课件
自动控制原理2
Automatic Control Principle
胡敦利
办公室：博远楼511
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1. 反馈控制的基本概念
2. 系统的建模
3. 分析方法（时域、频域、根轨迹）
4. 综合校正（频域、根轨迹 ）
5. 离散系统的分析
6. 非线性系统的分析
学习方法
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本章的重点：
（1）自动控制的基本概念
（2）反馈控制的原理
（3）对控制系统的基本要求
难点：
反馈控制的原理
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1.1 一般概念
1. 自动控制的概念
在 没有人直接参与的情况下，利用
控制器使被控对象（机器、设备、生产
过程）的一个或多个物理量，足够准确
地按照给定的规律运行。
例如：电冰箱 空调 自动化生产线等
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2.系统
为达到某一目的，由相互制约的各个部分
按一定规律组织成的、具有一定功能的整体，
称为系统。自动控制系统由控制装置（控制器）
和被控对象两大部分组成。
输入量 控制量 输出量
控制器 被控对象
给定量 被控量
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3. 自动控制理论
自动控制是一门理论性很强的工程技术，
称“自动控制技术”，实现这些技术的理论叫
“自动控制理论”，它分为三部分，即“经典
控制理论”、“现代控制理论”、“大系统理
论与智能控制理论”。自动控制理论的内容是
与自动控制系统需要研究的问题密切相关的。
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(1) . 经典控制理论
40~50年代形成， SISO系统 以传函为基础
基于：二战军工技术
目标：反馈控制系统的稳定
基本方法：传递函数 频域法 时域法 根轨迹
(2) .现代控制理论
60~70年代形成 , MIMO 多回路
基于： 冷战时期空间技术，计算机技术
目标：最优控制
基本方法：状态空间（也可用于时域、SISO）
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(3) . 智能控制技术
90年代开始发展
专家系统
模糊控制
神经网络
(4) . 正在发展的各个领域
自适应控制
大系统理论
H∞鲁棒控制
非线性控制（微分几何，混沌，变结构）
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按控制系统的结构与控制方式分为
（1）开环控制
（2）闭环控制
（3）复合控制
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开环控制：
控制装置与被控对象只有顺向作
用而没有反向联系的控制过程。
按给定量控制方式
组成：
按扰动控制方式
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+
1.按给定量控制
Id
例1： + -
Us α
负
SM
载
Ud n
电动机控制系统
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例2：装有定时机构的房间加热炉
例3：洗衣机
干扰：破坏被控量达到预定要求的因素
内扰：组成系统的元部件参数变化
外扰：动力源或负载变化等外部因素
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特点：
（1）单方向进行，具有方向性
（2）抗干扰力较差
（3）控制精度不高
（5）结构简单
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开环控制系统示意图
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2.顺馈控制（按扰动控制的开环系统）
Us + 功率 SM
负
Ua 载
放大 i
Ub
+
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水位高度控制系统原理方框图
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定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补
偿干扰对被控量的直接影响。
干扰
测量
被控量
计算 执行 被控对象
特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对
象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无
法控制。
适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。
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前馈/顺馈控制:
利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，
以减小或抵消扰动量对输出量的影响。
特点：
只适用于扰动可以测量的场合，控制精度有限。
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二.闭环控制
控制装置与被控对象既有顺向作用，又有
方向联系的过程。被控量不仅仅受控于控制
量，而且对控制量直接施加影响。
特点：
偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产
生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻
烦。
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目标： 自动调节由于未知干扰和内部参数的变化
而引起的变动。
干扰
给定值 E 被控量
计算比较 执行 被控对象
－
测量
按偏差调节的系统原理方框图
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i
＋
n
Us K1 ud SM 负载
－ Ufn
U
+
- TG 测速发电机
输入量 Us 输出量转速 n 反馈量 Ufn
偏差 ΔU = Us- Ufn 动画3
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温度测 热水
量装置
自动控制器
控制阀
蒸汽
冷水
排水
目标：保持热水器中水温恒定
图1-2 热力系统的自动反馈控制
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控制的任务:保持冰箱内的温度为设定值
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被控对象：冰箱箱体
被控量：冰箱内温度
给定量：控制器旋钮设定的电位器输出电压
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控制的任务:保持水箱内的液位高度不变
动画4 动画5
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被控对象：水箱
被 控 量： 水箱液位
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控制的任务:保持电炉内温度不变
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被控对象：电炉
被 控 量：炉温
动画演示
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输出量
给定量 偏差 控制量 被控量
输入量 ＋ 控制器 被控对象
r(t) － e(t) u(t) y(t)
测量元件
uf(t)
反馈：将输出信号引回输入端，与输入信号相比较产生偏差
信号的过程，称为反馈。反馈控制即负反馈控制。
负反馈：反馈信号与输入信号相减，使偏差越来越小。
正反馈：反馈信号与输入信号相加，使偏差变大
例：音响系统
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1.开环：结构简单，抗干扰力差、精度不高、选
择元部件精度高的
2. 闭环：本身有自动纠偏能力，抗干扰力好，实
际上是偏差控制。（检测偏差，利用偏差，减
小偏差）
3. 开环不存在不稳定工作，而闭环系统的稳定性
很差，因存在惯性，使反馈量不一定适量，而
出现大幅度的摇摆。
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顺馈+偏差控制
（1）按偏差控制+按扰动补偿控制
（2）按偏差控制+按给定补偿控制
对主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰
动控制，反馈控制实现按偏差控制，以消除其
余扰动，控制效果会更好。
在高精度控制系统中，普遍采用复合控制。
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电压 功率
SM 负载
放大 放大
电压
放大
TG
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补偿装置
R C
控制装置 被控对象
—
a.按输入作用补偿
n
补偿装置
R C
控制装置 被控对象
—
b.按扰动作用补偿
33
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1.2 1.4 1.5
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（1）给定（整定）元件
（2）测量元件
（3）比较元件
（4）放大元件
（5）执行元件
（6）校正元件
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为改 善系统 性能
输出 量
串联
输入 量 放大元件 执行元件 被控对象
补偿元件
给定元件
- -
局部反 馈 反馈
补偿元件
主反馈
测量元件
反馈控制系统基本组成
图1－4反馈控制系统基本组成
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一.根据系统的数学模型：
1.线性系统：线性微分方程描述的系统
线性 定常系统
由微分方程系数决定
时变系统
线性系统：满足叠加原理、齐次性
当一个系统有几个输入量同时作用可以作为单输入
单输出处理, 然后叠加, 以求总输出.
举例:
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在一定条件下可以当作线性系统处理,
求得近似特性.
举例:
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二 .按控制作用特点(对系统的要求分类)
1.随动系统（跟踪伺服）
输出量随输入量的变化而变化，输入是预先未知的随
时间任意变化的函数。
例：自动火炮
2.恒值调节系统
输入常值，在有干扰存在时，使输出量恒值。
例：恒温、恒压、恒速等系统
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三.按信号类型：
连续控制：所有信号都是时间的连续函数。
为本书主要内容
离散控制：信号以脉冲或数码形式传递
只要有一处信号不连续，即为离散或采样控制系
统。
控制的目标：使被控量按照指定的规律变化。
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对控制系统的要求：
稳定性（长期稳定性）
准确性（精度）
快速性（相对稳定性）
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通常把系统受到外作用后，被控量随时间
变化的全过程，称为动态过程或过渡过程 / 暂
态过程
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指动态过程的振荡倾向及重新恢复
工作的能力。是对系统的基本要求，一
个系统稳定与否是决定系统能否工作的
首要问题。
稳定性通常由系统的结构决定与外界
因素无关。
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控制系统动态过程曲线
如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，
则系统是稳定的，如曲线①所示；反之，输出如曲线②所示，
则系统是不稳定的。
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指动态过程延续的时间。
对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般
称为动态性能。
例：
高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目
标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，
仍然抓不住目标。
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过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，
如曲线①所示。
稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统
的动态精度高。
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指系统重新恢复平衡后，输出偏离给定值
的误差大小。表明系统的稳态精度。
用稳态误差来表示。
注意：
三个性能常常是相互制约的，要兼顾几方面的
要求。
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本课程所要研究的两大课题：
（1）分析：对于一个具体的控制系统，如何从
理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的
分析和定量的计算。
（2）综合：根据对系统性能的要求，如何合理
地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足
技术上的要求。
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1. 稳 准快的概念
2. 反馈控制的原理
3. 会分析一个实际系统的工作原理，并绘制方框图
4. 开环与闭环系统的区别
5. 闭环控制系统由哪几部分组成
6. 区分顺馈控制与反馈控制
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1.回答问题
（1）何谓自动控制？开闭环系统各自的特点？(华南理工)
（2）什么是反馈控制？反馈控制的主要特点是什么呢？
（3）画出反馈控制系统的组成框图，说明各环节的作用
（4）比较开闭环系统的优缺点
2. 填空题（控制系统的分类）
（1）判断一个系统为线性还是非线性系统；连续还是离散系统等（南京邮
电、大连理工、东南大学 、燕山大学等）
（2）评价系统性能好坏的指标，期中首要的条件是什么？
3. 给定系统原理图，画方框图，说明其工作原理
（1）冰箱控制系统
（2） 水箱控制系统
（3） 炉温控制系统
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