南京理工大学+自动控制原理+讲义
自动控制原理(经典部分)课程教案
xx科技大学《自动控制原理》（经典部分）课程教案授课时间：适用专业、班级：编写人：编写时间：)())()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。
比较点前移比较点后移5、引出点的移动：移动前后保持信号的等效性。
自动控制原理第二章讲课文档
设初始条G 件(s)为 零C R ( ( ，s s) )并 对b a m 上n s s m 式n 进a b n m 行1 1 s s Ln m a1 p1 l ace 变 a b 1 换1 ss ， a b 经0 0整 理M N 得( (s s) ) ：
因 建 系统立而的复，数域使学和得模时控型域制可之系以间统用解的、析分频法析域或和和实校时验正域法较之建为间立困的。难联系。来所达以到，人，们通往过往根通轨过迹 法、频域法间接地达到分析和校正控制系统的目的。
本章只讨论解析法建立系统的数学模型。
第4页，共45页。
2．1 控制系统的微分方程
控制系统中的输出量和输入量通常都是时间t的函数。很多常见的元件或系统 的输出量和输入量之间的关系都可以用一个微分方程表示，方程中含有输出 量、输入量及它们各自对时间的导数或积分。这种微分方程又称为动态方程、 运动方程或动力学方程。微分方程的阶数一般是指方程中最高导数项的阶数， 又称为系统的阶数。
Fk k[y(t)yo]
(2-16)
且 mgkyo
（2-17）
（2-18）
（2-19）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
式中17、y1o为8、F=190）、代物m 入体d式处d 2y （于2 (tt2静)-1 平6）f衡d 得位d到(置y t)该时t 系弹k统簧(y t的的)运 伸动F 长(方量t)程，式将式（2-
第13页，共45页。
2．2 传递函数
一个控制系统性能的好坏，取决于系统的内在因素，即系统的结构参数，而与外 部施加的信号无关。因而，对于一个控制系统品质好坏的评价可以通过对系统结构 参数的分析来达到，而不需要直接对系统输出响应进行分析。 传递函数是在拉氏变换基础之上引入的描述线性定常系统或元件输入、输出关 系的函数。它是和微分方程一一对应的一种数学模型，它能方便地分析系统或元件 结构参数对系统响应的影响。
第一章自动控制原理详解演示文稿
工业应用的控制系统：电动、汽（气）动、液动。
第23页，共58页。
•闭环控制系统的方框图
扰动
给定 r(t)
e(t)
参考 输入信号
(-)偏 信差 号
控制 环节
放大 元件
调节器(或控制器)
u(t)
控制量
执行 机构
输出量
被控量
测量元件
反馈回路
图1.4 输入补偿的复合控制系统框图
第39页，共58页。
按扰动前馈补偿的复合控制方式
前馈补偿
干扰量
输入量
控制器
控制对象
输出量 被控量
测量元件
反馈回路
图1.3 干扰补偿的复合控制系统框图
第40页，共58页。
u0
+
+ +
ue 电压
+ 功率 ua +
n
SM
负载
放大
放大
R
比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定 元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。 如差动放大器、自整角机。
第22页，共58页。
反馈控制系统的基本组成
放大装置：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推 动执行元件。去控制被控对象，如放大器、晶闸管。
执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 如步进电机，继电器开关。
❖ 1948年,美国数学家N.Wiener出版《Cybernetics》 是一个控制科学里程碑。《控制论》的副标题是关 于人、动物及其通讯的科学。
第12页，共58页。
19世纪50年代末，控制计问题的重点从设计许多可行系统中 的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。 19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分 析的现代控制理论提供了可能。
南理工_控制工程课件_讲义1
State space theory, Linear algebra,
3) modern control
4) complex system control
Large scale control, robust and intelligent control
Fundamentals of Control Engineering - xiangzr@
Fundamentals of Control Engineering - xiangzr@
6）Basic Requirements (Performance)
7）Classification of Control System
8）Examples of Modern Control System
Fundamentals of Control Engineering - xiangzr@
1.6 Basic Requirements (Performance)
• Stability
• Quickness
• Accuracy
Fundamentals of Control Engineering - xiangzr@
dn d n 1 d a0 c ( t ) a c ( t ) a c (t ) an c(t ) 1 n 1 n n 1 dt dt dt dm d m 1 d b0 r ( t ) b r ( t ) b r (t ) bm c(t ) 1 m 1 m m 1 dt dt dt c (t ) output, r (t ) input
Fundamentals of Control Engineering - xiangzr@
Fundamentals of Control Engineering - xiangzr@
812自动控制原理参考书南理工
812自动控制原理参考书南理工“812自动控制原理参考书南理工”是一本重要的教材，它涵盖了自动控制原理的基础知识和应用实例。
本书共分为十三章，每一章都有清晰的主题和重点知识点。
在整本书中，作者以复杂的控制系统为基础，深入浅出地介绍了自动控制原理的概念和理论知识。
本书的第一章介绍了控制系统的基本组成部分，包括传感器、执行机构、控制器等。
在这一章中，读者将学习到如何选择合适的传感器和执行机构，并了解控制器的分类和工作原理。
在第二章中，作者详细介绍了控制系统的数学模型和传递函数。
读者将学会如何建立控制系统的数学模型，并利用传递函数分析系统的稳定性和响应时间等性能指标。
第三章至第七章分别介绍了控制系统的时间域分析、频域分析、根轨迹法、频率法等理论。
通过这些理论，读者能够深入理解控制系统的动态特性和稳态性能，并能够进行控制系统的优化设计。
在第八章至第十章中，作者介绍了PID控制器、模糊控制器和神经网络控制器等现代控制理论。
这些理论深入浅出，让读者了解到现代控制理论的发展和应用。
第十一章和第十二章介绍了现代控制理论的应用实例，包括飞行器自动驾驶控制系统、机器人控制系统、自动化生产线控制系统等。
这些实例帮助读者更好地理解控制理论和将其应用到实际的控制系统设计中。
最后一章涉及到数字控制系统和前沿控制理论，为读者提供了未来的学习方向和研究方向。
综上所述，“812自动控制原理参考书南理工”是一本系统、深入的自动控制理论教材，涵盖了自动控制理论的基础概念和现代控制理论的应用实例。
本书的内容详实、逻辑清晰，是自动控制专业学生和研究人员必备的教材。
精编自动控制原理讲义资料
自动控制原理：以自动控制系统为对象，学习研究从各类控制系统所抽象出来的，具有共性的规律（组成原理，数学模型，各种分析方法及基本设计方法）。
抽象性、综合性较强，用较多的数学工具解决应用问题。
第一章1.1 引言1.1.1 基本概念（1）自动控制：不需要人直接参与，而使被控量自动的按预定规律变化的过程，叫自动控制。
①不需要人直接参与；②被控量按预定规律变化。
（2）自动控制系统：为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体①实体；②有机组合1.1.2 自动控制技术及应用自动控制应用极为广泛，在工业、国防、航空航天、交通、农业、经济管理、以及人们的日常生活，处处可见。
1.1.3 自动控制理论的发展 一般可分为三个阶段：（1）第一阶段。
时间为本世纪40～60年代，称为“经典控制理论”时期。
三大分析方法:时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法.（2）第二阶段。
时间为本世纪60～70年代，称为“现代控制理论”时期。
（3）第三阶段。
时间为本世纪70年代末至今。
70年代末，控制理论向着“智能控制”方向发展。
（1）被控对象（2）被控量（被调参数，输出量）（3）给定量（参考输入量，给定信号）（4）扰动量（扰动输入量，扰动信号，干扰量）（5）测量信号（6）偏差信号（详见课本）1.2 自动控制技术中的基本控制方式系统的基本控制方式按有无反馈，即按结构分为三大类：开环控制、闭环控制、复合控制。
1.2.1 开环控制系统 (1)定义开环控制是一种最简单的控制方式，在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响。
示意图：优点：结构简单、调整方便、成本低缺点：控制精度低、对扰动没有控制能力。
用于输出精度要求低的场合。
若出现扰动，只能靠人工操作，使输出达到期望值1.2.2 闭环控制系统——重点控制装置与被控对象之间既有正向作用，又有反向联系的控制过程，也称为反馈控制①系统的输出参与控制，系统结构图构成回路②依靠偏差进行控制的系统，只要偏差存在，就有控制作用，其结果试图使偏差减小 ③控制精度高④对系统内部除反馈通道和给定通道外的一切扰动都有抑制作用 ⑤引起振荡1.2.3 复合控制系统将开环控制和闭环控制系统结合在一起，构成复合控制系统。
南京理工大学+自动控制原理+讲义
第一章自动控制的一般概念
5
学时安排
总学时80，其中理论68，实验12 一、自动控制的一般概念（２） 二、控制系统的数学模型（８） 三、线性系统的时域分析法（１0） 四、线性系统的根轨迹法（８） 五、线性系统的频域分析法（12） 六、线性系统的校正方法（10） 七、线性离散系统的分析与校正（10） 八、非线性控制系统分析（8）
F (t) F1 (t) F2 (t)
F (t) f dx(t) Kx(t) dt
式中F1（t）是阻尼器阻力，F2（t）是弹簧弹力
比较:
LC
d
2uo (t ) dt 2
RC
duo (t dt
)
uo
(t)
ui
(t)
相似系统——揭示了不同物理现象之间的相似关系。便于用 简单系统去研究相似的复杂系统。
第一章自动控制的一般概念
13
举例7：雷达技术
——搜索目标
2020/11/4
第一章自动控制的一般概念
14
自动控制理论的发展
自动调节原理（19世纪以前）
反馈理论
经典控制理论(19世纪初)
时域法、复域法 (根轨迹法)、 频域法
现代控制理论(20世纪60年代)
线性系统、自适应控制、最优控制、鲁棒控制、最佳估计、容 错控制、系统辨识、集散控制、大系统复杂系统
df (x) y f (x) f (x0) ( dx )x0 (x x0)
1 (
2!
d
2 f (x) dx2 )x0
(x
x0
)2
2020/11/4
2－1控制系统的时域数学模型
34
5.非线性元件微分方程的线性化(2)
当增量(
自控大纲 南理工
考试大纲（自动控制原理，共150分）（*号所注内容为考查的重点）一、总要求命题内容以胡寿松教授主编的教材《自动控制原理》为主要参考书，全面考查考生对自动控制原理的基本概念、基本方法掌握的程度及运用基本概念、原理、灵活解决问题、分析问题的能力。
二、命题范围及考查的知识点1 自动控制的基本概念（做简单的基本了解，是控制类的常识）1）自动控制系统三种基本控制方式：开环控制、闭环控制、复合控制；*2）反馈控制的机理；*3）闭环控制系统的基本组成；*4）对控制系统的基本要求。
2 控制系统的数学模型（其中结构图化简，求解传递函数为重点，通常在卷子的第一题进行考察，15-20分）微分方程、传递函数和结构图是描述系统数学模型的三种主要形式，重点考查：*1）传递函数定义及性质，结构图的概念；*2）获取具体物理系统的传递函数，以及绘制系统结构图的方法；3）通过结构图的化简，求取开环传递函数、闭环传递函数、误差传递函数及干扰信号作用下的闭环传递函数；（在题型设置中，可能会让求多种信号作用下的传递函数，2013年真题）4）一般了解信号流图的建立及梅逊公式的应用。
(在求解传递函数的题中，没有要求用结构图化简，若是麻烦可用梅森公式进行求解，在结构图化简后也可以用梅森公式来进行验证)3 线性系统的时域分析法（重点，一般考察两个大题，第2.3题，并且在之后的小题中也会有考察）重点考查考生对系统稳定性、稳态误差、动态品质等性能的分析方法。
*1）系统性能指标的定义；（一般经典题型会直接用公式进行计算和给参数进行比较，但也有通过定义来进行计算的，所以定义要记清楚）*2）系统稳定性概念、劳斯稳定判据及其应用；(劳斯判据在现代控制当中也会用到，还有离散系统判别稳定时也用到，要掌握好，并且劳斯判据中几种特殊情况所对应的系统特征也要记清楚，2007，2)*3）一阶、二阶系统（主要是二阶）的动态性能分析，二阶系统阶跃响应的分析及动态性能指标的计算；（二阶系统中会有很多公式，算超调之类的）*4）系统类型的定义、静态误差系数的定义及计算方法，利用静态误差系数计算系统的稳态误差；（系统的类型在绘制奈式图的时候会应用到，对于简单绘制奈式图比较重要；在计算稳态误差的时候通过系统的类型也可以直接用公式计算，各个公式要记熟。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一章自动控制的一般概念
13
举例7：雷达技术
——搜索目标
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
14
自动控制理论的发展
自动调节原理（19世纪以前）
反馈理论
经典控制理论(19世纪初)
时域法、复域法 (根轨迹法)、 频域法
现代控制理论(20世纪60年代)
线性系统、自适应控制、最优控制、鲁棒控制、最佳估计、容 错控制、系统辨识、集散控制、大系统复杂系统
LC
d
2uo (t ) dt 2
RC
duo (t ) dt
uo
(t)
ui
(t)
2020/4/27
2－1控制系统的时域数学模型
ut 测速电机
u0 电
功
压 ue 放 uv
大
uc 率 ua 放
大
R
n
SM
负载
2020/4/27
i
ub
电压 放大
uR
ut +
TG
-
第一章自动控制的一般概念
19
自动控制系统的组成
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
20
自动控制系统的分类
按控制 方式分
开环控制 闭环控制 复合控制
按元件 类型分
机械系统 电气系统 机电系统 液压系统 气动系统 生物系统
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
1
课程性质
学科基础课！
控
现
计
制
代
运
过
算
系
控
动
程
机
统
制
控
控
控
仿
理
制
制
制
真
论
自动控制原理
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
2
课程任务
➢获得自动控制系统的基本理论； ➢掌握分析和综合自动控制系统的基本方法； ➢具有初步的系统实验基本技能； ➢为设计自动控制系统打下坚实的基础。
第一章自动控制的一般概念
5
学时安排
总学时80，其中理论68，实验12 一、自动控制的一般概念（２） 二、控制系统的数学模型（８） 三、线性系统的时域分析法（１0） 四、线性系统的根轨迹法（８） 五、线性系统的频域分析法（12） 六、线性系统的校正方法（10） 七、线性离散系统的分析与校正（10） 八、非线性控制系统分析（8）
2020/4/27
ut
测第一速章自电动机控制的一般概念
17
复合控制
给定量
补偿装置
被控量
控制器 被控对象
检测装置
按输入补偿
给定量
2020/4/27
补偿装置 控制器
扰动量 被控量
被控对象
检测装置
按扰动补偿
第一章自动控制的一般概念
18
按扰动补偿复合控制 ub 补偿装置 uR 负载转矩
u0 ue 压放 uv uc 功放 ua 电动机 n
• 2-1 控制系统的时域数学模型(2) • 2-2 控制系统的复域数学模型(2) • 2-3 控制系统的结构图(4)
2020/4/27
2－1控制系统的时域数学模型
24
2-1 控制系统的时域数学模型
• 1.线性元件的微分方程 • 2.控制系统微分方程的建立 • 3.线性系统的特性 • 4.线性定常微分方程的求解 • 5.非线性元件微分方程的线性化 • －－切线法或小偏差法
方框图：
放大
功率 ua 电动 n
放大
机
一般形式：给定量
2020/4/27
控制器
被控量 被控对象
第一章自动控制的一般概念
16
闭环控制 给定量
u0 + 电
ue
压 放
-大
功+
率 放
ua
大-
控制器
被控对象 被控量
检测装置
n
SM
负载
ut +
TG
-
方 电 u0 ue 电压
功率 ua 电动 n
框位
放大 放大
机
图器
➢自动控制系统＝被控对象＋控制器
➢被控量（输出量）
➢给定量（输入量）
➢扰动量:①影响被控量②不希望，却无法避免。
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
8
举例2：蒸汽机调速器
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
9
举例3：飞机俯仰角控制示意图
给定电位器
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
将系统的输出信号引回输入端，与输入信 号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达 到减小偏差、消除偏差的目的。
——构成闭环控制系统的核心
闭环(反馈)控制系统的特点：
(1) 构成负反馈（形式上） (2) 偏按差控制（实质上）
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
23
第二章 控制系统的数学模型(8)
反馈电位器
10
举例4：人造地球卫星
中巴资源卫星
哈勃望远镜－特殊卫星
——控制其准确地进入预定轨道运行并回收
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
11
举例5：无人驾驶飞机
——按预定轨迹飞行
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
12
举例6：我国研制的地空导弹
制导导弹 ——瞄准目标
2020/4/27
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
6
举例1：水位控制系统
控制器
Q1
浮子
c
电位器
减速器
用水开关
Q2
电动机
SM
if
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
7
自动控制基本概念
➢自动控制，是指没有人直接参与的情况下，利 用外加的设备或装置（控制装置或控制器）， 使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个 工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的 规律（给定量）运行。
智能控制理论(20世纪70年代)
专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法 总之，自动控制理论是研究自动控制系统组成，进行系统
分析与设计的一般性理论。是研究自动控制过程共同规律的技
术学科。
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
15
开环控制
+电
u0
压 放
-大
功+
率 放Biblioteka uaif大-n
SM
负载
u0 电压
按系统 性能分
线性系统 非线性系统 连续系统 离散系统 定常系统 时变系统 确定性系统
不确定性系统
按参据量 恒值控制系统 变化规律分 随动系统
程序控制系统
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
21
对自动控制系统的基本要求
稳定性 快速性 准确性
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
22
重点：负反馈原理
2020/4/27
2－1控制系统的时域数学模型
25
1.线性元件的微分方程(1)
例:图示RLC无源网络，列出u以i (t) 为输入量，以uo (t)
为输出量的网络微分方程。
解：
di(t ) L dt Ri(t ) uo (t ) ui (t )
i(t ) C duo (t ) dt
消去中间变量，得：
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
3
课程特点
——理论性很强，同时注重结合工程实践。
信号与系统 电路理论 电机与拖动
复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术
自动控制理论
线性代数
大学物理（力学、热力学）
微积分（含微分方程）
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
4
课程要求
听 记 做
2020/4/27