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自动控制原理
第1章 自动控制系统的基本概念
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第1章 自动控制系统的基本概念
主要内容
开环控制系统与闭环控制系统 闭环控制系统的组成和基本环节 自动控制系统的类型 自动控制系统的性能指标 小结
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1.2 闭环控制系统的组成和基本环节
2.闭环控制系统的基本环节 闭环控制系统的基本环节 （1）被控对象或调节对象 ） 要进行控制的设备或过程。 要进行控制的设备或过程。 （2）执行机构 ） 一般由传动装置和调节机构组成。 一般由传动装置和调节机构组成。执行机 构直接作用于控制对象， 构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要 求的数值。 求的数值。 （3）检测装置或传感器 ） 该装置用来检测被控制量，并将其转换为 该装置用来检测被控制量， 与给定量相同的物理量。
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第1章 自动控制系统的基本概念
学习重点
了解自动控制系统的基本结构和特点及 其工作原理； 其工作原理； 了解闭环控制系统的组成和基本环节； 了解闭环控制系统的组成和基本环节； 掌握反馈控制系统的基本要求及反馈控 制系统的作用； 制系统的作用； 学会分析自动控制系统的类型及本质特 征。
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自动控制原理
课程的主要内容（讲课 实验 实验） 课程的主要内容（讲课/实验）
第 1章 第 2章 第 3章 第 4章 第 5章 第 6章 第 7章 第 8章
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自动控制系统的基本概念(4/0) 自动控制系统的基本概念(4/0) 自动控制系统的数学模型(10/0) 自动控制系统的数学模型(10/0) 自动控制系统的时域分析(12/4) 自动控制系统的时域分析(12/4) 根轨迹法(8/0) 根轨迹法(8/0) 频率法(12/4) 频率法(12/4) 控制系统的校正及综合(8/0) 控制系统的校正及综合(8/0) 非线性系统分析(6/2) 非线性系统分析(6/2) 线性离散系统的理论基础(8/2) 线性离散系统的理论基础(8/2)
1.1 开环控制系统和闭环控制系统
①开环控制
只有输入量对输出量产生控制作用，输 出量不参与对系统的控制。 。
②开环控制特点
输入控制输出 输出不参与控制 系统没有抗干扰能力
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
① 反馈控制
把输出量的一部分检测出来,反馈到输入端,与 给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产 生控制作用,使输出量按照要求的规律变化。 反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为 正反馈。
全国高等学校自动化专业系列教材 普通高等教育“十一五” 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 国家精品课程教材
自动控制原理
东北大学 王建辉 顾树生 主编 杨自厚 主审
清华大学出版社
自动控制原理
Principle of Automatic Control
东北大学 《自动控制原理》课程组 自动控制原理》 负责人 顾树生 王建辉
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自动控制原理
课程的性质和特点
自动控制是一门技术学科， 自动控制是一门技术学科，从方法论的 技术学科 角度来研究系统的建立、分析与设计, 角度来研究系统的建立、分析与设计,《自 动控制原理》是本学科的技术基础课。 动控制原理》是本学科的技术基础课。
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本课程与其它课程的关系
信号与系统 电路理论 电机与拖动 大学物理 复变函数 拉氏变换 模拟电子技术 线性代数
自动控制原理
现代控 制理论
微积分
各 类 专业课
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线性系统
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自动控制原理
自动控制理论的发展历程
第一阶段：古典控制理论（ 世纪 世纪40～ 年代 年代） 第一阶段：古典控制理论（20世纪 ～60年代） SISO、线性定常、频域法 、线性定常、 第二阶段：现代控制理论（ 世纪 世纪60～ 年代 年代） 第二阶段：现代控制理论（20世纪 ～70年代） MIMO、非线性、时变、状态空间法 、非线性、时变、 第三阶段：智能控制理论（20世纪 年代～ 今） 第三阶段：智能控制理论（ 世纪70年代～ 世纪 年代 非模型
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1.2 闭环控制系统的组成和基本环节
（4）给定环节 ） 设定被控制量的给定值的装置。 设定被控制量的给定值的装置。 （5）比较环节 ） 将所检测的被控制量与给定量进行比较， 将所检测的被控制量与给定量进行比较， 确定两者之间的偏差量。 确定两者之间的偏差量。 （6）中间环节 ） 一般包括放大环节和校正环节。 一般包括放大环节和校正环节。
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1.3 自动控制系统类型 1.按照主要元件的输入输出特性划分
1）线性系统 ） 由线性元件组成的系统，其微分方程中输 出量及其各阶导数都是一次的，并且各系 数与输入量（自变量）无关。 2）非线性系统 ） 存在非线性元件的系统，其微分方程式的 系数与自变量有关。
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
自动控制
自动控制是在没有人的直接干预下， 自动控制是在没有人的直接干预下，利用物 理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制， 理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制， 使被控制的物理量保持恒定， 使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规 律变化，例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加 律变化，例如矿井提升机的速度控制、 热炉温度的控制等等。 热炉温度的控制等等。
1.3 自动控制系统类型
2.按照信号传递方式划分 2.按照信号传递方式划分
1）连续数据系统 ） 系统各部分的信号都是连续的模拟量。 2）离散数据系统 ） 系统的一处或几处，信号是以脉冲序列 或数码的形式传递。
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1.3 自动控制系统类型
3.按照输入量的变化规律划分 3.按照输入量的变化规律划分
自动控制系统
自动控制系统是为实现某一控制目标所需要 的所有物理部件的有机组合体。 的所有物理部件的有机组合体。
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
1.开环控制系统 1.开环控制系统
例1-1 温度控制系统
～220 0V
uc
2
1
性能指标 工作过程
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1
~220V
uc
2
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
（2）自动闭环控制 ）
温度闭环控制系统图 1-热电偶 2-加热器
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
给定量
闭环控制结构图 1-控制器 2-控制对象 3-检测装置
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1）恒值系统 ） 给定量是恒定不变的。 2）程序控制系统 ） 给定量是按照一定的时间函数变化的。 3）随动系统 ） 给定量按照事先未知的时间函数变化。
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1.4 自动控制系统的性能指标
对自动控制系统的基本要求
稳（稳定性）、快（快速性）、准（准确性） 稳定性）、快 快速性）、准 准确性） ）、 ）、 描述系统的动态（过渡过程） “稳”与“快”描述系统的动态（过渡过程） 品质。 品质。 系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中储能 元件的能量不可能突变。 元件的能量不可能突变。 描述系统的稳态（静态）品质。 “准”描述系统的稳态（静态）品质。
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
扰动量 给定量 输出量
1
2
图中： 图中： 1 – 控制器(自耦变压器) 2 - 被控对象(电阻炉)
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1.1 开环控制系统和闭环控制系统
2.闭环控制系统 2.闭环控制系统
例1-2 温度闭环控制系统 （1）人工闭环控制
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1.4 自动控制系统的性能指标
1. 稳定性
当扰动作用（或给定值发生变化） 当扰动作用（或给定值发生变化）时，输出量将偏离原来 的稳态值，这时由于反馈的作用，通过系统内部的自动调节， 的稳态值，这时由于反馈的作用，通过系统内部的自动调节， 系统可能回到或接近原来的稳态值（或跟随给定值） 系统可能回到或接近原来的稳态值（或跟随给定值）稳定下来 如图a），称这样的系统为稳定系统，反之， ），称这样的系统为稳定系统 （如图 ），称这样的系统为稳定系统，反之，不稳定系统的 输出如图b 稳定性是保证控制系统正常工作的必备条件。 输出如图 。稳定性是保证控制系统正常工作的必备条件。
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1.4 自动控制系统的性能指标
2. 稳态性能指标
稳态误差 当系统从一个稳态过渡到新的稳态， 当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或 系统受扰动作用又重新平衡后， 系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会 出现偏差，这种偏差称为稳态误差 稳态误差。 出现偏差，这种偏差称为稳态误差。 系统稳态误差的大小反映了系统的控制 精度，它表明了系统控制的准确程度。 精度，它表明了系统控制的准确程度。稳态 误差越小，则系统的控制精度越高。 误差越小，则系统的控制精度越高。
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1.2 闭环控制系统的组成和基本环节
1.闭环控制系统的结构图 1.闭环控制系统的结构图