第一章 控制系统导论
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
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；
现代控制系统(十一版)
现代控制系统（十一版）第一章控制系统导论1、实现高效的设计过程的主要途径是参数分析和优化。
参数分析的基础是：（1）辨识关键参数；（2）构建整个系统；（3）评估系统满足需求的程度。
这三步是一个循环迭代的过程。
一旦确定了关键参数，构建了整个系统，设计师就可以在此基础上优化参数。
设计师总是尽力辨识确认有限的关键参数，并加以调整。
2、控制系统设计流程（重要）①确定控制目标和受控变量，并初步定义（确定）系统性能指标设计要求和初步配置结构；②系统定义和建模；③控制系统设计，全系统集成的仿真和分析。
（控制精度要求决定了测量受控变量的传感器选型）；④设计规范/设计要求规定了闭环系统应该达到的性能，通常包括：（1）抗干扰能力；（2）对指令的响应能力；（3）产生使用执行机构驱动信号的能力；（4）灵敏度；（5）鲁棒性等方面的要求。
⑤首要任务：设计出能够达到预期控制性能的系统机构配置（传感器、受控对象、执行机构和控制器）。
其中执行机构的选择与受控对象和变量有关，控制器通常包含一个求和放大器（框图中的比较器），用于将预期响应与实际响应进行比较，然后将偏差信号送入另一个放大器。
⑥调节系统参数，以便获得所期望的系统性能。
⑦设计完成之后，由于控制器通常以硬件的形态实现，还会出现各硬件之相互干扰的现象。
进行系统集成时，控制系统设计必须考虑的诸多问题，充满了各种挑战。
3、分析研究动态系统的步骤为：①定义系统及其元件；②确定必要的假设条件并推导出数学模型；③列写描述该模型的微分方程；④求解方程（组），得到所求输出变量的解；⑤检查假设条件和多得到的解；⑥有必要，重新分析和设计系统。
4、中英文术语和概念Automation 自动化Closed-loop feedback control system 闭环反馈控制系统Complexity of design 设计的复杂性Control system 控制系统Design 设计Design gap 设计差异Engineering design 工程设计Feedback signal 反馈信号Flyball governor 飞球调节器Hybrid fuel automobile 混合动力汽车Mechatronics 机电一体化系统Multivariable control system 多变量控制系统Negative feedback 负反馈Open-loop control system 开环控制系统Optimization 优化Plant 受控对象Positive feedback 正反馈Process 受控过程Productivity 生产率Risk 风险Robot 机器人Specification 设计规范Synthesis 综合System 系统Trade-off 折中处理第二章系统数学模关键词：数学模型微分方程（组）非线性模型区域（点）线性化拉普拉斯变换合理假设相似变量相似模型线性模型线性叠加原理注：线性系统满足叠加性和齐次行。
自动控制原理-第一章 控制系统导论(3)
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。
自动控制原理第一章 控制系统导论
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。
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。
6
《自动控制原理》主要内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 控制系统导论 控制系统的数学模型 线性系统的时域分析法 线性系统的根轨迹法 线性系统的频域分析法 线性系统的校正方法
第七章
第八章
线性离散系统的分析[MATLAB工具]
非线性控制系统分析
《自动控制原理》参考教材
1. 2. 3. 4. 《自动控制原理简明教程》
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
温度计
控制目标：
炉子的温度恒定 在期望的 数值上 。
220
炉子 电热丝 调压器
输入信号 （期望炉温）
脑 （计算、比较）
放大、执行 （手臂、手） 测量 （眼睛）
第1章 控制系统导论
1-1 自动控制的基本原理
人工控制的例子
示例——水池水位控制
人工控制
被控对象：水池 被控量：水池的水位
观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者 之差为偏差。根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度， 即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大 阀门开度以改变进水量，从而改变水池水位，使之与要求值 保持一致。
1-1 自动控制的基本原理
2. 闭环控制
输出量与输入量之间有反馈回路，通过输入量与主反馈信号之 间的偏差对输出量进行控制。系统的输出信号对控制作用有直 接影响。
1-1 自动控制的基本原理
直流电动机转速闭环控制系统
uf Kf
Mc恒定：ur, ue u1 ua, n, ur 恒定：Mc, n
1.3 自动控制系统的分类
1-3 自动控制系统的分类
1.按信号流向划分 （1）开环控制系统
信号流动由输入端到输出端单向流动。
（2）闭环控制系统 若控制系统中信号除从输入端到输出端外,还有输出到
输入的反馈信号,则构成闭环控制系统,也称反馈控制系统,
1-3 自动控制系统的分类
2.按系统输入信号划分
（3）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。
1-3 自动控制系统的分类
3.线性系统和非线性系统
（1）线性系统
组成系统元器件的特性均为线性的,可用一个或一组线性微分方程 来描述系统输入和输出之间关系。线性系统的主要特征是具有齐次性和
1-1 自动控制的基本原理
(4)偏差信号:控制输入信号与主反馈信号之差。 (5)误差信号:它指系统输出量的实际值与期望值之差。 在单位反馈情况下,期望值就是系统控制输入信号的值, 误差信号等于偏差信号。 (6)扰动信号:除控制信号以外,对系统的输出有影响的 信号。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一章控制系统导论
一、填空
1、对于一个自动控制的性能要求可以概括为三个方面：、、。
2、“经典控制理论”的内容是以为基础的。
3、根据采用的信号处理技术的不同，控制系统分为模拟控制系统和。
4、反馈控制又称偏差控制，其控制作用是通过与反馈量的差值进行的。
5、复合控制有两种基本形式：即按的前馈复合控制和按的前馈复合控制。
6、在水箱水温控制系统中，受控对象为，被控量为。
7、自动控制系统有两种基本控制方式，当控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为；当控制装置与受控对象之间不但有顺向作用而且还有反向联系时，称为；含有测速发电机的电动机速度控制系统，属于。
8、火炮跟踪系统是一种控制系统，一般对系统的指标要求较高。
9、按控制方式分类，制动控制系统分为、和。
10、就历史发展而言，自动控制理论可分为以为基础的经典控制理论和以为基础的现代控制理论。
二、选择题
1、通过测量输出量，产生一个与输出信号存在确定函数比例关系值的元件称为（C ）
A.比较元件
B.给定元件
C.反馈元件
D.放大元件
2、当忽略电动机的电枢电感后，以电动机的转速为输出变量，电枢电压为输入变量时，电
动机可看作一个（B ）
A.比例环节
B.微分环节
C.积分环节
D.惯性环节
3、与开环控制系统相比较，闭环控制系统通常对（B ）进行直接或间接地测量，通过反馈环节去影响控制信号。
A.输出量
B.输入量
C.扰动量
D.设定量
4、主要用于产生输入信号的元件称为（B ）
A.比较元件
B.给定元件
C.反馈元件
D.放大元件
5、如果被调量随着给定量的变化而变化，这种控制系统叫（B ）
A.恒值调节系统
B.随动系统
C.连续控制系统
D.数字控制系统
6、与开环控制系统相比较，闭环控制系统通常对（B ）进行直接或间接地测量，通过反
馈环节去影响控制信号。
A.输出量
B.输入量
C.扰动量
D.设定量
7、直接对控制对象进行操作的元件称为（D ）
A.给定元件
B.放大元件
C.比较元件
D.执行元件
8、开环控制系统的的特征是没有（C ）
A.执行环节
B.给定环节
C.反馈环节
D.放大环节
9、主要用来产生偏差的元件称为（A ）
A.比较元件
B.给定元件
C.反馈元件
D.放大元件
10、随动系统对（A ）要求较高。
A.快速性
B.稳定性
C.准确性
D.振荡次数
11、“现代控制理论”的主要内容是以（B ）为基础，研究多输入、多输出等控制系统的
分析和设计问题。
A.传递函数模型
B.状态空间模型
C.复变函数模型
D.线性空间模型
12、主要用于稳定控制系统，提高性能的元件称为（D ）
A.比较元件
B.给定元件
C.反馈元件
D.校正元件
13、系统已给出，确定输入，使输出尽可能符合给定的最佳要求，称为（D ）
A.系统辨识
B.系统分析
C.最优设计
D.最优控制
14、系统的数学模型是指（C ）的数学表达式。
A.输入信号
B.输出信号
C.系统的动态特性
D.系统的特征方程
15、对于代表两个或两个以上输入信号进行（C ）的元件又称比较器。
A.微分
B.相乘
C.加减
D.相除
16、采用负反馈形式连接后，则(D )
A、一定能使闭环系统稳定；
B、系统动态性能一定会提高；
C、一定能使干扰引起的误差逐渐减小，最后完全消除；
D、需要调整系统的结构参数，才能改善系统性能。
三、计算题
1、 电冰箱制冷原理图如图1所示，简述系统工作原理，指出被控对象，被控量和给定量，并画出系统方框图。
2、图2为液位控制系统的示意图，试说明其工作原理并绘制系统的方框图。
3、图3所示为一液面控制系统。
图中K 为放大器的放大倍数，SM 为执行电动机。
试分析该系统的工作原理，在系统中找出参考输入、干扰量、控制器及被控对象，并画出系统的方块图。
图3液面控制系统原理图
4、图4所示为一液面控制系统，试说明它的工作原理。
图
1电冰箱制冷系统原理图
图2液位控制系统示意图
图4 液面控制系统原理图
答案
一、填空题
1、快速性、准确性、稳定性
2、传递函数
3、数字控制系统
4、给定值
5、输入；扰动；
6、水箱；水温
7、开环控制系统；闭环控制系统；闭环控制系统
8、随动、快速性
9、开环控制、反馈控制、复合控制
10、传递函数、状态空间
二、选择题
1、C
2、B
3、B
4、B
5、B
6、B
7、D
8、C
9、A 10、A 11、B 12、D 13、D 14、C 15、C 16、D
三、计算题
1、解：被控对象是看得见的实体，
不能与物理量相混淆。
被控制量则是
被控对象中表征被控制对象工作状态
的物理量。
确定控制对象要看控制的
目的与任务。
控制的任务是保持冰箱内的温度
Tc等于设定的温度Tr。
冰箱的箱体是
被控对象，箱内温度是被控量。
由控制
器旋钮设定出电位器输出电压（与希望
图1电冰箱制冷系统原理图
温度Tr值对应）是给定量。
温度控制器中的双金属温度传感器（测量元件）感受冰箱内的温度，并把它转换为电压信号，与控制器旋钮设定出电位器（给定元件）输出电压（对应于与希望温度Tr）相比
较，利用偏差电压u ∆（表征实际温度和希望温度的偏差）控制继电器。
当u ∆大到一定的值时，继电器接通压缩机起动将蒸发器中的高温低压气态制冷液送到冷却器散热。
降温后流出的低温低压冷却液被压缩成低温高压液态进入蒸发器急速降压扩散成气体，吸收箱体内的热量，使箱体内温度降低，而高温低压制冷剂又被吸入冷却器。
如此循环，使冰箱达到制冷效果。
继电器，压缩机，蒸发器和冷却器组成系统的执行机构，完成降温功能。
冰箱制冷系统方框图如图1-1所示。
2、说明 液位控制系统是一典型的过程
控制系统。
控制的任务是：在各种扰动的
作用下尽可能保持液面高度在期望的位置
上。
故它属于恒值调节系统。
现以水位控
制系统为例分析如下。
解 分析图1-3可以看到：被控量为水位
高度h （而不是水流量Q 2或进水流量Q 1）；
受控对象为水箱；使水位发生变化的主要
原因是用水流量Q 2，故它为系统的负载扰
动；而进水流量Q 1是用以补偿用水流量的
改变，使水箱的水位保持在期望的位置上的
控制作用；控制进水流量的使由电动机驱动的阀门V 1，故电动机-减速器-阀门V 1一起构成系统的执行机构；而电动机的供电电压u d 取决于电位器动触点与接零点之间的电位差，若记接零点与电位参考点之间的电压为u g ，则它便是系统的给定信号，记动触点与电位参考点之间的电压为u f ，而u d =u g -u f ，故u f 为负反馈信号。
于是可绘制系统方框图，如图2-1所示。
系统的调节过程如下：调整系统和进水阀V 1的开度使系统处于平衡状态，这时进水流量Q 1和额定的用水流量Q 2保持动态平衡，液面的高度恰好在期望的位置上，而与浮子杠杆相联接的电位器动触头正好在电位器中点（即接零点）上，从而u d ＝0电动机停止不动；当用水流量发生变化时，比如用水流量增大使得液面下降，于是浮子也跟着下降，通过杠杆作用带动电位器的动触点往上移，从而给电动机电枢提供一定的电压，设其极性为正的(即u d >0),于是电动机正转，通过减速器驱动阀门V 1增大其开度。
3、解：液面为设定高度时，浮子的位置使电位器活动端的电位为零，电机电压为零，电机不转阀门开度保持不变，液面高度保持不变。
当液面高度高于设定值时，浮子上升使电位器图1-1 冰箱制冷系统方框图 图2液位控制系统示意图 图2-1 液位控制系统方块图 Q
Q
活动端电位为正，电机电压为正，电机正传使阀门开度减小，使流入量M2减少，液面下降，趋于设定值。
反之，电机反转，阀门开度增大，流入量增加，液面也趋于设定值。
参考输入是电位器中点电压，是零。
干扰量包括出水量，进水管水压的波动等。
被控量是液面高度。
控制器包括放大器，浮子，电位器。
被控对象包括水箱中的水，控制阀，减速器，电机。
系统方框图如下。
图3 系统方框图
4、解：当液位为设定值时，浮子通过杠杆使阀门开度为某一值，流入量等于流出量，液位不变。
若液位下降，则浮子下降并使阀门开度增加，流入量增加。
若液位上升，则浮子是阀门开度减小，流入量减小。
可见，此系统力图使液位保持在设定高度。