自动控制原理第一章 控制系统导论
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控制系统导论-PPT
经典控制理论与现代控制理论比较:
• 经典控制理论
研究对象:单输入、单输出系统 数学模型与工具:微分方程→传递函数 研究内容:确定模型,系统分析,系统设计
• 现代控制理论
研究对象:多输入、多输出系统 数学模型与工具:状态方程→传递矩阵 研究内容:最优控制,系统辨识,自适应类
线1、性线系性统系—统可与用非线线性性微系分统方程或差分方程描述。
2、定线常性系系统统与重时要变系特统性—叠加性,均匀性 非定时非线常 变方线线性系 系程性性系统 统或系系:;统差统统参 参分—特中数 数方y描点各不就程述元随是—。系件时时统特间间得系性变t 运数均化得动为函随方直数变程线量为，大非y如小线性而微变分化
r 电位计式桥路 us
给定值
〉 ua 电动机构 工作机械
（执行、对象）
被控量 c
(三)液位自动控制系统
液位控制系统
控制器
Q1
浮子
c
用水开关
Q2
电位器
减速器
电动机
SM
if
§1-3 自动控制系统中得常用术语
扰动
比较环节
n
参考输入
偏差 控制环节 控制量 被控对象
e
Gc
u
G0
输出 c
主反馈 b
反馈环节 H
一、自动控制系统组成
热力系统自动控制流程图
人工控制
自动控制系统方框图
系统组成:
• 被控对象 • 测量元件 • 控制装置 • 执行机构
二 、控制得基本方式 1、开环控制
开环控制之一:按给定值操作
给定值 计算
执行
干扰 被控量
被控对象
• 信号由给定值至被控量单向传递; • 抗干扰能力差,不能保证控制精度。
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_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；
自动控制原理第一章20150301
28
❖ PID控制器
解决方法：1939 年，Foxboro 仪器公司为了克服静 态偏差问题，手动增强调节系统的比例作用，使得 系统调节“恰好”弥补偏差。他们称之为“重置” （Reset）。后来人们专门设置了自动重置技术 （Automatic reset），每一时刻都根据上一时刻的 偏差，自动修改系数，在偏差不为零的时候，执行 机构一直动作下去，这就是积分作用（I）。
第二阶段。20世纪60～70年代，称为“现代控制理论” 时期。
第三阶段。20世纪70年代末至今。向着“大系统理论”和 “智能控制”方向发展。
15
1、20世纪之前：科学家的早期探索
❖ 我国北宋时期(1086～1089年)天文学家苏颂、韩公 廉建造了水运仪象台 十七-十早八期世的纪蒸，汽动机力工装作置效成率为太研低究，重难点以，推风广车技术 和蒸气机取得突破发展。
自动控制原理
主讲 韩敏
E-mail：
助 课 许美玲
1
第一章 自动控制的基本概念（2学时）
控制系统导论，反馈控制系统的工作原理、分类 方法、基本要求。
第二章 系统的数学模型（8学时）
控制系统数学模型，控制系统微分方程的建立及非 线性方程的线性化。
第三章 时域分析 （8学时）
控制系统的时域分析法，典型输入信号，系统的性 能指标，一阶系统的瞬态响应分析，系统稳定性分 析。
3
第七章 非线性控制系统 （10学时） 非线性系统理论，非线性系统的特点、研究方法， 典型非线性特性的数学描述及特性。 第八章 离散控制系统 （10学时） 线性离散控制系统，系统分类，采样过程的数学描 述，采样定理，零阶保持器。
4
第一章 自动控制的基本概念
Chapter 1 The basic concept of automatic control
❖ PID控制器
解决方法：1939 年，Foxboro 仪器公司为了克服静 态偏差问题，手动增强调节系统的比例作用，使得 系统调节“恰好”弥补偏差。他们称之为“重置” （Reset）。后来人们专门设置了自动重置技术 （Automatic reset），每一时刻都根据上一时刻的 偏差，自动修改系数，在偏差不为零的时候，执行 机构一直动作下去，这就是积分作用（I）。
第二阶段。20世纪60～70年代，称为“现代控制理论” 时期。
第三阶段。20世纪70年代末至今。向着“大系统理论”和 “智能控制”方向发展。
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1、20世纪之前：科学家的早期探索
❖ 我国北宋时期(1086～1089年)天文学家苏颂、韩公 廉建造了水运仪象台 十七-十早八期世的纪蒸，汽动机力工装作置效成率为太研低究，重难点以，推风广车技术 和蒸气机取得突破发展。
自动控制原理
主讲 韩敏
E-mail：
助 课 许美玲
1
第一章 自动控制的基本概念（2学时）
控制系统导论，反馈控制系统的工作原理、分类 方法、基本要求。
第二章 系统的数学模型（8学时）
控制系统数学模型，控制系统微分方程的建立及非 线性方程的线性化。
第三章 时域分析 （8学时）
控制系统的时域分析法，典型输入信号，系统的性 能指标，一阶系统的瞬态响应分析，系统稳定性分 析。
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第七章 非线性控制系统 （10学时） 非线性系统理论，非线性系统的特点、研究方法， 典型非线性特性的数学描述及特性。 第八章 离散控制系统 （10学时） 线性离散控制系统，系统分类，采样过程的数学描 述，采样定理，零阶保持器。
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第一章 自动控制的基本概念
Chapter 1 The basic concept of automatic control
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
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。
自动控制原理-第一章 控制系统导论(3)
1-3 自动控制系统的分类
1、系统类型
按给定值操纵的开环控制
按控制方式分
按干扰补偿的开环控制 按偏差调节的闭环控制
复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅
恒值系统 液位恒值控制
按给定值变化规律分 随动系统 天线随动控制
程序控制系统
分类
温度控制系统
按系统功用分 压力控制系统
(2)线性离散控制系统：输入输出关系一般可以差 分方程及状态空间表达式来描述。例如工业计 算机控制系统：炉温微机控制系统。
2、非线性控制系统 –控制系统中，若至少有一个元件具有非线性特性； –一般不具有齐次性，也不适用叠加原理； –输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有很大 关系； –采用非线性微分(或差分)方程描述其特性； –非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方程 中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。
b.随动系统(跟踪系统)
该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任 意变化的量，要求系统的输出量能迅速平稳地复现 或跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系 统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。
c.程序控制系统 系统的控制输入信号不是常值,而是事先确
定的运动规律，编成程序装在输入装置中，即 控制输入信号是事先确定的程序信号，控制的 目的是使被控对象的被控量按照要求的程序动 作。如数控车床就属此类系统。
叠加原理：
（1）可叠加性 若输入x1(t)产生输出 y1(t) ；输入 x2(t) 产生输出
y2(t)；输入x1(t)+x2(t)产生输出y1(t)+y2(t) ；这就
是可叠加性。
（2）齐次性 若输入x1(t)产生输出 y1(t)，当输入为ax1(t)时，则输出为 ay1(t),这就是齐次性
1、系统类型
按给定值操纵的开环控制
按控制方式分
按干扰补偿的开环控制 按偏差调节的闭环控制
复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅
恒值系统 液位恒值控制
按给定值变化规律分 随动系统 天线随动控制
程序控制系统
分类
温度控制系统
按系统功用分 压力控制系统
(2)线性离散控制系统：输入输出关系一般可以差 分方程及状态空间表达式来描述。例如工业计 算机控制系统：炉温微机控制系统。
2、非线性控制系统 –控制系统中，若至少有一个元件具有非线性特性； –一般不具有齐次性，也不适用叠加原理； –输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有很大 关系； –采用非线性微分(或差分)方程描述其特性； –非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方程 中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。
b.随动系统(跟踪系统)
该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任 意变化的量，要求系统的输出量能迅速平稳地复现 或跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系 统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。
c.程序控制系统 系统的控制输入信号不是常值,而是事先确
定的运动规律，编成程序装在输入装置中，即 控制输入信号是事先确定的程序信号，控制的 目的是使被控对象的被控量按照要求的程序动 作。如数控车床就属此类系统。
叠加原理：
（1）可叠加性 若输入x1(t)产生输出 y1(t) ；输入 x2(t) 产生输出
y2(t)；输入x1(t)+x2(t)产生输出y1(t)+y2(t) ；这就
是可叠加性。
（2）齐次性 若输入x1(t)产生输出 y1(t)，当输入为ax1(t)时，则输出为 ay1(t),这就是齐次性
第一章 控制系统导论
教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）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。
对应的系统方框图为：由原理图画方块图的步骤：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。
4.反馈控制系统的基本组成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5.自动控制系统的基本控制方式a.开环（信号单向流动）特点：简单、稳定、精度低。
b.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。
c.复合（前向联系、反向作用）特点：性能要求高时用之。
1-2 自动控制系统实例1.函数记录仪（P.7-8）2教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）2.电阻炉微型计算机温度控制系统（P.8-9）3.锅炉液位控制系统（P.9-10）1-3自控系统的分类1.线性连续控制系统微分方程：)()()()()()()()(1111txtadttdxtadttxdtadttxdtacncnncnncn++++---=)()()()()()()()(1111txtbdttdxtbdttxdtbdttxdtbrmrnmrmmrm++++---式中)(txr——系统的输入量；)(txc——系统的输出量。
系数a0(t)，a1(t)……a n(t)，b0(t)，b1(t)……b m(t)是常数时，称为定常系统，随时间变化时，称为时变系统。
定常系统分为：恒值系统、随动系统和程序控制系统1）恒值控制系统恒值系统的给定量是恒定不变的，如恒速、恒温、恒压等自动控制系统，这种系统的输出量也应是恒定不变的。
自控原理 第五节
式中，c(t)是被控量；r(t)是系统输入量。系数是常数时称为定常系统； 系数随时间变化时称为时变系统。 线性定常连续系统又可分为：
(1). 恒值控制系统，这类控制系统的参据量是一个常值，要求被控 量亦等于一个常值，故又称为调节器。
(2). 随动系统，这类控制系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函
1.2 自动控制系统示例
3. 锅炉液位控制系统
锅炉是电厂和化工厂里常见的生产蒸汽的设备，常见 的锅炉液位控制系统示意图如图1-11所示。 当蒸汽的耗汽量与锅炉进水量相等时，液位保持为正 常值。当锅炉的给水量不变，而蒸汽负荷突然增加或减少 时，液位就会下降或上升；或者其它原因引起锅炉液位发 生变化，实际液位高度与正常给定液位之间出现了偏差， 调节器均应立即进行控制，去开大或关小给水阀门，使液 位恢复到给定值。 图1-12 是锅炉液位控制系统方框图
1.1 自动控制的基本原理
2. 自动控制理论
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它 的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于 工业控制。 第二次世界大战期间，为了设计和制造基于反馈原理的 军用装备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战 后已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基 础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出、线性定常系 统的分析和设计问题。
u0 比较电路 ﹘﹘ ut ∆u 放大器 uk 触发器 测速发电机 晶闸管 ua 电动机 n
图1-4 龙门刨床速度控制系统方框图
1.1 自动控制的基本原理
4. 反馈控制系统的基本组成
反馈控制系统是由各种不同的元部件组成的，从完成 “自动控制”这一职能来看，一个系统必然包含被控对象 和控制装置两大部分，而控制装置是由具有一定职能的各 种基本元件组成的。组成系统的元部件按职能分类主要有 以下几种：
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量，驱动执行机构完成控制功能。 输出信号——系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态。
17
例1：A.温度——人工控制
温度计
炉子 电热丝
调压器
220
18
控制目标：
炉子的温度恒定 在期望的数值上。
温度计
炉子 电热丝
输入信号 （期望炉温）
脑 （计算、比较）
放大、执行 （手臂、手）
测量 （眼睛）
调压器
220
14
[反馈控制原理] 在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施
加控制作用，是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，从而实现对 被控对象进行控制的任务，即反馈控制原理。
反馈控制本质是按偏差进行控制的过程。
15
三、反馈控制系统的基本组成
控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输 出部分。
根轨迹法和频率法
状态空间法
研究目标
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控
合。
制与设计。
6
《自动控制原理》主要内容
第一章 控制系统导论 第二章 控制系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析法 第四章 线性系统的根轨迹法 第五章 线性系统的频域分析法 第六章 线性系统的校正方法 第七章 线性离散系统的分析[MATLAB工具] 第八章 非线性控制系统分析
功率 放大器
电动机
+
减速器
_E
调压器
220
期望温度 + u
ur
_
ub
放放
电压放大器
功率放大器
放放
电机、减速器、 调压器
放放放放
炉子
实际温度
放放
热电偶
21
典型的反馈控制系统的结构图 扰
指令 输入
比较元件
参考输给定量
放大元件
入元件
-
调节元件
执行元件
动
被控量 控制对象
测量元件
反馈：取出输出量送回输入端，并与输入信号产生 偏差信号的过程。
25
例3：正反馈例子
已知铀235原子核在一个中子的撞击下，可发生核裂变反应， 放出大量的能量，同时释放大约2.5个中子，放出的中子有可能 再与铀235原子核发生核反应，这就是所谓核裂变的链式反应。
输入
输出
控制系统
从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作 用下的系统响应变化情况；
从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映 射关系。
16
控制系统的基本组成
输入信号
比较
放大
输出信号
执行
被控对象
测量（反馈）
输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。 控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制
正反馈、负反馈 开环控制、闭环控制
22
① 测量元件：测量被控量的实际值或对被控量进行物 理转换。
② 比较元件：将测量值和给定值进行比较，得到偏差。 ③ 放大元件：放大偏差信号。
根据偏差大小产生控制信号。通常包括放大器 和校正装置，控制信号和偏差信号具有一定关 系(称为调节规律)。 ④ 执行元件：由控制信号产生控制作用，从而使被控 制量达到要求值。阀、电动机、液压马达等。 ⑤ 给定元件：给出期望的被控量相对应的系统输入量。 ⑥ 校正元件：也叫补偿元件，改善系统的性能。
5、其他先进控制理论
鲁棒控制、自适应控制、预测控制、容错控制等等。
4
先进控制理论
经典控制理论 与 现代控制理论
项目
经典控制理论
现代控制理论
研究对象 描述方法 研究办法
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述）
线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出）
向量空间 （状态空间描述）
《自动控制原理》参考教材
1. 《自动控制原理简明教程》 胡寿松， 科学出版社
2. 《自动控制原理习题集 》 胡寿松， 科学出版社
3. 《自动控制原理》（第一版） 张 莲，中国铁道出版社
4. 《自动控制原理的MATLAB实现》 黄忠霖，国防工业出版社
8
第一章
控制系统导论
9
本章主要内容
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 对自动控制系统的基本要求
23
例2：火炮自动跟踪系统——“火炮打飞机”
+
+
受信仪
放大器
•
•
_
_
电机
减速器
校正装置Biblioteka 检测装置反馈控制系统基本组成
原理用方块图表示。负反馈“-”；“＋”号即正反馈。 信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称前向通 路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主 反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外， 还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。只包含一个主 反馈通路的系统称单回路系统；有两个或两个以上反馈通 路的系统称多回路系统。
3
4、智能控制
这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能 在控制上的应用。它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。
学派：结构派和功能派 它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然 而由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许多 以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得 到了人们极大的重视。
自动控制原理 Automatic Control Theory
河南理工电气学院
自动控制理论的内容
1、经典控制理论
研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。 如：调节电压改变电机的速度。
2、现代控制理论
研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。 如: 汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏
10
1-1 自动控制的基本原理
11
一、基本概念 [自动控制]
12
[自动控制理论] 研究自动控制共同规律的技术科学。
[自动控制系统] 由被控对象和自动控制装置按照一定的方式
连接起来，组成一个有机的整体，称为自动控制 系统。
13
二、反馈控制基本原理
反 馈：取出输出量送回到输入端，并与输入 信号相比较产生偏差信号的过程。
板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。
2
3、大系统控制理论
研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、 目标多样、因素众多等特点。 是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体 温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制 等等。
大系统控制理论目前仍处于发展阶段。
被控对象 （电热丝、炉）
输出信号 （实际炉温）
19
温度计
B.温度——自动控制
炉子 电热丝
调压器
220
炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
u
ub
ur
电压 放大器
电动机
功率 +
放大器 _E
减速器 调压器
220
20
闭环控制系统的基本组成
炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
u
ub
ur
电压 放大器
17
例1：A.温度——人工控制
温度计
炉子 电热丝
调压器
220
18
控制目标：
炉子的温度恒定 在期望的数值上。
温度计
炉子 电热丝
输入信号 （期望炉温）
脑 （计算、比较）
放大、执行 （手臂、手）
测量 （眼睛）
调压器
220
14
[反馈控制原理] 在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施
加控制作用，是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，从而实现对 被控对象进行控制的任务，即反馈控制原理。
反馈控制本质是按偏差进行控制的过程。
15
三、反馈控制系统的基本组成
控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输 出部分。
根轨迹法和频率法
状态空间法
研究目标
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控
合。
制与设计。
6
《自动控制原理》主要内容
第一章 控制系统导论 第二章 控制系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析法 第四章 线性系统的根轨迹法 第五章 线性系统的频域分析法 第六章 线性系统的校正方法 第七章 线性离散系统的分析[MATLAB工具] 第八章 非线性控制系统分析
功率 放大器
电动机
+
减速器
_E
调压器
220
期望温度 + u
ur
_
ub
放放
电压放大器
功率放大器
放放
电机、减速器、 调压器
放放放放
炉子
实际温度
放放
热电偶
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典型的反馈控制系统的结构图 扰
指令 输入
比较元件
参考输给定量
放大元件
入元件
-
调节元件
执行元件
动
被控量 控制对象
测量元件
反馈：取出输出量送回输入端，并与输入信号产生 偏差信号的过程。
25
例3：正反馈例子
已知铀235原子核在一个中子的撞击下，可发生核裂变反应， 放出大量的能量，同时释放大约2.5个中子，放出的中子有可能 再与铀235原子核发生核反应，这就是所谓核裂变的链式反应。
输入
输出
控制系统
从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作 用下的系统响应变化情况；
从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映 射关系。
16
控制系统的基本组成
输入信号
比较
放大
输出信号
执行
被控对象
测量（反馈）
输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。 控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制
正反馈、负反馈 开环控制、闭环控制
22
① 测量元件：测量被控量的实际值或对被控量进行物 理转换。
② 比较元件：将测量值和给定值进行比较，得到偏差。 ③ 放大元件：放大偏差信号。
根据偏差大小产生控制信号。通常包括放大器 和校正装置，控制信号和偏差信号具有一定关 系(称为调节规律)。 ④ 执行元件：由控制信号产生控制作用，从而使被控 制量达到要求值。阀、电动机、液压马达等。 ⑤ 给定元件：给出期望的被控量相对应的系统输入量。 ⑥ 校正元件：也叫补偿元件，改善系统的性能。
5、其他先进控制理论
鲁棒控制、自适应控制、预测控制、容错控制等等。
4
先进控制理论
经典控制理论 与 现代控制理论
项目
经典控制理论
现代控制理论
研究对象 描述方法 研究办法
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述）
线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出）
向量空间 （状态空间描述）
《自动控制原理》参考教材
1. 《自动控制原理简明教程》 胡寿松， 科学出版社
2. 《自动控制原理习题集 》 胡寿松， 科学出版社
3. 《自动控制原理》（第一版） 张 莲，中国铁道出版社
4. 《自动控制原理的MATLAB实现》 黄忠霖，国防工业出版社
8
第一章
控制系统导论
9
本章主要内容
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 对自动控制系统的基本要求
23
例2：火炮自动跟踪系统——“火炮打飞机”
+
+
受信仪
放大器
•
•
_
_
电机
减速器
校正装置Biblioteka 检测装置反馈控制系统基本组成
原理用方块图表示。负反馈“-”；“＋”号即正反馈。 信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称前向通 路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主 反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外， 还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。只包含一个主 反馈通路的系统称单回路系统；有两个或两个以上反馈通 路的系统称多回路系统。
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4、智能控制
这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能 在控制上的应用。它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。
学派：结构派和功能派 它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然 而由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许多 以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得 到了人们极大的重视。
自动控制原理 Automatic Control Theory
河南理工电气学院
自动控制理论的内容
1、经典控制理论
研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。 如：调节电压改变电机的速度。
2、现代控制理论
研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。 如: 汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏
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1-1 自动控制的基本原理
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一、基本概念 [自动控制]
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[自动控制理论] 研究自动控制共同规律的技术科学。
[自动控制系统] 由被控对象和自动控制装置按照一定的方式
连接起来，组成一个有机的整体，称为自动控制 系统。
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二、反馈控制基本原理
反 馈：取出输出量送回到输入端，并与输入 信号相比较产生偏差信号的过程。
板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。
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3、大系统控制理论
研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、 目标多样、因素众多等特点。 是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体 温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制 等等。
大系统控制理论目前仍处于发展阶段。
被控对象 （电热丝、炉）
输出信号 （实际炉温）
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温度计
B.温度——自动控制
炉子 电热丝
调压器
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炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
u
ub
ur
电压 放大器
电动机
功率 +
放大器 _E
减速器 调压器
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闭环控制系统的基本组成
炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
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ub
ur
电压 放大器