《自动控制原理》考试大纲
一、基本要求
掌握控制系统分析和综合基本方法，主要内容有传递函数和信号流图等数学模型的建立；系统稳定性、动态性能、稳态性能的时域分析；频域法和根轨迹法；系统串联校正的设计方法；线性离散系统的分析；系统状态空间建模及其求解；系统可控性和可观测性；线性定常系统状态反馈及观测器设计；李雅普诺夫稳定性理论。
二、考试范围
1．自动控制的一般概念
（1）自动控制系统的定义、构成；
（2）自动控制系统的基本控制方式；自动控制系统的分类；（3）对控制系统的基本要求；
2．控制系统的数学模型
（2）传递函数的定义、性质及典型环节的传递函数；
（3）信号流图的组成、建立及梅森增益公式；
（4）闭环系统的传递函数：输入量及扰动量作用下的传递函数、误差传递函数。
3．线性系统的时域分析法
（1）一阶系统动态性能；
（2）二阶系统的动态性能：典型二阶系统的数学模型、欠阻尼阶跃响应、二阶系统的动态性能指标、二阶系统性能的改善；
（3）控制系统的稳定性分析及代数稳定判据；
（4）控制系统的稳态性能分析：稳态误差的定义、系统类型、稳态误差分析与静态误差系数。
4．线性系统的根轨迹法
（1）根轨迹方程：幅值条件和相角条件；
（2）180度根轨迹作图的一般规则、典型的零、极点分布及其相应的根轨迹；
（4）系统性能分析：稳定性分析、增加零、极点对根轨迹的影响、利用主导极点估计系统的性能指标；
5．线性系统的频域分析法
（1）频率特性；
（2）典型环节与开环系统的频率特性；
（3）奈奎斯特稳定判据及应用；
（4）稳定裕度；
6．线性系统的校正法
（1）校正装置：超前、滞后网络的特性；
（2）系统校正的频率响应法：超前、滞后校正设计；（3）PID控制器：控制法则及对系统性能的影响。
7. 线性离散系统的分析
(1) 信号采样和保持；
(2) 离散系统数学模型：差分方程和脉冲传递函数；
(3) 离散系统稳定性及稳定性判据；
(4) 离散系统稳态误差及动态性能分析；
8. 线性系统的状态空间分析与综合
(1) 线性系统的状态空间描述：建立、转换、标准型；线性系统的运动分析---状态方程的解；
(2) 线性系统的可控性和可观测性；
(3) 线性定常系统的线性变换；
(4) 线性定常系统的状态反馈极点配置和全维状态观测器设计；
(5) 李雅普诺夫稳定性分析。
第一章自动控制的一般概念 第一节控制理论的发展 自动控制的萌芽：自动化技术学科萌芽于18世纪，由于工业革命的发展,如何进一步降低人的劳动强度和提高设备的可靠性被提到了议程。 特点：简单的单一对象控制。 1. 经典控制理论分类 线性控制理论，非线性控制理论，采样控制理论 2. 现代控制理论 3. 大系统理论 4. 智能控制理论 发展历程： 1. 经典控制理论时期（1940-1960） 研究单变量的系统，如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。 ?1945年美国人Bode出版了《网络分析与放大器的设计》，奠定了控制理论的 基础; ?1942年哈里斯引入传递函数； ?1948年伊万恩提出了根轨迹法； ?1949年维纳关于经典控制的专著。 特点：以传递函数为数学工具，采用频率域法，研究“单输入—单输出”线性定常控制系统的分析和设计，而对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力。 2. 现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初） 研究多变量的系统，如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。空间技术的发展提出了许多复杂的控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上，对自动控制的精密性和经济性指标提出了极严格的要求。并推动了控制理论的发展。 ?Kalman的能控性观测性和最优滤波理论; ?庞特里亚金的极大值原理； ?贝尔曼的动态规划。 特点：采用状态空间法（时域法），研究“对输入-多输出”、时变、非线性系统等高精度和高复杂度的控制问题。 3. 大系统控制时期（1970s-） 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，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。它是一个多输入、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、
1.在零初始条件下，线性定常系统输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯 变换值比，定义为线性定常系统的传递函数。传递函数表达了系统在特性，只与系统的结构、参数有关，而与输入量或输入函数的形式无关。 2.一个一般控制系统由若干个典型环节构成，常用的典型环节有比例环节、惯 性环节、积分环节、微分环节、振荡环节和延迟环节等。 3.构成方框图的基本符号有四种，即信号线、比较点、方框和引出点。 4.环节串联后总的传递函数等于各个环节传递函数的乘积。环节并联后总的传 递函数是所有并联环节传递函数的代数和。 5.在使用梅森增益公式时，注意增益公式只能用在输入节点和输出节点之间。 6.上升时间tr、峰值时间tp和调整时间ts反应系统的快速性；而最大超调量 Mp和振荡次数则反应系统的平稳性。 7.稳定性是控制系统的重要性能，使系统正常工作的首要条件。控制理论用于 判别一个线性定常系统是否稳定提供了多种稳定判据有：代数判据（Routh 与Hurwitz判据）和Nyquist稳定判据。 8.系统稳定的充分必要条件是系统特征根的实部均小于零，或系统的特征根均 在跟平面的左半平面。 9.稳态误差与系统输入信号r(t)的形式有关，与系统的结构及参数有关。 10.系统只有在稳定的条件下计算稳态误差才有意义，所以应先判别系统的稳定 性。 11.Kp的大小反映了系统在阶跃输入下消除误差的能力，Kp越大，稳态误差越 小; Kv的大小反映了系统跟踪斜坡输入信号的能力，Kv越大，系统稳态误差
越小； Ka的大小反映了系统跟踪加速度输入信号的能力，Ka越大，系统跟踪精度越高 12.扰动信号作用下产生的稳态误差essn除了与扰动信号的形式有关外，还与扰 动作用点之前（扰动点与误差点之间）的传递函数的结构及参数有关，但与扰动作用点之后的传递函数无关。 13.超调量仅与阻尼比ξ有关，ξ越大，Mp则越小，相应的平稳性越好。反之， 阻尼比ξ越小，振荡越强，平稳性越差。当ξ=0，系统为具有频率为Wn的等幅震荡。 14.过阻尼ξ状态下，系统相应迟缓，过渡过程时间长，系统快速性差；ξ过小， 相应的起始速度较快，但因震荡强烈，衰减缓慢，所以调整时间ts亦长，快速性差。 15.当ξ=0.707时，系统的超调量Mp<5%，，调整时间ts也最短，即平稳性和快 速性均最佳，故称ξ=0.707位最佳阻尼比。 16.当阻尼比ξ为常数时，Wn越大，调节时间ts就越短，快速性越好。系统的超 调量Mp和振荡次数N仅仅有阻尼比ξ决定，他们反映了系统的平稳性。17.系统引入速度反馈控制后，其无阻尼自然振荡频率Wn不变，而阻尼比ξ加大， 系统阶跃响应的超调量减小。 18.系统中增加一个闭环左实极点，系统的过渡过程将变慢，超调量将减小，系 统的反应变得较为滞呆。 19.根轨迹的规律是相角条件和幅值条件。 20.K的变动只影响幅值条件不影响相角条件，也就是说，跟轨迹上的所有点满
自动控制 摘要：综述了自动控制理论的发展情况，指出自动控制理论所经历的三个发展阶段，即经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。最后指出，各种控制理论的复合能够取长补短，是控制理论的发展方向。 自动控制理论是自动控制科学的核心。自动控制理论自创立至今已经过了三代的发展：第一代为20世纪初开始形成并于50年代趋于成熟的经典反馈控制理论；第二代为50、60年代在线性代数的数学基础上发展起来的现代控制理论；第三代为60年 代中期即已萌芽，在发展过程中综合了人工智能、自动控制、运筹学、信息论等多学科的最新成果并在此基础上形成的智能控制 理论。经典控制理论(本质上是频域方法)和现代控制理论(本质上是时域方法)都是建立在控制对象精确模型上的控制理论，而实 际上的工业生产系统中的控制对象和过程大多具有非线性、时变性、变结构、不确定性、多层次、多因素等特点，难以建立精确的数学模型。因此，自动控制专家和学者希望能从要解决问题领域的知识出发，利用熟练操作者的丰富经验、思维和判断能力，来实现对上述复杂系统的控制，这就是基于知识的不依赖于精确的数学模型的智能控制。本文将对经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论的发展情况及基本内容进行介绍。 1自动控制理论发展概述 自动控制是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人 自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能指标。对传统的工业生产过程采用自动控制技术，可以有效提高产品的质量和企业的经济效益。对一些恶劣环境下的控制操作，自动控制显得尤其重要。 自动控制理论是与人类社会发展密切联系的一门学科，是自动控制科学的核心。自从19世纪M a x w e ll对具有调速器的蒸汽发动
《自动控制理论》讲稿
自动控制原理是自动化类专业基础课，是自动控制技术的基础，是研究自动控制共同规律的技术科学。 自动控制理论可分为自动控制原理（经典控制理论）和现代控制理论。开始主要用于研究工程技术领域的自动控制问题，现已将其应用范围扩展工程领域，如应用到经济学、生物医学、社会学、生产管理等领域。自动控制理论已成为普遍使用的基础理论。 我们本学期介绍的自动控制原理是自动控制技术基础的基础，计划授课85学时，其中10学时用于实验。 参考书： 《自动控制原理》，天大、技师、理工合编，天津大学出版社; 《自动控理论》，两航一校合编，国防工业出版社; 《现代控制工程》，（日），绪方胜彦，科出版社; 《自动控制系统》，（美），本杰明，水利电力出版社; 《线性系统理论》 《反馈控制理论》 自动控制理论：经典控制理论（自控原理） 现代控制理论 自动控制理论的划分是以控制理论发展的不同阶段人为归纳为： 建立在时域法、频率法和根轨迹法基础上的经典控制理论和建立在状态空间法基础上的现代控制理论。 经典控制理论：主要研究单输入、单输出（SISO）线性定常系统的分析和设计问题。其基本方法是采用描述输入-输出关系的传递函数为基础，包括：时域法、频域法、根轨迹法、相平面法等，工具：乃氏曲线，伯德图，尼氏图，根轨迹等曲线。现代控制理论：主要研究具有多输入-多输出系统（MIMO）、变参数系统的分析和设计问题。基本方法是：采用描述系统内部特征的状态空间的方法，更多的采用计算机作为其工具。 自动控制原理包括下列内容： 第一章：控制理论的基本概念，开、闭环，分类 第二章：数学模型即：描述系统运动状态的数学表达式——微分方程、传递函数、结构图信、号流程图第三章时域分析法：动态性能、静态性能、一二阶系统分析 第四章根轨迹分析法：常规根轨迹、特殊根轨迹 第五章频域分析法：频率特性、频域指标、频域分析 第六章系统综合与校正 第七章非线性系统与分析 第八章采样控制系 学习要求： 1.掌握自动控制系统的一般概念及其组成与分类； 2.掌握控制系统的基本性能要求。 教学内容： §1-1 概述 §1-2 自动控制的基本方式 §1-3 自动控制系统的类型 §1-4 本章小结 §1-5 思考题与习题
自动控制原理整理 第一章 绪论 自动控制：自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制 装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。 自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它是控制对象以 及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组合，一般由控制装置和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机构、比较机构、执行机构。 反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。 反馈控制系统的基本组成：测量元件、给定元件、比较元件、放大元件、执行元件、校 正元件 控制方式 （1） 反馈控制方式（2）开环控制方式（3）复合控制方式 控制系统的分类 （1） 恒值系统和随动系统（按参考输入形式分类） （2） 线性系统和非线性系统（按照组成系统的元件特性分类） （3） 连续系统和离散系统（按照系统内信号的传递形式分类） 控制系统的性能指标：稳定性、快速性、准确性，即稳准快。 第二章 控制系统的数学模型 定义：数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式。 建立方法：解析法、实验法 线性系统：能够用线性数学模型(线性的代数方程、微分方程、差分方程等)描述的系统， 称为线性系统。重要性质：叠加原理，即具有可叠加性和均匀性。 单位阶跃函数1(t) 单位阶跃函数的拉氏变换为 { 001)(1<≥=t t t 0 11 ()0st st F s e dt e s s ∞ --∞==-=?
单位脉冲函数 单位脉冲函数的拉氏变换为 传递函数的定义与性质 定义：线性定常系统的传递函数为零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与系统输入量的拉氏变换之比。 所谓零初始条件是指 1）输入量在t>0时才作用在系统上，即在t=0- 时系统输入及各项导数均为零； 2）输入量在加于系统之前，系统为稳态，即在 t=0-时系统输出及其所有导数项为零。 性质： ? 传递函数是复变量s 的有理真分式函数，分子多项式的次数m 低于或等于分母多项的次数n ，所有系数均为实数； ? 传递函数与微分方程有相通性，可经简单置换而转换； ? 传递函数表征了系统本身的动态特性。 ? 只能描述线性定常系统与单输入单输出系统，不能表征内部所有状态的特征。 ? 只能反映零初始条件下输入信号引起的输出，不能反映非零初始条件引起的输出。 ? 服从不同动力学规律的系统可有同样的传递函数 ? 传递函数有一定的零、极点分布图与之对应，因此传递函数的零、极点分布图也表征了系统的动态性能。 零极点形式 系统零点、极点的分布决定了系统的特性，因此，可以画出传递函数的零极点图，直接分 析系统特性。在零极点图上，用“ ”表示极点位置，用“ 圆圈”表示零点 结构图的基本组成： 定义: 由具有一定函数关系的环节组成的，并标明信号流向的系统的方框图，称为系统的结构图。 组成：信号线、引出点、比较点、方框。 结构图的基本组成形式 串联连接、并联连接、反馈连接 { 1000()t t t t εε ε δ ≤≤<>=或()0()1st F s t e dt δ∞ -==? ?),,2,1(m i z i =),,2,1(n i p i =
自动控制原理 知识要点与习题解析 第2章 控制系统的数学模型 数学模型有多种表现形式：传递函数、方框图、信号流图等。 ； ； )()()()(t e t c t n t r )()()()()()(s s s s s H s G en n e ΦΦΦΦ； P32 (自动控制原理p23) 2-17 P33 解： (e) 42 32121123 211)(G H G G H G G H G G G G s ++-+= Φ； P37 (p73) 2-21 试绘制与题2-21图中系统方框图对应的信号流图，并用梅森增益公式求传递函数C (s )/R (s ) 和误差传递函数E (s )/R (s ) 注：P21(2) 依据系统方框图绘制信号流图 首先确定信号流图中应画出的信号节点，再根据方框图表明的信号流向，用支路及相应的传输连接信号节点。步骤如下， (a)系统的输入为源点，输出为阱点； (b)在方框图的主前向通路上选取信号节点，即相加点后的信号和有分支点的信号，两信号是同一个 题2-21图 系统方框图 题2-1 7图 控制系统方框图 题2-17解图 控制系统简化方框图
信号时只作为一个节点； (c)其它通路上，仅反馈结构求和点后的信号选作节点； (d)最后，依据信号关系，用支路连接这些节点。 解：图(a)信号流图如题2-21解图(a)所示。 计算C (s )/R (s )和E (s )/R (s )过程中，关于回路和特征式的计算是完全相同，可统一计算。 回路 111H G L -=，232H G L -=，213213H H G G G L -=； 特征式 21312132123111H H G G H H G G G H G H G ++++=?。 计算C (s )/R (s )： 前向通路 3211G G G P =，342G G P =； 特征子式 11=?，1121H G +=?； 2 131223111134321)1(1) 1()()(H H G G G H G H G H G G G G G G s R s C ++++++=； 计算E (s )/R (s )： 前向通路 11=P ；21342H H G G P -=； 特征子式 2311H G +=?，12=?； 2 131223112 13423)1(11)()(H H G G G H G H G H H G G H G s R s E ++++-+=； P38 (p73) 2-22 试用梅森增益公式求题2-22图中各系统信号流图的传递函数)(/)(s R s C 。 解：(b) 6543211G G G G G G P =，654372G G G G G P =，6813G G G P =，68174G G H G P -=； 121H G L -=，242H G L -=，363H G L -=，45434H G G G L -=， 4185H H G L =，56543216H G G G G G G L -=，5654377H G G G G G L -=， 56818H G G G L -=，568179H G G H G L =； 3219282523231219 11L L L L L L L L L L L L L L L L i i -++++++-=?∑=； 11=?，12=?，24431H G +=?=?； ? ++++=)1)(()()(244321H G P P P P s R s C ； 题2-21解图 系统信号流图 题2-22图 系统信号流图
第一章第二章 一、单项选择题 1、适合应用传递函数描述的系统是 ( ) 。 （分数：1分） A. 单输入，单输出的线性定常系统 B. 单输入，单输出的线性时变系统 C. 单输入，单输出的定常系统 D. 非线性系统 正确答案：A 2、 采用负反馈形式连接后，则 ( )。 （分数：1分） 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 正确答案：D 3、若某负反馈控制系统的开环传递函数为 ，则该系统的闭环特征方程为 ( ) 。 （分数：1分） A. s(s+1)=0 B. s(s+1)+5=0 C. s(s+1)+1=0 D. 与是否为单位反馈系统有关 正确答案：B 4、关于传递函数，错误的说法是 ( ) 。 （分数：1分） A. 传递函数只适用于线性定常系统； B. 传递函数不仅取决于系统的结构参数，给定输入和扰动对传递函数也有影响； C. 传递函数一般是为复变量s的真分式； D. 闭环传递函数的极点决定了系统的稳定性 正确答案：B 5、
非单位负反馈系统，其前向通道传递函数为G(S)，反馈通道传递函数为H(S)，当输入信号为R(S)，则从输入端定义的误差E(S)为 ( )。 （分数：1分） A. E(S)=R(S)*G(S) B. E(S)=R(S)*G(S)*H(S) C. E(S)=R(S)*G(S)-H(S) D. E(S)=R(S)-G(S)H(S) 正确答案：D 6、梅逊公式主要用来（） 。 （分数：1分） A. 判断稳定性 B. 计算输入误差 C. 求系统的传递函数 D. 求系统的根轨迹 正确答案：C 7、信号流图中，在支路上标明的是（） 。 （分数：1分） A. 输入 B. 引出点 C. 比较点 D. 传递函数 正确答案：D 8、 已知 ，其原函数的终值 （）。 （分数：1分） A. 0 B. ∞
第一章自动控制的基本知识 ? 1.1自动控制的一般概念 ? 1.2自动控制系统的组成 ? 1.3自动控制系统的类型 ? 1.4 对控制系统性能的要求 1.1.1自动控制技术 ?自动控制技术被大量应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测、交通管理、科研开 发、军事领域、特别是空间技术和核技术。自动控制技术的广泛应用不仅使各种生产设备、生产过程实现了自动化，提高了生产效率和产品质量，尤其在人类不能直接参与工作的场合，就更离不开自动控制技术了。自动控制技术还为人类探索大自然、利用大自然提供了可能和帮助。 1.1.2自动控制理论的发展过程 ?1945年之前，属于控制理论的萌芽期。 ?1945年，美国人伯德（Bode）的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础， 至此进入经典控制理论时期，此时已形成完整的自动控制理论体系。 ?二十世纪六十年代初。用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”（卡 尔曼Kalman）奠定了现代控制理论的基础。现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统，高精度复杂系统的控制问题，主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态空间法，提出了最优控制等问题。 ?七十年代以后，各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂，自动控制 理论继续发展，进入了大系统和智能控制时期。例如智能机器人的出现，就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。 1.2自动控制系统的组成 1.2.1自动控制系统的结构与反馈控制理论 ?图中为放水阀，为进水阀，水箱希望的液位高度为。当放水使得水箱液位降低而被 人眼看到，人就会打开进水阀，随着液位的上升，人用大脑比较并判断水箱液位达到时，就会关掉。若判断进水使得实际液位略高于，则需要打开放水而保证液位高度。 ?在这个过程中，人参与了以下三个方面的工作：
自动控制原理课程设 计
课程设计报告 ( 2012—2013 年度第 1 学期) 名称：《自动控制理论》课程设计 题目：基于自动控制理论的性能分析与校正院系：自动化系 班级： 1001班 学号： 201002020122 学生姓名：吴国昊 指导教师：刘鑫屏老师 设计周数： 1周 成绩： 日期： 2012年 12 月 31 日
一、课程设计的目的与要求 一、设计题目 基于自动控制理论的性能分析与校正 二、目的与要求 本课程为《自动控制理论A》的课程设计，是课堂的深化。设置《自动控制理论A》课程设计的目的是使MATLAB成为学生的基本技能，熟悉MATLAB这一解决具体工程问题的标准软件，能熟练地应用MATLAB软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题，并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基础。作为自动化专业的学生很有必要学会应用这一强大的工具，并掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能，以达到加深对课堂上所讲内容理解的目的。通过使用这一软件工具把学生从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。 通过此次计算机辅助设计，学生应达到以下的基本要求： 1.能用MATLAB软件分析复杂和实际的控制系统。 2.能用MATLAB软件设计控制系统以满足具体的性能指标要求。 3.能灵活应用MATLAB的CONTROL SYSTEM 工具箱和SIMULINK仿真软件，分析系统的性能。 三、主要内容 1．前期基础知识，主要包括MATLAB系统要素，MATLAB语言的变量与语句，MATLAB的矩阵和矩阵元素，数值输入与输出格式，MATLAB系统工作空间信息，以及MATLAB的在线帮助功能等。 2．控制系统模型，主要包括模型建立、模型变换、模型简化，Laplace变换等等。
自动控制原理知识点总结 第一章 1、自动控制：是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，是被控量等于给定值或按给定信号的变化规律去变化的过程。 2、被控制量：在控制系统中．按规定的任务需要加以控制的物理量。 3、控制量：作为被控制量的控制指令而加给系统的输入星．也称控制输入。 4、扰动量：干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入或干扰掐入。 5、反馈：通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。 6、负反馈：反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。 7、负反馈控制原理：检测偏差用以消除偏差。将系统的输出信号引回插入端，与输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。 8、自动控制系统的两种常用控制方式是开环控制和闭环控制。 9、开环控制：控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系特点：开环控制实施起来简单，但抗扰动能力较差，控制精度也不高。 10、闭环控制：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，既有被控量对被控过程的影响。主要特点：抗扰动能
力强，控制精度高，但存在能否正常工作，即稳定与否的问题。 11、控制系统的性能指标主要表现在： （1）、稳定性：系统的工作基础。 （2）、快速性：动态过程时间要短，振荡要轻。 （3）、准确性：稳态精度要高，误差要小。 12、实现自动控制的主要原则有：主反馈原则、补偿原则、复合控制原则。 第二章 1、控制系统的数学模型有：微分方程、传递函数、动态结构图、频率特性。 2、传递函数：在零初始条件下，线性定常系统输出量的拉普拉斯变换域系统输入量的拉普拉斯变换之比 3、求传递函数通常有两种方法：对系统的微分方程取拉氏变换，或化简系统的动态方框图。对于由电阻、电感、电容元件组成的电气网络，一般采用运算阻抗的方法求传递函数。 4、结构图的变换与化简化简方框图是求传递函数的常用方法。对方框图进行变换和化简时要遵循等效原则：对任一环节进行变换时，
; 自动控制原理（非自动化类）习题答案 第一章 习题 1-1（略） 1-2（略） 、 1-3 解： 受控对象：水箱液面。 被控量：水箱的实际水位 h " 执行元件：通过电机控制进水阀门开度，控制进水流量。 比较计算元件：电位器。 测量元件：浮子，杠杆。 放大元件：放大器。 h h （与电位器设定 电压 u 相对应，此时电位器电刷位于中点位置）。 当 h h 时，电位器电刷位于中点位置，电动机不工作。一但 h ≠ h 时，浮子位置相应升高（或 ' 降低），通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移（或上移），从而给电动机提供一定的工作电压，驱动 电动机通过减速器使阀门的开度减小（或增大），以使水箱水位达到希望值 h 。 水位自动控制系统的职能方框图 1-4 解： 受控对象：门。 执行元件：电动机，绞盘。 放大元件：放大器。 受控量：门的位置 , 测量比较元件：电位计 工作原理：系统的被控对象为大门。被控量为大门的实际位置。输入量为希望的大门位置。 当合上开门开关时，桥式电位器测量电路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动电动机带动绞盘转动， 使大门向上提起。同时，与大门连在一起的电位器电刷上移，直到桥式电位器达到平衡，电动机停转，开 门开关自动断开。反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘反转，使大门关闭。 * 仓库大门自动控制开（闭）的职能方框图 1-5 解： 系统的输出量：电炉炉温 给定输入量：加热器电压 被控对象：电炉
放大元件：电压放大器，功率放大器，减速器 比较元件：电位计 测量元件：热电偶 职能方框图： 第二章 习题 2-1 解：对微分方程做拉氏变换： ? X (s ) R (s ) ? C (s ) N (s ) ? ? X (s ) KX (s ) ? X (s ) X (s ) ? X (s ) ? ? TsX (s ) X (s ) ? X (s ) X (s ) ? KN (s ) ? ?K X (s ) sC (s ) sC (s ) ? 绘制上式各子方程的方块图如下图所示： KK C (s ) / R (s ) ， Ts (T 1)s s K K 1 s s 1 s s
第三章控制系统的时域分析 1．本章的教学要求 1）使学生掌握控制系统时域分析方法。 2）使学生掌握控制系统稳定性的基本概念、稳定的充分必要条件； 3）使学生学会利用代数稳定性判据判断系统稳定性； 4）掌握稳态误差计算; 5）掌握一阶系统的单位阶跃响应、单位斜坡响应、单位脉冲响应的分析方法; 6）掌握二阶系统的单位阶跃响应、单位脉冲响应的分析方法; 7）掌握二阶系统的单位阶跃响应性能指标计算； 2．本章讲授的重点 本章讲授的重点是稳定性的基本概念、稳定的充分必要条件，应用代数稳定性判据、稳态误差计算、一阶系统的单位阶跃响应、二阶系统的单位阶跃响应性能指标计算。 3．本章的教学安排 本章讲授10个学时，安排了5个教案，实验学时2学时。 学生通过亲自动手实验，掌握一阶系统、二阶系统的单位阶跃响应性能与系统参数之间的关系。
[教案3-1] 1．主要内容： 1）时域分析法的基本概念、时间响应概念及其组成 2）典型输入信号 1）控制系统稳定性的基本概念； 2）控制系统稳定的条件； 2．讲授方法及讲授重点： 本讲首先介绍时域分析的基本概念及其特点，通过二阶系统对单位阶跃输入的响应过程曲线来介绍瞬态响应和稳态响应概念，从而使学生了解时间响应的含义。重点介绍常用的典型输入信号，包括脉冲信号、阶跃信号、斜坡信号和抛物线信号，说明信号的特点、在实际中选用典型输入信号的方法。 强调控制系统稳定性是系统正常工作的首要条件，然后介绍系统稳定性的基本概念、稳定的条件及判定方法。重点介绍控制系统稳定的条件并做简单的推导，得出系统稳定的充分必要条件为系统特征方程无正实根的结论。 在授课过程中，通过讲解各种形式的例题，使学生充分理解并熟练掌握。3．教学手段： Powerpoint课件与黑板讲授相结合。 4．注意事项： 在讲授本讲时，注意讲清楚控制系统稳定的充要条件的推导； 5．课时安排：2学时。 6．作业： 书后p88 习题3-1,3-2。
一、自学提纲 1、根轨迹是如何提出来的？在分析自动控制系统方面，它什么优点？ 2、根轨迹的概念、含义，什么是根轨迹方程？什么是常规根轨迹（180°根轨 迹）？ 3、复习复向量的加、减、乘、除、求模值、求相角运算，理解根轨迹方程的模值条 件和相角条件。 4、根轨迹的绘制法则1，根轨迹的分支数、对称性和连续性。 5、根轨迹的绘制法则2，根轨迹的起点和终点。 6、根轨迹的绘制法则3，根轨迹在实轴上的分布。 7、根轨迹的绘制法则4，根轨迹的渐近线。 8、根轨迹的绘制法则5，根轨迹的分离点和分离角。 9、根轨迹的绘制法则6，根轨迹与虚轴的交点。 10、根轨迹的绘制法则7，根轨迹的出射角。 11、根轨迹的绘制法则8，闭环特征方程的极点之和=开环极点之和。 12、参数根轨迹（广义根轨迹）的绘制，与常规根轨迹的绘制有何不同？ 13、正反馈根轨迹的绘制（0°根轨迹），与负反馈根轨迹的绘制有何不同？ 14、利用闭环主导极点估算系统的性能。 15、闭环偶极子对根轨迹的影响。 16、闭环偶极子对根轨迹的影响。 17、附加开环零点对根轨迹的影响。 18、附加开环极点对根轨迹的影响。 19、掌握利用Matlab绘制控制系统的根轨迹，并与手绘图形进行比较。 二、讨论分10个小组（同第一章讨论），习题共11道，第一题所有小组都做，后面10题，指定各小组做1题（可抽签选择）。 三、每组讨论共同的题目，所有成员独自完成一份手写报告，准备在课堂上讲解。报告需要指出每道题目涉及到的知识点（见自习提纲），将计算步骤详细完整地写出，并将手工绘图结果与Matlab绘图结果对比。字体工整，能以此报告为讲稿通俗易懂地在课堂上讲解给其他同学听。 四、课堂讨论时，教师随机选定每组的一名或多名同学讲解，如果讲解的不好，同组的其他同学可补充。给每组一个评定成绩，作为该组所有成员的讨论成绩。
-自动控制原理知识点汇总
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自动控制原理知识点总结 第一章 1.什么是自动控制？（填空） 自动控制：是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，是被控量等于给定值或按给定信号的变化规律去变化的过程。 2.自动控制系统的两种常用控制方式是什么？（填空） 开环控制和闭环控制 3.开环控制和闭环控制的概念？ 开环控制：控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系 特点：开环控制实施起来简单，但抗扰动能力较差，控制精度也不高。 闭环控制：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，既有被控量对被控过程的影响。 主要特点：抗扰动能力强，控制精度高，但存在能否正常工作，即稳定与否的问题。 掌握典型闭环控制系统的结构。开环控制和闭环控制各自的优缺点？ （分析题：对一个实际的控制系统，能够参照下图画出其闭环控制方框图。） 4.控制系统的性能指标主要表现在哪三个方面？各自的定义？（填空或判断） （1）、稳定性：系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力 （2）、快速性：通过动态过程时间长短来表征的 e来表征的 （3）、准确性：有输入给定值与输入响应的终值之间的差值 ss 第二章 1.控制系统的数学模型有什么？（填空） 微分方程、传递函数、动态结构图、频率特性 2.了解微分方程的建立？ （1）、确定系统的输入变量和输入变量 （2）、建立初始微分方程组。即根据各环节所遵循的基本物理规律，分别列写出相应的微分方程，并建立微分方程组 （3）、消除中间变量，将式子标准化。将与输入量有关的项写在方程式等号的右边，与输出量有关的项写在等号的左边 3.传递函数定义和性质？认真理解。（填空或选择） 传递函数：在零初始条件下，线性定常系统输出量的拉普拉斯变换域系统输入量的拉普拉斯变
《自动控制原理》综合复习资料 一、简答题 1、常见的建立数学模型的方法有哪几种？各有什么特点？ 2、自动控制原理中，对线性控制系统进行分析的方法有哪些？ 3、给出梅逊公式，及其中各参数意义。 4、举例说明什么是闭环系统？它具有什么特点？ 5、系统的性能指标有哪些？ 6、幅值裕度，相位裕度各是如何定义的？ 7、画出自动控制系统基本组成方框结构图？ 8、减小稳态误差的措施主要有？ 9、闭环控制系统由哪几个基本单元组成？ 10、增加开环零、极点对根轨迹有什么影响？ 二、计算题 1、已知系统输入为i u ，输出为o u ，求出传递函数)(/)()(s U s U s G i o =。 2、试简化下图所示系统方框图求其传递函数： 3、已知某二阶系统的单位阶跃响应为()t t e e t c 10602.12.01---+=， 试求：（1）系统传递函数 ()() s R s C （5分） （2）确定系统阻尼比ξ、无阻尼振荡频率n ω。
4、设某系统的特征方程式为 0161620128223456=++++++s s s s s s 判断闭环系统的稳定性，若不稳定求其不稳定特征根个数。（利用劳斯判据） 5、RC 无源网络电路图如下图所示，试列写该系统的微分方程，并求传递函数Uc(s)/Ui(s)。 6、试简化下图所示系统方框图求其传递函数： 7、已知系统的结构图如所示： 当0=f K 、10=a K 时，试确定系统的阻尼比ξ、固有频率n ω和单位斜坡输 入时系统的稳态误差； 8、已知系统如下图所示，求系统的单位阶跃响应，并判断系统的稳定性。 9、RC 无源网络电路图如下图所示，试列写该系统的微分方程，并求传递函数Uc(s)/Uc(s)。 i u c u 1C 1R 2R 2C X r X c 10 S(S+1) 0.5S+1 G 1 G 2 G 3 H 1 H 2
《自动控制原理》基本概念总结 1.自动控制系统的基本要求是稳定性、快速性、准确性 2.一个控制系统至少包括控制装置和控制对象 3.反馈控制系统是根据被控量和给定值的偏差进行调节的控制系统 4.根据自动控制系统是否形成闭合回路来分类，控制系统可分为开环控制系统、闭环控制系统。 根据信号的结构特点分类，控制系统可分为：反馈控制系统、前馈控制系统和前馈-反馈复合控制系统。根据给定值信号的特点分类，控制系统可分为：恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。 根据控制系统元件的特性分类，控制系统可分为：线性控制系统、非线性控制系统。 根据控制信号的形式分类，控制系统可分为：连续控制系统、离散控制系统。 5.令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的特征方程 6.系统的传递函数完全由系统的结构和参数决定 7.对复杂系统的方框图，要求出系统的传递函数可以采用梅森公式 8.线性控制系统的特点是可以应用叠加原理，而非线性控制系统则不能 9.线性定常系统的传递函数，是在零初始条件下，系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换的比。 10.信号流图中，节点可以把所有输入支路的信号叠加，并把叠加后的信号传送到所有的输出支路。 11.从控制系统稳定性要求来看，系统一般是具有负反馈形式。 12.组成控制系统的基本功能单位是环节。 13.系统方框图的简化应遵守信号等效的原则。 14.在时域分析中，人们常说的过渡过程时间是指调整时间 15.衡量一个控制系统准确性／精度的重要指标通常是指稳态误差 16.对于二阶系统来说，系统特征方程的系数都是正数是系统稳定的必要条件 17.若单位反馈系统在阶跃函数作用下，其稳态误差ess为常数，则此系统为0型系统 18.一阶系统的阶跃响应无超调 19.一阶系统 G(s)= K/(Ts+1)的T越大，则系统的输出响应达到稳态值的时间越长。 20.控制系统的上升时间tr、调整时间tS等反映出系统的快速性。 21.二阶系统当0<ζ<1时，如果ζ增加，则输出响应的最大超调量将减小。 22.对于欠阻尼的二阶系统，当阻尼比ξ保持不变时，无阻尼自然振荡频率ωn越大，系统的超调量σp不变 23.在单位斜坡输入信号作用下，?II型系统的稳态误差 ess=0 24.衡量控制系统动态响应的时域性能指标包括动态和稳态性能指标。 25.分析稳态误差时，将系统分为0型系统、I型系统、II型系统…，这是按开环传递函数中的积分环节数来分类的。 26.二阶系统的阻尼系数ξ=时，为最佳阻尼系数。这时系统的平稳性与快速性都较理想。 27.系统稳定性是指系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到原来的平衡状态的性能。 28.系统特征方程式的所有根均在根平面的左半部分是系统稳定的充要条件。 29.如果系统中加入一个微分负反馈，将使系统的超调量减小。 30.确定根轨迹与虚轴的交点，可用劳斯判据判断。 31.主导极点的特点是距离虚轴很近。 32.根轨迹上的点应满足的幅角条件为∠G(s)H(s)等于±(2l+1)π (l=0,1,2,…) 33.如果要求系统的快速性好，则闭环极点应距离虚轴越远越好。 34.根轨迹的分支数等于特征方程的阶数/开环极点数，起始于开环传递函数的开环极点，终止于开环传递函数的开环零点。 35. 根轨迹与虚轴相交时，在该交点处系统处于临界稳定状态，系统阻尼为0
第一章自动控制原理的基本概念 主要内容： 自动控制的基本知识 开环控制与闭环控制 自动控制系统的分类及组成 自动控制理论的发展 §1.1 引言 控制观念 生产和科学实践中，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。 同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的状态。 例如：卫星运行轨道，导弹飞行轨道，加热炉出口温度，电机转速等控制 控制：为了满足预期要求所进行的操作或调整的过程。 控制任务可由人工控制和自动控制来完成。 §1.2 自动控制的基本知识 1.2.1 自动控制问题的提出 一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。 当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。
所谓控制就是强制性地改变某些物理量(如上例中的进水量)，而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。 这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。 1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件 1. 自动控制的定义 自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(或过程)的某些物理量(或状态)自动地按预先给定的规律去运行。 当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。
2. 自动控制的基本职能元件 自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与动控制的功能方框图进行对照。 比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件： 测量元件与变送器（代替眼睛） 自动控制器（代替大脑） 执行元件（代替肌肉、手）
自动控制原理
第一章自动控制的一般概念 1.1 引言 自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论的任务是研究自动控制系统中变量的运动规律以及改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。 1.2 自动控制和自动控制系统的基本概念 1.2.1自动控制问题的提出 在许多工业生产过程或生产设备运行中，往往需要对某些物理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。 如图1-l所示是锅炉给水人工控制示意图。 人工调节是一个“检测偏差、纠正偏差”的过程。可以用一整套自动控制仪表(自动调节器)来代替操作人员的作用。图1-2所示是锅炉给水汽包水位自动控制示意图。 图1-2 汽包锅炉给水自动调节示意图 1—过热器；2—汽包；3—省煤器；4—给水凋节阀；5—水位计 任何一个控制系统，都包含着被控对象和控制器两个组成部分。 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除
收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 1.2.2 开环控制系统 常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控制和复合控制。 系统的控制输入不受输出影响的控制系统称为开环控制系统。 图1-3所示的烘箱温度控制系统是一个开环控制系统。烘箱是被控对象，烘箱的温度是被控量，也称为系统输出量。开关设定位置为系统的给定量或输入量，电阻及加热元件可看成是调压器（控制器）。 该系统中只有输入量对输出量的单向控制作用，输出量对输入量没有任何影响和联系。 烘箱温度开环控制系统可用图1-4所示的方框图表示。 1.2.3 闭环控制系统 在图1-3所示的烘箱温度开环控制系统中，加入一些装置，构成了如图1-5所示的烘箱温度闭环控制系统。 系统中，烘箱是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u (表征烘箱温度的希望值)。系统方框图如图1-6所示。 图1-5 烘箱温度闭环控制系统示意图 图1-3 烘箱温度开环控制系统示意图 图1-4 烘箱温度开环控制系统方框图
自动控制原理教案 经典控制部分 第一章控制理论一般概念3学时 (2) 第二章控制系统的数学模型9学时 (6) 第三章控制系统的时域分析10学时 (15) 第五章频率特性12学时 (26) 第六章控制系统的校正与设计8学时 (36) 第七章非线性系统8学时 (40) 第八章离散控制系统8学时 (45)
第一章控制理论一般概念3学时 1．本章的教学要求 1）使学生了解控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容，认识本学科在国民经济建设中的重要作用，从而明确学习本课程的目的。 2）使学生深入理解控制系统的基本工作原理、开环闭环和复合控制系统、闭环控制系统的基本组成等内容，学会利用所学控制原理分析控制系统。 3）使学生学会控制系统的基本分类方法， 4）掌握对控制系统的基本要求。 2．本章讲授的重点 本章讲授的重点是控制系统的基本概念、反馈控制原理、控制系统的的基本分类方法及对控制系统的基本要求。 3．本章的教学安排 本课程讲授3个学时，复习学时3个。 演示《自动控制技术与人类进步》及《自动化的应用举例》幻灯片，加深同学对本课程研究对象和内容的了解，加深对反馈控制原理及系统参数对系统性能影响的理解。
[教案1-1] 第一节概述 1．教学主要内容： 本讲主要介绍控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容。 2．讲授方法及讲授重点： 本讲首先介绍控制工程研究的主要内容，给出定义，并以瓦特发明的蒸汽机离心调速器为例，说明需要用控制理论解决控制系统的稳定、准确、快速等问题。 其次，在讲授控制理论的发展时，主要介绍控制理论的发展的三个主要阶段，重点说明经典控制理论、现代控制理论研究的范围、研究的手段，强调本课程重点介绍经典控制理论。 另外，在介绍控制理论在工程中的应用时，应举出控制理论在军事、数控机床、加工中心、机器人、机电一体化系统、动态测试、机械动力系统性能分析、液压系统的动态特性分析、生产过程控制等方面的应用及与后续课的关系，激发同学的学习兴趣。 最后，在介绍控制理论的学习方法时，先说明本门课的特点，起点高、比较抽象、系统性强，然后强调学习本门课程应以新的视角分析和考虑问题，以系统的而不是孤立的、动态的而不是静态的观点和方法来思考和解决问题；掌握控制理论的基本概念、基本理论和基本方法并注意结合实际，为解决工程中的控制问题打下基础。 3．注意事项：介绍本门课的参考书及课程总体安排。 4．课时安排：1学时。 5．教学手段：Powerpoint课件。 6．作业及思考题：借参考书，查阅与本门课有关的文献资料，了解控制理论的应用及最新发展动态。