有侧重。 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应 根据实际需求合理选择。
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第一章 控制系统的基本概念 四、小结
本章主要内容：
了解控制工程基础的研究对象与任务 掌握反馈控制工作原理及相关概念 了解控制系统的类型 掌握对控制系统的基本要求 本章作业：P8 1-3、1-4
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1. 仓库大门自动控制系统原理如图所示，试说明 其工作原理并绘制系统框图。
给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。 也称为参考输入量（信号）。
被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。
输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏 差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。 系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分 地返回，并作用于系统，即输出量的返回过程称 为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
输入 系统输入 装置
指令 控制 装置 伺服 驱动装置 工作台 位置 工作台 系统输出
数控机床的开环控制系统框图
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第一章 控制系统的基本概念
优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件 特性和参数值比较稳定，且外界干扰较 小，开环控制能够保持一定的精度。 缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力
显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式 是“检测偏差并纠正偏差”。
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12
第一章 控制系统的基本概念
这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进 行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。 称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比 较和执行三个基本功能。
注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号 相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控 制是实现自动控制最基本的方法。
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如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶 及飞机自动驾驶、导弹制导等。 例.控制实例-液面控制
7/15/2013
3
第一章 控制系统的基本概念 工作原理
温度计
加热电阻丝
调压器
~220V
人工控制的恒温箱
7/15/2013 4
第一章 控制系统的基本概念 人工控制恒温箱调节过程： 观测恒温箱内的温度（被控制量） 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 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。 人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。
连续控制系统 系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的 信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。
离散（数字）控制系统 系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或பைடு நூலகம்字 量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方 程描述。
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按系统原件性质分类 线性系统 由线性元件组成，输入输出问 具有叠加性和均匀性性质，以 线性微分方程来表述。 非线性系统 系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性 和均匀性性质。用非线性微分方程来表述。
放大器 电动机 绞盘
u1开
门
u2
反馈 关
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2. 分析图示两个液位自动控制系统工作原理并绘 制系统功能框图
qi
h
qo a)
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3. 分析图示钢板厚度控制系统工作原理并绘 制系统功能框图
u1 u3
放大器2
u
放大器1
ua
u2
厚度 检测器
减速器直 线执行器
v b
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第一章 控制系统的基本概念 二、控制系统的基本类型 按输入量的特征分类 恒值控制系统 系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何 扰动作用下系统的输出量为恒值。 如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。 程序控制系统 输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输 入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按 照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。
7/15/2013
钢板
a
38
d
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自动控制系统方框图的绘制步骤(重点掌握)：
（1）分析控制系统的工作原理，找出被控对象。
（2）分清系统的输入量、输出量。 （3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个 环节。 （4）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连 线连接起来
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14
例 分析图示液位自动控制系统工作原理并绘 制系统功能框图
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第一章 控制系统的基本概念
随动系统（伺服系统） 输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求 是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并 能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入 信号的变化规律。
如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。
7/15/2013
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第一章 控制系统的基本概念 按系统中传递信号的性质分类
控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因 素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能 量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。
7/15/2013 32
第一章 控制系统的基本概念
准确性
控制精度，以稳态误差来衡量。
稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋 于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量 之间的差值。
输入量
控制器 对象或过程
输出量
开环控制系统框图
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第一章 控制系统的基本概念
闭环控制系统 特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输 出量对控制过程有直接影响。 闭环的作用：应用反馈，减少偏差。 优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不 敏感 缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性 能分析和设计麻烦。
7/15/2013 10
第一章 控制系统的基本概念
综上所述，控制系统的工作原理：
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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11
第一章 控制系统的基本概念
由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预 计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考 输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏 差，故称之为反馈控制。
7/15/2013 8
第一章 控制系统的基本概念
扰动 温度t 电压 u 减 v 调 u 恒温箱 (被控量) a 控制 n 给定 u1 u 功率 速 压 (控制 信号 电机 放大器 器 器 对象) u2
热电偶
恒温箱自动控制系统功能框图
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第一章 控制系统的基本概念
从恒温箱控制系统功能框图可见：
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第一章 控制系统的基本概念
输入量 控制器 反馈量 测量元件 闭环控制系统框图 对象或过程 输出量
半闭环控制系统 特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。
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第一章 控制系统的基本概念
闭环控制系统的组成
扰动信号
给定 元件 比较 + 元件 比较 + 元件
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第一章 控制系统的基本概念
期望 温度
大脑
手
调压器
恒温箱
实际 温度
眼睛
温度计
人工控制恒温箱系统功能框图
7/15/2013
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第一章 控制系统的基本概念
给定信号 比较 u1
+ u
电压 放大器 减速器
功率 执行 放大器 电动机 调压器
u2
+
热电偶 加热电阻丝
~220V
恒温箱自动控制系统
_
串联校正 元件
_
放大变换 元件
执行 元件 局部 反馈
控制 输出 xo 对象
输入信号
偏差信号
xi
e
并联校正 元件
主反馈信号 xb
反馈元件
主反馈
控制部分
闭环控制系统的组成
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第一章 控制系统的基本概念 给定元件 产生给定信号或输入信号。 反馈元件 测量被控制量（输出量），产生反馈信号。 为便于传输，反馈信号通常为电信号。 注意：在机械、液压、气动、机电等系统中 存在着内在反馈，这种反馈无须专门 的反馈元件，是系统内部各参数相互 作用产生的，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。
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3、若系统收到扰动使液面下降，则系统会 自动加大阀门开度，使输入流量增加，液面恢复 到给定高度。
给定 液位 电位器 放大器 电动机 杠杆 减速器 浮子 阀门 水箱 实际 液位
7/15/2013
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第一章 控制系统的基本概念
开环控制与闭环控制 实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：
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第一章 控制系统的基本概念 比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差 信号； 放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能。 执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、 液压马达等；
第一章 控制系统的基本概念
恒温箱自动控制系统工作原理：
恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 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 温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，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 控制系统的基本概念
快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏 差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。 注意： 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快 速性要求各有侧重。 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应 根据实际需求合理选择。
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第一章 控制系统的基本概念 四、小结
本章主要内容：
了解控制工程基础的研究对象与任务 掌握反馈控制工作原理及相关概念 了解控制系统的类型 掌握对控制系统的基本要求 本章作业：P8 1-3、1-4
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1. 仓库大门自动控制系统原理如图所示，试说明 其工作原理并绘制系统框图。
给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。 也称为参考输入量（信号）。
被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。
输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏 差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。 系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分 地返回，并作用于系统，即输出量的返回过程称 为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
输入 系统输入 装置
指令 控制 装置 伺服 驱动装置 工作台 位置 工作台 系统输出
数控机床的开环控制系统框图
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第一章 控制系统的基本概念
优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件 特性和参数值比较稳定，且外界干扰较 小，开环控制能够保持一定的精度。 缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力
显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式 是“检测偏差并纠正偏差”。
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第一章 控制系统的基本概念
这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进 行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。 称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比 较和执行三个基本功能。
注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号 相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控 制是实现自动控制最基本的方法。
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如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶 及飞机自动驾驶、导弹制导等。 例.控制实例-液面控制
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第一章 控制系统的基本概念 工作原理
温度计
加热电阻丝
调压器
~220V
人工控制的恒温箱
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第一章 控制系统的基本概念 人工控制恒温箱调节过程： 观测恒温箱内的温度（被控制量） 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 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。 人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。
连续控制系统 系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的 信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。
离散（数字）控制系统 系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或பைடு நூலகம்字 量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方 程描述。
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按系统原件性质分类 线性系统 由线性元件组成，输入输出问 具有叠加性和均匀性性质，以 线性微分方程来表述。 非线性系统 系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性 和均匀性性质。用非线性微分方程来表述。
放大器 电动机 绞盘
u1开
门
u2
反馈 关
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2. 分析图示两个液位自动控制系统工作原理并绘 制系统功能框图
qi
h
qo a)
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3. 分析图示钢板厚度控制系统工作原理并绘 制系统功能框图
u1 u3
放大器2
u
放大器1
ua
u2
厚度 检测器
减速器直 线执行器
v b
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第一章 控制系统的基本概念 二、控制系统的基本类型 按输入量的特征分类 恒值控制系统 系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何 扰动作用下系统的输出量为恒值。 如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。 程序控制系统 输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输 入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按 照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。
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钢板
a
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d
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自动控制系统方框图的绘制步骤(重点掌握)：
（1）分析控制系统的工作原理，找出被控对象。
（2）分清系统的输入量、输出量。 （3）按照控制系统各环节的定义，找出相应的各个 环节。 （4）按信息流动的方向将各个环节用元件方框和连 线连接起来
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例 分析图示液位自动控制系统工作原理并绘 制系统功能框图
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第一章 控制系统的基本概念
随动系统（伺服系统） 输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求 是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并 能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入 信号的变化规律。
如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。
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第一章 控制系统的基本概念 按系统中传递信号的性质分类
控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因 素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能 量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。
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第一章 控制系统的基本概念
准确性
控制精度，以稳态误差来衡量。
稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋 于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量 之间的差值。
输入量
控制器 对象或过程
输出量
开环控制系统框图
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第一章 控制系统的基本概念
闭环控制系统 特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输 出量对控制过程有直接影响。 闭环的作用：应用反馈，减少偏差。 优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不 敏感 缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性 能分析和设计麻烦。
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第一章 控制系统的基本概念
综上所述，控制系统的工作原理：
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 控制系统的基本概念
由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预 计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考 输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏 差，故称之为反馈控制。
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第一章 控制系统的基本概念
扰动 温度t 电压 u 减 v 调 u 恒温箱 (被控量) a 控制 n 给定 u1 u 功率 速 压 (控制 信号 电机 放大器 器 器 对象) u2
热电偶
恒温箱自动控制系统功能框图
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第一章 控制系统的基本概念
从恒温箱控制系统功能框图可见：
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第一章 控制系统的基本概念
输入量 控制器 反馈量 测量元件 闭环控制系统框图 对象或过程 输出量
半闭环控制系统 特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。
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第一章 控制系统的基本概念
闭环控制系统的组成
扰动信号
给定 元件 比较 + 元件 比较 + 元件
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第一章 控制系统的基本概念
期望 温度
大脑
手
调压器
恒温箱
实际 温度
眼睛
温度计
人工控制恒温箱系统功能框图
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第一章 控制系统的基本概念
给定信号 比较 u1
+ u
电压 放大器 减速器
功率 执行 放大器 电动机 调压器
u2
+
热电偶 加热电阻丝
~220V
恒温箱自动控制系统
_
串联校正 元件
_
放大变换 元件
执行 元件 局部 反馈
控制 输出 xo 对象
输入信号
偏差信号
xi
e
并联校正 元件
主反馈信号 xb
反馈元件
主反馈
控制部分
闭环控制系统的组成
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第一章 控制系统的基本概念 给定元件 产生给定信号或输入信号。 反馈元件 测量被控制量（输出量），产生反馈信号。 为便于传输，反馈信号通常为电信号。 注意：在机械、液压、气动、机电等系统中 存在着内在反馈，这种反馈无须专门 的反馈元件，是系统内部各参数相互 作用产生的，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。
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3、若系统收到扰动使液面下降，则系统会 自动加大阀门开度，使输入流量增加，液面恢复 到给定高度。
给定 液位 电位器 放大器 电动机 杠杆 减速器 浮子 阀门 水箱 实际 液位
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第一章 控制系统的基本概念
开环控制与闭环控制 实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：
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第一章 控制系统的基本概念 比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差 信号； 放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能。 执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、 液压马达等；