《自动控制原理及应用》
自动控制原理及其应用
自动控制原理及其应用自动控制原理指的是利用传感器和执行器等硬件设备，通过计算机或者类似的控制器来实现对各种设备、系统或过程的自动化监测、调节和控制。
自动控制原理主要包括传感器、控制器和执行器三个部分。
传感器用于将被控制对象的物理量或者状态转变为电信号，以便于控制器的接收和处理；控制器则根据传感器提供的信息，运用特定的控制算法对信号进行处理和判断，产生相应的控制输出信号；执行器则将控制器输出的信号转变为能够直接作用于被控制对象的物理量或者状态，实现对被控制对象的控制。
自动控制原理的应用非常广泛。
其中一个典型的应用是工业自动化控制系统，它可以用于自动化生产线的控制、机械设备的自动化操作，以及监控与调度系统的管理。
工业自动化控制系统可以大幅提高生产效率和产品质量，降低劳动强度和运营成本。
另外，自动控制原理还被广泛应用于交通运输系统中，包括智能交通系统、自动驾驶技术等。
通过利用传感器、控制器和执行器等设备，可以实现对交通流量、红绿灯、车辆速度等的智能调控，提高交通运输系统的效率和安全性。
相应地，自动控制原理也应用于家庭生活，比如智能家居系统。
智能家居系统通过传感器检测家庭中的温度、湿度、光线等环境参数，并通过控制器控制家电设备的开关，实现温度调节、照明控制、电器开关等功能。
智能家居系统带给人们更加智能、舒适和便捷的生活体验。
此外，医疗设备中也广泛应用了自动控制原理。
例如，心脏起搏器通过监测患者的心脏电信号，利用控制器产生适当的刺激信号，通过执行器对患者的心脏进行控制，起到维持心脏正常工作的作用。
另外，医疗监测仪器、手术机器人等也是基于自动控制原理运作的。
随着人工智能和大数据的发展，自动控制原理在各个领域都有更加广阔的应用前景。
比如智能制造领域的自动化生产线、智慧城市领域的城市管理系统、智能农业领域的农业自动化系统等。
这些都是在不同领域中通过传感器、控制器和执行器等自动化设备实现对各种设备、系统或过程的智能化监测、调节和控制，提高生产效率、资源利用效率和生活质量。
自动控制原理及其应用
自动控制原理及其应用自动控制原理及其应用自动控制原理是一种对目标系统进行自动控制的系统工程，其背后基于多种学科知识，包括数学、物理、电子、信号处理等领域。
自动控制原理的应用范围非常广泛，涵盖了工业生产、交通运输、医疗卫生、农业等各个领域，极大地提高了生产效率和品质稳定性。
一、自动控制原理1. 什么是自动控制原理？自动控制原理是通过对目标系统进行监测、分析和反馈等技术手段实现自动控制的原理。
它基于稳定性、灵敏度和稳定精度等考虑因素，通过控制器对目标系统产生影响，以实现期望的控制目标。
2. 自动控制原理的基本流程（1）传感器测量物理量（2）信号调理（3）目标系统建模（4）设计控制器（5）进行系统仿真（6）实际应用3. 自动控制原理的主要方法（1）经典控制方法：包括比例控制、积分控制、微分控制等方法，这些方法的基础是负反馈控制，早期应用广泛。
（2）现代控制方法：包括预测控制、模糊控制、神经网络控制等方法，这些方法主要是依靠计算机实现，能够应对变化多端的控制系统。
（3）优化控制方法：包括模型预测控制、反馈线性化控制、自适应控制等方法，这些方法在对系统各种变量进行优化的同时，能够有效地提高控制精度。
4. 自动控制原理的应用（1）工业制造领域：自动化控制技术在工业制造领域非常常见，它可以对生产线进行智能控制，提高制造效率和品质。
（2）交通运输领域：自动驾驶技术、智能交通灯等都是基于自动控制技术实现的，它们能够提高交通的安全性和效率，减少交通堵塞。
（3）医疗卫生领域：自动控制技术在医疗卫生领域主要应用于生命支持系统等，能够对患者进行监测，提高救治效率和准确性。
（4）农业领域：自动控制技术在农业领域主要应用于农业机械自动化，能够提高生产效率，减少人力成本。
二、自动控制应用案例1. 工业生产领域生产线自动控制系统是一个很好的例子，通过对产品生产流程进行智能控制，能够提高生产效率和品质。
比如，在食品加工过程中，可以通过自动控制系统对产品的温度、湿度、酸碱度等多种参数进行监测和调控，以保证生产出符合质量标准的产品。
自动控制原理及应用
自主智能
人工智能的应用将赋予自动控制系统更高级别的自主 智能，使系统能够根据环境变化和任务需求，自主地 调整参数和控制策略，实现更高级别的自动化。
展望
技术发展趋势
未来应用场景
分析了自动控制技术的发展趋势，如智能 化、网络化、微型化等。
探讨了自动控制在未来可能的应用场景， 如智能家居、无人驾驶、智能制造等。
学科交叉融合
人才培养与教育
强调了自动控制与其他学科的交叉融合， 如计算机科学、数学、电子工程等。
提出了自动控制领域人才培养与教育的建 议，包括加强基础理论教育、注重实践能 力的培养等。
绿色能源与自动控制
节能减排
随着环保意识的提高，绿色能源将成为未来发展的重要方向。在自动控制领域， 通过采用先进的控制策略和技术手段，实现对能源的高效利用和回收再利用，降 低能源消耗和排放，实现节能减排的目标。
新能源控制
随着新能源技术的不断发展，自动控制系统将需要适应新能源的需求和控制要求 。例如在风能和太阳能领域，通过采用先进的控制算法和技术手段，实现对新能 源的高效利用和优化控制，提高新能源的可靠性和稳定性。
、灌装机、气动门等。
电力控制系统
总结词
电力控制系统是自动控制原理在电力系统的应用，其实 现方式主要包括电力电子器件、控制器和执行器。
详细描述
电力控制系统是通过电力电子器件对电能进行控制和转 换，如整流器、逆变器、斩波器等，实现对电能的控制 和调节。电力控制系统在电力系统中的应用非常广泛， 如电力系统的稳定控制、电力质量的改善、新能源发电 的控制等。同时，电力控制系统也在家用电器、电动车 等领域有广泛的应用。
自动控制原理及应用
机器人技术
随着机器人技术的不断发展，智能控 制在机器人领域的应用将不断扩大。 未来的研究将集中在如何提高机器人 的自主性、适应性、精度和安全性等 方面。
控制系统的发展趋势与研究方向
发展趋势
控制系统正在朝着智能化、网络化、鲁棒 化、自适应和节能等方向发展。例如，控 制系统中的通信和网络技术已经成为研究 的热点，对于实现分布式控制和远程控制 具有重要意义。
基于频率域的稳定性判据，利用系统开环频率响应函数来判断闭环系统的稳定性，适用于高阶系统。
李雅普诺夫稳定性判据
基于时间域的稳定性判据，通过分析系统状态方程的特征根位置来判断系统的稳定性，适用于非线性系统和时变系统。
动态性能分析
动态响应性能
主要关注系统对输入信号的响应速度和调整 时间，通常用阶跃响应和脉冲响应来描述。
频率响应法
01
基本概念
频率响应法是一种基于系统频率特性 来设计控制系统的图解方法。通过绘 制频率响应曲线，可以分析系统的稳 定性和性能，并进行系统设计。
02
应用场景
频率响应法适用于线性时不变系统的 设计和分析，尤其适用于机械、电力 、流体等系统的控制设计。
03
优缺点
频率响应法能够完整地描述系统的频 率特性，适用于多种系统。但是，其 图示较为复杂，需要一定的技术水平 才能掌握。
阻尼比与振荡频率
影响系统的动态性能，通过调整阻尼比和振 荡频率，可以优化系统的动态响应性能。
稳态性能分析
误差与精度等级
稳态性能主要关注系统的误差和精度等级，即系统输出信号与期望信号之间 的差异程度。
控制精度与稳定裕度
控制精度与系统的开环和闭环性能有关，而稳定裕度则反映了系统的稳定储 备和能力，通常用穿越频率和相位裕度来衡量。
自动控制原理及应用课件
控制算法设计
采用位置闭环控制算法，根据位置误 差调节执行机构的输出，实现位置的 精确控制。
抗干扰措施
设计滤波器、隔离电路等抗干扰措施， 提高系统对外部干扰的抵抗能力。
07
现代控制理论在自动控制中应用
状态空间法描述动态系统
01
状态变量的定义与 性质
状态变量是描述系统动态行为的 最小变量集，具有可观测性和可 控制性。
极限环与振荡
研究相平面上可能出现的极限环及其性质， 分析系统的振荡行为。
描述函数法分析非线性系统
描述函数的性质
研究描述函数的幅值、相位等特性，分析非 线性系统的频率响应。
描述函数的概念
用一次谐波分量近似表示非线性环节的输入 输出关系。
描述函数法的应用
利用描述函数法分析非线性系统的稳定性、 自振频率等动态特性。
利用数学表达式描述系统的输入-输出关系，便 于理论分析和计算。
表格描述法
通过列出系统在不同输入下的输出值，形成输入输出对应表，方便查阅和对比。
相平面法分析非线性系统
相平面的概念
在相平面上绘制系统状态变量的轨迹，反映 系统的动态行为。
平衡点与稳定性
通过分析相平面上的平衡点及其性质，判断 系统的稳定性。
03
Z变换在离散系统分 析和设计中的应用
利用Z变换可以分析离散系统的稳定 性、因果性和频率响应等特性，进而 进行系统设计和优化。同时，Z变换 也可以用于数字滤波器的设计和分析 等应用领域。ຫໍສະໝຸດ 05非线性系统分析
非线性特性描述方法
图形描述法
通过绘制系统的输入-输出特性曲线，直观展示 非线性特性。
解析描述法
02
状态空间方程的建 立
自动控制原理及应用
自动控制原理及应用自动控制是一种利用设备和技术手段，在无人干预的情况下实现对一些系统、过程或设备的控制和调节。
自动控制的原理基于传感器采集到的信号，经过计算和分析后，再通过执行器对系统进行调节，使得系统在一定的指令下能够自动地运行并达到所需的状态。
自动控制的原理主要包括信号采集、信号处理、控制器设计和执行器控制四个要素。
首先，信号采集是自动控制的基础。
传感器能够将各种物理量转换为电信号，并将其传递给控制系统。
常用的传感器有温度传感器、压力传感器、光传感器等，它们可以实时地监测系统的状态和变化。
其次，信号处理是对采集到的信号进行分析和处理，提取出有用的信息，并根据需要进行滤波、放大、调整等操作。
信号处理的目的是确保信号的准确性和稳定性，为控制器提供可靠的输入。
然后，控制器设计是自动控制的核心。
控制器根据信号处理得到的信息，根据预先设定的控制策略和算法，计算出当前的控制量，并根据控制信号来调节控制对象。
常见的控制器包括比例控制器、积分控制器、微分控制器，以及经典的PID控制器。
最后，执行器控制是将控制信号转化为动作，对系统进行实际的调节。
执行器可以是电动阀门、电机、液压缸等，通过控制信号来改变其位置、速度或力，从而达到对系统的控制目的。
自动控制的应用非常广泛，涵盖了各个领域。
在工业自动化中，自动控制被应用于生产过程中的温度控制、压力控制、流量控制等环节，提高了生产效率和产品质量，降低了人为操作的风险。
在交通运输领域，自动控制被广泛应用于交通信号灯控制、车辆导航系统和自动驾驶系统中，提高了交通的安全性和效率。
在航空航天领域，自动控制被应用于飞行器的姿态控制、导航和飞行管理系统中，保障了飞行器的安全和可靠运行。
在医疗领域，自动控制可以实现对生命体征、药物剂量和医疗设备的自动控制，提高了医疗治疗的精度和效果。
此外，自动控制还广泛应用于环境监测、能源管理、智能家居等领域，提高了生活质量和资源利用的效率。
总之，自动控制作为一种高效、准确、可靠的技术手段，已经成为现代工业化社会不可或缺的重要组成部分。
精品课件自动控制原理及其应用
经济性优化
在满足系统性能要求的前 提下，考虑控制系统的经 济性，降低系统的成本和 维护费用。
安全性优化
在控制系统设计中充分考 虑安全因素，采取相应的 安全措施和保护机制，确 保系统的安全可靠运行。
04
自动控制系统的应用
工业自动化控制
总结词
工业自动化控制是自动控制系统的重要应用领域，通过自动化控制技术，可以实现生产 过程的自动化、智能化和高效化。
自动控制系统的分类
总结词
根据不同的分类标准，可以将自动控制系统分为多种类型，如开环控制系统和闭环控制系统、线性控制系统和非 线性控制系统等。
详细描述
根据是否有反馈环节，可以将自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统；根据系统变量的关系，可以将自 动控制系统分为线性控制系统和非线性控制系统；根据控制方式，可以将自动控制系统分为连续控制系统和离散 控制系统等。
无人机控制系统
总结词
无人机控制系统是利用自动控制技术实现对 无人机飞行姿态、航迹和任务执行的全自动 控制。
详细描述
无人机控制系统能够实现无人机的自主起飞、 飞行控制、导航定位和任务执行等功能，广 泛应用于航拍、快递、农业植保等领域，提 高了作业效工智能在自动控制系统中的应用
系统达到稳态值所需的时间。
稳态误差
系统达到稳态值后的误差。
超调量
系统达到稳态值前的最大偏差量。
动态响应性能
系统对输入信号的响应速度和动态过程的质 量。
03
自动控制系统设计
控制系统设计方法
线性系统设计
基于线性代数和微积分理论，对系统 进行建模、分析和优化。
非线性系统设计
利用非线性控制理论，设计非线性控 制系统，实现系统的稳定性和性能优 化。
自动控制原理及其应用
• 开环控制：控制装置与受控对象之间只有顺向作用 而无反向联系。其特点：系统结构和控制过程均很 简单，但抗扰能力差、控制精度不高。 • 闭环控制：控制装置与受控对象之间，不但有顺向 作用，而且还有反相联系，即有被控量对控制过程 的影响。闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。 其特点：能减小或消除作用在前向通道上所引起的 被控量的偏差值。具有较高的控制精度和较强的抗 扰能力。 • 前向通道：给定值至被控量的通道。 • 反馈通道：被控量至系统输入端的通道。 • 复合控制：前馈补偿控制和反馈控制相结合。基本 形式：按输入前馈补偿的复合控制和按扰动前馈补 偿的复合控制 。
第二节 自动控制系统的分类
• 一、线性系统和非线性系统
• 由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统称为线性系统；由非线性方程所描述的系统称 为非线性系统。
从系统的数学模型来看，若系统方程的系数不是时间变量的函数则称此类系统为定常系统， 否则称为时变系统。 从系统中的信号来看，若所有的信号都是时间的连续函数即模拟量，则称此类系统为连续系 统。若系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号，则称之为离散系统。 若系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值，此类系统称为恒 值系统。 若系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化，则此类系统 称为随动系统。 若系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化，则称此类系统为程序控 制系统。
• 该控制系统的工作原理：水箱中流入的为冷水，热蒸汽经阀门并流经 热传导器件，通过热传导作用将冷水加热，加热后的水流出水箱。热 蒸汽经冷却后也变成水由排水口排出。热敏元件将检测到的水温值转 换成一定形式的物理量之后，反馈给控制器，控制器将给定温度值与 检测到的实际温度值比较后，发出控制信号，调节阀门的开度，从而 调节蒸汽流量，直至世纪水温与给定值相符为止。
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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 ϕωτωω--=--，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。
7、关于传递函数，错误的说法是 ( ) A 传递函数只适用于线性定常系统；
B 传递函数不仅取决于系统的结构参数，给定输入和扰动对传递函数也有影响；
C 传递函数一般是为复变量s 的真分式；
D 闭环传递函数的极点决定了系统的稳定性。
8、下列哪种措施对改善系统的精度没有效果 ( )。
A 、增加积分环节 B 、提高系统的开环增益K C 、增加微分环节 D 、引入扰动补偿
9、高阶系统的主导闭环极点越靠近虚轴，则系统的 ( ) 。
A 、准确度越高 B 、准确度越低
C 、响应速度越快
D 、响应速度越慢
10、若某系统的根轨迹有两个起点位于原点，则说明该系统( ) 。
A 、含两个理想微分环节 B 、含两个积分环节 C 、位置误差系数为0 D 、速度误差系数为0
11、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
12、若系统增加合适的开环零点，则下列说法不正确的是 ( )。
A 、可改善系统的快速性及平稳性； B 、会增加系统的信噪比；
C 、会使系统的根轨迹向s 平面的左方弯曲或移动；
D 、可增加系统的稳定裕度。
13、开环对数幅频特性的低频段决定了系统的( )。
A 、稳态精度
B 、稳定裕度
C 、抗干扰性能
D 、快速性 14、适合应用传递函数描述的系统是 ( )。
A 、单输入，单输出的线性定常系统 B 、单输入，单输出的线性时变系统； C 、单输入，单输出的定常系统； D 、非线性系统。
15、若某负反馈控制系统的开环传递函数为
5
(1)
s s +，则该系统的闭环特征方程为 ( )。
A 、(1)0s s +=
B 、 (1)50s s ++=
C 、(1)10s s ++=
D 、与是否为单位反馈系统有关 16、闭环系统的动态性能主要取决于开环对数幅频特性的：
A 、低频段
B 、开环增益
C 、高频段
D 、中频段
17、关于系统零极点位置对系统性能的影响，下列观点中正确的是( )
A 、 如果闭环极点全部位于S 左半平面，则系统一定是稳定的。
稳定性与闭环零点位置无关；
B 、 如果闭环系统无零点，且闭环极点均为负实数极点，则时间响应一定是衰减振荡的；
C 、 超调量仅取决于闭环复数主导极点的衰减率，与其它零极点位置无关；
D 、 如果系统有开环极点处于S 右半平面，则系统不稳定。
18、关于奈氏判据及其辅助函数 F(s)= 1 + G(s)H(s)，错误的说法是 ( )
A 、 F(s)的零点就是开环传递函数的极点
B 、 F(s)的极点就是开环传递函数的极点
C 、 F(s)的零点数与极点数相同
D 、 F(s)的零点就是闭环传递函数的极点
19、一阶系统的闭环极点越靠近S 平面原点，则 ( ) 。
A 、准确度越高
B 、准确度越低
C 、响应速度越快
D 、响应速度越慢 20、若两个系统的根轨迹相同，则有相同的：
A 、闭环零点和极点
B 、开环零点
C 、闭环极点
D 、阶跃响应
21、关于P I 控制器作用，下列观点正确的有( )
A 、 可使系统开环传函的型别提高，消除或减小稳态误差；
B 、 积分部分主要是用来改善系统动态性能的；
C 、 比例系数无论正负、大小如何变化，都不会影响系统稳定性；
D 、 只要应用P I 控制规律，系统的稳态误差就为零。
22、关于线性系统稳定性的判定，下列观点正确的是 ( )。
A 、 线性系统稳定的充分必要条件是：系统闭环特征方程的各项系数都为正数；
B 、 无论是开环极点或是闭环极点处于右半S 平面，系统不稳定；
C 、 如果系统闭环系统特征方程某项系数为负数，系统不稳定；
D 、 当系统的相角裕度大于零，幅值裕度大于1时，系统不稳定。
三、(8分)试建立如图1所示电路的动态微分方程，并求传递函数。
图1
四、（共15分）某最小相位系统的开环对数幅频特性曲线0()L ω如图所示：
1、写出该系统的开环传递函数)(0s G ；（8分）
2、写出该系统的开环频率特性、开环幅频特性及开环相频特性。
（3分）
3、求系统的相角裕度γ。
（7分）
4、若系统的稳定裕度不够大，可以采用什么措施提高系统的稳定裕度？（4分）
五、(共15分)已知某单位反馈系统的开环传递函数为
(1)
()()(3)r K s G S H S s s +=
－，试：
1、绘制该系统以根轨迹增益K r 为变量的根轨迹（求出：分离点、与虚轴的交点等）；（8分）
2、求系统稳定且为欠阻尼状态时开环增益K 的取值范围。
（7分）
六、(15分)已知最小相位系统的对数幅频特性如图2所示。
试求系统的开环传递函数。