运动控制原理与实践》学习笔记（一）徐声远2011年10年16日
1、运动控制过程中脑神经细胞及分工：大脑、小脑、丘脑、脑干等，其中最复杂的部分仍由大脑进行程序控制。运动控制越精细，越复杂，难度越大，参与的神经细胞数量就越多，细胞越健壮，神经细胞的的网状结构越健全。
2、运动控制的原理：
有关运动控制的过程是多神经、多肌肉系统协同工作的复杂过程。其运动反射的建立是生命成长过程中反复学习和不断强化记忆的结果。与此相反，已经建立的运动控制，如不运动也会随时间和老龄而逐渐衰退（一日不练自己知道，三日不练同行知道，十日不练观众知道。）
3、神经细胞的可塑性及神经修复机理：
中风初期一些脑神经细胞受水肿压迫可暂失功能，水肿消失后可能恢复功能。受损细胞周围的神经细胞可产生“反应性突触再生，再生出芽，继而侧支发芽”，并与其它神细胞建立新的连接，完成神经的修复。大脑或修复过程中可用仪器捡测到对应的脑部供血增加，温度增高（是一个具体的物理化学过程）。
神经细胞的二次损伤：神经细胞传导“链”因受损中断，链上的健康神经细胞随时间推移会渐渐失去功能（用进废退，康复越早效果越好）。
康复冶疗的介入时间：早期介入康复训练有利于后期恢复（三日至七日之后），但过早训练也可能加重脑部的损坏（一周内，因受伤组织还未稳定时，过早活动患部可增加出血和水肿）。
4、运动康复训练：中风后的运动康复训练不是一个简单的恢复记忆、排异或打通经络的过程，是一个类似婴儿学步的复杂的再学习过程，其中包括完成动作，调节平衡，观察环境，规避危险，安全保护，效果评估和动作改进等环节，其每一个动作的恢复都涉及全身的肌肉、神经、感官及大脑思维联系的重建。这是在医生指导下患者通过努力自救的过程。不可依赖医生，不要指望神医，不要等待奇迹出现，要靠自己的意志，靠自己的努力，在医生指导下通过系统认真的训练创造奇迹。
健肢训练与患肢训练具有同样的重要性。训练中限制键肢训练患肢可促进患肢恢复。对于一部分患者需要通过训练健肢取代患肢并成为优势肢（如用左手写字）。
肢体康复的过程是先大关节（近心端），后小关节（远心端）。上肢康复顺序为先肩、后肘、再腕，最后才是手指。
重力辅助训练：康复训练初期，患肢力量小，感觉不灵敏，可采用重力辅助法，用微小力量和微弱感觉控制肢体做大幅度的运动，帮助患者找到运动控制的感觉，加速运动反射过程的建立。如，上肢自然竖立，控制不同方向的倾倒或抗倾倒，上肢自然下垂，控制不同方向的摆动和转动等。康复
训练需循序渐进，首先第一步要做到有感觉，能控制，有了一定基础就容易进一步扩大康复效果。
燕山大学2018年《自动控制原理》考研大纲 一、课程的基本内容要求 1.掌握自动控制系统的工作原理、自动控制系统的组成与几种不同分类。重点掌握反馈的概念、基本控制方式、对控制系统的基本要求。 2.线性系统的数学模型 掌握传递函数；极点、零点；开环传递函数、闭环传递函数、误差传递函数的概念；典型环节的传递函数。掌握建立电气系统(有源网络和无源网络)、机械系统(机械平移系统)的微分方程和传递函数模型的方法。重点掌握方框图化简或信号流图梅森增益公式获得系统传递函数的建模方法。 3.控制系统时域分析 要求能够分析系统的三大基本性能，即系统的稳（稳定性）、准（准确性）、快（快速性）。掌握如下概念：稳定性；动态（或暂态）性能指标（最大超调量、上升时间、峰值时间、调整时间）；稳态（静态）性能指标（稳态误差）；一阶、二阶系统的主要特征参量；欠阻尼、临界阻尼、过阻尼系统特点；主导极点。重点掌握系统稳定性判别（Routh判据）；稳态误差终值计算（包括三个稳态误差系数的计算）；二阶系统动态性能指标计算。掌握利用主导极点对高阶系统模型的简化与性能分析。 4.根轨迹法 要求能够利用根轨迹（闭环系统特征方程的根随系统参数变化在S平面所形成的轨迹）分析系统性能。需掌握的概念：根轨迹；常规根轨迹；相角条件、幅值条件；根轨迹增益。重点掌握常规根轨迹的绘制（零度根轨迹不作要求）。掌握增加开环零、极点对根轨迹的影响；利用根轨迹分析系统稳定性与具有一定的动态响应特性（如衰减振荡、无超调等特性）的方法。 5.控制系统频域分析 要求能够利用频域分析方法对控制系统进行分析与设计。掌握如下概念：频率特性；开环频率特性、闭环频率特性；最小相位系统；幅值穿越频率（剪切频率）、相角穿越频率、相角裕度、幅值裕度；谐振频率、谐振峰值；截止频率、频带宽度；三频段。重点掌握开环频率特性Nyquist图、Bode图的绘制；由
自动控制原理复习总结笔记 一、自动控制理论的分析方法： （1）时域分析法； （2）频率法； （3）根轨迹法； （4）状态空间方法； （5）离散系统分析方法； （6）非线性分析方法 二、系统的数学模型 (1)解析表达：微分方程；差分方程；传递函数；脉冲传递函数；频率特性；脉冲响应函数；阶跃响应函数 (2)图形表达：动态方框图（结构图）；信号流图；零极点分布；频率响应曲线；单位阶跃响应曲线 时域响应分析 一、对系统的三点要求： K (1)必须稳定，且有相位裕量γ和增益裕量 g
(2)动态品质指标好。p t 、s t 、r t 、σ% (3)稳态误差小，精度高 二、结构图简化——梅逊公式 例1、 解：方法一：利用结构图分析： ()()()()[]()()[]()s X s Y s R s Y s X s R s E 11--=+-= 方法二：利用梅逊公式 ? ? = ∑=n k K K P s G 1 )( 其中特征式 (11) ,,1 ,1 +- + -=?∑∑∑===Q f e d f e d M k j k j N i i L L L L L L 式中： ∑i L 为所有单独回路增益之和 ∑j i L L 为所有两个互不接触的单独回路增益乘积之和 ∑f e d L L L 为所有三个互不接触的单独回路增益乘积之和 其中，k P 为第K 条前向通路之总增益； k ? 为从Δ中剔除与第K 条前向通路有接触的项； n 为从输入节点到输出节点的前向通路数目 对应此例，则有：
通路：211G G P ?= ，11=? 特征式：312131211)(1G G G G G G G G ++=---=? 则： 3 121111)() (G G G G P s R s Y ++?= 例2：[2002年备考题] 解：方法一：结构图化简 继续化简：
中国农业大学继续教育学院《自动控制原理及其应用》试卷 专业 姓名 成绩 一.填空题（每空0.5分，共25分） 1、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。 2、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。 3、若某系统的单位脉冲响应为0.20.5()105t t g t e e --=+，则该系统的传递函数G(s)为 。 4、根轨迹起始于 ，终止于 。 5、设某最小相位系统的相频特性为101()()90()tg tg T ?ωτωω--=--，则该系统的开环传递函数为 。 6、PI 控制器的输入－输出关系的时域表达式是 ，其相应的传递函数为 ，由于积分环节的引入，可以改善系统的 性能。 7、在水箱水温控制系统中，受控对象为 ，被控量为 。 8、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 。 9、稳定是对控制系统最基本的要求，若一个控制系统的响应曲线为衰减振荡，则该系统 。判断一个闭环线性控制系统是否稳定，在时域分析中采用 ；在频域分析中采用 。 10、传递函数是指在 初始条件下、线性定常控制系统的 与 之比。 11、频域性能指标与时域性能指标有着对应关系，开环频域性能指标中的幅值穿越频率c ω对应时域性能指标 ，它们反映了系统动态过程的 。 12、对自动控制系统的基本要求可以概括为三个方面，即： 、快速性和 。 13、控制系统的 称为传递函数。一阶系统传函标准是 ，二阶系统传函标准形式是 。 14、在经典控制理论中，可采用 、根轨迹法或 等方法判断线性控制系统稳定性。 15、控制系统的数学模型，取决于系统 和 , 与外作用及初始条件无关。 16、线性系统的对数幅频特性，纵坐标取值为 ，横坐标为 。 17、在二阶系统的单位阶跃响应图中，s t 定义为 。%σ是 。 18、PI 控制规律的时域表达式是 。P I D 控制规律的传递函数表达式是 。 19、对于自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面，即： 、 和 ，其中最基本的要求是 。 20、若某单位负反馈控制系统的前向传递函数为()G s ，则该系统的开环传递函数为 。 21、能表达控制系统各变量之间关系的数学表达式或表示方法，叫系统的数学模型，在古典控制理论中系统数学模型有 、 等。 22、判断一个闭环线性控制系统是否稳定，可采用 、 、 等方法。 23、PID 控制器的输入－输出关系的时域表达式是 ，其相应的传递函数为 。 24、最小相位系统是指 。 二. 选择题（每题1分，共22分） 1、采用负反馈形式连接后，则 ( ) 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。 2、下列哪种措施对提高系统的稳定性没有效果 ( )。 A 、增加开环极点； B 、在积分环节外加单位负反馈； C 、增加开环零点； D 、引入串联超前校正装置。 3、对于以下情况应绘制0°根轨迹的是( ) A 、主反馈口符号为“-” ； B 、除r K 外的其他参数变化时； C 、非单位反馈系统； D 、根轨迹方程（标准形式）为1)()(+=s H s G 。 4、开环频域性能指标中的相角裕度γ对应时域性能指标( ) 。 A 、超调%σ B 、稳态误差ss e C 、调整时间s t D 、峰值时间p t 5、已知开环幅频特性如图2所示， 则图中不稳定的系统是( )。 系统① 系统② 系统③ A 、系 统 ① B 、系统② C 、系统③ D 、都不稳定 6、若某最小相位系统的相角裕度 γ >，则下列说法正确的是 ( )。 A 、不稳定； B 、只有当幅值裕度 1 g k >时才稳定； C 、稳定； D 、不能判用相角裕度判断系统的稳定性。
《自动控制原理》(科目代码845)考试大纲这个大纲是2017年9月25日浙大控制官网才出的，虽然是新的，但是和以前基本 一模一样，没有变化。 参考书目： （1）各出版社出版的各种自动控制原理教材及习题集 （2）孙优贤、王慧主编. 自动控制原理.北京：化工出版社，2011年6月 （3）胡寿松主编. 自动控制原理(第四版、第五版、第六版). 分别于2001年2月、 2007年6月、2013年5月由科学出版社的(该书初版于1979年，前三版均由国防工业出版社出版，亦可作为参考书) 特别提醒：本考试大纲仅适合报考2018级浙江大学控制科学与工程学院硕 士研究生、专业课考《自动控制原理》(科目代码845)的考生。该门课程的 满分为150分。 一、总的要求 全面掌握自动控制系统的基本概念与原理，深入理解与掌握自动控制系统分析与 综合设计的方法，并能用这些基本的原理与方法举一反三地分析问题、解决问题。 二、基本要求 (1)自动控制的一般概念：掌握自动控制的基本概念、基本原理与自动控制系统组 成、分类，能熟练地将具体对象的控制系统物理结构图表示抽象成控制系统的方块图表示，能清楚地分析其中各种物理量、信息流之间的关系。 (2)动态系统的数学模型：能建立给定典型环节与系统的数学模型，包括微分方程、 传递函数、状态空间等模型；能熟练地通过方块图简化方法与信号流图等方法获得系统总的传递函数；能根据要求进行各种数学模型之间的相互转换。 (3)线性时不变连续系统的时域分析：熟悉一阶、二阶及高阶系统的特征，掌握基 于微分方程模型的时域分析，包括微分方程的求解、拉普拉斯变换的应用；状态空间模型的求解与分析；系统时间响应的性能指标计算；系统的稳定性分析、稳态误差系数与稳态误差的计算等。 (4)根轨迹：掌握根轨迹法的基本概念、根轨迹绘制的基本法则及推广法则；能正 确绘制根轨迹并利用根轨迹分析方法进行系统性能的分析，根据性能要求进行设计。
第1章自动控制的一般概念 1.1复习笔记 本章内容主要是经典控制理论中一些基本的概念，一般不会单独考查。 一、自动控制的基本原理与方式 1．反馈控制方式 反馈控制方式的主要特点是： （1）闭环负反馈控制，即按偏差进行调节； （2）抗干扰性好，控制精度高； （3）系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。 2．开环控制方式 开环控制方式可以分为按给定量控制和按扰动控制两种方式，其特点是：（1）无法通过偏差对输出进行调节； （2）抗干扰能力差，适用于精度要求不高或扰动较小的情况。 3．复合控制方式 复合控制即开环控制和闭环控制相结合。 二、自动控制系统的分类
根据系统性能可将自动控制系统按线性与非线性、连续和离散、定常和时变三个维度进行分类，本书主要介绍了线性连续控制系统、线性定常离散控制系统和非线性控制系统的性能分析。 三、对自动控制系统的基本要求 1．基本要求的提法 稳定性、快速性和准确性。 2．典型外作用 （1）阶跃函数 阶跃函数的数学表达式为： 0,0(),0 t f t R t
f t A tω? =- ()sin() 式中，A为正弦函数的振幅；ω＝2πf为正弦函数的角频率；φ为初始相角。 1.2课后习题详解 1-1图1-2-1是液位自动控制系统原理示意图。在任意情况下，希望液面高度c维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。 图1-2-1液位自动控制系统原理图 解：当Q1≠Q2时，液面高度的变化。例如，c增加时，浮子升高，使电位器电刷下移，产生控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的流量减少。反之，当c 减小时，则系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度c。方块图如图1-2-2所示。
《自动控制原理》考研大纲 科目名称：控制理论 适用专业：仿生装备与控制工程 参考书目：《自动控制原理》第六版，胡寿松编，科学出版社； 《自动控制理论》第二版，邹伯敏编，机械工业出版社； 《现代控制理论基础》第二版，王孝武主编，机械工业出版社 考试时间：3小时 考试方式：笔试 总分：150分 考试范围：包括经典控制理论（不包含非线性部分）与现代控制理论两部分，经典控制理论内容占70%，现代控制理论内容占30%。 经典控制理论部分 第一章绪论 1. 掌握自动控制系统的工作原理、自动控制系统的组成与几种不同分类。 2. 重点掌握反馈的概念、基本控制方式、对控制系统的基本要求。 第二章线性系统的数学模型 控制理论的两大任务是系统分析与系统设计，系统分析和设计中首先要建立被研究系统的数学模型。本章主要给出古典控制理论使用的系统数学模型——传递函数的建立。 本章要求： 1．掌握的概念：传递函数；极点、零点；开环传递函数、闭环传递函数、误差传递函数；典型环节的传递函数。 2．重点掌握建立电气系统、机械系统的微分方程和传递函数模型的方法。 3．重点掌握方框图化简或信号流图梅森增益公式获得系统传递函数的建模方法。 第三章控制系统时域分析 根据研究系统采用的不同数学模型，分析方法是不同的，本章给出利用系统传递函数数学模型求取时间响应的系统时域分析法。主要是分析系统的三大基本性能，即系统的稳（稳定性）、准（准确性）、快（快速性）。稳定性是系统工作的必要条件；快速性和相对稳定程度（振荡幅度）是评价系统动态响应的性能指标；准确性是指系统稳态响应的稳态精度，用稳态误差来衡量，需注意：讨论的稳态误差是指由输入信号和系统结构引起的系统稳态时的误差。 本章要求： 1．掌握的概念：稳定性；动态（或暂态）性能指标（最大超调量、上升时间、峰值时间、调整时间）；稳态（静态）性能指标（稳态误差）；一阶、二阶系统的主要特征参量；欠阻尼、临界阻尼、过阻尼系统特点；主导极点。 2．重点掌握系统稳定性判别（Routh判据）；稳态误差终值计算（包括三个稳态误差系数的计算）；二阶系统动态性能指标计算。 3．掌握利用主导极点对高阶系统模型的简化与性能分析。 第四章根轨迹法 闭环系统特征方程的根（系统闭环极点）在S平面的分布完全决定了系统的稳定性、主要决定了系统的动态性能，因此利用根轨迹（闭环系统特征方程的根随系统参数变化在S 平面所形成的轨迹）可对系统性能进行分析。根轨迹法是经典控制理论系统分析与设计的两大主要方法之一，是利用开环传递函数分析闭环系统性能。根轨迹绘制依据根轨迹方程（由
作者:蒋仕龙吴宏吕恕龚小云（固高科技（深圳）有限公司深圳518057 ）摘要：运动控制技术的发展是制造自动化前进的旋律，是推动新的产业革命的关键技术。运动控制器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯片（ASIC）作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于PC 总线的以DSP 和FPGA 作为核心处理器的开放式运动控制器。运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控制器逐步成为自动化控制领域里的主导产品之一。高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。充分利用DSP 的计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用DSP 和FPGA 技术，使系统的结构更加开放，根据用户的应用要求进行客制化的重组，设计出个性化的运动控制器将成为市场应用的两大方向。关键词：运动控制技术，运动控制器，点位控制，连续轨迹控制，同步控制 1 通用运动控制技术的发展现状运动控制起源于早期的伺服控制(Servomechanism)。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控（CNC）技术、机器人技术（Robotics）和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行（Stand-alone）的运动控制器。这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计，往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，利用RS232或者DNC 方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。通用运动控制器的发展成为市场的必然需求。由国家组织的开放式运动控制系统的研究始于1987 年，美国空军在美国政府资助下发表了著名的“NGC（下一代控制器）研究计划”，该计划首先提出了开放体系结构控制器的概念，这个计划的重要内容之一便是提出了“开放系统体系结构标准规格(OSACA)”。自1996年开始，美国几个大的科研机构对NGC 计划分别发表了相应的研究内容[3]，如在美国海军支持下，美国国际标准研究院提出了“EMC（增强型机床控制器）”；由美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了“O MAC（开放式、模块化体系结构控制器）”，其目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具有柔性、更加敏捷。该计划启动后不久便公布了一个名为“OMAC APT”的规范，并促成了一系列相关研究项目的运行。通用运动控制技术作为自动化技术的一个重要分支，在20 世纪90 年代，国际上发达国家，例如美国进入快速发展的阶段。由于有强劲市场需求的推动，通用运动控制技术发展迅速，应用广泛。近年来，随着通用运动控制技术的不断进步和完善，通用运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它已经达到一个引人瞩目的市场规模。根据ARC 近期的一份研究，世界通用运动控制（General MotionControl GMC）市场已超过40 亿美元，并且有望在未来5 年内综合增长率达到6.3％。目前，通用运动控制器从结构上主要分为如下三大类：⑴基于计算机标准总线的运动控制器，它是把具有开放体系结构，独立于计算机的运动控制器与计算机相结合构成。这种运动控制器大都采用DSP 或微机芯片作为CPU，可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和伺服驱动、外部I/O 之间的标准化通用接口功能，它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在DOS 或WINDOWS 等平台下自行开发应用软件，组成各种控制系统。如美国Deltatau 公司的PMAC 多轴运动控制器和固高科技（深圳）有限公司的GT 系列运动控制器产品等。目前这种运动控制器是市场上的主流产品。⑵Soft 型开放式运动控制器，它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O 之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声
伺服-运动控制卡的工作原理及其应用 作者：深圳众为兴数控 运动控制卡通常是采用专业的运动控制芯片或高速DSP 来满足一系列运动控制需求的控制单元，其可通过PCI 、PC104等总线接口安装到PC 和工业PC 上，可与步进和伺服驱动器连接，驱动步进和伺服电机完成各种运动(单轴运动、多轴联动、多轴插补等)，接收各种输入信号(限位原点信号，sensor)，可输出控制继电器、电磁阀、气缸等元件。用户可使用VC 、VB 等开发工具，调用运动控制卡函数库，快速开发出软件。 以一个通用的XYZ 三轴通用控制平台开发为例，此平台加上胶枪、刀具等模块后可用于点胶、切割等用途，运动控制卡采用深圳众为兴数控开发的ADT8940A1，ADT8940A1运动控制卡是一款经济实用型运动控制卡，4轴伺服/步进电机控制，最大脉冲输出频率为2MHz ，每轴均有位置反馈输入；可实现2-4轴直线插补，可实现XYZ 三轴插补，进行整体配合动作；带有40路隔离数字输入，16路隔离数字输出，可控制胶枪、刀具等模块；具有外部信号驱动、硬件缓存等功能，能满足绝大部分的4轴以下工作平台的运动控制需求。
ADT8940A1能驱动绝大多数的伺服驱动器。ADT8940A1运动控制卡采用脉冲的方式驱动伺服，脉冲数量决定伺服电机的转动圈数，脉冲频率决定伺服电机的转动速度，同时ADT8940A1卡能够将伺服电机的位置实时反馈给控制系统软件。可将伺服报警、伺服到位等信号接入ADT8940A1卡，实时反馈伺服状态。用输出可实现伺服的伺服使能和伺服报警清除等功能。我们XYZ轴采用丝杠传动方式的话，XY假如选用5mm间距的丝杠，将伺服的每转脉冲设置为10000,ADT8940A1控制卡控制精度为1个脉冲，机械的精度将可以达到 5mm/10000=0.0005mm；ADT8940A1控制卡的速度可达2000000脉冲/秒，伺服电机的转速可以高达12000转/分钟，XY轴的速度可达1000mm/s。为了使机械运行更平稳，运用ADT8940A1的硬件加减速功能，能在很短时间内从低速加速到高速，同时也在运动中改变速度，实现速度灵活控制，设置也很简单，只需用运动控制函数库中的 set_startv设置低速，set_speed设置高速，set_acc设置加速度即可
自动控制原理复习总结笔记 一、 自动控制理论的分析方法： （1）时域分析法； （2）频率法； （3）根轨迹法； （4）状态空间方法； （5）离散系统分析方法； （6）非线性分析方法 二、系统的数学模型 (1)解析表达：微分方程；差分方程；传递函数；脉冲传递函数；频率特性；脉冲响应函数；阶跃响应函数 (2)图形表达：动态方框图（结构图）；信号流图；零极点分布；频率响应曲线；单位阶跃响应曲线 时域响应分析 一、对系统的三点要求： (1)必须稳定，且有相位裕量γ和增益裕量g K (2)动态品质指标好。p t 、s t 、r t 、σ% (3)稳态误差小，精度高 二、结构图简化——梅逊公式 例1、 解：方法一：利用结构图分析： ()()()()[]()()[]()s X s Y s R s Y s X s R s E 11--=+-=
方法二：利用梅逊公式 ? ? = ∑=n k K K P s G 1 )( 其中特征式 (11) ,,1 ,1 +- + -=?∑∑∑===Q f e d f e d M k j k j N i i L L L L L L 式中： ∑i L 为所有单独回路增益之和 ∑j i L L 为所有两个互不接触的单独回路增益乘积之和 ∑f e d L L L 为所有三个互不接触的单独回路增益乘积之和 其中，k P 为第K 条前向通路之总增益； k ? 为从Δ中剔除与第K 条前向通路有接触的项； n 为从输入节点到输出节点的前向通路数目 对应此例，则有： 通路：211G G P ?= ，11=? 特征式：312131211)(1G G G G G G G G ++=---=? 则： 3 121111)() (G G G G P s R s Y ++?= 例2：[2002年备考题]
自动控制原理试卷与答案 (A/B 卷 闭卷) 、填空题(每空1分，共15分) 1、 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。 2、 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。 3、 两个传递函数分别为 G(s)与G(s)的环节，以并联方式连接，其等效传递函数为 G(s)，则G(s) 为 _______ (用G(s)与G(s)表示)。 4、 典型二阶系统极点分布如图 1所示，则无阻尼自然频率 「n = 阻尼比.二 ______________ ，该系统的特征方程为 __________________________________ ，该系统的单位阶 跃响应曲线为 _________________________ 。 5、 若某系统的单位脉冲响应为g(t^10e~.2t 5e".5t ，则该系统的传递函数G(s) 为 ____________________ 。 6、 根轨迹起始于 ______________________ ，终止于 _______________________ 。 7、 设某最小相位系统的相频特性为 =tg 」(—)-90° -tg 」(「，)，则该系统的开环传递函数 为 _____________________ 。 8 PI 控制器的输入一输出关系的时域表达式是 ， 其相应的传递函数为 能。 ,由于积分环节的引入， 可以改善系统的 性 二、选择题(每题2分，共20分) 1、采用负反馈形式连接后，贝U () 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。 2、下列哪种措施对提高系统的稳定性没有效果 () 2 4、系统在r(t) = t 作用下的稳态误差 e ss = ： ■，说明( A 型别 v ：：： 2; B C 输入幅值过大； D 5、对于以下情况应绘制 0°根轨迹的是( A 、增加开环极点; B 、在积分环节外加单位负反馈; C 增加开环零点; D 、引入串联超前校正装置。 3、系统特征方程为 D(s)二 s 3 2s 2 3s 6 = 0，则系统() A 、稳定; B 、单位阶跃响应曲线为单调指数上升; C 临界稳定; D 、右半平面闭环极点数 Z=2。
AI&Robots Ins. (Institute of Artificial Intelligence and Robots)，即人工智能与机器人研究所，是隶属 于北京工业大学控制科学与工程学科的研究机构， 自然地，其所致力于研究的，是人工智能(Artificial Intelligence)和机器人(Robot)。 Robot是大家熟悉的一个英文名词，常常被译作 “机器人”。然而，无论就其形态或结构，还是就其运 动方式或行为方式，多数Robot 不象人。准确地说， Robot是一种自动机器，一种仿生的自动机器，具有 类似生命的特征，具有类似生物的行为，甚至具有 类似生物的智慧。 《控制论》之父Wiener有一句名言： “就其控制行为而言，所有的技术系统都是模仿生物系统的，然而，决没有哪一种生物系统 是模仿技术系统的。” Wiener 所说的“技术系统”(Technical System)就是人造系统，就是机器，准确地说，就是自动 机器。 AI&Robots 旨在研究具有智能的自动机器，并努力使机器具有生命特征和生物行为，具有感 知能力和认知能力，包括记忆和学习的行为能力。 实际上，AI&Robots 的研究领域是综合而宽广的，是一个多学科融合的科学研究领域，其中： ?控制论(Cybernetics) ?人工智能(Artificial Intelligence) ?机器人学(Robotics)
扮演着重要角色。在AI&Robots 的标识中，黄色代表着“控制论”，红色代表着“人工智能”，蓝色 代表着“机器人学”。 AI&Robots渗透着《控制论》的思想。 1948年，美国科学家Norbert Wiener 将机器与动物类比，将计算机与人脑类比，创立了《控 制论》。 Wiener 是一个天才，8 岁上中学，11 岁上大学，14 岁大学毕业，18岁获得博士学位，其后，师从英国数学 家和哲学家Rosu。虽然主修数学和哲学，Wiener 却始 终思索着动物和机器的辨证关系。Wiener 的《控制论》 是关于动物和机器共性的科学，是关于动物和机器同一 性和统一性的科学。Wiener 兴趣广泛，在理论物理学、 生物学、神经生理学和心理学、哲学、文学等领域都有 涉猎和建树。正是Wiener 广博的知识，使《控制论》成 为科学融合的艺术。 正如Wiener 在《控制论》中所指出： “我们正研究这样一种自动机器，它不仅通过能量流 动和新陈代谢，而且通过信息流动和传递信号，引起动作流动，并和外界有效地联系起来。自动 机器接收信息的装置相当于人和动物的感觉器官；相当于动作器官的可以是电动机或其它不同性 质的工具。自动机器接收到的信息不一定立即使用，可以储存起来以备未来之需，这与记忆相似 。自动机器运转时，其操作规则会依历史数据产生变化，这就象是学习的过程。” 在《控制论》中，Wiener虚拟设计了一个机器蠕虫，模拟蠕虫的负趋光行为，以阐明动物和 机器的共性。 Wiener的机器蠕虫具有类似动物神经的反射弧结构： 感觉器官：一对左右对称的光电管
《自动化概论》习题讲解 自动控制原理是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置或控制器，使机器，设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。 课题组1 向新同学介绍： 1-1自动化、自动控制及控制论三者的区别和联系，并具体说明自动化专业是一个口径宽、适应面广的专业。 1-2科学家和工程师有哪些本质区别，科学家/工程师各应该具备什么样的基本素质，并简述你在大学期间准备如何提高自己的个人素质的体会。 1-3自动化的概念，自动化的研究内容以及自动化与新技术革命的关系。 课题组2 科普文章： 2-1 我国自动化的发展。简述控制和自动化的发展，我国古代发明的重要自动装置，介绍指南车用途和原理、候风地动仪原理、宋代水运仪象台观察天文现象的原理等。 2-2 计算机与自动控制。列举5种你认为对人类生产和生活最有影响的自动化技术或系统，以此说明计算机技术和自动控制或自动化技术的密切关系。2-3 社会经济系统工程。介绍社会经济系统工程的主要研究内容，讨论系统工程和自动化的关系。 课题组3 讨论发言稿： 3-1 发言题目：经典控制理论与现代控制理论分析、设计方法 向同学们介绍经典控制理论时期分析和设计自动控制系统的主要方法，现代控制理论分析和设计自动控制系统的主要方法。 3-2 发言题目：综合自动化 向同学们介绍综合自动化，电子计算机在自动化技术中所起的作用，计算机控制的特点。 课题组4 你到一个高职学校去求职，就以下内容准备试讲稿： 4-1 试比较自适应控制和自校正控制的异同，智能控制与普通控制的主要区别。4-2 自动控制系统有哪几个基本环节（元件），何谓自动控制系统的“负反馈”。 介绍恒值自动调节系统、程序自动控制系统、随动系统的功能和特点。
运动控制的发展，前景，及其应用 运动控制技术的产生与发展现状 早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术(CNC)、机器人技术(Robotics)和工厂自动化技术的发展而发展的。最初的运动控制器实际上是可以独立运行的专用控制器,往往无需另外的处理器和操作系统支持,可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行(Stand-alone)的运动控制器,主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计,往往已根据应用行业的工艺要求设计了功能,用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件,利用RS232或者DNC方式传输到控制器,控制器即可完成相关的动作。但这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用,控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议,用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。通用运动控制器的发展成为市场的必然需求。1987年,美国政府组织开放式运动控制系统的研究,即下一代控制器(NGC)研究计划。该计划首先提出了开放体系结构控制器的概念,制定了/开放系统体系结构标准规格(OSACA)0。自1996年开始,美国几个大的科研机构对NGC计划分别发表了相应的研究成果,如美国国际标准研究院研制的/增强型机床控制器(EMC)0。美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司研制的/开放式、模块化体系结构控制器(OMAC)0,其目的是用更加开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加柔性、更加敏捷。近年来,随着运动控制技术的不断进步和完善,运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品,已经被越来越多的产业领域接受,并且已经达到一个引人瞩目的市场规模。我国在运动控制器产品开发方面相对滞后, 1999年固高科技有限公司开始开发、生产开放式运动控制器,随后,国内又有其他几家公司进入该领域,但实际上,其大多是在国内推广国外生产的运动控制器产品,真正进行自主开发的公司较少。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术（Full Closed AC Servo）、直线电机驱动技术（Linear Motor Driving）、可编程序计算机控制器（Programmable Computer Controller，PCC）和运动控制卡（Motion Controlling Board）等几项具有代表性的新技术。 1 全闭环交流伺服驱动技术 在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。一般情况下，这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式，即伺服电机上的编码器反馈既作速度环，也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件（如光栅尺、光电编码器等），即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是：伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成（大多数全闭环的机床数控系统就是这样）。这样大大增加了上位控制器的难度，也限制了伺服系统的推广。目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统，使得高精度自动化设备的实现更为容易。 该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等)，作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控
1.控制器的三种基本职能——测量、比较和执行； 参与控制的信号来自三条通道——给定值、干扰和被控量 系统对性能的三个要求——稳定性、快速性、准确性 2.拉式变换F(s)=对f(t)*e(-st次方），从0到无穷积分 常见拉式变换表可以见P21，需要背下前7种 拉式变换的基本法则： 1）线性法则 2）微分法则（通常在f(0)=0的条件下） 3）积分法则（通常在f(0)=0的条件下） 3）终止定理：f(t)在t趋近于无穷时的值与F(s)在s趋近于0时的值一样（方便求系统的稳态） 4）位移定理：L[f(t-t0)]=e(-t0*s次方)*F(s)； L[e(at次方)f(t)]=F(s-a) 3.拉式反变换一般采用分解法，和变换的过程正好相反。 拉式变换其实是一种解微分方程的手段，其顺序是：1.对微分方程进行拉式变换；2.求出所求值的拉式函数；3.对其进行拉式反变换，最终得到我们想要的解。主要是利用分解法，而那些法则则是我们方便分解的手段！ 4.传递函数与输入形式无关，只适用于线性定常系统； 分母阶数大于分子阶数，系统阶数由分母阶数所决定 只反映输入输出之间的联系，不反映系统内部结构 同一系统不同观测点的传递函数具有相同的分母 传递函数的拉式反变换是脉冲响应 5.方框图的等效变换，串联、并联（相加）、比较点前后移动、引出点前后移动这些都要熟悉。变换的时候依照比较点向左，引出点向右，由内及外的原则进行变换。 梅森公式：闭环传递函数=每条前向通道（无迂回）经过的函数*余项式/主特征式（1-一个回路+两个不接触回路-三个不接触回路…………）反馈极性体现在反馈的正负上，所以要加上符号。 来自印象笔记
运动控制系统课程设计 一、目的和意义 1.学会针对某个电机控制系统功能模块或整个控制系统进行设计与实现； 2.进一步加深对课堂教学内容的理解，了解典型的电机控制系统基本控制原理和结构； 3.掌握基本的调试方法，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和工程实践技能。 二、实验设备 计算机、MATLAB软件 三、实习任务 （1）学习交、直流伺服系统的一般设计方法，具备初步的独立设计能力； （2）学会查阅技术资料和手册，合理选用设计方案； （3）初步掌握伺服系统调试的基本技能； （4）提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的工程应用能力；四．实习内容 1.位置闭环控制调节器的设计与调试 2.交流调速系统模型的搭建与仿真 3.直流调速系统模型的搭建与仿真 五、实验步骤 （一）位置闭环控制调节器的设计与调试 1．位置控制的基本原理 位置控制是以速度和转矩控制为基础的，典型的位置伺服系统式三重闭环的结构，即位置环、速度环和电流环。位置控制系统以速度环、电流环作为内环，位置环为外环，这就说明位置控制系统与调速控制系统式密切相关的。对于位置控制系统的性能指标，也可以分为动态和稳态两个方面。可以认为，位置控制系统的动态性能基本上是由丙环来保证的，而稳态精度则主要靠外环来实现。对于
丙环的要求是希望有足够的调速范围、快且平稳的起、制动性能，转速尽量不受负载变化、电源电压波动及环境温度等干扰因素的影响。而对外环则要求有足够的位置控制精度、位置跟踪精度、足够快的跟踪速度、位置保持的能力等。2．位置闭环控制调节器原理图 参数设置：Kaff=0，Kvff=0.9 ，Kpp=20，Kdp=0.5 ，Kip=0 3．仿真波形 （二）交流调速系统模型的搭建与仿真
自动控制原理习题及其解答 第一章（略） 第二章 例2-1 弹簧，阻尼器串并联系统如图2-1示，系统为无质量模型，试建立系统的运动方程。 解：(1) 设输入为y r ，输出为y 0。弹簧与阻尼器并联平行移动。 (2) 列写原始方程式，由于无质量按受力平衡方程，各处任何时刻，均满足∑=0F ， 则对于A 点有 021=-+K K f F F F 其中，F f 为阻尼摩擦力，F K 1，F K 2为弹性恢复力。 (3) 写中间变量关系式 022011 0)() (y K F Y Y K F dt y y d f F K r K r f =-=-? = (4) 消中间变量得 020110y K y K y K dt dy f dt dy f r r =-+- (5) 化标准形 r r Ky dt dy T y dt dy T +=+00 其中:2 15 K K T += 为时间常数，单位[秒]。 2 11 K K K K += 为传递函数，无量纲。 例2-2 已知单摆系统的运动如图2-2示。 (1) 写出运动方程式 (2) 求取线性化方程 解：（1）设输入外作用力为零，输出为摆角θ ，摆球质量为m 。 （2）由牛顿定律写原始方程。
h mg dt d l m --=θθ sin )(22 其中，l 为摆长，l θ 为运动弧长，h 为空气阻力。 （3）写中间变量关系式 )(dt d l h θα= 式中，α为空气阻力系数dt d l θ 为运动线速度。 （4）消中间变量得运动方程式 0s i n 22=++θθθmg dt d al dt d ml （2-1) 此方程为二阶非线性齐次方程。 （5）线性化 由前可知，在θ ＝0的附近，非线性函数sin θ ≈θ ，故代入式（2-1）可得线性化方程为 022=++θθ θmg dt d al dt d ml 例2-3 已知机械旋转系统如图2-3所示，试列出系统运动方程。 解：（1）设输入量作用力矩M f ，输出为旋转角速度ω 。 （2）列写运动方程式 f M f dt d J +-=ωω 式中， f ω为阻尼力矩，其大小与转速成正比。 （3）整理成标准形为 f M f dt d J =+ωω 此为一阶线性微分方程，若输出变量改为θ，则由于 dt d θω= 代入方程得二阶线性微分方程式 f M dt d f dt d J =+θ θ22 例2-4 设有一个倒立摆安装在马达传动车上。如图2-4所示。 图2-2 单摆运动 图2-3 机械旋转系统
运动控制原理与实践》学习笔记（一）徐声远2011年10年16日 1、运动控制过程中脑神经细胞及分工：大脑、小脑、丘脑、脑干等，其中最复杂的部分仍由大脑进行程序控制。运动控制越精细，越复杂，难度越大，参与的神经细胞数量就越多，细胞越健壮，神经细胞的的网状结构越健全。 2、运动控制的原理： 有关运动控制的过程是多神经、多肌肉系统协同工作的复杂过程。其运动反射的建立是生命成长过程中反复学习和不断强化记忆的结果。与此相反，已经建立的运动控制，如不运动也会随时间和老龄而逐渐衰退（一日不练自己知道，三日不练同行知道，十日不练观众知道。） 3、神经细胞的可塑性及神经修复机理： 中风初期一些脑神经细胞受水肿压迫可暂失功能，水肿消失后可能恢复功能。受损细胞周围的神经细胞可产生“反应性突触再生，再生出芽，继而侧支发芽”，并与其它神细胞建立新的连接，完成神经的修复。大脑或修复过程中可用仪器捡测到对应的脑部供血增加，温度增高（是一个具体的物理化学过程）。 神经细胞的二次损伤：神经细胞传导“链”因受损中断，链上的健康神经细胞随时间推移会渐渐失去功能（用进废退，康复越早效果越好）。 康复冶疗的介入时间：早期介入康复训练有利于后期恢复（三日至七日之后），但过早训练也可能加重脑部的损坏（一周内，因受伤组织还未稳定时，过早活动患部可增加出血和水肿）。 4、运动康复训练：中风后的运动康复训练不是一个简单的恢复记忆、排异或打通经络的过程，是一个类似婴儿学步的复杂的再学习过程，其中包括完成动作，调节平衡，观察环境，规避危险，安全保护，效果评估和动作改进等环节，其每一个动作的恢复都涉及全身的肌肉、神经、感官及大脑思维联系的重建。这是在医生指导下患者通过努力自救的过程。不可依赖医生，不要指望神医，不要等待奇迹出现，要靠自己的意志，靠自己的努力，在医生指导下通过系统认真的训练创造奇迹。 健肢训练与患肢训练具有同样的重要性。训练中限制键肢训练患肢可促进患肢恢复。对于一部分患者需要通过训练健肢取代患肢并成为优势肢（如用左手写字）。 肢体康复的过程是先大关节（近心端），后小关节（远心端）。上肢康复顺序为先肩、后肘、再腕，最后才是手指。 重力辅助训练：康复训练初期，患肢力量小，感觉不灵敏，可采用重力辅助法，用微小力量和微弱感觉控制肢体做大幅度的运动，帮助患者找到运动控制的感觉，加速运动反射过程的建立。如，上肢自然竖立，控制不同方向的倾倒或抗倾倒，上肢自然下垂，控制不同方向的摆动和转动等。康复