重庆大学-自动控制原理-第一章 自动控制原理
重庆大学 自动控制原理课程设计
目录1 实验背景 (2)2 实验介绍 (3)3 微分方程和传递函数 (6)1 实验背景在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。
自动控制原理是相对于人工控制概念而言的，自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。
在自动控制原理【1】中提出，20世纪50年代末60年代初，由于空间技术发展的需要，对自动控制的精密性和经济指标，提出了极其严格的要求；同时，由于数字计算机，特别是微型机的迅速发展，为控制理论的发展提供了有力的工具。
在他们的推动下，控制理论有了重大发展，如庞特里亚金的极大值原理，贝尔曼的动态规划理论。
卡尔曼的能控性能观测性和最优滤波理论等，这些都标志着控制理论已从经典控制理论发展到现代控制理论的阶段。
现代控制理论的特点。
是采用状态空间法（时域方法），研究“多输入-多输出”控制系统、时变和非线性控制系统的分析和设计。
现在，随着技术革命和大规模复杂系统的发展，已促使控制理论开始向第三个发展阶段即第三代控制理论——大系统理论和智能控制理论发展。
在其他文献中也有所述及（如下）：至今自动控制已经经历了五代的发展：第一代过程控制体系是150年前基于5－13psi的气动信号标准（气动控制系统PCS，Pneumatic Control System）。
简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。
第二代过程控制体系（模拟式或ACS,Analog Control System）是基于0－10mA或4－20mA 的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。
它标志了电气自动控制时代的到来。
控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。
第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）.70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）。
第一章自动控制原理绪论
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。
(完整版)自动控制原理课后习题及答案
第一章绪论1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优弊端.解答： 1 开环系统(1)长处 :构造简单，成本低，工作稳固。
用于系统输入信号及扰动作用能早先知道时，可获得满意的成效。
(2)弊端：不可以自动调理被控量的偏差。
所以系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。
2闭环系统⑴长处：不论因为扰乱或因为系统自己构造参数变化所惹起的被控量偏离给定值，都会产生控制作用去消除此偏差，所以控制精度较高。
它是一种按偏差调理的控制系统。
在实质中应用宽泛。
⑵弊端：主要弊端是被控量可能出现颠簸，严重时系统没法工作。
1-2什么叫反应？为何闭环控制系统常采纳负反应？试举例说明之。
解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反应。
闭环控制系统常采纳负反应。
由1-1 中的描绘的闭环系统的长处所证明。
比如，一个温度控制系统经过热电阻（或热电偶）检测出目前炉子的温度，再与温度值对比较，去控制加热系统，以达到设定值。
1-3试判断以下微分方程所描绘的系统属于何种种类（线性，非线性，定常，时变）？2 d 2 y(t)3 dy(t ) 4y(t ) 5 du (t ) 6u(t )（1）dt 2 dt dt（2） y(t ) 2 u(t)（3）t dy(t) 2 y(t) 4 du(t) u(t ) dt dtdy (t )u(t )sin t2 y(t )（4）dtd 2 y(t)y(t )dy (t ) （5）dt 2 2 y(t ) 3u(t )dt（6）dy (t ) y 2 (t) 2u(t ) dty(t ) 2u(t ) 3du (t )5 u(t) dt（7）dt解答： （1）线性定常（2）非线性定常 （3）线性时变（4）线性时变（5）非线性定常（6）非线性定常（7）线性定常1-4 如图 1-4 是水位自动控制系统的表示图， 图中 Q1，Q2 分别为进水流量和出水流量。
控制的目的是保持水位为必定的高度。
重庆大学《自动控制原理》复习大纲
第 8 章：
状态空间表达式的建立、状态变量图；传递函数矩阵的计算 状态转移矩阵的性质、齐次状态方程的解 状态可控性、可观测性的判断
第 4 章：
根轨迹增益、根轨迹方程；幅值条件、相角条件 绘制法则（渐近线、分离点坐标、与虚轴交点坐标） 转换参量根轨迹为常规根轨迹
第 5 章：
最小相位系统对数频率特性的绘制与分析计算 相角裕量、幅值裕量的计算 Nyquist 稳定判据、对数稳定判据 三频段的性质以及与系统阶跃响应的定性关系
第 6 章：
《自动控制原理》课程复习大纲
——仅供参考
第 1 章：
开环控制和闭环控制的特点；控制系统的分类、性能要求
第 2 章：
动态结构图的建立及等效变换；控制系统的传递函数（4 类）
第 3 章：
典型一阶、二阶系统的传递函数；二阶系统的性能指标(δ%、ts(5%、2%)、tr、tp) 欠阻尼二阶系统极点分布图与参数的关系（图 3.3.4）；高阶系统的主导极点 劳斯稳定判据 给定的稳态误差（由表 3.2 公式计算）、只能从定义计算扰动的稳态误差
自动控制原理课后习题答案第一章
1-1 图1-2是液位自动控制系统原理示意图。
在任意情况下，希望液面高度c 维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。
图1-2 液位自动控制系统解：被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位；给定量电位器设定水位r u （表征液位的希望值r c ）；比较元件：电位器；执行元件：电动机；控制任务：保持水箱液位高度不变。
工作原理：当电位电刷位于中点（对应r u ）时，电动机静止不动，控制阀门有一定的开度，流入水量与流出水量相等，从而使液面保持给定高度r c ，一旦流入水量或流出水量发生变化时，液面高度就会偏离给定高度r c 。
当液面升高时，浮子也相应升高，通过杠杆作用，使电位器电刷由中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机，通过减速器带动进水阀门向减小开度的方向转动，从而减少流入的水量，使液面逐渐降低，浮子位置也相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，电动机的控制电压为零，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度r c 。
反之，若液面降低，则通过自动控制作用，增大进水阀门开度，加大流入水量，使液面升高到给定高度r c。
系统方块图如图所示：1-10 下列各式是描述系统的微分方程，其中c(t)为输出量，r (t)为输入量，试判断哪些是线性定常或时变系统，哪些是非线性系统? （１）222)()(5)(dt t r d t t r t c ++=；（２）)()(8)(6)(3)(2233t r t c dt t dc dt t c d dt t c d =+++； （３）dt t dr t r t c dt t dc t )(3)()()(+=+； （４）5cos )()(+=t t r t c ω； （５）⎰∞-++=t d r dt t dr t r t c ττ)(5)(6)(3)(；（６）)()(2t r t c =；（７）⎪⎩⎪⎨⎧≥<=.6),(6,0)(t t r t t c解：（1）因为c(t)的表达式中包含变量的二次项2()r t ，所以该系统为非线性系统。
自动控制原理第一章自动控制原理
如图1－5所示。
给定量 控制器
干扰量
被控量 受控对象
自控系统
图1－5 自动控制系统
第一章 自动控制概论
• 如水位自动控制系统：
比较元件
进 水 + 连 杆
测量 元件
实 际 水 位 浮 子
输出量
M 电 机
干扰 信号
出 水
<
受控对象
图1－3 水位自动控制系统原理图
第一章 自动控制概论
1.2.2 自动控制系统的基本组成
基 本 要 求
通过学习本课程，获得自动控制
系统的基本概念和基本理论；掌握分 析自动控制系统或过程控制系统的基 本方法。
自动控制理论
经典控制理论 线性控制系统
连续控制系统
第 二 章 第 三 章 第 四 章 第 五 章
现代控制理论 非线性控制系统
离散控制系统
第 六 章
第 七 章
第 八 章
第一章 自动控制概论
控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制
系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可 以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，
由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武
器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统
自动控制的任务—利用控制器操纵受控对象，使其
被控量按技术要求变化。若r(t)—给定量，c(t)—被
控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满 足c(t) ≈r(t)。自控系统的组成如1-6图所示。
输入量 输出量
串 联 校 正
放 大
执 行
受 控 对 象
重庆大学自动控制原理课程设计
自动控制理论课程设计倒立摆系统的控制器设计学生姓名：***指导教师：***班级：自动化01班重庆大学自动化学院二O一三年十二月目录目录 (1)倒立摆系统概述 (2)1.数学建模 (3)1.1直线一级倒立摆数学模型概述 (3)1.2直线一级倒立摆的物理模型 (3)1.2.1小车受力分析 (4)1.2.2摆杆受力分析 (5)1.3系统实际模型 (6)2 开环响应分析 (6)3 频率特性法 (7)3.1 频率响应分析 (7)3.2 频率响应设计 (9)3.3 Simulink仿真 (13)4 根轨迹法设计 (14)4.1原系统的根轨迹分析 (14)4.2根轨迹校正 (14)4.2.1确定期望闭环零极点 (15)4.2.2设计控制器 (15)4.3 Simulink仿真 (18)5.PID控制分析 (19)6.总结 (20)参考文献： (20)倒立摆系统概述随着科学技术的迅速发展，新的控制方法不断出现，倒立摆系统作为检验新的控制理论及方法有效性的重要实验手段得到广泛研究。
倒立摆控制系统是一个典型的非线性、强耦合、多变量和不稳定系统，作为控制系统的被控对象，许多抽象的控制概念都可以通过倒立摆直观地表现出来。
倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。
当摆杆到达期望的位置后，系统能客服随机扰动而保持稳定的位置。
通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。
其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发生中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。
倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自由连接（即无电动机或其他驱动设备）。
按照倒立摆的结构类型可以分为：悬挂式、直线、环形、平面倒立摆等。
本设计是以直线一级倒立摆为被控对象来进行设计的。
自动控制原理第一章
为克服上述的缺点，可在原系统中增加一些设备而组成较完善 的自动控制系统，如图1－3所示。这里，浮子仍是测量元件， 连杆起着比较作用，它将期望水位与实际水位两者进行比较， 得出误差，并以运动的形式推动电位器的滑块作上下移动。电 位器输出电压的高低和极性充分反映出误差的性质（大小和方 向）。电位器输出的微弱电压经放大器放大后用以控制直流伺 服电动机，其转轴经减速器降速后拖动进水阀门，作为施予系 统的控制作用.
2003.6
二、自动控制系统中常用的名词术语
系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式 连结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。 输入信号：指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输 出量变化规律的指令信号。 输出信号：指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称 被控量，它与输入量之间保持一定函数关系。 反馈信号：由系统输出端取出并反向送回系统输入端的信号。 有主反馈和局部反馈之分。
2003.6
图1－1所示是人工控制水位保 持恒定的供水系统。水池中的水 源源不断地经出水管道流出，以 供用户使用。随着用水量的增多， 水池中的水位必然下降。这时， 若要保持水位高度不变，就得开 大进水阀门，增加进水量以作补 充。在本例中，进水阀门的开启 程度（简称开度）并非不是一成 不变度，而是根据实际水位的多 少（它发应出用水量的大小）进 行操作的。
2003.6
二、开环控制系统 控制系统从信号传送的特点或系统的结构形式来看，可分 为开环控制系统和闭环控制系统两大类。 图1－4所示的他激直流电动机转速控制系统就是一种开 控制系统。它的任务是控制直流电动机以恒定的转速带动负载 工作。系统的工作原理是：调节电位器Rw的滑块，使其给定 某个参考电压ur。该电压经电压放大和功率放大后成为ua，再 送往电动机的电枢，作为控制电动机转速之用。由于他激直流 电动机的转速n与电枢电压ua成正比（对同一负载而言），因 此，当负载转矩Mc不变时，只要改变给定电压ur，便可得到 不同的电动机转速n。换言之， ur与n具有一一对应的函数关 系。
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控制器 -
控制量
被控对象
输出量
检测元件
闭环控制系统
闭环控制系统是一种反馈控制，在控制过程中对被控量（输出量）不 断检测，并将其反馈到输入端与给定值比较，利用放大后的偏差信号产生 控制作用，但与此同时，反馈的引入使本来稳定运行的开环系统可能出现 强烈震荡，甚至不稳定，这是采用反馈控制构成的闭环控制时需要解决的 问题。
对不稳定系统及不满足性能指标要求的稳定系统需要重新设计，以达到系统要求。
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三.经典控制理论与现代控制理论
经典控制理论是以积分变换为主要数学工具，用频域方法，以描述输入与输出 外部关系的传递函数为基础、研究控制系统的动态特性的理论。 现代控制理论是以微分方程、线性代数为主要数学工具，用状态空间法，以 描述系统内部状态变量关系的状态方程为基础、研究系统状态运动的理论。 在解决多变量、多输入多输出、时变系统等问题方面，现代控制理论比较有 效，但在处理单变量线性定常系统问题上，现代控制理论尚不及经典控制理论及 方法简便实用。
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7
第四节
自动控制系统中的术语
扰动N
前向通道
给定输入R 比较环节
控制环节
被控对象
U
GO（S）
输出量C
-
偏差E
GC（S）
反馈量B
反馈通道
反馈环节H（S）
单闭环控制系统
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第五节
控制系统MATLAB计算及仿真
一.控制系统计算机仿真的基本概念 二.控制系统MATLAB计算仿真
采用MATLAB进行控制系统的辅助设计和仿真一 般分为建模、仿真、设计和实现等几个部分，针对每个 部分,MATLAB都提供了强有力的辅助工具，其良好的 交互界面，强大的计算功能使控制系统的设计和实现轻 松快捷，极大提高系统开发的速度和效率。
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四.单输入单输出系统（SISO）与多输入多输出系统（MIMO） 五.确定系统与不确定系统
第三节
自动控制理论概要
一.自动控制系统需要分析的问题
（1）稳定性：闭环控制系统正常工作的最基本的条件 （2）稳态响应：稳态情况下控制的准确度 （3）暂态响应：稳态情况下控制系统的过度响应
二.自动控制系统需要设计的问题
3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二节
自动控制系统的类型
一.随动控制系统与自动调节系统
随动控制系统又称伺服系统，自动调节系统又
称恒值调节系统。
二.线性和非线性系统
组成系统元件的特性均为线性，能用线性常微分 方程描述其输入与输出关系的称为线性系统。 如果线性常微分方程的各项系数都是与时间无关的 常数，则为线性定常系统，也称线性时不变系统。
自动控制原理
电气工程与自动化专业 专业基础课(必修课)
为自动控制学科专业基础课
1
第一章
序
论
自动控制理论概述
(开关量与模拟量控制)
第一节
输入量
开环控制和闭环控制
控制量
控制器
被控对象
输出量
开环控制系统
2
开环控制系统对外扰及内部参数变化的影响缺乏抑制力， 但开环系统结构简单，比较容易设计和调整，可用于内外扰动 对系统影响不大，且控制精度不高的场合。
4
系统元件中只要有一个元器件的特性不能用线性方程描述即为 非线性系统。 描述非线性系统的常微分方程中，输出量及其各阶导数不全是 一次的。
三.连续系统与离散系统
连续系统各部分的输入和输出信号都是连续函数的模拟量。 离散系统是指系统中某处或数处的信号以脉冲数码形式传递的 系统，如数字计算机或数字控制器，由于被控制量是模拟量，所以 这种系统中有数/摸（D/A）和摸/数（A/D）转换器。