自动控制原理简明教程(第二版) ppt课件

第一章 绪 论
第一节 引言 第二节 开环控制系统和闭环控制系统 第三节 自动控制系统的构成 第四节 自动控制系统分类 第五节 对自动控制系统的基本要求
单输入-单输出(SISO)系统如 图1-1所示。
• 图 1-1 单输入-单输出(SISO)系统
电子技术、计算技术、航天技术 等学科的高
度发展和工程实践的需要, 现代 控制理论近年来得到迅速发展, 它为自动控制理论和自动控制技 术发展提供了美好的前景。多输 入-多输出(MIMO)系统如图1-2所
• 图 1-4 开环控制系统方框图
控制系统的输出量对控制作 用有影响的系统, 称为闭环控制 系统, 也称为负反馈控制系统。
• 图 1-5 直流电动机转速闭环控制系统
• 图 1-6 闭环控制系统方框图
因素，对其余扰动均不起补偿作 用。因此，比较合理的一种控制 方式是把按偏差控制与按扰动控 制结合起来，对于主要扰动采用 适当的补偿装置实现按扰动控制， 同时，再组成反馈控制系统实现 按偏差控制，以消除其余扰动产
所谓离散控制系统, 是指在 控制系统的一处或多处的信号为
脉冲序列或数码传递系统。
从系统外部变量的描述来分类的， 不考虑系统内部的通路与结构。 也就是说,如果给定的输入是单一 的， 那么响应也是单一的。但系 统内部的结构回路可以是多回路 的，内部变量显然也是多种形式 的。内部变量可称为中间变量， 输入与输出变量称为外部变量。
生的偏差。
• 图 1-7 电动机速度复合控制系统
控制对象和控制器组成的，其中 控制器又是由一些基本的功能性 部件或元件构成的。在典型情况 下，由以下这些基本部件或元件 构成控制器，统称为控制装置，
共同完成控制任务。
3. 比较元件 4. 放大元件 5. 执行元件 6. 校正元件 7. 能源元件

例如对一个微分方程，若已知初值和输入值，对 微分方程求解，就可以得出输出量的时域表达式。 据此可对系统进行分析。所以建立控制系统的数学 模型是对系统进行分析的第一步也是最重要的一步。
控制系统如按照数学模型分类的话，可以分为线 性和非线性系统，定常系统和时变系统。
2021/7/21
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自动控制原理
[线性系统]：如果系统满足叠加原理，则称其为线性系 统。叠加原理说明，两个不同的作用函数同时作用于 系统的响应，等于两个作用函数单独作用的响应之和。
[解]速度控制系统微分方程为：
a2 a1 a0 b1ug b0ug 对上式各项进行拉氏变换，得：
(s)(a2s2 a1s a0) Ug (s)(b1s b0)
即：
(s)
(b1s (a2s2
b0 ) a1s
a0 )
U
g
(s)
当输入已知时，求上式的拉氏反变换，即可求得输出
的时域解。
2021/7/21
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自动控制原理
[关于传递函数的几点说明]
❖ 传递函数的概念适用于线性定常系统，与线性常系 数微分方程一一对应。与系统的动态特性一一对应。
❖ 传递函数不能反映系统或元件的学科属性和物理性 质。物理性质和学科类别截然不同的系统可能具有 完全相同的传递函数。而研究某传递函数所得结论 可适用于具有这种传递函数的各种系统。
将上式求拉氏变化，得(令初始值为零）
(ansn an1sn1 a1s a0)Y(s) (bmsm bm1sm1 b1s b0)X (s)
G(s)
Y (s) X (s)
bm s m an s n
bm1sm1 b1s b0 an1sn1 a1s a0

• 控制单元包括：双向天窗角度开闭驱动，遮阳网驱动，防虫网驱 动，通风机，喷灌滴灌定时或根据土壤水分控制，营养液自动配 制和弃液，节能加温等.智能变送单元进行数据采集,具有自诊断,自 标定等功能。
• 传感器包括测量环境参数的传感器(温、湿度、光照、二氧化碳、 土壤水分等)以及营养液成分(pH，电导、氮、磷、钾等)，小气象 传感器(风速、风向、大气温湿度和大气压等)等。
➢1948年美国麻省理工学院出版了另一本《伺服机件原理》教材， 建立了现在广泛使用的频域法
➢1948年维纳(Wiener)在他的名著《控制论：关于在动物和机器中控 制和通信的科学》中基于信息的观点给控制论(Cybernetics)下了一 个广义的定义。而在控制工程中又称为控制理论(Control Theory)。
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统实例 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
2024/5/10
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自动控制
自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设 备或装置（统称控制装置或控制器），使机器、设备或生产 过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量） 自动地按照预定的规律运行。
➢1960年在美国自动控制联合会第一届年会上首次提出 “现代控制理论”这个名词。
➢在状态空间法发展初期，具有重要意义的是庞特里亚金 （Pontryagin）的极大值原理。贝尔曼（Bellman）的动态 规划理论和卡尔曼（Kalman）的最佳滤波理论，有人把它 们作为现代控制理论的起点，主要研究系统辨识、最优控 制、最佳滤波及自适应控制等内容。
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• 自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建 立、分析与设计。

-
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)

集成化：智能控制技术将更加集 成化，能够实现多种控制技术的 融合和应用。
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网络化：智能控制技术将更加网 络化，能够实现远程控制和信息 共享。
绿色化：智能控制技术将更加绿 色化，能够实现节能减排和环保 要求。
控制系统的网络化与信息化融合
网络化控制：通过互联网实现远程控制和监控
现代控制理论设计方法
状态空间法：通过建立状态空间模型，进行系统分析和设计 频率响应法：通过分析系统的频率响应特性，进行系统分析和设计 极点配置法：通过配置系统的极点，进行系统分析和设计 线性矩阵不等式法：通过求解线性矩阵不等式，进行系统分析和设计
最优控制理论设计方法
基本概念：最优控制、状态方程、控制方程等 设计步骤：建立模型、求解最优控制问题、设计控制器等 控制策略：线性二次型最优控制、非线性最优控制等 应用领域：航空航天、机器人、汽车电子等
动态性能指标
稳定性：系统在受到扰动后能否恢复到平衡状态 快速性：系统在受到扰动后恢复到平衡状态的速度 准确性：系统在受到扰动后恢复到平衡状态的精度 稳定性：系统在受到扰动后能否保持稳定状态
抗干扰性能指标
稳定性：系统在受到干扰后能够 恢复到原来的状态
准确性：系统在受到干扰后能够 保持原有的精度和准确性
信息化控制：利用大数据、云计算等技术实现智能化控制
融合趋势：网络化与信息化的融合将成为未来控制系统的发展方向 应用领域：工业自动化、智能家居、智能交通等领域都将受益于网络化与 信息化的融合
控制系统的模块化与集成化发展
模块化：将复杂的控制系统分解为多个模块，每个模块负责特定的功能，便于设计和维护 集成化：将多个模块集成为一个整体，提高系统的性能和可靠性 发展趋势：模块化和集成化是未来控制系统发展的重要方向 应用领域：广泛应用于工业自动化、智能家居、智能交通等领域

第二章 控制系统的数学模型
2.1 控制系统的时域数学模型 2.2 控制系统的复域数学模型 2.3 控制系统的结构图和信号流程图
数学模型的一般概念
1、定义
人们常将描述系统工作状态的各物理量随时间变化的 规律用数学表达式或图形表示出来，这种描述系统各个物 理量之间关系的数学表达式或图形称为系统的数学模型。
1 s 2 2 n s 1
2 n W ( s) 2 2 s 2n s n
特点：振荡的程度与阻尼系数有关。
式中：
n
——自然振荡角频率 —— 阻比7、二阶微分环节G(s) s 2 n s 1
2
16
2.3(1) 控制系统的结构图
动态结构图是描述系统各组成元件之间信号传递 关系的数学图形，它表示了系统的输入输出之间的 关系。 X (S) X (S) E(S) G(S) 2.3.1结构图的组成于绘制 1、结构图的组成 X (S)
2121控制系统的时域数学模型控制系统的时域数学模型2222控制系统的复域数学模型控制系统的复域数学模型2323控制系统的结构图和信号流程图控制系统的结构图和信号流程图22数学模型的一般概念数学模型的一般概念1定义定义人们常将描述系统工作状态的各物理量随时间变化的人们常将描述系统工作状态的各物理量随时间变化的规律用数学表达式或图形表示出来这种描述系统各个物规律用数学表达式或图形表示出来这种描述系统各个物理量之间关系的理量之间关系的数学表达式或图形数学表达式或图形称为系统的数学模型
G (s)
1 s
特点：输出量随时间成正比地无限增加
U c ( s) K 1 W ( s) U r ( s) s Ts
3、微分环节
G( s) s
特点：是积分环节的逆运算， 其输出量反映了输入信号的变 化趋势，实践中，理想的微分 环节难以实现。

(k 2)
n
m
pi
i 1
zi
i 1
5
nm
3
43
以下是几种开环传递函数的根轨迹渐近线
K* s(s p1 )
44
K* s(s p1 )(s p2 )
K* s(s p1 )(s p2 )(s p3 )
45
K* s2 (s p1 )(s p2 )(s p3 )
对应的开环传递函数
A(s)
A(s) KB(s) 0
设K=K0时，s0是重根，则有
A(s0 ) K0B(s0 ) 0
dA(s)
dB(s)
ds
K0
s s0
ds
0
s s0
35
1 G(s)H(s) 0 G(s)H (s) KB(s)
A(s)
A(s) KB(s) 0
K A(s) B(s)
dK A(s)B(s) A(s)B(s)
第四章
根轨迹法
2020/11/27
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第4章 根轨迹法
基本要求
4-1 根轨迹与根轨迹方程 4-2 绘制根轨迹的基本法则
4-3 广义根轨迹
4-4 系统闭环零、极点分布与阶跃
响应的关系
4-5 系统阶跃响应的根轨迹
2
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基本要求
1.正确理解开环零、极点和闭环零、极点以及主导极 点等概念。
2.正确理解和熟记根轨迹方程(模方程及相角方程)。 熟练运用模方程计算根轨迹上任一点的根轨迹增益 和开环增益。
n
s zi
s pj 180 (2k 1)
i 1
j 1
(k 0,1,2, )
当 s 时，零点 zi 、极点 p j 与 s 矢量复角可近似 看成相等

§7.4.6 非线性系统的相平面分析
(1) 非本质非线性系统的相平面分析
例4
(3 x 0.5) x x x2 0 x 设系统方程为 求系统的平衡点xe，并判定平衡点附近相轨迹的性质。 x 0 x 解 令
xe 1 0 x x 2 x(1 x ) 0
自动控制原理
第七章 非线性系统控制
Chapter 7 control of nonliner systems
大连民族学院机电信息工程学院
College of Electromechanical ＆ Information Engineering
自动控制原理
本章重点内容
7.1 非线性控制系统概述
7.2 常见非线性及其对系统运动的影响
d x f ( x, x ) 0 dx x 0
x 0 x 0
设非线性系统方程为：
f ( x, x ) 0 x
dx dx dt f ( x , x ) dx dx dt x
对于线性定常系统， 原点是唯一的平衡点
— 向右移动
— 向左移动
(2)相轨迹的奇点 (平衡点) 相轨迹上斜率不确定的点
0 (3)相轨迹的运动方向 0 下半平面: x (4)相轨迹通过横轴的方向 上半平面: x
dx f ( x , x ) dx x
f ( x, x ) 0 x0
顺时针运动
相轨迹以90°穿越 x 轴
大连民族学院机电信息工程学院
例1 单位反馈系统
G( s )
5 n 2.236 s( s 1) 0.2236 r ( t ) 1( t )
大连民族学院机电信息工程学院

控制目标。
传感器
检测系统的状态或参数，并将 检测结果转换为电信号传输给
控制器。
调节机构
根据控制器的指令调整系统的 参数或结构，以实现系统的稳
定和性能优化。
02
控制系统基本概念
系统稳定性
01Biblioteka 0203稳定性的定义
一个控制系统在受到扰动 后能够回到原始状态的能 力。
稳定性的分类
根据系统响应的不同，可 以分为渐近稳定、指数稳 定和不稳定三种类型。
闭环控制系统
系统的输出反馈到输入端，通过反馈 控制提高控制精度。
03
控制系统的数学模型
传递函数
定义
传递函数是描述线性定常系统动 态特性的数学模型，它反映了系 统输出与输入之间的函数关系。
形式
传递函数通常表示为有理分式的 形式，即 G(s) = num(s)/den(s) ，其中 s 是复变量，num(s) 是 分子多项式，den(s) 是分母多项
参数优化
根据系统性能指标，调整控制器的参数，以实现更好的控制效果 。
结构优化
对控制系统结构进行调整，以提高系统的稳定性和动态性能。
鲁棒性优化
提高系统对不确定性和干扰的抵抗能力，保证系统在各种情况下 都能稳定运行。
控制系统的调试与测试
硬件调试
对控制系统的硬件部分进行调试，确保硬件设备正常工作 。
软件调试
自动控制的应用
工业自动化
航空航天
交通运输
智能家居
自动化生产线、机器人 、自动化仪表等。
飞行器控制、卫星轨道 控制等。
自动驾驶车辆、列车控 制等。
智能家电、智能照明等 。
自动控制系统的组成
01
02
03

2020/11/5
EXIT
第1章第8页
3.自动控制（Automatic Control）：是指在没有人直接
参与的情况下，利用自动控制装置（或称为控制装置或控 制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的 某个工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规 律运行。
4.自动控制理论：是研究有关自动控制共同规律的一门技 术科学，是自动控制技术的基础理论，根据发展的不同阶 段，其内容可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控 制理论。
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第1章第3页
参考书目
• 教材：程鹏主编，《自动控制原理》， 高等教育出版社。
• 参考书：
• 1）胡寿松主编，《自动控制原理》，科学出版社，2007年第五 版。
• 2）Farid Golnaraghi. Benjamin C.Kuo. Automatic control systems
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第1章第17页
开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试 方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定， 且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素 可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。
开环控制的缺点——当控制过程中受到来自系统外部 的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来 自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接 影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，抗干扰性 能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。
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第1章第12页
电位计+连杆—人脑：记住水位的期望值；
浮子—人眼：观察水池的实际水位；
电位计+连杆—人脑： 反映误差（=水位的期望值-实际 值）；