经典：对控制系统的基本要求
自动控制原理(经典部分)课程教案
学习好资料欢迎下载山东科技大学《自动控制原理》（经典部分）课程教案授课时间：2007－2008学年第1学期适用专业、班级：自动化2005－1、2、3班**人：***编写时间：2007年7月)())()m n s z s p --221)(1)21)(1)i j s s T s T s ζττζ++++++ 极点形成系统的模态，授课学时：2学时章节名称第二章第三节控制系统的结构图与信号流图（1）备注教学目的和要求1、会绘制结构图。
2、会由结构图等效变换求传递函数。
重点难点重点：结构图的绘制；由结构图等效变换求传递函数。
难点：复杂结构图的等效变换。
教学方法教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲多练的方法突出重点，用分析举例的方法突破难点。
2、教学手段：以传统的口述、粉笔加黑板的手段为主。
教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）一、引入（约3min）从“用数学图形描述系统的优点”引入新课。
二、教学进程设计（一）结构图的组成（约7min）1、信号线：表示信号的传递方向。
2、方框：表示输入和输出的运算关系，即C(S)=R(S)*G(S)。
3、比较点：表示两个以上信号进行代数运算。
4、引出点：一个信号引出两个或以上分支。
（二）结构图的绘制（约40min）绘制：列写微分方程组，并列写拉氏变换后的子方程；绘制各子方程的结构图，然后根据变量关系将各子结构图依次连接起来，得到系统的结构图。
例题讲解。
（二）结构图的简化（约46min）任何复杂的系统结构图，各方框之间的基本连接方式只有串联、并联和反馈连接三种。
方框结构图的简化是通过移动引出点、比较点、交换比较点，进行方框运算后，将串联、并联和反馈连接的方框合并，求出系统传递函数。
1、串联的简化：12()()()G s G s G s=2、并联的简化：12()()()G s G s G s=±3、反馈连接方框的简化：11()()1()()G ssG s H sΦ=4、比较点的移动：移动前后保持信号的等效性。
第一章控制系统的基本概念
1．给定元件 主要用于产生给定信号或输入信号。例如，图1.2中电位计 里的可变电阻。 2．反馈元件 它测量被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便 于传输，主反馈信号多为电信号。因此，反馈元件通常是一些用 电量来测量非电量的元件。 必须指出，在机械、液压、气动、机电、电机等系统中存在 着内在反馈。这是一种没有专设反馈元件的信息反馈，是系统内 部各参数相互作用而产生的反馈信息流，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。内在反馈回路由系统动力学特性确定，它所 构成的闭环系统是一个动力学系统。 3．比较元件 用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差 值的偏差信号。例如，图1.2中的电位计。
准确地复现控制信号
的变化规律（此即伺
服的含义）。控制指
令可以由操作者根据
需要随时发出，也可
以由目标物或相应的 测量装置发出。
图1.7 液压仿形车床工作原理图
图1.7所示为液压仿形车床工作原理图。当阀心8处于图示中 间位置时，没有压力油进入液压缸前后两腔，液压缸不动。当阀 心偏离中位，例如向前伸出时，节流口2、4保持关闭，节流口1、 3打开，压力油经节流口3进入液压缸前腔，而其后腔的油液经 节流口1流回油箱，缸体带动刀具向前运动；同样，当阀心偏离 中位向后收缩时，节流口1、3关闭，2、4打开，压力油经节流 口2进入液压缸后腔，而缸前腔的油液则经节流口4流回油箱， 缸体带动刀具向后运动。图中，液压缸缸体和控制阀阀体连成一 体，形成液压缸运动的负反馈，使液压缸缸体与阀心的运动距离 和方向始终保持一致，所以液压缸缸体（刀具）完全跟随阀心 （触销8）运动。因此，这是一个随动（伺服）系统。
若参数配置不当，很容易引起振荡， 由11台小型电动机驱动
孙炳达 自动控制原理第1章
注意： 反馈有正、负之分。反馈信号的极性与输入信号的极性相反，从而产生
一偏差信号的反馈方式，称负反馈；反馈信号的极性与输入信号的极性相同，称正 反馈，正反馈方式只可能在局部反馈中采用；所有闭环系统，都是负反馈控制系统。
2、水温的自动控制的示意图
采用自动控制时，上述功能都用相应的元件和仪表来代替。 例如，用温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。7
自动控制的基本方式
二、基本控制方式(3种)
1、开环控制方式 (1)定义： 控制系统的输出量对系统不产生作用的控制方式，称为开环控制方式。 具有这种控制方式的有机整体，称为开环控制系统。 如果从系统的结构角度看，开环控制方式也可表达为，没有系统输出量 反馈的控制方式。
系统中，Ug 是给定输入量；电动机的转速n是系统的输出量， 即被控量；电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等， 是扰动输入量。
可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控 制。
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自动控制的基本方式
(2) 职能方框图
任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的方 框图表示。
2、闭环控制方式：
(1) 定义
系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，参予了系统控制的方式，称 为闭环控制方式。
如果从系统的结构看，闭环控制方式也可表达为，有系统输出量反馈的
控制方式。
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自动控制的基本方式
举例：速度控制系统
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自动控制的基本方式
工作原理
开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统 输出量即电动机转速并转换为电压。
——齐次性
（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述X的r1(t)系统。
自动控制原理--第1章 自动控制理论的一般概念
1-3 典型控制系统
恒值系统：
也称镇定系统。输出量以一定的精度等于 给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢， 扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产 过程中，这类系统非常多。例如：恒温系统， 恒压系统等。
例 锅炉空气预热器密封间隙控制系统
系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算 机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调 整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。
u
~220V
开关闭合后，不同 的输入电压u对应于 不同的温度t。
炉温开环控制系统
扰动量
输入量 (电源 )
开关
加热电 阻丝
控制装置
电炉恒 温箱
受控对象
输出量 (温度)
炉温开环控制系统方框图
扰动
给定值
控制器
被控制 对象
典型开环控制的方框图
输出量
系统框图帮助理解系统的构成和性质
开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.
第1章 自动控制理论的一般概念
1-1 自动控制发展史 1-2 自动控制的基本方式 1-3 典型控制系统 1-4 对于自动控制系统的要求
1-1 自动控制发展史
经典控制理论（20世纪40年代及其以前）
主要研究单输入单输出线性定常系统 时域、频域和复域分析和设计问题。
现代控制理论（20世纪60年代）
主要研究多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统 分析和设计问题；最优控制问题。
(c)
五、复合控制
它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主
要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组
成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生
控制的基本要求
控制的基本要求
1、控制工作要具有全局观点
由于组织的一切行为都应当围绕组织的目标实现展开，因此控制工作应当着眼于从组织发展的全局出发，有计划、有步骤地开展。
2、控制工作应面向组织的未来发展
组织应当在一个较长的历史时期不断发展壮，而不只是一时的发展，因此，控制工作一方面保证当前目标的实现；另一方面必须着眼于组织的长远发展。
3、控制工作应确立客观的标准
管理工作中有许多主观因素，但是对于各项工作的评价不能主要依靠主观来进行。
在需要凭主观评价来控制的那些地方，主管人员或下级的个性很可能会影响到判断评价结果。
因此，在控制过程中，主要采取客观标准，主观标准只能起辅助的作用。
只有当无法找到适当的客观标准时，再选择主观标准作为评价的基础。
4、控制工作应符合有关参与人员的要求
控制工作需要一定的人员来执行，建立的控钒系统，必须符合有关人员的实际情况，使他们能够理解并自觉地运用，推动控制过程的进行。
自动控制复习题库
一：填空题1、控制系统的基本要求是（稳定性）、（快速性）、（准确性）。
2、线性定常控制系统的传递函数是零初始条件下，（输出变量）与（输入变量）的拉氏变换之比。
3、一个稳定的线性系统的稳态误差取决于（系统型别）、（开环增益）与（输入信号的类型和幅值）。
4、常用的校正方式有（串联校正）、（反馈校正）、(前馈校正)（复合校正）。
5、反馈控制原理是（利用偏差消除偏差）。
6、线性系统的基本特性是可以应用叠加原理，即具有（齐次性）与（可叠加性）。
7、一个线性定常控制系统稳定的充分必要条件是（闭环极点均严格位于s 左半平面）。
8、线性系统的频率特性包括（幅频特性）与（相频特性）。
9、若负反馈前向通道的传递函数为G （s ），反馈通道的传递函数为H （s ），则开环传递函数为（)()(s H s G ），闭环传递函数为（)()(1)(s H s G s G +）。
10、在斜坡函数的输入作用下，（0）型系统的稳态误差为无穷大。
11、在斜坡函数的输入作用下，（Ⅱ）型系统的稳态误差为零。
12、一阶惯性环节的传递函数11+Ts ，它的幅频特性的数学式是（2211T ω+），它的相频特性的数学式是（T ωarctan -）。
13、已知系统的开环传递函数为)23(33)(2+++=s s s s s G ,称之为（Ⅰ）型系统，系统的开环极点为（-1），（-2），（0），零点为（-1）。
14、惯性环节的传递函数表达式为G （s ）=（11+Ts ）。
15、一阶微分环节的传递函数表达式为G （s ）=（1+Ts ）。
16、积分环节的传递函数表达式为G （s ）=（s1）。
17、在斜坡函数的输入作用下，（0）型系统的稳态误差为无穷大。
18、函数t e t f 63)(-=的拉氏变换式是（63+s ）。
19、一阶微分环节的传递函数为1s τ+，它的幅频特性的数学式是，它的相频特性的数学式是（arctan ωτ）。
20、控制系统常用的校正方式（串联校正）、（并联校正）、（前馈校正）、（复合校正）。
自动控制原理教案
自动控制原理教案经典控制部分第一章控制理论一般概念3学时 (2)第二章控制系统的数学模型9学时 (6)第三章控制系统的时域分析10学时 (15)第五章频率特性12学时 (26)第六章控制系统的校正与设计8学时 (36)第七章非线性系统8学时 (40)第八章离散控制系统8学时 (45)第一章控制理论一般概念3学时1．本章的教学要求1）使学生了解控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容，认识本学科在国民经济建设中的重要作用，从而明确学习本课程的目的。
2）使学生深入理解控制系统的基本工作原理、开环闭环和复合控制系统、闭环控制系统的基本组成等内容，学会利用所学控制原理分析控制系统。
3）使学生学会控制系统的基本分类方法，4）掌握对控制系统的基本要求。
2．本章讲授的重点本章讲授的重点是控制系统的基本概念、反馈控制原理、控制系统的的基本分类方法及对控制系统的基本要求。
3．本章的教学安排本课程讲授3个学时，复习学时3个。
演示《自动控制技术与人类进步》及《自动化的应用举例》幻灯片，加深同学对本课程研究对象和内容的了解，加深对反馈控制原理及系统参数对系统性能影响的理解。
[教案1-1]第一节概述1．教学主要内容：本讲主要介绍控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容。
2．讲授方法及讲授重点：本讲首先介绍控制工程研究的主要内容，给出定义，并以瓦特发明的蒸汽机离心调速器为例，说明需要用控制理论解决控制系统的稳定、准确、快速等问题。
其次，在讲授控制理论的发展时，主要介绍控制理论的发展的三个主要阶段，重点说明经典控制理论、现代控制理论研究的范围、研究的手段，强调本课程重点介绍经典控制理论。
另外，在介绍控制理论在工程中的应用时，应举出控制理论在军事、数控机床、加工中心、机器人、机电一体化系统、动态测试、机械动力系统性能分析、液压系统的动态特性分析、生产过程控制等方面的应用及与后续课的关系，激发同学的学习兴趣。
中南大学自动控制原理期末试卷
一、填空题（每空 1 分，共20分）1、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 。
2、控制系统的 称为传递函数。
一阶系统传函标准形式是 ，二阶系统传函标准形式是 。
3、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。
4、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。
5、线性系统的对数幅频特性，纵坐标取值为 ，横坐标为 。
6、奈奎斯特稳定判据中，Z = P - R ，其中P 是指 ，Z 是指 ，R 指 。
7、在二阶系统的单位阶跃响应图中，s t 定义为 。
%σ是 。
8、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 。
9、设系统的开环传递函数为12(1)(1)Ks T s T s ++，则其开环幅频特性为 ，相频特性为 。
二、判断选择题(每题2分，共 16分)1、关于线性系统稳态误差，正确的说法是：( )A 、 一型系统在跟踪斜坡输入信号时无误差 ；B 、 稳态误差计算的通用公式是20()lim 1()()ss s s R s e G s H s →=+；C 、 增大系统开环增益K 可以减小稳态误差；D 、 增加积分环节可以消除稳态误差，而且不会影响系统稳定性。
2、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。
3、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4、非单位负反馈系统，其前向通道传递函数为G(S)，反馈通道传递函数为H(S)，当输入信号为R(S)，则从输入端定义的误差E(S)为 ( )A 、 ()()()E S R S G S =⋅B 、()()()()E S R S G S H S =⋅⋅C 、()()()()E S R S G S H S =⋅-D 、()()()()E S R S G S H S =- 5、已知下列负反馈系统的开环传递函数，应画零度根轨迹的是 ( )。
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第一章 小结
➢ 本章介绍了自动控制和自动控制系统的基本概念、 有关名词术语及控制理论发展的几个重要阶段;
➢ 说明了开环控制和闭环控制两种基本控制方式，指 出“反馈”是自动控制原理的一个非常重要的概念;
➢ 介绍了控制系统分类的一般方法; ➢ 用方框图来表示其工作原理和信号的传递过程; ➢ 系统分析可分为三方面的内容：稳定性分析、动态
定性是指系统在受到扰动作用后 自动返回原来的平衡状态的能力。
➢ 如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能 自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。
➢ 稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反 之，系统是不稳定系统。
➢ 稳定性是系统能正常工作的前提条件; ➢ 控制系统稳定与否只与系统本身的结构参数有关，
1.动态偏差（最大超幅量）
2.振荡周期
3.调节过程时间
4. 峰值时间
5.上升时间
6.延滞时间
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1．动态偏差（最大超幅量） 被调参数在过渡过程中，第一个最大峰值超出新稳态y(∞) 的量，称为最大超调量 ，常称动态偏差。设计调节系统 时，必须对此做出限制性规定， 大，则品质差。
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2.振荡周期 调节系统过渡过程中，相邻两个波峰所经历的时间，或震 荡一周所需时间，叫做振荡周期 。
与外部条件无关。
2
调节系统的过渡过程可以用被调参数与时间坐标曲线描述，也 可以用微分方程来描述。在单位阶跃干扰作用下，分析过渡过程 中被调参数的变化规律，并以此来评价调节系统的调节质量，因 此过渡过程曲线是调节系统的调节质量好坏的写照。
图1-15调节系统过渡过程与调节质量指标图
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1.衰减率 Ψ
——过渡过程的第三个波幅值；
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3. 调节过程时间 调节过程时间亦称过渡过程时间，它是指调节系统受到
干扰作用，被调参数开始波动到进入新稳定值上下+5% ～ （+2%）范围内所需时间。
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4. 峰值时间
过渡过程达到第一峰值所需的时间，即达到最大偏差值 所经历的时间。
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5.上升时间tr——它有几种定义： (1) 响应曲线从稳态值的10%到90%所需时间； (2) 响应曲线从稳态值的5%到95%所需时间； (3) 响应曲线从零开始至第一次到达稳态值所需的时间。
达到新的平衡时，被调参数的新稳定值与给定值之差。
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2.最大偏差 由图1-15可知，最大偏差
= + y(∞)。
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制冷空调对象属慢热工作对象，有些参数（如温度） 的调节目的是为了改善工作和生活条件，故对动态偏 差要求可以放宽一些，调节过程时间要求也不严，往 往只对静态偏差要求严格。如此可以给调节系统设计 带来方便，突出了稳定性和静态偏差两个指标，而把 其它质量指标放在次要地位。
第四节 对控制系统的基本要求 及其评价指标
对系统的要求和对系统性能的评价通常可分为三个方面：
系统的稳定性； 系统的动态性能； 系统静态性能。
工程性能评价可以通过一些调节质量指标来实现。评价调
节过程质量的好坏，可以从分析调节过程的微分方程入手，
也可以从分析过渡过程曲线入手。但是调节质量指标分析
大都是按过渡过程曲线形状来讨论，通过对过渡过程分析
性能分析和静态性能分析。
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练习题
电冰箱制冷原理图如图所示，简述系统工作原理，指 出被控对象，被控量和给定量，并画出系统方框图。
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一般对有振荡的系统常用“(3)”，对无振荡的系统常用“(1)1”1。
6.延滞时间 响应曲线到达稳态值50%所需的时间.
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三、系统静态特性
指稳定的系统在过渡过程结束后，其稳态输出偏离 希望值的程度，用稳态误差来度量，这是系统精度的 衡量指标。
描述静态特性的参数有:
1.静态偏差
2.最大偏差
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1.静态偏差y(∞) 也称残余偏差或稳态偏差，它表示调节系统受干扰后，
——过渡过程的第一个波幅值，
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2.衰减比 衰减比为被调参数在过渡过程中的第一个波峰 值与第三个波峰值的比值
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二、系统动态特性
当系统受到外部扰动的影响或是参考输入发生变化
的时候，被控量就会随之发生变化，经过一段时间后，
被控量恢复到原来的平衡状态或到达一个新的给定状
态，称这一过程为过渡过程。
描述动态特性的参数有: