自动控制原理
自动控制原理
自动控制原理自动控制原理是指通过对系统的状态变量或输出信号采取适当的控制手段，使得系统输出信号或状态变量能够形成预定的规律或按照预定的要求，实现人机交互、自动化控制、智能化运行等内容的学科。
该学科以控制理论、控制工程、自动化技术等领域为基础，涉及机械、电子、计算机、通信等多个学科。
自动控制原理的基本思想是通过感知、分析和处理系统的状态变量或输出信号，不断调整控制因素，保持系统的稳定性、可靠性和优化性，最终实现对系统的精确控制和优化运行。
具体而言，自动控制原理包括系统建模、系统分析、控制器设计和系统优化等内容。
首先需要对被控对象进行建模，确定系统的数学模型；接着对系统进行分析，确定系统的特性和控制需求；然后设计控制器，实现对系统的控制；最后进行系统优化，提高系统的性能。
这样，就能够构建出一个高效、稳定、可靠的控制系统，为实现自动化控制提供有力的保障。
自动控制原理在现代工业生产和科学研究中具有广泛的应用。
在传统的控制领域中，它被广泛应用于机械控制、电力控制、仪表控制、自动调节等方面。
在工业控制中，自动控制原理可以应用于自动生产线、无人值守设备、智能化生产等领域。
在科学研究中，自动控制原理可以应用于探测设备，如天文望远镜、深海探测器等，也可以应用于航空航天、生物医学、环境监测等领域。
在实践运用中，自动控制原理还需要考虑实际的工程问题。
例如：性能要求低、成本要求高、系统可靠性要求高、系统运行稳定性要求高等。
因此，自动控制原理的研究除了基本理论和算法的研究，还需要进一步研究智能控制、模型预测控制、优化控制、非线性控制、模糊控制等方面的内容，以提高控制系统的稳定性和运行效率，满足各种实际应用场景的需求。
总之，自动控制原理作为一门重要的学科，具有广泛的研究内容和应用场景。
它是机械、电子、计算机、通信等多学科相互融合的产物，将会继续为人类的生产生活和科学研究做出重要的贡献。
第11章 自动控制原理
一般规定为响应曲线进入静差的±2%（或±5%） 范围而不再越出时所需要的时间。
振荡周期 过渡过程从第一个波峰到第二个波峰之间的时间， 反映系统的快速性。
第11章自动控制原理
热工测量与自动控制
第1节复习 难点： 自控系统的品质指标 重点： 1.自控系统组成与框图含义。 2.自控系统的分类、。 3.过渡响应的基本形式与过渡过程的品质指标。 4.各基本概念。
第11章自动控制原理
热工测量与自动控制
第1节概述
第2节构成环节的特性 第3节环节的综合和特性分析
第11章自动控制原理
热工测量与自动控制
第1节概述
一、自动控制系统及其组成 二、控制系统的分类 三、自动控制系统的过渡响应
第11章自动控制原理
热工测量与自动控制
一、自动控制系统及其组成 （一）自动控制与人工控制过程的对比
第11章自动控制原理
热工测量与自动控制
思考题： 6.在阶跃干扰下，调节系统的过渡过程有哪几种形式， 用什么性能指标来衡量。 7.什么是系统的静态特性与动态特性。
第11章自动控制原理
热工测量与自动控制
第2节构成环节的特性
一、环节信号的传递和特性 二、拉普拉斯变换与传递函数
三、对象的过渡响应和数学描述
X c (s) b0 S m b1S m1 bm1S bm W ( s) n n 1 X r (s) a0 S a1S an1S an
第11章自动控制原理
热工测量与自动控制
意义： ①系统或环节的一种形式，表达系统将输入量转换成 输出量的传递关系 ②仅与系统或环节特性有关，与输入量怎样变化无关 ③简化系统动态性能的分析过程
第11章自动控制原理
什么是自动控制原理
什么是自动控制原理
自动控制原理是一种通过不同的控制器和反馈机制来实现系统自动调节和控制的方法。
它基于对系统输入和输出之间关系的分析，利用控制器对系统进行调整和干预，使得输出能够稳定在期望的值上。
自动控制原理涉及到系统模型的建立、控制器的设计和系统性能的评估等方面。
在系统建模过程中，需要根据实际情况确定系统的输入、输出和各个部分之间的关系，通常可以利用数学模型来描述系统的动态特性。
控制器的设计是选择合适的控制算法，根据系统的性能需求来确定参数。
常见的控制器包括比例控制器、积分控制器和微分控制器等。
自动控制原理中，反馈机制起着重要的作用。
通过对系统输出进行测量和与期望值进行比较，可以实时调整控制器的输出，使得系统能够迅速响应和稳定在期望值上。
反馈机制的优点在于可以消除外部干扰和系统参数变化对系统稳定性的影响，提高系统的鲁棒性和适应性。
自动控制原理在工业生产、交通运输、能源管理等领域有广泛应用。
通过自动化控制，可以提高系统的性能、效率和安全性，减少人为操作的误差和风险。
同时，自动控制原理也是控制工程学科的基础和核心内容，为实现各种复杂系统的自动化控制提供了理论和方法的指导。
自动控制原理完整
知识要点
线性系统的基本控制规律比例（P）、积 分（I）、比例-微分（PD）、比例-积分（PI） 和比例-积分-微分（PID）控制规律。超前校 正，滞后校正，滞后-超前校正，用校正装置 的不同特性改善系统的动态特性和稳态特性。 串联校正，反馈校正和复合校正。
对一个控制系统来说,如果它的元部件、 参数已经给定,就要分析它能否满足所要 求的各项性能指标。一般把解决这类问 题的过程称为系统的分析。
在实际工程控制问题中，还有另一类问题需 要考虑，即往往事先确定了要求满足的性能指 标，要求设计一个系统并选择适当的参数来满 足性能指标的要求，或考虑对原已选定的系统 增加某些必要的元件或环节，使系统能够全面 地满足所要求的性能指标，同时也要照顾到工 艺性、经济性、使用寿命和体积等。这类问题 称为系统的综合与校正，或者称为系统的设计。
二阶系统的时域性能指标
1 2
arctg
tr
n 1 2
二阶系统的频域性能指标
c n arctg
1 4 4 2 2 2
1 4 4 2 2
r n 1 2 2
Mr 2
1 1 2
b n 1 2 2 2 4 2 2 4
性能指标通常由控制系统的使用单位或被控 对象的制造单位提出。
制系统设计 ❖小 结
§6.1 概 述
6.1.1 系统的性能指标
系统的性能指标，按其类型可以分为： (1) 时域性能指标，包括稳态性能指标和动态性能 指标； (2) 频域性能指标，包括开环频域指标和闭环频域 指标； (3) 综合性能指标(误差积分准则)，它是一类综合 指标，若对这个性能指标取极值，则可获得系统 的某些重要参数值，而这些参数值可以保证该综 合性能为最优。
ITAE 0 te(t)dt
自动控制原理知识点
自动控制原理知识点自动控制原理是探讨如何利用各种力量和手段来控制和调节物体或者系统的运行状态的学科。
它是现代科学技术以及工程实践的重要基础，广泛应用于机械、电气、化工、航空航天等领域。
下面将详细介绍自动控制原理的几个重要知识点。
1.控制系统的组成和基本原理控制系统由输入、处理器、输出和反馈四个基本部分组成。
输入是所要控制的物理量或信号，处理器是处理输入信号的部分，输出是系统输出的目标物理量或信号，反馈将输出信号与输入信号进行比较并反馈给处理器进行调节。
控制系统的基本原理是通过调节输入信号，通过反馈来使系统的输出达到期望值。
2.传递函数和状态空间法传递函数是描述线性系统输入输出关系的函数，它是一个复变量的函数。
通过传递函数可以对系统的动态特性进行分析和设计。
状态空间法是一种描述系统行为的方法，用状态向量和状态方程来描述系统的动态特性和稳定性。
3.PID控制器PID控制器是最常见的一种控制器，它由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成。
比例部分使控制器的输出与误差成正比，积分部分用于处理系统的静差，微分部分用于预测系统未来的状态。
通过调节PID控制器的参数，可以实现系统的稳定性和响应速度的优化。
4.反馈控制反馈控制是将系统的输出信号反馈给系统的输入端进行调节的一种控制方式。
反馈控制可以使系统对扰动具有一定的鲁棒性，能够提高系统的稳定性和减小误差。
5.系统稳定性和瞬态响应系统稳定性是指当系统输入和参数在一定范围内变化时，系统输出是否会有无穷大的增长。
常用的判断系统稳定性的方法有稳定判据和根轨迹法。
瞬态响应是系统在调节过程中输出的变化过程，包括超调量、调节时间、稳态误差等指标。
6.系统优化和自适应控制系统优化是指通过调节系统参数使系统达到最佳性能的过程。
自适应控制是指系统能够根据外部环境和内部参数的变化自主调整控制策略的过程。
优化和自适应控制可以使系统具有更好的鲁棒性和适应能力。
7.数字控制系统数字控制系统是利用数字计算和逻辑运算进行控制的一种控制方式。
自动控制原理简答题
自动控制原理简答题1. 什么是自动控制原理？自动控制原理是一门研究如何通过各种控制手段和方法，使系统在不同的输入条件下自动地实现稳定、准确、快速的输出控制的学科。
2. 自动控制的基本组成部分是什么？自动控制的基本组成部分包括控制对象（也称为被控对象）、传感器、执行器、控制器和反馈回路。
3. 什么是控制对象？控制对象指的是需要被控制的具体物理系统或过程，例如温度控制中的温度传感器测量的温度就是控制对象。
4. 什么是传感器？传感器是负责将控制对象的物理量转换为电信号的装置，它能够测量系统的各种输入和输出变量，并将其转化为控制系统可以处理的电信号。
5. 什么是执行器？执行器是控制系统中的一种装置，根据控制信号的指示，将电信号转换为能够对控制对象产生控制作用的物理量。
6. 什么是控制器？控制器是根据控制算法，接收传感器反馈信号并生成控制信号的装置，它根据输入信号和反馈信号进行计算和判断，并输出控制信号来实现对控制对象的控制。
7. 什么是反馈回路？反馈回路是控制系统中的一种回路结构，它将控制对象的输出信号经过传感器测量后，与期望值进行比较，将相差的量反馈给控制器，通过调节控制信号来消除误差，使系统达到稳定状态。
8. 自动控制中常用的控制策略有哪些？常用的控制策略包括比例控制、积分控制、微分控制和PID控制。
比例控制根据误差的大小进行比例放大输出控制信号；积分控制根据误差的累积进行调节；微分控制根据误差的变化率进行调节；PID控制则是将比例、积分和微分控制结合起来，综合考虑系统的稳态性、快速性和抗干扰性。
9. 自动控制的应用范围有哪些？自动控制广泛应用于各个领域，如工业自动化、航空航天、交通运输、电力系统、水利水电、化工过程控制、环境保护等。
它可以提高系统的稳定性、精确性和效率，减少人为操作的错误和工作负担。
10. 自动控制原理的发展趋势是什么？随着科技的进步和智能化的发展，自动控制原理将趋向于更加复杂、高效、智能化的方向发展。
自动控制原理概念最全整理
1.在零初始条件下,线性定常系统输出量得拉普拉斯变换与输入量得拉普拉斯变换值比,定义为线性定常系统得传递函数。
传递函数表达了系统内在特性，只与系统得结构、参数有关,而与输入量或输入函数得形式无关。
2.一个一般控制系统由若干个典型环节构成,常用得典型环节有比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、振荡环节与延迟环节等。
3.构成方框图得基本符号有四种,即信号线、比较点、方框与引出点。
4.环节串联后总得传递函数等于各个环节传递函数得乘积。
环节并联后总得传递函数就是所有并联环节传递函数得代数与。
5.在使用梅森增益公式时，注意增益公式只能用在输入节点与输出节点之间.6.上升时间tr、峰值时间tｐ与调整时间ｔs反应系统得快速性；而最大超调量Mp与振荡次数则反应系统得平稳性。
7.稳定性就是控制系统得重要性能,使系统正常工作得首要条件。
控制理论用于判别一个线性定常系统就是否稳定提供了多种稳定判据有:代数判据(Routh 与Hurwitｚ判据)与Ｎyquｉｓt稳定判据。
8.系统稳定得充分必要条件就是系统特征根得实部均小于零,或系统得特征根均在跟平面得左半平面。
9.稳态误差与系统输入信号ｒ(t）得形式有关,与系统得结构及参数有关。
10.系统只有在稳定得条件下计算稳态误差才有意义,所以应先判别系统得稳定性.11.Kp得大小反映了系统在阶跃输入下消除误差得能力,Kp越大,稳态误差越小；Kv得大小反映了系统跟踪斜坡输入信号得能力，Kv越大，系统稳态误差越小;Kａ得大小反映了系统跟踪加速度输入信号得能力,Ka越大，系统跟踪精度越高12.扰动信号作用下产生得稳态误差essｎ除了与扰动信号得形式有关外，还与扰动作用点之前(扰动点与误差点之间）得传递函数得结构及参数有关，但与扰动作用点之后得传递函数无关.13.超调量仅与阻尼比ξ有关,ξ越大,Mp则越小，相应得平稳性越好。
反之，阻尼比ξ越小,振荡越强,平稳性越差。
当ξ=0,系统为具有频率为Wn得等幅震荡。
《自动控制原理》课件
集成化：智能控制技术将更加集 成化，能够实现多种控制技术的 融合和应用。
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网络化：智能控制技术将更加网 络化，能够实现远程控制和信息 共享。
绿色化：智能控制技术将更加绿 色化，能够实现节能减排和环保 要求。
控制系统的网络化与信息化融合
网络化控制：通过互联网实现远程控制和监控
现代控制理论设计方法
状态空间法：通过建立状态空间模型，进行系统分析和设计 频率响应法：通过分析系统的频率响应特性，进行系统分析和设计 极点配置法：通过配置系统的极点，进行系统分析和设计 线性矩阵不等式法：通过求解线性矩阵不等式，进行系统分析和设计
最优控制理论设计方法
基本概念：最优控制、状态方程、控制方程等 设计步骤：建立模型、求解最优控制问题、设计控制器等 控制策略：线性二次型最优控制、非线性最优控制等 应用领域：航空航天、机器人、汽车电子等
动态性能指标
稳定性：系统在受到扰动后能否恢复到平衡状态 快速性：系统在受到扰动后恢复到平衡状态的速度 准确性：系统在受到扰动后恢复到平衡状态的精度 稳定性：系统在受到扰动后能否保持稳定状态
抗干扰性能指标
稳定性：系统在受到干扰后能够 恢复到原来的状态
准确性：系统在受到干扰后能够 保持原有的精度和准确性
信息化控制：利用大数据、云计算等技术实现智能化控制
融合趋势：网络化与信息化的融合将成为未来控制系统的发展方向 应用领域：工业自动化、智能家居、智能交通等领域都将受益于网络化与 信息化的融合
控制系统的模块化与集成化发展
模块化：将复杂的控制系统分解为多个模块，每个模块负责特定的功能，便于设计和维护 集成化：将多个模块集成为一个整体，提高系统的性能和可靠性 发展趋势：模块化和集成化是未来控制系统发展的重要方向 应用领域：广泛应用于工业自动化、智能家居、智能交通等领域
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自动控制原理知识要点与习题解析第2章 控制系统的数学模型数学模型有多种表现形式：传递函数、方框图、信号流图等。
；； )()()()(t e t c t n t r )()()()()()(s s s s s H s G en n e ΦΦΦΦ； P32 (自动控制原理p23)2-17P33解：(e)4232121123211)(G H G G H G G H G G G G s ++-+=Φ；P37 (p73)2-21 试绘制与题2-21图中系统方框图对应的信号流图，并用梅森增益公式求传递函数C (s )/R (s ) 和误差传递函数E (s )/R (s )注：P21(2) 依据系统方框图绘制信号流图首先确定信号流图中应画出的信号节点，再根据方框图表明的信号流向，用支路及相应的传输连接信号节点。
步骤如下，(a)系统的输入为源点，输出为阱点；(b)在方框图的主前向通路上选取信号节点，即相加点后的信号和有分支点的信号，两信号是同一个题2-21图 系统方框图 题2-1 7图 控制系统方框图 题2-17解图 控制系统简化方框图信号时只作为一个节点；(c)其它通路上，仅反馈结构求和点后的信号选作节点； (d)最后，依据信号关系，用支路连接这些节点。
解：图(a)信号流图如题2-21解图(a)所示。
计算C (s )/R (s )和E (s )/R (s )过程中，关于回路和特征式的计算是完全相同，可统一计算。
回路111H G L -=，232H G L -=，213213H H G G G L -=；特征式 21312132123111H H G G H H G G G H G H G ++++=∆。
计算C (s )/R (s )：前向通路 3211G G G P =，342G G P =； 特征子式11=∆，1121H G +=∆； 2131223111134321)1(1)1()()(H H G G G H G H G H G G G G G G s R s C ++++++=； 计算E (s )/R (s )：前向通路11=P ；21342H H G G P -=； 特征子式2311H G +=∆，12=∆； 213122311213423)1(11)()(H H G G G H G H G H H G G H G s R s E ++++-+=；P38 (p73)2-22 试用梅森增益公式求题2-22图中各系统信号流图的传递函数)(/)(s R s C 。
解：(b) 6543211G G G G G G P =，654372G G G G G P =，6813G G G P =，68174G G H G P -=；121H G L -=，242H G L -=，363H G L -=，45434H G G G L -=，4185H H G L =，56543216H G G G G G G L -=，5654377H G G G G G L -=， 56818H G G G L -=，568179H G G H G L =；321928252323121911L L L L L L L L L L L L L L L L i i -++++++-=∆∑=；11=∆，12=∆，24431H G +=∆=∆；∆++++=)1)(()()(244321H G P P P P s R s C ；题2-21解图 系统信号流图题2-22图 系统信号流图第3章 线性系统的时域分析本章重点：线性系统的时域指标；掌握闭环极点与动态响应的关系。
时域指标p σ、p t 和s t ； ⇔ 特征参数ζ和n ω。
P49线性定常系统的重要特性 线性定常系统对输入信号导数的响应，等于系统对该信号响应的导数；或者，系统对输入信号积分的响应，等于系统对该信号响应的积分。
P57(p134)3-4已知二阶系统的单位阶跃响应为)1.536.1sin(e 5.1210)(2.1 +-=-t t c t ，试求系统的超调量p σ、峰值时间p t 和调节时间s t 。
解：方法一，先计算闭环传递函数，再计算ζ和n ω；}6.1cos 1.53sin 6.1sin 1.53cos )1.536.1{sin(t t t +=+)()(144.24106.1)2.1()2.1(8.06.16.05.1210)(222s R s ss s s s s s C Φ=++⨯=+++⨯+⨯-=；即得 4.22=n ζω，42=n ω；2=n ω，6.0=ζ；%5.9)1/exp(2=--=ζζπσp ；9635.1/==d p t ωπ秒；5.2)/(3==n s t ζω秒,05.0=∆；33.3)/(4==n s t ζω秒,02.0=∆。
方法二，直接根据典型二阶系统单位阶跃响应计算ζ和n ω；⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧+---=+-=--)arccos 1sin(11110)1.536.1sin(5.1210)(222.1ζζωζζωt e t e t c n t tn，6.01.53cos == ζ，2.1=n ζω，)6.11(2=-ζωn ，2=n ω；P62 (p136)3-16 知单位反馈系统的开环传递函数如下，试求静态位置误差系数p K ，静态速度误差系数v K ，静态加 速度误差系数a K(1) )12)(11.0(50)(++=s s s G ；｛ )(lim 0s G K s p →= ｝(2) )2004()(2++=s s s Ks G ；｛ )(lim 0s G s K s v →= ｝(3) )102()14)(12(10)(22++++=s s s s s s G 。
｛)(lim 20s G s K s a →= ｝解：(1) 50=p K ；0=v K ；0=a K ；(2) ∞=p K ；K K v 005.0=；0=a K ； (3) ∞=p K ；∞=v K ；1=a K ；P62 (p136)3-17设单位反馈系统的开环传递函数为)/(1)(Ts s G =。
试用稳态误差级数法求出，当输入信号分别为2/)(21t t r =和t t r 2sin )(2=时，系统的稳态误差。
解：TsTss e +=Φ1)(；00=c ，i i T c )(--=，0>i ；( 解题基本步骤参阅P56 3.6.4 )2/)(21t t r =：t t r =')(1，1)(1=''t r ，0)()(1=t r i ，2>i ； )()()()()(121101T t T t r c t r c t r c t e ss -=''+'+=；t t r 2sin )(2=时，有两种解法；(1)稳态误差级数法：t t r k k 2sin )2()(2)2(2-=，t t r k k 2cos )2(2)(2)12(2-=+，0≥k ；∑∑∑∞=∞=+∞=-+-==00212220)(222cos )2(22sin )2()(k k k k kk i i i ss t c t c r c t et T Tt T T t T t T k k k kkk 2cos 1422sin 1442cos )2()1(2sin )2()1(210221221+++=-+-=∑∑∞=∞=++；)2sin()(2φ+=t A t e ss ，式中 2/12)14/(2+=T T A ，A arccos =φ。
*(2)据)2(j e Φ计算（频率响应）：2/12)41(2|)2(|-+=ΦT T j e ，)]2/(1arctan[)2(T j e =Φ∠；)2sin()(2φ+=t A t e ss ，式中 2/12)14/(2+=T T A ，A T arccos )]2/(1arctan[==φ；P56 3.6.4稳态误差级数和动态误差系数(t 足够大)要了解稳态误差随时间变化的情况，需使用稳态误差级数。
计算稳态误差级数的基本步骤：(1) 正确计算误差传递函数)(s e Φ、)(s n e Φ；(2) 计算输入信号)(t r 的各阶导数)()(t r i ，I i ,,0 =；0)()(=t r i ，I i >； 计算扰动信号)(t n 的各阶导数)()(t n j ，J j ,,0 =；0)()(=t n j ，J j >； (3) 依据)(s e Φ用长除法计算动态误差系数i c ，I i ,,0 =；依据)(s n e Φ用长除法计算动态误差系数j d ，J j ,,0 =；(4) 计算稳态误差∑∑==+=Jj j j Ii i i ss t n d t rc t e 0)(0)()()()(。
P52 3.4.2 闭环主导极点高阶系统能够用不具有零点的二阶系统近似的条件：有一对距离(记为d )虚轴最近的共轭复数极点，且附近无闭环零点，其余的零点和极点远离(d 5>)虚轴或零极点几乎相消。
高阶系统可以近似为：)(lim 0s k s Φ=→，)(221p p n +-=ζω，212p p n=ω；2222)()(nn ns s k s s ωζωω++=Φ≈Φ。
易知，系统的时域性能指标可以用典型二阶系统的计算公式近似计算。
第4章 根轨迹法研究系统参数变化对闭环系统特性的影响，参数变化的作用，体现在对闭环极点的影响上。
要点：绘制180°根轨迹图P76 (p167)4-8 设负反馈系统的开环传递函数)204)(4()(2+++=s s s s ks G ，试概略绘制该系统的根轨迹图。
解：*422,1j p ±-=，03=p ，44-=p ；4=-m n ；*渐近线，2-=a σ，135,45±±=a φ； *实轴上的根轨迹，)0,4(-；*与实轴的交点和重根点，0)104)(2(2=+++s s s21-=s ，641=k ；4495.222,2j s ±-=，1002=k ；*起始角，90)42()42(901-=+∠-+-∠-=j j p θ； 902=p θ*与虚轴的交点，Re ：03624=+-k ωω，Im ：0)10(2=-ωω；1623.3±=ω，260=c k 。
系统的根轨迹图如题4-8解图所示。
P70 规则5：根轨迹与实轴的交点(闭环系统的重极点、分离点)，满足方程0)()()()(=-s d s B d s A s B s d s A d ； ⎭⎬⎫⎩⎨⎧=)()()(s A s B k s G ；P869. 已知负反馈系统的开环传递函数G (s )，试选择k 值，使闭环系统的超调量σp ≤25%，调节时间t s ≤10 秒。