自动控制理论一
自动控制理论
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电气与新能源学院
2019/12/16
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第一章第一章绪论绪论第二章第二章控制系统的数学模型控制系统的数学模型第三章第三章控制系统的时域分析控制系统的时域分析第四章第四章根轨迹法根轨迹法第五章第五章频率分析法频率分析法第六章第六章控制系统的综合校正控制系统的综合校正第七章第七章pidpid控制与鲁棒控制控制与鲁棒控制第八章第八章离散控制系统离散控制系统第九章第九章状态空间分析法状态空间分析法444电气与新能源学院首页上页下页201920192019121212303030教材及参考书1自动控制理论邹伯敏主编机械出版社2自动控制原理蒋大明著华南理工大学出版社1992年版5自动控制原理梅晓榕主编科学出版社6自动控制理论文锋编著中国电力出版社1998年版555电气与新能源学院首页上页下页201920192019121212303030考核方式
动 统和状态空间分析等。
控
制
具体来说，包括以下几个章节：
理
论 第一章 绪论
第二章 控制系统的数学模型
第三章 控制系统的时域分析
第四章 根轨迹法
第五章 频率分析法
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上页 第六章 控制系统的综合校正
下页 第七章 PID控制与鲁棒控制
末页
结束 第八章 离散控制系统
第九章 状态空间分析法
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自动控制原理课件1
一、开环控制系统、闭环控制系统和复合控制 系统
（一）开环控制系统 例
概念: 如果控制系统的输出量对系统没有 控制作用,这种系统称为开环控制系统.
输入 控制器
被控对象
输出
一、开环控制系统和闭环控制系统 举例：炉温控制系统
uc
特点：
本系统的输入量是自耦变压器的输出电压uc，输 出量是电阻炉的输出温度T； u唯一对应T；
§1-1 控制理论的发展历程
3、本课程与相关课程的关系 现制 代理 控论
过制 程系 控统
后续课程
各业 其 类课 它 专程
自动控制原理 先修课程 大 学 物 理 微 积 分 积 分 变 换 复 变 函 数 电 子 技 术 电 路 理 论 电 机 拖 动
§1-1 控制理论的发展历程
4、课程的理论体系
给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 执行 机构
§1-2 控制系统的基本概念 （三）关于传递方框图的几点说明
执行机构 直接作用于控制对象（调节机构、传 动装置、电机）
给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 执行 机构 被控 对象
§1-2 控制系统的基本概念 （三）关于传递方框图的几点说明
§1-2 控制系统的基本概念 举例: 液位自动控制系统
手臂,手
+
大 脑
M
—
目标液位
放大器
§1-2 控制系统的基本概念 一、基本术语 自动控制：在没有人的直接干预下，利用物理
装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使 被控制的物理量保持恒定或按一定的规律变化。
如液位，炉温，轧辊辊速，带钢张力等控制。
古代
在二次世界大战期间，由于军事上 的需要，雷达和火力控制系统有了 较大的发展，N.Winner在总结前 人成果的基础上发表了《控制论》 一书，标志着控制理论学科的诞生。
自动控制理论_哈尔滨工业大学_1 第1章自动控制理论概述_(1.2.1) 1.2开环控制和闭环控制
一、开环控制系统
例：烤面包机
输入—定时器设定的时间 输出—面包的颜色 控制对象—烤箱的加热系统
输入量
控制器
控制量
输出量
被控对象
• 控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。 • 输出量对控制量没有影响。
一、开环控制系统
例：直流电动机转速开环控制系统
一、开环控制系统
开环控制系统的特点：
对于惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变 得很差，甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。
三、自动控制系统的概念
反馈：
将检测出来的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
负反馈（反馈信号与输入信号相减），减小偏差。 正反馈（反馈信号与输入信号相加），增大偏差。
对于主反馈必须采用负反馈。
1. 结构简单、造价低、容易设计调整。
2. 没有抗干扰的能力，因此精度较低。
3. 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及被控对 象参数的稳定性。
应用场合：
1. 控制量的变化规律可以预知。 2. 可能出现的干扰可以抑制。 3. 被控量很难测量。 应用较为广泛，如家电、加热炉、水泵等等。
二、闭环控制系统
二、闭环控制系统
阀门 进水
减速器 电动机
电位器
连 杆
放大 器
浮子 水池
较完善的水位自动控制系统
实际 水位
出 水
采用误差累积式控制（积分）保证精确的水位
二、闭环控制系统
闭环控制系统定义： 通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控
制作用，以求减小或消除偏差的控制系统。
闭环控制系统的特点： 1. 对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不敏感。 2. 由于采用反馈装置，导致设备增多，系统设计调整复杂。 3. 精度较高，很大程度上由反馈测量元件精度决定。 4. 闭环系统存在稳定性问题。
自动控制理论
1、什么是自动控制？自动控制就是应用控制装置自动的、有目的地控制或调解机器设备或生产过程，使之按照人们规定的或者是希望的性能指标运行。
2、参数值（给定值输入）：电动机转速就有一定值，故电位器的变化3、自动控制系统：电动机转速变化的测速发电机电压的发至输入端与电位器电压进行比较，两者的差值（又称偏差信号）控制功率放大器（控制器），控制器的输出控制电动机的转速。
4、扰动：当电源变化、负载变化等将引起转速变化，也称受控对象。
5、人工控制系统：当发现电动机转速高于给定值时，马上调节电位器的动点，使电动机的电枢电压减少，降低转速，使之恢复到给定值。
6、开环控制系统：一个系统，如果在其控制器的输入信号中不包括含受控对象输出端的被控量的反馈信号。
7、开环控制系统：一个系统，如果在其控制器的输入信号中包括含受控对象输出端的被控量的反馈信号。
8、多回路反馈控制系统：一个复杂的控制系统（实际生产过程往往是很复杂的，因而构成的控制系统也往往是很复杂的）也可能有多个反馈信号（除被控量的反馈信号外，还有其他的反馈信号），组成多个闭合回路。
9、恒值控制系统：的任务是保持被控量恒定不变，也即是被控量在控制过程结束在一个新的稳定状态时，被控量等于给定值。
（发电机电压控制，电动机转速控制，电力网的频率（周波））10、随动控制系统（随动系统）：他是被控量的给定值随时间任意变化的控制系统，随动控制系统的任务是在各种情况下使被控量跟踪给定值的变化。
（运动目标的自动跟踪、跟踪卫星的雷达天线控制系统，工业控制中的位置控制系统，工业自动化仪表中的现实记录等）11、控制系统的性能要求：稳定性、快速性、准确性12、建立系统微分方程步骤：1. 确定系统输入量(给定量和扰动量) 与输出量(被控制量, 也称系统响应2. 列写系统各部分3. 消去中间变量,求出系统的微分方程 4. 将微分方程整理成标准形式。
13、顺馈控制：按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出的影响。
自动控制理论第一、二章练习题
⾃动控制理论第⼀、⼆章练习题《⾃动控制理论》（⼆）第⼆章测试题⼀、选择题1、⽅框图化简时，并联连接⽅框总的输出量为各⽅框输出量的（） A ．乘积 B ．代数和 C ．加权平均 D ．平均值2、决定系统传递函数的是系统的（） A ．结构 B ．参数 C ．输⼊信号 D ．结构和参数3、终值定理的数学表达式为（） A ．)(lim )(lim )(0s X t x x s t →∞→==∞B ．)(lim )(lim )(s X t x x s t ∞→∞→==∞C ．)(lim )(lim )(0s sX t x x x t ∞→→==∞D ．)(lim )(lim )(0s sX t x x s t →∞→==∞4、梅森公式为（） A ．∑=?nk k k p 1B ．∑=??nk k k p 11C ．∑=?nk k11D ．∑?kkp 15、斜坡输⼊函数r(t)的定义是（）A ．t t r =)(B ．)(1·)(0t x t r =C ．2)(at t r =D ．vt t r =)(6、单位抛物线输⼊函数 r(t) 的数学表达式是 r(t) ＝（） A ． at 2 B ． Rt 2 C ．1/2t 2 D ． t 27、单位阶跃函数的拉⽒变换是（） A ． B ． C ．1/sD ． 18、⽐例微分控制器中，微分时间常数越⼤，则系统的（）A ．动态偏差越⼩B ．动态偏差越⼤C ．振荡越⼩D ．过渡过程缩短 9、同⼀系统，不同输⼊信号和输出信号之间传递函数的特征⽅程（） A ．相同 B ．不同 C ．不存在 D ．不定 10、控制系统中 , 基本环节的划分，是根据（） A ．元件或设备的形式 B ．系统的物理结构 C ．环节的连接⽅式D ．环节的数学模型11、单位斜坡函数 r(t) 的数学表达式是 r(t)= （） A ． a 2t B ． t 2 C ． t D ． vt12、若受控对象存在较⼤的延迟和惯性，效果较好的控制⽅式是（）A ．⽐例控制B ．积分控制C ．⽐例微分控制D ．⽐例积分控制13、 PI 控制器的传递函数形式是 ( ) A ． 5+3s B ． 5+4s2 C ．D ．14、决定系统静态性能和动态性能的是系统传递函数的 ( )A ．零点和极点B ．零点和传递系数C ．极点和传递系数D ．零点、极点和传递系数15、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 ( ) A ．代数⽅程 B ．特征⽅程 C ．差分⽅程D ．状态⽅程16、研究⾃动控制系统时常⽤的典型输⼊信号是（）A ．脉冲函数B ．斜坡函数C ．抛物线函数D ．阶跃函数17、PID 控制器的传递函数形式是（）A ．5+3sB ．5+3s 1C ．5+3s+3s 1D ．5+1s 118、拉⽒变换将时间函数变换成（） A ．正弦函数B ．单位阶跃函数C ．单位脉冲函数D ．复变函数19、线性定常系统的传递函数，是在零初始条件下（） A ．系统输出信号与输⼊信号之⽐ B ．系统输⼊信号与输出信号之⽐C ．系统输⼊信号的拉⽒变换与输出信号的拉⽒变换之⽐D ．系统输出信号的拉⽒变换与输⼊信号的拉⽒变换之⽐ 20、PID 控制器中，积分控制的作⽤是（） A ．克服对象的延迟和惯性 B ．能使控制过程为⽆差控制 C ．减少控制过程的动态偏差D ．使过程较快达到稳定21、PD 控制规律指的是( )。
自动控制理论
⾃动控制理论第⼀章⾃动控制系统概述1、组成⾃动控制系统的基本元件或装置有哪些？各环节的作⽤？控制系统是由控制对象和控制装置组成，控制装置包括：(1) 给定环节给出与期望的输出相对应的系统输⼊量。
(2) 测量变送环节⽤来检测被控量的实际值，测量变送环节⼀般也称为反馈环节。
(3) ⽐较环节其作⽤是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给出的输⼊值进⾏⽐较，求出它们之间的偏差。
(4) 放⼤变换环节将⽐较微弱的偏差信号加以放⼤，以⾜够的功率来推动执⾏机构或被控对象。
(5) 执⾏环节直接推动被控对象，使其被控量发⽣变化。
常见的执⾏元件有阀门，伺服电动机等。
2、什么是被控对象、被控量、控制量、给定量、⼲扰量？举例说明。
被控对象指需要给以控制的机器、设备或⽣产过程。
被控量指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量，被控量⼜称输出量、输出信号。
控制量也称操纵量，是⼀种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值。
给定值是作⽤于⾃动控制系统的输⼊端并作为控制依据的物理量。
给定值⼜称输⼊信号、输⼊指令、参考输⼊。
除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是⼲扰，⼲扰⼜称扰动。
⽐如⼀个⽔箱液位控制系统，其控制对象为⽔箱，被控量为⽔箱的⽔位，给定量是⽔箱的期望⽔位。
3、⾃动控制系统的控制⽅式有哪些？⾃动控制系统的控制⽅式有开环控制、闭环控制与复合控制。
4、什么是闭环控制、复合控制？与开环控制有什么不同？若系统的输出量不返送到系统的输⼊端（只有输⼊到输出的前向通道），则称这类系统为开环控制系统。
在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作⽤，若能取⾃被控量的反馈信息（有输出到输⼊的反馈通道），即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，这种控制原理被称为反馈控制原理。
复合控制是闭环控制和开环控制相结合的⼀种⽅式，既有前馈通道，⼜有反馈通道。
5、⾃动控制系统的分类（按元件特性分、按输⼊信号的变化规律、按系统传输信号的性质）？按系统输⼊信号的时间特性进⾏分类，可分为恒值控制系统和随动系统。
自动控制理论第版邹伯敏 共53页
系统开环频率特性与系统性能指标密切相关，一般 可以将校正问题归纳为三类： 1、如果系统稳定且有较满意的暂态响应，但稳态
误差太大，这就必须增加低频段的增益来减小 稳态误差，同时保持中、高频特性不变； 2、如系统稳定且有较满意的误差，但其动态性能 较差，则应改变系统的中频段和高频段，以改 变系统的截止频率和相角裕度； 3、如果一个系统的稳态和动态性能均不能令人满 意，就必须增加低频增益，并改变中频段和高 频段。
自动控制理论
第六章
控制系统的校正
1
第一节 引 言
一、基本概念 1、系统校正
被控对象确定后，根据要求的控制目标，对
控制器的进行设计的过程叫作系统校正。
R
Gc
Y 对 象
2
2、控制目标——性能指标
时域调 超节 调时 量M间 pts% 性能指标 稳态误差 ess
频域谐 稳振 定峰 裕值 度 M，r,频 h，率幅带值宽 穿 b 越频率 c
40 30 20 10
m
m 增加不多。
m
tan1
2
1
0
10-2
10-1
ωm
100
101
14
三、超前校正环节的设计原理
频率法对系统进行校正的基本思路是：通过所 加校正装置，改变系统开环频率特性的形状，使校 正后系统的开环频率特性具有如下特点： 低频段：用以满足稳态精度的要求；
中频段：幅频特性的斜率为-20dB/dec,并具有较宽的 频带，这一要求是为了系统具有满意的动态性能；
0 10-2
10-1
ωm
1
G
c(s)
1 Ts 1 TsT s 1 1
s 2 1
第一章 自动控制理论概述
第一章 自动控制基本概念
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4 引言 自动控制的基本概念 自动控制系统的组成和分类 自动控制系统的基本要求
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
本章重点
1. 自动控制的含义； 自动控制的含义； 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。 控制系统的组成和分类和特点。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
• 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等 各个领域中起着重要的作用！ • 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医 学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。 • 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。
• 《自动控制理论》是自动控制技术的基础理论，是 一门理论性较强的工程科学。 现代的工程技术人员和科学工作者， 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备 一定的自动控制理论基础知识！ 一定的自动控制理论基础知识！
输入r(t) 输出c(t) 实际 1 2 1 0 t 0 t 控制工程基础 理想的 调节过程
本章难点
1. 深刻理解反馈的概念和思想； 深刻理解反馈的概念和思想； 2. 确定控制系统的被控对象、被控量、给定量 确定控制系统的被控对象、被控量、 等等，绘制方块图， 等等，绘制方块图，分析实际控制系统的基 本原理。 本原理。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
§1－1 引言 －
以系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 为代表的科学方法论 是一门新兴的学科， 是一门新兴的学科，为人类认识世界和改造世界提 供了强有力的武器。 供了强有力的武器。 关于控制论的几种说法 说法一： 控制论”是关于机器的理论。 说法一：“控制论”是关于机器的理论。 说法二： 控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法三： 控制论”是类似于数学的一门学科。 说法三：“控制论”是类似于数学的一门学科。 说法四： 控制论” 说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通 信的科学。（维纳定义） 。（维纳定义 信的科学。（维纳定义）
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华北电力大学（保定）
2018年硕士研究生入学考试初试学校自命题科目考试大纲
（招生代码：10079）
《819自动控制理论一》
一、考试范围：
1、自动控制、自动控制系统的一般概念，自动控制系统的分类；
2、数学模型的基本概念、简单建模方法，数学模型的求取；
3、时域分析法中控制系统的稳定性分析，稳态误差计算，二阶系统暂态响应（欠阻尼情况下）指标的计算；
4、一般和零度根轨迹的绘制规则，参数根轨迹绘制，系统性能分析；
5、频率特性的基本概念，开环频率特性曲线的绘制，最小相位系统开环传递函数与BODE曲线关系，系统性能分析、稳态及动态性能指标计算；
6、控制系统校正的实质、校正装置的构成及其特性；
7、非线性系统负倒描述函数曲线、相平面图的绘制，两种方法的使用条件，并会进行分析；
8、采样控制系统的基本概念，采样控制系统数学模型的表示方法，采样系统的稳定性、稳态性能、动态性能分析；
9、状态变量、状态方程、输出方程的意义，状态空间表达式的建立及相互转换，系统状态方程的求解方法；
10、能控性、能观性的含义，系统能控性、能观性的判别，能控性与能观性的对偶关系；
11、李亚普诺夫意义下稳定性、渐近稳定等定义，李亚普诺夫稳定性分析方法；
12、状态反馈、输出反馈的含义，系统镇定问题及带状态观测器的状态反馈系统设计问题，状态观测器概念、存在条件以及状态（降维）观测器的实现。
二、考查重点：
1、控制系统的基本概念；
2、线性连续、离散控制系统数学模型的求取；
3、根轨迹的绘制；
4、开环频率特性（Nyquist和Bode）曲线的绘制；
5、线性连续控制系统的稳定性分析方法、稳态性能及动态时域和频域性能指标的计算；
6、非线性系统的分析方法；
7、线性离散控制系统的稳定性、稳态性能和动态性能指标的计算；
8、线性连续系统的能控性和能观性分析、标准型的求取及分解；
9、线性连续系统的极点配置及状态观测器的构置；
10、李亚普诺夫稳定性分析方法；
11、线性连续控制系统的设计与校正。
三、是否需携带计算器（是或否）：是
《820自动控制理论二》
一、考试内容范围：
1、自动控制系统的一般概念，自动控制系统的分类，自动控制系统的品质指标（时域指标和频域指标）。
2、传递函数模型、频率特性函数模、脉冲（Z）传递函数模型的概念；建模方法；各种数学模型的求取；数学模型之间的转换。
3、时域分析法中控制系统的稳定性分析，稳态误差计算，二阶系统暂态响应（欠阻尼情况下）指标的计算。
4、下面两个内容任选其一即可：（1）频率特性的基本概念，并能应用它们进行系统性能分析与设计。
（2）控制系统的数值解（数字仿真）；系统参数优化方法；利用数字仿真和参数优化方法对控制系统进行分析与设计。
5、控制系统校正的实质、校正装置的构成及其特性，以及校正装置的设计方法。
6、采样控制系统的基本概念，采样控制系统数学模型的表示及其求取方法；采样控制系统的分析。
7、状态变量、状态方程、输出方程的意义，状态空间表达式的建立及相互转换，系统状态方程的数值解；可控、可观性概念及其分析方法；状态反馈及输出反馈控制的概念及其控制器的设计。
二、考查重点：
1、控制系统的基本概念；时域和频域动态性能指标的计算，及其它们之间的关系。
2、线性连续、离散时间控制系统数学模型的求取，及其模型之间的转换。
3、典型二阶系统分析。
4、校正装置特性，及其应用方法。
5、线性连续、离散时间控制系统的分析与设计（下面的两种方法任选一种即可）：
5.1 开环频率特性（Nyquist）曲线的绘制；利用频率特性对系统进行分析与设计。
5.2 控制系统的数值解（数字仿真）；系统参数优化方法；利用数字仿真和参数优化方法对控制系统进行分析与设计。
6、方框图与状态方程之间的转换；可控、可观性分析；状态方程的数值解。
7、极点配置设计。
三、是否需携带计算器（是或否）：是。