石群自动控制原理视频教程(前6章)
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。
自动控制原理(程鹏)
高等教育出版社 高等教育电子音像出版社
1
版权信息： 版权所有属于高等教育出版社和作者
2
序 言
本《自动控制原理多媒体教学课件 》是根据程鹏主编的 《自动控制原理》 (第二版)一书而编辑的,使用PowerPoint2000 下编辑而成，故建议在Office2000及Mathtype5.1环境中进行浏 览和修改。 本文稿基本涵盖了教材各章节的主要知识点。可作为使用 该教材的教师课堂演示文稿的蓝本，以省去教师对文字、公式 和插图等的录入时间，可以让教师们把更多的精力去考虑教学 内容的编排以及课堂教学的组织等更重要的问题,还可为自学本 书的读者提供一个课堂教学的主要线索，因此在文稿中还选编 了一些基本内容和方法的提示和总结，期望对读者理解本书的 内容有所帮助。出版这个多媒体课件可以说是抛砖引玉，期望
55目录第1章自动控制原理的一般概念第2章自动控制系统的数学模型第3章时域分析法第7章非线性系统分析第4章根轨迹法第5章频域分析法第6章控制系统的校正第8章采样系统理论第9章状态空间分析方法66目录使用说明双击选定章节就可进入相应章节的目录您会看到各章的基本要求和具体章节点击便可进入具体小章节由于是使用不同章节间的超级链接请在复制时将所有章节复制在同一个文件中链接速度可能会稍慢请耐心等待
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文稿中，各章节标题均用隶书40pt字，每节中二级标题用楷 文稿中，各章节标题均用隶书40pt字，每节中二级标题用楷 体36pt字。对于定义、定理均用蓝色加粗标明。在文字描述 36pt字。对于定义、定理均用蓝色加粗标明。在文字描述 中，彩色加粗的文字均为关键字。在装有M 中，彩色加粗的文字均为关键字。在装有Mathtype5.1的前提 下，对公式的编辑可通过双击公式进入公式编辑器进行修改 ，单击公式，可随意拉动以调整公式显示的大小和位置。
自动控制原理 前置课程
自动控制原理前置课程1. 电路理论在学习自动控制原理之前，我们首先需要掌握电路理论的基础知识。
电路理论是研究电流、电压、电阻等电学量之间的关系的学科。
了解电路理论可以帮助我们理解自动控制原理中的电路模型和信号传输。
2. 数学分析自动控制原理是一门应用数学的学科，因此在学习之前，我们需要具备一定的数学基础。
数学分析包括微积分、线性代数等内容，这些内容在自动控制原理中经常被用到。
熟练掌握数学分析可以帮助我们理解自动控制原理的数学模型和求解方法。
3. 信号与系统信号与系统是自动控制原理的基础，它研究的是信号的产生、传输和处理。
在学习自动控制原理之前，我们需要了解信号的基本概念、信号的分类以及信号的时域和频域表示方法。
此外，我们还需要学习系统的定义、系统的性质以及系统的时域和频域分析方法。
自动控制原理概述自动控制原理是一门研究如何设计、分析和应用控制系统的学科。
控制系统是由传感器、执行器和控制器组成的，它能够自动调节系统的输出，使其达到预期的目标。
自动控制原理涉及到信号处理、数学建模、系统分析、控制器设计等方面的知识。
自动控制原理的主要内容包括：1.系统建模与分析：通过数学建模的方法，将实际系统抽象成数学模型，并对系统进行分析，得到系统的性质和行为。
2.控制器设计：根据系统的数学模型和性质，设计合适的控制器来实现对系统的控制。
3.系统稳定性分析：分析系统的稳定性是自动控制原理中非常重要的一部分。
稳定性分析可以保证系统在各种工况下都能够正常运行。
4.鲁棒性设计：自动控制系统通常会受到外界干扰和参数变化的影响，鲁棒性设计可以保证系统对这些干扰和变化具有一定的抵抗能力。
5.优化控制：优化控制是在满足系统约束条件的前提下，寻找系统输出的最优解。
通过优化控制可以提高系统的性能和效率。
自动控制原理的应用自动控制原理广泛应用于各个领域，包括工业控制、航空航天、电力系统、交通运输、环境保护等。
下面列举了一些自动控制原理在实际应用中的例子：1.温度控制：在工业生产中，常常需要对温度进行控制。
自动控制原理课件胡寿松官方版
三个反馈回路，L1=G2G3H1 L2=－G3G4H2 L3=－G1G2G3G4H3
三个回路相互接触，△=1 －(L1 +L2 +L3)
调节时间tsຫໍສະໝຸດ *动态性能指标定义2
h(t)
t
上升时间tr
调节时间 ts
*
动态性能指标定义3
h(t) t ts B 100%
A
tr
σ%=
tp
A
B
*
一阶系统时域分析
无零点的一阶系统 Φ(s)=
Ts+1
k
, T
时间常数
(画图时取k=1,T=0.5)
单 位 脉 冲 响 应
k(t)=
T
1
e-
T
t
k(0)=
劳斯表出现零行系统一定不稳定
*
误差定义
G(s)
H(s)
R(s)
E(s)
C(s)
B(s)
输入端定义：
E(s)=R(s)-B(s)=R(s)-C(s)H(s)
G(s)
H(s)
R(s)
E(s)
C(s)
H(s)
1
R(s)
ˊ
ˊ
输出端定义：
E(s)=C希-C实= -C(s)
R(s)
H(s)
*
202X
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第二章 控制系统的数学模型
汇报日期
2.2.1 传递函数的定义和性质 传递函数传递函数是系统（或元件）一个输入量与一个输出量之间关系的数学描述，它不涉及系统内部状态变化情况，为输入—输出模型。
意义：
1. 定义 零初始条件下，线性定常系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比，称为该系统的传递函数，记为G(s)，即：
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
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
自动控制原理课件：自动控制系统概述
本章思考题：
• 自动控制的实质是什么？ • 闭环控制的结构使得其具有哪些优缺点？ • 对自动控制系统的基本要求有哪些？
随动系统与自动调整系统 线性系统与非线性系统 连续系统和离散系统 单输入单输出系统和多输入多数出系统
1.5 自动控制系统的基本要求 稳定性 稳态性能指标 暂态性能指标
经典控制理论的主要分析方法:时域分析，频域分析
1.6 控制系统数字仿真实践的必要性
进行数字仿真实 验在某种意义上比理 论和试验对问题的认 识可以更为细致，不 仅可以了解问题的结 果而且可以通过设定 仿真条件等方式连续 动态、重复地显示控 制系统发展演化的中 间过程，方便了解直 观试验不易观测到的 整体与局部细节过程。
自动控制系统概述
目 录
CONTENTS
1.1 引言 1.2 开环控制和闭环控制 1.3 闭环自动控制系统的基本组成 1.4 自动控制系统的分类 1.5 自动控制系统的基本要求 1.6 控制系统数字仿真实践的必要性
1.1 引言
自动控制的基本概念
自动控制 自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和
闭环控制的特点
控制器与被控对象之间既有信号的正向作用，又 有信号的反馈作用。
优点：抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。
缺点：设计不合理时，将出现不稳定。在开控制器 2-控制对象 3-检测装置
1.3 闭环自动控制系统的基本组成
1.4 自动控制系统的分类
工艺过程进行合理的调节，使期望的物理量保持恒定，或者按照一定 的规律变化。
自动控制系统 自动控制系统是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。
1.2 开环控制和闭环控制
图1-1 电炉加热系统 1-控制器（调压器） 2-被控对象（电炉箱）
自动控制原理 前置课程
自动控制原理前置课程自动控制原理是电气工程、自动化及相关专业的一门重要课程，它涉及到系统建模、稳定性分析、控制器设计等多个方面。
在学习自动控制原理之前，需要掌握一系列的前置课程，以便更好地理解和应用自动控制原理。
一、自动控制原理概述自动控制原理主要研究如何实现自动化控制，通过对系统的建模、分析和控制，使系统在不同条件下达到预期性能。
这门课程的核心内容包括线性系统、非线性系统、稳定性分析、状态观测器、状态反馈控制器等。
学习自动控制原理，可以更好地理解和应用控制系统，提高工程实践能力。
二、前置课程分析1.数学基础课程：自动控制原理涉及大量的数学知识，如微积分、线性代数、概率论等。
掌握这些数学基础知识，有助于理解自动控制原理中的建模、分析和控制器设计等环节。
2.物理基础课程：自动控制原理中的很多概念和原理都与物理学密切相关，如力学、电磁学等。
学习这些物理课程，可以加深对自动控制原理的理解，提高解决实际问题的能力。
3.电气工程相关课程：如电路原理、信号与系统、电力电子技术等。
这些课程为自动控制原理提供了实际应用背景，学习这些课程可以更好地将自动控制原理应用于实际工程中。
三、自动控制原理的应用领域自动控制原理在众多领域都有广泛的应用，如工业控制系统、机器人控制、飞行器控制、交通运输系统控制等。
学习自动控制原理，不仅可以提高理论水平，还能为实际工程应用奠定基础。
四、学习自动控制原理的方法与建议1.注重理论联系实际：在学习过程中，要关注理论知识与实际工程应用的结合，通过实例加深对自动控制原理的理解。
2.加强数学基础：数学知识是学习自动控制原理的基础，要重视数学课程的学习，提高自己的数学素养。
3.多做练习题：通过做习题，检验自己对自动控制原理的理解和掌握程度，及时发现并弥补自己的知识盲点。
4.参加学术活动：积极参加相关学术活动，与同行交流自动控制原理的最新研究成果和应用经验，拓宽自己的视野。
5.动手实践：在实际项目中应用自动控制原理，提高自己的实际操作能力和解决问题的能力。
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》教程内容 (适用“胡寿松《自动控制原理》 第五版”教材) 一、免费部分 (1)0石群自动控制原理 (2)石群自动控制原理第 1讲至第10讲（免费） (3)石群自动控制原理第 11讲至第20讲（免费） (4)石群自动控制原理 第21讲至第30讲（免费） (5)石群自动控制原 理第31讲至第40讲（免费）
（ 线性系统 一一系统巾所有元件的特性都是线性的 。 按系统性能：
｛ （ 非线性系统 （ 定常 （ 时不变 ）系统 一 数不随时 阳 时变系统 （ 连续系统一系统 散系统 （确定 阳一 本课 程 只涉 及确 定 阳 性系统 不确定 系 统 阳 和 参 。 离
分信号随着时叫变化 。
石 群课件
.z-.
’
1-4 对自动控制系统的基本要求 J稳定性 由系统结构决定。
J快速性
动态（暂态）特性。
J准确性
静态（稳态）特性。
典型外作用（信号）
（1）阶跃信号 （2）斜坡信号 （3）脉冲信号 （4）正弦信号
回顾：
（1）阶跃响应 （2）冲激响应 （3）正弦响应 （4）八一拆分
1-5 自动控制系统的分析与设计工具 J Matlab 》 草稿纸式编程语言 》 良好的人机界面 》 结论可做一定等级的理论论据 》 Simulink工具箱
工作原理： 被控对象一一 电动机
石
．
系统方框图 ：
输入 1 1 l·
扰 i>!J茧
控制器
被控对象 ｜旦 坐 革
开环控制系统
一一输
： I\盐受控手输入量 ，而对控制量不能反施影响的一关系统。
结 构 特 征 ： 信 息 单 向 传 递 ，没有形成闭合国脐
系 统 特 点 ： ①控制系统结构简单，成本低廉； ②控制精度差，抗干扰能力差； 使 用 场 合 ： 多） 目 甘 系 统 结 构 参 数 稳 定 汗 1 1 扰动信号较汩 的场合 。
自动控制系统的分类
线性定常连续系统包括： 》恒值控制系统 》随动系统，包括伺服系统 》程序控制系统
（2）线性定常离散控制系统（m≤n）
a 0 c(k n) a1 c(k n 1) b 0 r (k m) b1 r (k m 1) a n 1 c(k 1) a n c(k ) b m 1 r (k 1) b m r (k )
线性 延迟 系统
第二章 控制系统的数学模型
2-1 控制系统的时域数学模型
2-2 控制系统的复域数学模型
2-3 控制系统的结构图与信号流图 2-4 控制系统建模实例
2-1 时域数学模型 1.电容
duc (t ) ic (t ) C dt
预备知识
1 uc (t ) ic (t )dt C
d T k k dt
K：阻尼系数 ω ：旋转角速度 θ ：旋转角度 T：阻尼力矩
5.牛顿定律 F ma
dx v dt
dv d 2 x a 2 dt dt
6.电机
电枢电压 ua (t ) 电枢电流 ia (t ) 电磁转矩 Mm(t) 电枢回路电压平衡方程
dia (t ) u a (t ) La Ra ia (t ) Ea dt 反电势 Ea (t ) Cem (t ) ，与 ua (t ) 反向。
2.电感
diL (t ) u L (t ) L dt
iL (t )
1 L
u
L
(t )dt
3.弹簧弹性力
F kx k vdt
1 dF v k dt
4.阻尼器（不储存能量，吸收能→热能） 》 平动阻尼器 K：阻尼系数 dy F kv k F：阻尼力 dt y：位移 》 旋转阻尼器
电动机一一电机，是自动控制系统中的常用部件。
负载 M L
电压U ＝ ！ 电动机D
I
占
I
I
转速n
G . >
定件的讲，当 if-t载 M L一 定 时 ， 电压U 增 大 当电压 U 一定时，
转迷n提 高 ；
转速 n 减小。
多 l载 ML增大
想一想： 当负载变化时 ，要 想 保 持 转 速 恒 定 ，应 该 怎 么 办 ？ 下面看一龙 f J刨 臼动调速系统。 该系统的控制
1-2 自动控制系统示例
1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的分析与设计工具
1-1 自动控制的基本原理与方式 》 无人直接参与 》 机器、设备或生产过程的工作状态或参数 》 自动实现某种规律运行
》 经典控制：单输入、单输出 》 现代控制：多输入、多输出
》 反馈（控制思想的精髓，知己知彼）
J 数控车床按照规定程序自动地切削工 件； J 化学反应炉自动地维持温度或压力的 恒定； J 导弹发射和制导系统自动地把导弹引 向敌方目标； J 人造地球卫星准确地进入预定轨道并 回收 ……
自动控制原理发展概况 ：
阶段
形成时期 30-50年代
理论基础 经典 控制论
线性 时变 系统 非线性 时变 系统
c(t ) r (t ) cos t 5
t dr (t ) c(t ) 3r (t ) 6 5 r ( ) d dt
线性 定常 系统 非线性 定常 系统
c(t ) r 2 (t )
0 c(t ) r (t ) t6 t 6
6 lJ
卫 叫 可 脱 口 L在
测速机
E
〉 。
－
闭环控制系统 （ 反馈控制系统〉
结 构 特 征 ： 信息循环往复传递 ，按偏差进行控制； 系 统 特 点 ：①按偏差控制， （ 因此必须有输 出量的测量装置 ）； ②抗干扰性好 ，控制精度高 ； ③ 系统较复杂，有稳定性 问题。
使用场合： 多用于系统结构参数不稳定和扰动信号较强的场合 。
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第一章
自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理与方式
石 群 (stones)
/stones · 清 华 大 学 工学博士 控制科学与工程 口 东北大学 工学硕士 控制理论与控制工程
》 主讲课程(本科类) 自动控制原理 现代控制理论 电路分析基础 模拟电子技术 数字电子技术 单片机、PLC、DSP……
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石群系列视频教程 之
自动控制原理(含现代控制理论)
视频教程网址：/stones 石群个人主页：
QQ联系方式： 石群自控1：1318622751 石群自控2：1669076449 石群自控3：2369972939 石群自控4：2578365035
女 11： 「 I 4' J告货机、 自动报警器、 自7:;JJ化流水线、小： 「 ｜ 动洗衣机等。
控制方案 2:
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因 一一 一 一 一 一 一 一 一 一 （ SD
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系统方框图：
r：输入采样序列。 c：输出采样序列 总结：（1）、（2）线性系统具有齐次性、叠加性。 （3）非线性控制系统（系数与变量有关）
d y (t ) dy (t ) 2 y ( t ) y (t ) r (t ) 2 dt dt
2
按控制方式 ： 开环控制 、 闭环控制、复合控制 按元件类型： 机械 、电气、机 电、液压、气 动 、生物 ． ． ． ． 按系统功用： 速 度 控 制 系 统 、压力控制系统 、温度控制系统、位 置 控 制 系 统 按参掘量的变化规律 ： 恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
电机转矩系数 Cm 电磁转矩方程
M m (t ) Cm ia (t )
电动机和负载折合到电动机轴上的两个变量： fm J粘性摩擦 系数 J转动 惯 量 Jm 电动机轴上的转矩平衡方程： d m (t ) Jm f mm (t ) M m (t ) M c (t )
dt
电动机转速 m (t ) 折合到电动机轴上的总负载转矩
第一章 作业
1.思考题（1-1） 讨论液位自动控制系统 原理图，方 框图 2.判断系统类型（1-10）
1.思考题 原理图、方框图（1-1）
控制器
Q1
浮子 电位器
c
用水开关
减速器 电动机
SM
Q2
if
液位自动控制系统
Q2
给定 液位
浮子 杠杆 电位器 伺服电动机 与减速器
Q1
阀门 水箱
实际 液位
2.判断系统类型（1-10）r入、c出
石
．
常用术语
• 控制系统（Control system） • 参考输入、给定输入、希望输入（Desired Input） • • • • • • 偏差信号（Error signal） 控制器（Controller） 控制量，也称操作量 （Control signal） 控制对象（Control plant） 扰动（Interaction） 系统输出，也称被控量（System output）
二、收费部分
(1)石群自动控制原理第7章（第41讲至第50讲）100元
(2)石群自动控制原理第8章（第51讲至第62讲）120元
(3)石群自动控制原理第9章（第63讲至第80讲）153元
(4)石群自动控制原理考点等级 15元
J 注：“教程内容”会持续更新，例如考研真题、 其它课程等，欢迎关注！