自动控制原理：第一章绪论

自动控制原理电子教案第一章：绪论1.1 自动控制的概念解释自动控制的定义强调自动控制在现代工业和日常生活中的重要性1.2 自动控制系统的分类介绍开环控制系统和闭环控制系统解释数字控制系统和模拟控制系统的区别1.3 自动控制系统的性能指标介绍稳定性、线性、收敛性和鲁棒性等性能指标解释这些指标对系统性能的影响第二章：反馈控制系统2.1 反馈控制系统的组成介绍控制器、执行器和传感器的功能和作用2.2 反馈控制系统的类型解释正反馈和负反馈的区别和应用场景2.3 控制器的设计方法介绍PID控制器和模糊控制器的原理和方法第三章：线性系统的状态空间分析3.1 状态空间表示法介绍状态空间的概念和数学表示方法3.2 状态方程和输出方程推导状态方程和输出方程的求解方法3.3 线性系统的可控性和可观测性解释可控性和可观测性的概念和判断方法第四章：非线性控制系统分析4.1 非线性系统的分类介绍线性与非线性的区别和常见的非线性特性4.2 非线性方程的求解方法解释求解非线性方程的数值方法和解析方法4.3 非线性控制系统的稳定性分析介绍李雅普诺夫理论和Lyapunov 函数的应用第五章：现代控制理论5.1 现代控制理论的概念解释现代控制理论的背景和发展5.2 鲁棒控制理论介绍鲁棒控制的概念和设计方法5.3 自适应控制理论解释自适应控制的概念和应用场景第六章：控制系统的设计方法6.1 系统设计的基本原则介绍控制系统设计中的稳定性、准确性和快速性原则6.2 控制器设计方法详细讲解PID控制器、模糊控制器、自适应控制器的设计步骤和注意事项6.3 系统仿真与实验介绍使用MATLAB等工具进行控制系统仿真的方法强调实验在控制系统教学和工程应用中的重要性第七章：线性调节器的设计7.1 调节器的作用与分类解释调节器的作用以及比例、积分、微分调节器的特点7.2 调节器的设计方法介绍Ziegler-Nichols方法等经典调节器设计方法7.3 调节器的参数整定讲解如何通过观察系统响应来整定调节器参数第八章：系统辩识8.1 系统辩识的基本概念解释系统辩识的目的和方法8.2 输入输出数据采集介绍如何采集系统的输入输出数据8.3 系统模型的建立与参数估计讲解如何根据采集到的数据建立数学模型并进行参数估计第九章：数字控制系统9.1 数字控制系统的组成介绍数字控制系统的硬件和软件组成部分9.2 数字控制算法详细讲解离散PID控制、模糊控制等数字控制算法9.3 数字控制器的实现介绍如何实现数字控制器，包括硬件实现和软件实现第十章：自动控制系统的应用10.1 工业自动化讲解自动控制系统在工业生产中的应用案例10.2 家居自动化介绍自动控制系统在智能家居中的应用案例10.3 汽车自动化探讨自动控制系统在现代汽车工业中的应用案例重点和难点解析重点环节：1. 自动控制的概念和分类2. 反馈控制系统的组成和类型3. 状态空间分析方法4. 非线性控制系统分析5. 现代控制理论6. 控制系统的设计方法和步骤7. 调节器的设计和参数整定8. 系统辩识的方法和模型建立9. 数字控制系统的组成和算法实现10. 自动控制系统的应用案例难点解析：1. 自动控制的概念和分类：理解自动控制的基本原理和不同类型控制系统的特点。

第一章绪论1、基本概念（1）自动控制：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（被控量）自动地按预先给定的规律去运行。

（2）自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制装置与被控对象组成。

（3）被控对象：指被控设备或过程。

（4）输出量，也称被控量：指被控制的量。

它表征被控对象或过程的状态和性能，它又常常被称为系统对输入的响应。

（5）输入量：是人为给定的系统预期输出的希望值。

（6）偏差信号：参考输入与实际输出的差称为偏差信号，偏差信号一般作为控制器的输入信号。

（7）负反馈控制：把被控量反送到系统的输入端与给定量进行比较，利用偏差引起控制器产生控制量，以减小或消除偏差。

2、自动控制方式（1）开环控制开环控制系统指系统的输出量对系统的控制作用没有影响的系统。

它分为按给定控制和按扰动控制两种形式。

按给定控制：信号由给定输入到输出单向传递。

按扰动控制（顺馈控制）：根据测得的扰动信号来补偿扰动对输出的影响。

（2）闭环控制（反馈控制）闭环控制系统指系统的输出量与输入端存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接影响的系统。

系统根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为反馈控制原理。

3、自动控制系统的分类（1）按给定信号的特征分类①恒值控制系统：希望系统的输出维持在给定值上不变或变化很小。

②随动控制系统：给定信号的变化规律是事先不确定的随机信号。

③程序控制系统：系统的给定输入不是随机的，而是确定的、按预先的规律变化。

（2）按系统的数学模型分类⎧⎧⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪−−−→⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎧⎪⎪−−−→⎨⎨⎪⎩⎩⎪⎪⎧−−−→⎪⎪⎪⎧⎪⎨⎪⎪−−−→⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎩⎩分析法分析法分析法分析法时域法根轨迹法线性定常系统频域法线性系统状态空间法时域法线性时变系统状态空间法非本质非线性线性化法描述函数法非线性系统本质非线性相平面法状态空间法 （3）按信号传递的连续性划分①连续系统：系统中的所有元件的输入输出信号均为时间的连续函数，所以又常称为模拟系统。

第一章自动控制原理绪论自动控制原理是一门研究物理系统自动调节和控制的科学，主要包括控制系统的建立、控制策略设计和控制器设计等内容。

本章主要介绍了自动控制原理的基本概念和基本方法，以及自动控制的应用领域。

自动控制的基本概念包括系统、控制、反馈和误差等。

系统是由一组互相作用的物理元件构成的实物系统或数学模型，控制是通过调节系统的一些输入信号来达到预期目标的过程，反馈则是从系统的输出信号中获取信息进行调节的过程，而误差是系统输出信号与期望目标之间的差异。

自动控制的基本方法包括建立数学模型、分析系统的性态、设计控制策略和设计控制器等。

在建立数学模型时，可以通过质量、量、位置、能量守恒等原则，采用物理方程、电路方程、状态方程等方法进行建模。

在分析系统的性态时，可以通过系统的输入输出关系、传递函数、稳定性、响应特性等进行分析。

在设计控制策略时，可以根据系统的性质、要求和实际问题的特点进行选择。

在设计控制器时，可以采用比例、积分、微分控制器等方法，通过调节控制器参数和选择控制器结构来实现对系统的控制。

自动控制的应用领域非常广泛，包括工业自动化、航空航天、机器人、医疗设备、交通运输等。

在工业自动化中，自动化生产线、机械设备、电力系统等都需要自动控制来实现精确控制和高效运作。

在航空航天中，自动驾驶系统和导航系统需要自动控制实现飞行控制和航道控制。

在机器人中，自动控制可以实现机械臂的精确运动和姿态控制。

在医疗设备中，自动控制可以实现医学影像的采集和分析，以及手术机器人的操作。

在交通运输中，自动控制可以实现车辆的自动驾驶、交通信号的优化和路线规划等。

总之，自动控制原理是一门重要的学科，对于解决实际问题具有重要意义。

通过学习和应用自动控制原理，可以提高物理系统的控制性能，实现精确定位、稳定运行和高效控制，在各个应用领域都有着广泛的应用前景。

第一章绪论（6学时）
微型计算机发展概况、数制和码制。

第二章 8086 系统结构（8学时）
8086CPU结构、8086CPU的引脚及其功能、8086存储器组织、8086系统配置、8086CPU 时序。

第三章 8086的寻址方式和指令系统（10学时）
8086的寻址方式、指令的机器码表示方法、8086的指令系统。

第四章汇编语言程序设计（10学时）
汇编语言程序格式、MASM中的表达式、伪指令语句、程序设计方法、DOS系统功能调用。

第五章存储器（6学时）
存储器分类、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、CPU与存储器的连接。

第六章 I/O接口和总线（6学时）
I/O接口的功能、简单的输入输出芯片、I/O端口及其编址方式、I/O端口地址译码、CPU 与外设间的数据传送方式。

第七章可编程外围接口芯片8255A及应用（4学时）
8255A的结构和功能、8255A的控制字及初始化编程、8255A工作方式和C口状态字、8255A的应用举例。

第八章可编程计数器/定时器8253及应用（4学时）
8253的内部结构与引脚信号、8253的初始化编程、8253的工作方式、8253与系统的连接、8253的应用举例。

第九章微型计算机中断系统（8学时）
中断处理过程、中断优先级和中断嵌套、可编程中断控制器8259A。

第十章 A/D、D/A转换（6学时）
A/D转换器工作原理、D/A转换器工作原理、转换器与CPU连接。

第十一章高档微处理器（6学时）
CPU内部结构、管脚信号说明、寄存器组成。

自动控制原理知识点总结————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：自动控制原理总结第一章 绪 论技术术语1. 被控对象:是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。

2. 被控量：表征被控对象工作状态的物理参量(或状态参量)，如转速、压力、温度、电压、位移等。

3. 控制器：又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。

4. 给定值或指令信号r(t)：要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。

5. 干扰信号n(t)：又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。

6. 反馈信号b(t)：是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。

7. 偏差信号e(t)：是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。

闭环控制的主要优点：控制精度高，抗干扰能力强。

缺点：使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。

对控制系统的性能要求 :稳定性 快速性 准确性稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。

准确性是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。

第二章 控制系统的数学模型拉氏变换的定义:-0()()e d st F s f t t +∞=⎰几种典型函数的拉氏变换1.单位阶跃函数1(t)2.单位斜坡函数3.等加速函数4.指数函数e -at5.正弦函数sin ωt6.余弦函数cos ωt7.单位脉冲函数(δ函数) 拉氏变换的基本法则 1.线性法则 2.微分法则 3.积分法则1()d ()f t t F s s ⎡⎤=⎣⎦⎰L4.终值定理()lim ()lim ()t s e e t sE s →∞→∞==5.位移定理00()e()sf t F s ττ--=⎡⎤⎣⎦Le ()()atf t F s a ⎡⎤=-⎣⎦L传递函数：线性定常系统在零初始条件下，输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比称为系统(或元部件)的传递函数。

完整版)自动控制原理知识点汇总自动控制原理总结第一章绪论在自动控制中，被控对象是要求实现自动控制的机器、设备或生产过程，而被控量则是表征被控对象工作状态的物理参量或状态参量，如转速、压力、温度、电压、位移等。

控制器是由控制元件组成的调节器或控制装置，它接受指令信号，并输出控制作用信号于被控对象。

给定值或指令信号r(t)是要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。

干扰信号n(t)又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。

反馈信号b(t)是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。

偏差信号e(t)是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。

闭环控制的主要优点是控制精度高，抗干扰能力强。

但是使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。

对控制系统的性能要求包括稳定性、快速性和准确性。

稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能，而准确性则是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。

第二章控制系统的数学模型拉氏变换是一种将时间域函数转换为复频域函数的数学工具。

单位阶跃函数1(t)、单位斜坡函数、等加速函数、指数函数e-at、正弦函数sinωt、余弦函数cosωt和单位脉冲函数(δ函数)都有其典型的拉氏变换。

拉氏变换的基本法则包括线性法则、微分法则、积分法则、终值定理和位移定理。

传递函数是线性定常系统在零初始条件下，输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比，称为系统或元部件的传递函数。

动态结构图及其等效变换包括串联变换法则、并联变换法则、反馈变换法则、比较点前移“加倒数”和比较点后移“加本身”，以及引出点前移“加本身”和引出点后移“加倒数”。

梅森公式是一种求解传递函数的方法，典型环节的传递函数包括比例(放大)环节、积分环节、惯性环节、一阶微分环节、振荡环节和二阶微分环节。

第三章时域分析法时域分析法是一种分析控制系统时域特性的方法。

其中，时域响应包括零状态响应和零输入响应。

自动控制原理电子教案第一章：绪论1.1 自动控制的概念介绍自动控制的定义和意义解释自动控制系统的组成和功能1.2 自动控制系统的分类介绍连续控制系统和离散控制系统的区别介绍开环控制系统和闭环控制系统的区别1.3 自动控制的发展历程介绍自动控制的发展历程和重要里程碑介绍自动控制在我国的发展状况第二章：自动控制系统的数学模型2.1 数学模型的概念介绍数学模型的定义和作用解释数学模型在自动控制系统中的应用2.2 连续系统的数学模型介绍连续系统的微分方程表示法介绍连续系统的传递函数表示法2.3 离散系统的数学模型介绍离散系统的差分方程表示法介绍离散系统的Z域表示法第三章：自动控制系统的稳定性分析3.1 稳定性概念介绍系统稳定性的定义和重要性解释稳定性的判定标准3.2 连续系统的稳定性分析介绍劳斯-赫尔维茨稳定性判据介绍尼科尔斯-李雅普诺夫稳定性判据3.3 离散系统的稳定性分析介绍离散系统的稳定性判定方法介绍离散系统的劳斯-赫尔维茨判据第四章：自动控制系统的控制器设计4.1 控制器设计概述介绍控制器设计的意义和目标解释控制器设计的基本方法4.2 连续系统的PID控制器设计介绍PID控制器的原理和结构介绍PID控制器的参数调整方法4.3 离散系统的控制器设计介绍离散PID控制器的设计方法介绍离散控制器的实现和优化方法第五章：自动控制系统的仿真与实验5.1 自动控制系统仿真概述介绍自动控制系统仿真的意义和目的解释仿真软件的选择和使用方法5.2 连续系统的仿真实验介绍连续系统的仿真实验方法和步骤分析实验结果和性能指标5.3 离散系统的仿真实验介绍离散系统的仿真实验方法和步骤分析实验结果和性能指标第六章：线性系统的状态空间分析6.1 状态空间的概念介绍状态空间及其在自动控制系统中的应用解释状态向量和状态方程的含义6.2 状态空间表示法介绍状态空间表示法的基本原理解释状态转移矩阵和系统矩阵的概念6.3 状态空间分析法介绍状态空间分析法在系统稳定性、可控性和可观测性方面的应用解释李雅普诺夫理论在状态空间分析中的应用第七章：非线性系统的分析与控制7.1 非线性系统概述介绍非线性系统的定义和特点解释非线性系统分析的重要性7.2 非线性系统的数学模型介绍非线性系统的常见数学模型解释非线性方程和方程组的求解方法7.3 非线性控制策略介绍非线性控制的基本策略和方法分析非线性控制系统的性能和稳定性第八章：现代控制理论及其应用8.1 现代控制理论概述介绍现代控制理论的定义和发展历程解释现代控制理论在自动控制系统中的应用8.2 鲁棒控制介绍鲁棒控制的定义和目标解释鲁棒控制在自动控制系统中的应用和优势8.3 自适应控制介绍自适应控制的定义和原理解释自适应控制在自动控制系统中的应用和效果第九章：自动控制系统的实现与优化9.1 系统实现概述介绍自动控制系统实现的意义和目标解释系统实现的方法和技术9.2 数字控制器的实现介绍数字控制器的实现方法和步骤解释数字控制器实现中的主要技术问题9.3 系统优化方法介绍系统优化方法的定义和目标解释系统优化方法在自动控制系统中的应用和效果第十章：自动控制技术的应用案例分析10.1 工业自动化控制系统案例分析工业自动化控制系统的组成和功能解释工业自动化控制系统在工业生产中的应用案例10.2 控制系统案例分析控制系统的组成和功能解释控制系统在现代工业和生活中的应用案例10.3 航空航天控制系统案例分析航空航天控制系统的组成和功能解释航空航天控制系统在航空航天领域的应用案例重点和难点解析重点环节1：自动控制的概念与系统组成自动控制系统的定义和功能是理解自动控制理论的基础，需要重点关注。

第一章绪论1.机械系统：以实现一定的机械运动、输出一定的机械能和承受一定的机械载荷为目的。

激励（输入）：外界与系统的作用，如作用力（载荷）。

分为控制输入和扰动输入。

响应（输出）：系统由于激励作用而产生的变形或位移。

2.机械工程控制论的研究对象和任务是什么？机械工程控制论实质上是研究机械工程中广义系统的动力学问题。

具体地说，是广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历程，研究系统与其输入、输出三者之间的动态关系。

从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械控制工程论的任务可以分为以下五个方面：（系统分析问题）已知系统和输入，求系统的输出。

（最优控制问题）已知系统和理想输出，设计输入。

（最优设计问题）已知输入和理想输出，设计系统（滤波与预测问题）已知输出，确定系统，以识别输入或输出中的有关信息。

（系统辨识问题）已知输入和输出，求系统的结构与参数。

3.控制系统的基本要求（稳、准、快）稳定性：动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。

稳定性是系统工作的首要条件。

准确性：在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差。

衡量系统工作性能的重要指标。

快速性：系统输出量与希望值之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。

控制的三要素：控制对象、控制目标、控制手段。

控制论的两个核心：信息和反馈需要解决的两大基本问题：控制系统的分析和控制系统的设计。

4.反馈：将系统的输出以一定的方式返回到系统的输入端并共同作用于系统的过程。

内反馈：系统或过程中存在的各种自然形成的反馈。

内反馈是造成机械系统存在动态特性的根本原因。

外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈。

正反馈：能使系统的绝对值增大的反馈。

负反馈：能使系统的绝对值减小的反馈。

5.自动控制的本质：闭环自动控制系统的工作过程就是一个“检测偏差并纠正偏差”的过程。

1900)西汉漏壶统观念和实践亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(5)中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年)7(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875论运动稳定性的一般问题”(1892设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(Great操江号(62mx10m), 392匹马力，600T排水，备炮9门The Pre-classical Period)(1900-1935)研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analyzer)(1928)V. BushH. S. Black14N.B. Nichols(1942)，提出Wiener一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。

N. WienerH. HazenC. E. Shannon(Sampled Data System)Lan美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method)L.S. Pontryagin(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960)(5)世界第一颗人造地球卫星Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space22 Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of the launch were not initially released.This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.23器人公司，Unimation(7)美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On theGeneral Theory of Control Systems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测R.E. Kalman1961, at the age of 27,Gagarin left the earth. Itwas April the 12th, 9.07Moscow time (launch-site, Baikonur). 108minutes later, he wasback . The period oforbital revolution was89:34 minutes (thisfigure was "calculated byelectronic computers").The missions maximumflight altitude was 327000 meters. Themaximum speedreached was 28 260kilometers per hour.宇宙哥伦布-加加林 A stampissued byRussia tomemorizeY. GagarinCapsule used in first manned orbit of earth In 1961, the first human to pilota spacecraft, Yuri Gagarin, waslaunched by the Soviet Union aboard Vostok I.C. Desoer27N.A. ArmstrongK. J. Astrom Approach(1974)。

第1章　绪　论1．图1-1是控制导弹发射架方位的电位器式随动系统原理图。

图中电位器并联后跨接到同一电源的两端，其滑臂分别与输入轴和输出轴相连接，以组成方位角的给定装置和反馈装置。

输入轴由手轮操纵；输出轴则由直流电动机经减速器后带动，电动机采用电枢控制方式工作。

试分析系统的工作原理，指出系统的被控对象、被控量和给定量，画出系统的框图。

图1-1导弹发射架方位角控制系统原理图解：当导弹发射架的方位角与输入轴方位角一致时，系统处于相对静止状态。

当摇动手轮使电位器的滑臂转过一个输入角的瞬间，由于输出轴的转角于是出现一个误差角该误差角通过电位器转换成偏差电压经放大后驱动电动机转动，在带动导弹发射架转动的同时，通过输出轴带动电位器的滑臂转过一定的角度直至时，偏差电压电动机停止转动。

这时，导弹发射架停留在相应的方位角上。

只要偏差就会产生调节作用，控制的结果是消除偏差使输出量严格地跟随输入量而变化．系统框图如图1-2所示．图1-2 导弹发射架方位控制系统框图系统中，导弹发射架是被控对象，发射架方位角是被控量，通过手轮输入的角度是给定量。

2．图1-3为数字计算机控制的机床刀具进给系统．要求将工件的加工编制成程序预先存人数字计算机，加工时，步进电机按照计算机给出的信息工作，完成加工任务。

试说明该系统的工作原理。

图1-3 机床刀具进给系统解：该系统是开环程序控制系统，被控对象为刀具，被控量为刀具位置，给定量是程序设定的刀具位置。

计算机按编制的程序调节输出脉冲频率，通过脉冲分配与功率放大装置控制步进电机的转动，从而带动刀具按预定的轨迹进刀，完成加工任务。

3．试列举几个日常生活中的开环和闭环控制系统的例子，并说明其工作原理。

解：（1）开环控制——半自动、全自动洗衣机的洗衣过程。

工作原理：被控制量为衣服的干净度。

洗衣人先观察衣服的脏污程度，根据自己的经验，设定洗涤、漂洗时间，洗衣机按照设定程序完成洗涤漂洗任务。

系统输出量（即衣服的干净度）的信息没有通过任何装置反馈到输入端，对系统的控制不起作用，因此为开环控制。