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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自动控制理论
1.控制：使受控对象按照一定的规律来运动。
2.反馈：就是指将输出信号部分或全部返回输入端，并与输入信号进行比较的过程。
3.控制的本质：“检测偏差，纠正偏差的过程”4.自动控制：指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数，自动的按照预定的规律运行。
5.一个自动控制系统至少包括测量、变送元件，控制器等组成的自动控制装置和受控对象。
6. 开环控制：系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响7.系统输出和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生直接影响，这种系统称为闭环控制系统8.开环控制和闭环控制的比较：开环控制：的一个特点是结构简单、成本低。
然而这类控制系没有纠差能力，比如电动机负载变化时，转速也将变化。
闭环控制：利用反馈来减小偏差。
其优点是精度高，不管什么原因引起被控量偏离给定值时，都会通过反馈作用减小这一偏差。
但缺点是结构较复杂、成本较高。
9.恒值控制系统:控制系统的输入量是一个恒定值，在整个运行过程中不会改变（可定期校准或更改输入量）。
10.随动控制系统:系统的控制量不是常数，而是事先难于确定的随机变化量，要求系统能排除各种干扰因素，控制被控量迅速平稳地复现和跟踪输入信号的变化。
11：程序控制系统：被控量的给定值是一个已知的时间函数，控制的目的是要求被控量按确定的给定值的时间函数来改变12：连续时间系统：指控制系统中的所有信号在时间域为连续的控制系统。
离散时间控制系统。
13．性能要求：:稳定性：一个自动控制系统最基本的要求是系统必须是稳定的，不稳定的控制系统是不能工作的。
快速性：控制过程进行的越快越好，但要顾及误差。
准确性：要求动态误差和稳态误差越小越好。
当与快速性有矛盾时，应兼顾两方面的要求。
14.描述系统输入、输出变量及内部各变量之间相互关系的数学表达式，称为系统数学模型。
描述变量之间关系的代数方程叫静态模型；反映变量各阶导数之间关系的数学模型叫动态数学模型。
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。
自动控制理论概述
系统，这种系统的任务是在各种情况下保证系统的输出以一定的精度跟 随参考输入的变化而变化，所以这种系统又称为跟踪系统。 程序控制系统
若系统给定值（参考输入）随时间变化并具有一定的规律，并且是 实现给定的时间函数，这种控制系统称为程序控制系统。也可以说。程 序控制系统是随动控制系统的一种特殊情况。
由系统上述工作过程可知，系统通过反馈电位器不断地对输出量进行检 测并返回输入端与输入量进行比较，得出偏差信号，再利用所得的偏差信号 控制系统运动，以便随时消除偏差。从而实现了工作台位置按指令电位器给 定位置变化的运动目的。
第一章 自动控制的基本概念
1.5 自动控制系统举例
自动调速系统
图1－8所示为自动调速系统原理图。由图可以明确：控制系统的 任务是保持工作机械恒转速运行。
在研究自动控制系统的工作原理时，为更清楚地表示系统的结构和 组成，说明各元件间信号传递的因果关系，分析系统时常采用方框图表 示。
图1-1 自动控制系统方框图
第一章 自动控制的基本概念
1.4 自动控制系统的分类
开环控制系统和闭环控制系统
开环控制 如果控制装置
与被控对象之间只 有顺向作用而没有 反向联系的控制过 程，称这种控制方 式为开环控制，相 应的系统为开环控 制系统。图1-2为一 个开环控制系统。
发散
第一章 自动控制的基本概念
1.6 自动控制系统的基本要求
一个高质量的自动控制系统在其整控制过程中，被控量 和给定量之间的偏差应该越小越好。
工程上，常常从稳定性、快速性、准确性三个方面来评价自动 控制系统的总体控制性能。
稳定性 指控制系统动态过程的振荡倾向和重新恢复平衡工作状态的 能力，是评价系统能否正常工作的重要性能指标。
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。
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）
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。
自动控制理论课件(PPT 31张)
电气与自动化工程学院
研究生专业外语
Science Citation Index
科学引文索引
Eugene Garfield 尤金· 加菲得 “SCI之父”
Science, 122(3159), p.108-11, July 1955.
电气与自动化工程学院
12
研究生专业外语
引文
在文献甲中提到或描述了文献乙，并以文后参考 书目或脚注的形式列出了文献乙的出处，其目的在于 指出信息的来源、提供某一观点的依据、借鉴陈述某 一事件（实）等。这时，便称文献乙为文献甲的引文， 称文献甲为文献乙的引证文献。引文通常也称为被引 文献或参考文献，引证文献通常也称为来源文献。
xt ( ) e ut ( ) K K K K e ( t ) e I I ( t ) e
式中
8
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研究生专业外语
作业：某系统的状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵为
0.009 0.265 0 9 .8 0 6 .8 0e5 .67e4 0.91 1 0 6 .70e6 8 5 .96e4 5 .02 1 .1 0 0 4 .47e6 A 0 0 1 0 0 0 150 0 150 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 .0 4 6 4 2 .2 4 1 1 B= 0 0 0 6 .2 3 8 5 e 6 2 .5 2 3 0 e 9 1.0 3 5 1 e 9 0 0 0
基于LQR的跟踪控制问题
前述LQR为状态调节器问题，主要实现状态调节， 利用LQR方法实现对参考输入的跟踪控制。
基本思路：将跟踪控制问题转换为状态调节器问题。
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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
非线性系统
设单输入单输出线性定常系统
例：枢控直流电动机调速系统
输入量u r 输出量ω(n)
建立数学模型：由局部（元件）→系统
传递函数结构图的组成：信号线(变量)，函数方框图，综合点，分支点
传递函数结构图：子方框图
系统结构图既保留子系统的原貌，又反映系统的结构
典型环节的传递函数
非线性环节的处理
结构图的变换和简化：(按代数运算规则，原则：保持变换前后输入输出关系不变)
3,负反馈
4，节点移动
例：求传递函数试探：从输入到输出，先元件后联出系统
例：求传递函数
例：求传递函数
闭环控制系统的基本结构
第二章数学模型2.2 信号流图及Mason公式
由方框图到信号流图，有些中间变量可以不表示出来，如I1。
有些中间变量（位于综合点前，有输出）必须表示出来，如E i和E，用单位增益支路将它们分开。
•G ——从输入节点到输出节点的总增益（系统传递函数）•Δ= 1 －ΣL i + ΣL a L b - ΣLαLβLγ +…
L i——一个回路的总增益
L a L b ——两两互不接触的回路的总增益
LαLβLγ——三个互不接触的回路的总增益
•G k——从输入到输出第k条通道的总增益
•Δk——Δ中去掉与第k条通道接触的部分
回路——沿信号方向每一个节点只通过一次的闭路。
通道——从输入到输出沿信号方向每个节点只通过一次的通道。
接触——指有公共的节点和支路。
be, cf回路, becf 不是回路
abcd是通道，aecd 和abecd不是
例1
例2：
第三章控制系统的稳定性分析
基本要求：熟悉自动控制系统的稳定性概念，理解Routh稳定判据、Nyquist稳定判据和Lyapunov稳定判据，利用这些稳定判据能够熟练地分析自动控制系统的稳定性。
第三章控制系统的稳定性分析
3.1系统的稳定性
1，渐近稳定：
第三章控制系统的稳定性分析
3.2 Lyapunov稳定判据
1，Lyapunov第一方法——间接法
非线性系统线性化
特征值判据：
（1）特征值全部实部系统渐近稳定
（2）特征值只要有一个正根系统不稳定
（3）特征值只要有一个实部为零的根线性化失败
2，Lyapunov第一方法——直接法
用能量的观点分析系统的稳定性
3,Lyapunov直接法用于线性定常系统
第三章控制系统的稳定性分析
3.3 Routh稳定判据
根据特征方程的系数判断特征根是否为负实部
而不需要解微分方程。
虚轴和右半平面视为不稳定。
2, Routh某一行全为零
Routh判据的应用
第三章控制系统的稳定性分析
3.4 Nyquist稳定判据
（1）作图分析，计算量小，信息量大。
（2）不但判稳定，也能给出稳定裕量。
（3）可以用实验手段得到频率特性。
小结：积分环节数r = 1 在无穷远处顺时针绕行r = 2 在无穷远处顺时针绕行
r = 3 在无穷远处顺时针绕行
第五章系统的校正和控制器设计
基本要求：熟悉自动控制系统的校正方式，理解无源校正网络的组成、特性和作用，掌握基于根轨迹法设计串联滞后校正网络和超前（领先）校正网络，重点掌握基于频域法设计串联滞后校正网络、超前（领先）校正网络和滞后-超前校正网络。
第五章系统的校正和控制器的设计
5.1 控制系统的校正方式5.1.1无源校正网络
第五章系统的校正和控制器的设计
5.2 控制系统的根轨迹校正法
5.2.1无源校正网络
第五章系统的校正和控制器的设计5.3 输出反馈的对数频率特性校正。