自动控制理论

第一章 自动控制系统的概论

基本要求：了解控制理论发展史、自动控制定义、基本控制方式：开环控制、闭环（反馈）控制及复合控制。掌握闭环控制系统基本组成、分类和性能要求(稳定性、快速性、准确性)。

第一章 自动控制系统概论

1.1 自动控制系统的组成、分类和发展

控制理论的发展：（工业控制理论）

1 经典控制理论

40--50年代形成 SISO系统

基于：二战军工技术

目标：反馈控制系统的镇定

基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域)

2 现代控制理论

60--70年代形成 MIMO系统

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：状态方程

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）

第一章 自动控制系统概论

1.2 “自控原理”课程的特点和要求

《自动控制原理》是自动化、电气工程与自动化等专业的专业基础课。该课程需要一定的工程背景，利用数学知识较多。它主要研究自动控制系统的基本概念、数学模型的建立及方块图等效变换。针对控制系统的基本要求，利用时域分析法、根轨迹法和频域法分析和设计控制系统。通过该课程的学习，要求学生系统地掌握自动控制系统的基本理论和基本方法，培养学生理论联系实际的能力，为专业课和工程实践打下坚实的基础

第二章 数学模型

基本要求：了解数学模型的概念和分类，掌握自动控制系统动态方程的建立及非线性控制系统的线性化，重点掌握传递函数和结构图的概念及结构图等效变换法则。

第二章 数学模型 2.1 传递函数与系统结构图

线性系统 ———— 满足叠加原理

被控制对象或对象 ── 我们称这些需要控制的工作机器、装备为被控制对象或对象。

输出量（被控制量）── 将表征这些机器装备工作状态需要加以控制的物理参量，称为被控制量（输出量）。

输入量（控制量）── 将要求这些机器装备工作状态应保持的数值，或者说，为了保证对象的行为达到所要求的目标，而输入的量，称为输入量（控制量）

扰动量 ── 使输出量偏离所要求的目标，或者说妨碍达到目标，所作用的物理量称为扰动量。

控制的任务实际上就是形成控制作用的规律，使不管是否存在扰动，均能使被控制对象的输出量满足给定值的要求。

开环控制系统

只有给定量影响输出量（被控制量），被控制量只能受控于控制量，而被控制量不能反过来影响控制量的控制系统称为开环控制。

开环控制系统可以用结构示意图表示，如图所示。

扰动量

输入量 输出量

ur u a n

图 开环控制结构图

结构图可以表示这种系统的输入量与输出量之间的关系。由图可知，输入量直接经过控制器作用于被控制对象，所以只有输入量影响输出量。当出现扰动时，没有人的干预，输出量不能按照输入量所期望的状态去工作。

闭环控制系统

为了实现闭环控制，必须对输出量进行测量，并将测量的结果反馈到输入端与输入量相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。因此，整个控制系统形成一个闭合环路。我们把输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环,参与控制的系统，称作闭环控制系统。由于系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的，也叫作反馈控制系统或偏差控制系统。

闭环控制系统中各元件的作用和信号的流通情况，可用结构图表示。

1 简答题

四、简答题(本大题共6小题，每小题4分，共24分)

31．正弦输入函数在控制系统的分析和综合中有什么用处？

32．PD控制器中微分时间Td对控制系统过渡过程有什么影响？

33．什么叫相位裕量？什么叫增益裕量？

34．简要说明发电机闭环励磁控制系统工作原理。

35．已知闭环二阶系统频率特性106j)j(10)j(G2，试问有无谐振频率r？为什么？

36．高阶系统中哪些闭环极点对系统的影响可以忽略？

31.开环控制系统的优缺点是什么?

32.描述某电路的微分方程为ui(t)=Ldtdi+u0(t),u0(t)=iR,其中R，L分别为电路的电阻和电感，i为电路的电流，ui(t)和u0(t)分别为电路的输入电压和输出电压。写出电路的传递函数)s(u)s(uio.

33.设开环传递函数G(s)=10)5)(s(ss 1)250(s2,试求出开环系统各环节的对数幅频特性的转角频率。

34.系统的开环传递函数G(s)H(s)=1)s(Ts 1)sK(T122(T１,T2>0),试分别画出T1>T2,T1=T2,T1

35.滞后校正装置对系统有哪些影响?

2 36.若系统X=AX的状态转移矩阵为(t,0)=tt2t2ttt2t2tee2ee)ee(2ee2，试问系统矩阵A为多少?

31．给出四种通过系统开环传递函数判别闭环控制系统稳定性的方法。

32．什么是位置、速度、加速度稳态误差系数Kp，Kv，Ka？（设控制系统的方块图如题32图所示）

33．一般的自动控制系统被控量变化的动态过程有哪几种？

34．局部反馈回路除了起到与串联校正类似的功能外，为什么还能抑制所包围部分的参数波动？

35．若L[x(t)]=X(s)，拉氏变换终值定理应用的条件是什么？

36．试述线性定常系统在正弦输入信号x(t)=Xsinωt作用下稳态输出信号yss(t)的基本特征（或基本形式）。

1 自动控制理论发展概况

——航

自动控制（automatic control）是指在没有人直接参与的情况下利用机械以及程序进行的工程生产以及生活应用，于是在此需求下就形成了一种系统，称之为自动控制系统，这是一类力求以尽可能少的人类干预实现尽可能多的自动监视、检测、调节和控制作用以达到预期技术要求的人造系统。而为了更好地让人们学习和应用这个系统，则派生了一门学科，即自动控制理论，研究这类系统的构思、设计、性能、分析，乃至实施和运行的原理和技术。

自动控制理论已经经过了漫长的发展，关于自动控制的历史，早在古代，我国勤劳的劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对控制以及反馈概念的深刻理解以及直观认识，发明了许多蕴含着深刻控自动控制技术的工具。

如果要深入追溯自动控制技术的发展历史，那么早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。 例如，两千年前我国发明的指南车，就是一种开环自动调节系统。它利用差速齿轮原理，利用齿轮传动系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。不论车子转向何方，木人的手始终指向南方，“车虽回运而手常指南”。这是最早的自动化控制应用，也是自动化技术的萌芽阶段。

经典控制理论的发展阶段。

后来到18世纪，欧洲开始了轰轰烈烈的工业革命，工业迅速发展，这段时间让人们认识到机械运作在工业工程上的巨大便利以及其极高的效率。1788年瓦特为了控制蒸汽机的速度而发明了离心式调速器，又称瓦特调速器或飞球调速器。这是一个闭环控制系统，也是一个反馈调节系统，这一发明为经典控制理论的发展拉开了序幕。

控制理论发展的初期，主要是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。于是在工业革命的时期，自动控制技术有一个非常良好的发展环境，在20世纪形成了比较完整的自动控制理论体系，即经典控制理论。

经典控制理论的分析方法为复数域方法，以传递函数作为系统数学模型，可通过试验方法建立数学模型，物理概念清晰，得到广泛的工程应用。但是只适应 2 单变量线性定常系统，对系统内部状态缺少了解，且复数域方法研究时域特性，得不到精确的结果。