自动控制原理1
自动控制原理课件1
功 率 放 大 器
方法一：人工控制 眼（观察） 脑（判断） 手（操作） 目的：减少或消除Δh
方法二：自动控制 受控对象：水池；输出量：实际水位（h实）；输入量：要求水位（h要） 浮子——检测装置 控制电路——检测Δh，转变为电信号； 电动机——执行机构 干扰输入量：对系统输出起反作用的输入量，例如功率放大器信号的飘移。
（2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。 重要性质：不满足叠加性和齐次性 注意：任何的物理系统都是非线性的，但是在一定条件下可以将某些非线性特性线性化，近似
地用线性微分方程去描述，这样就可以按照线性系统来处理。
2．连续系统和离散系统 （1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。连续系统的运动规律
可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。 （2）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系
统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。
二、按给定信号分类 （1）恒值控制系统：
给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温 度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。
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。
开环控制系统功能框图 任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。
自动控制原理第1章
⑴ 稳定性 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件.
稳定性是这样来表述的：系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和 系统恢复平衡的能力。
线性自动控制系统的稳定性是由系统的结构和参数所决定, 与外界因素和初始条件无关.
不稳定系统是无法正常工作的。
c(t) r(t)
c(t ) r (t )
c(t) r(t)
③ 可以完成人工控制系统无法完成的工作。
自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。
6
比如：人造地球卫星的
发射成功与安全返回
7
导弹的准确击中目标， 雷达系统的准确跟踪目标；
8
交通系统：
安全、快捷、舒适、准点
9
钢 铁 生 产
10
家用电器：
电扇：控制转速
洗衣机：控制水位、强弱、时间等
23
⑶ 复合控制方式 把按偏差控制和按扰动控制结合起来,是一种比较合理的控 制方式.这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复 合控制方式. 下图表示的是电动机速度的复合控制系统的方块图. 电压 放大器 电阻R Mc
u0 ut -
ue
电压 放大器
测速 发电机
功率 放大器
电动机
n
图1-10 电动机速度复合控制系统
1.1 自动控制的基本概念与方式
1.2 自动控制系统的分类 1.3 对控制系统性能的基本要求及评价
5
1.1 自动控制的基本概念与方式
1.1.1 自动控制的基本概念
自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器，
使被控对象或过程自动地按预定的规律运行。 应用：工业、农业、交通、国防、宇航、社会。 自动控制的优点：① 节省人力； ② 提高系统的精度；
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。
9
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。
10
自动控制的基本方式
举例：速度控制系统
11
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_第一章
（b）只有有限个极值点。 满足狄利赫里条件的函数 fT (t ) 在 叶级数。
T T ， 2 2
上可展成傅里
在 fT (t ) 的连续点处，级数的三角形式为
a0 fT (t ) (an cos n0t bn sin n0t ) 2 n 1
（1－1）
其中：0
《现代控制工程》（第四版）
E-mail: goulinfeng @
第一章 概 论
主要问题：
（1） 自动控制系统的基本概念
（2） 自动控制系统的分类
（3） 自动控制系统的性能指标
（4） 拉普拉斯变换简介
（5） 典型输入信号
一、自动控制系统的基本概念
瓦特(James Watt)
2
3s 4 2 3s 2 4 s 2 y( s) 2 2 s 3s 2 s ( s 3s 2) s ( s 1)( s 2) 1 1 3 s s 1 s 2
y (t ) L [ y( s)] 1 e 3e
1
t
d 2 y (t ) dy (t ) x(t ) 2, 3 2 y (t ) x(t ), 例1: 2 dt dt y(0) 5 y(0) 3, 求响应 y (t )
解：对方程两边做拉氏变换：
2 s y( s) sy(0) y(0) 3[sy (s) y (0)] 2 y (s) s y(0) 5 可得: 代入 y(0) 3,
3 傅立叶变换：
e jx e jx e jx e jx 利用欧拉公式：cos x , sin x 2 2j
代入式（1-1）可得可积周期函数连续点处的傅里叶三角级 数表达式 化简后： fT (t ) 其中
自动控制原理1
LCuC (t ) RCuC (t ) uC (t ) ur (t )
mx(t ) fx(t ) kx(t ) F (t )
这两个式子很相似，故可用电子线路来模拟机械 平移系统，这也证明了我们前面讲到的，看似完 全不同的系统，具有相同的运动规律，可用相同 的数学模型来描述。（相似系统）
2.快速性
动态性能:调节时间、上升时间 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性 能。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标， 但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住 目标。
3. 准确性
稳态性能：稳态误差 在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态 输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态 误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参 考输入的精度越高。
3.反馈控制原理
反馈
通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与 输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。
负反馈
反馈信号与输入信号相减，其差为偏差信号
负反馈控制原理
将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相减，形成偏差 信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或 减少偏差的过程。
F (t ) kx(t ) fx(t ) mx(t )
机械平移系统的微分方程为：
mx(t ) fx(t ) kx(t ) F (t )
注意：写微分方程时，常习惯于把输出写在方程 的左边，输入写在方程右边，而且微分的次数由 高到低排列 。
微分方程数学模型的标准形式
讨论：
k
F(t)
x(t)位移
m
弹簧
阻尼系数f 阻尼器
自动控制原理(1)
四、控制理论发展的历史、现状和前景 控制理论发展的历史、
1 经典控制理论
以单变量控制，随动/ 以单变量控制，随动/调 节为主要内容， 节为主要内容，以微分 方程和传递函数为数学 模型， 模型，以频率响应法为 主要方法。数学工具： 主要方法。数学工具： 微分方程， 微分方程，复变函数
3 后现代控制理论
2.闭环控制系统 2.闭环控制系统
在 控 制器 与 被控 对 象之 间 ， 不 仅 存在 着 正向 作 用 ， 而且存在着反向作用 ， 即系统输出量对控制 而且存在着反向作用， 作用有直接影响 ； 将检测出来的输出量送回到系统的输入端， 将检测出来的输出量送回到系统的输入端 ， 并与 输入信号比较的过程称为反馈；若反馈信号与输 入信号相减， 则称为负反馈， 反之， 若相加， 入信号相减 ， 则称为负反馈 ， 反之 ， 若相加 ， 则 称为正反馈； 称为正反馈； 反馈控制就是指负反馈控制。 反馈控制就是指负反馈控制。 闭环系统必须考虑稳定性问题。 闭环系统必须考虑稳定性问题。
2.系统 2.系统
系统是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件） 系统是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件） 的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定 的任务。
3.自动控制系统 3.自动控制系统
自动控制系统是指能够实现自动控制的系统就可称 自动控制系统是指能够实现自动控制的系统就可称 为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。
大器）。
执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行 执行元件 ：直接改变被控变量的元件称为执行 元件（电机、减速、 元件（电机、减速、调压器）。
测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化 测量元件 ：能够将一种物理量检测出来并转化 成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为 传感器或测量元件（ 传感器或测量元件（热电偶）。 参考输入元件：将指令输入信号变成参考输入 参考输入元件 ：将指令输入信号变成参考输入 信号的元件可称为参考输入元件（ 信号的元件可称为参考输入元件（电位器）。
自动控制原理_详细解析
水位自动控制系统
•给定值： 控制器刻度盘指针标定 的预定水位高度； •测量装置：
气动阀门 流入 Q1
控制器
浮子 水箱 H 流出 Q2
浮子；
•比较装置： 控制器刻度盘； •干扰： 水的流出量和流入量的 变化都将破坏水位保持 恒定；
水位自动控制系统
由此可见： 自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是： 在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控 对象，使被控制量等于给定值。 自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一 般由控制装置和被控对象组成。
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的任务 1-２自动控制的基本方式 1-３对控制系统的性能要求
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1-1 自动控制的任务
通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备 称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态 的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的 要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。 则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量 等于给定值。
(2 3)
• 例2. 设有一弹簧质 量 阻尼动力系统如 图所示，当外力F(t)作 用于系统时，系统将 产生运动，试写出外 力F(t)与质量块的位移 y(t)之间的动态方程。 其中弹簧的弹性系数 为k，阻尼器的阻尼系 数为f，质量块的质量 为m。
F(t)
M
k y(t)
f
解：分析质量块m受力，有 外力F, 弹簧恢复力 Ky（t） 阻尼力 fdy (t ) / dt 惯性力 md 2 y / dt 2 由于m受力平衡，所以
2-5 系统的脉冲响应函数 2-6 典型反馈系统传递函数
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北京航空航天大学
基本要求 1.了解建立系统动态微分方程的一般方法。 2. 熟悉拉氏变换的基本法则及典型函数的拉 氏变换形式。
自动控制原理：第1章 自动控制的基本概念 (2)
m
Md ML
J s2 Bs
c
1
i
m
将每个子方程的结构图按照相互关系，正确地连接起来， 得到下图
自动控制原理
27
2.4.3 结构图的等效变换
(1)结构图的基本组成形式 1）串联连接
C(s) G2 (s)U (s) G2 (s)G1(s)R(s)
C(s) R(s)
G1(s)G2 (s)
2）并联连接
在控制系统稳定的前提下，总是希望响应越快越好，而 且超调量越小越好。
自动控制原理
4
1.4 对控制系统的性能要求
1.4.3 稳态误差
控制系统在稳定的情况下，希望的输出与实际的输出之 差称为误差，误差的稳态分量称为稳态误差（或称为静态误 差），一般用ess表示。
自动控制系统的性能指标分别描述了系统在稳定性、动态 性能、稳态性能三个方面的要求，根据这些性能指标，就可以 判别系统性能的优劣。
i
(2-6)
式（2-5）或（2-6）就是描述简单水槽对象特性的数 学模型。它是一个一阶常系数微分方程式。
T为时间常数。 K 为放大系数。
自动控制原理
16
2.3 传递函数
2.3.1 传递函数的概念
RC电路如下：根据克希霍夫定律， 可列写微分方程
Ri(t) uc (t) ur (t)
uc
(t)
1 C
1
uc (t) C idt
（2）消去中间变量i后，得输入输出微分方程式
LC
d
2uc (t) dt 2
RC
duc (t) dt
uc
(t)
ur
(t)
或
T1T2
d
2uc (t) dt 2
第1章--自动控制原理课件
下面从系统特性角度分类。 一、按系统构成元件是否线性分类 1 线性控制系统 由线性元件构成的系统是线性控制系统。或者 说，如果系统满足叠加原理，则称其为线性系统。 2 非线性控制系统 在控制系统中，如果有一个以上的元件具有非 线性，则称这个系统为非线性控制系统。或者说， 如果不能应用叠加原理，则系统是非线性的。 严格地说，绝对的线性控制系统是不存在的。 为了简化，在一定条件下，可以对某些非线性特性 作线性化处理。这样，非线性控制系统就可以近似 为线性控制系统。
22
指出：被控对象、测量元件、比较机构、放大机构 和执行机构 该系统方框图：
23
三、方框图的画法： 用方框表示系统中的各个组成部件，在每个 方框中填入它所表示部件的名称或其功能函数的 表达式，而不必画出它们的具体结构。 根据信号在系统中的传递方向，用有向线段 依次把它们连接起来，就得到整个系统的框图。
3
经典控制理论（20世纪60年代以前）：主 要解决单输入单输出问题，所研究的系统多半 是线性定常系统。 现代控制理论：20世纪60年代， 随着高精 度数字计算机的诞生，为解决复杂控制系统提 供了实现上的可能性。现代控制理论涉及多变 量控制系统、最优控制理论、系统辨识与模式 识别、最优估计、自适应控制、自学习控制、 模糊控制、专家系统、神经元及其网络控制等 等。
4
第二节 自动控制系统的一般概念
一、自动控制技术及其应用
1 自动控制： 在没有人直接参与的条件下，通过 控制器使被控对象或过程自动地按 要求的规律运行。 2 自动控制系统： 能够完成自动控制功能的基本体 系，称为自动控制系统。 3 自动控制理论： 分析与综合自动控制系统的理论称 为自动控制理论。 4 应用： 自动控制技术已经应用在工程、军事和科 学技术等各个领域，包括：航空、航天、 航海、冶金、机械、能源、电子、生物、 医疗、化工、石油、建筑等。 5
《自动控制原理》程鹏第一章
第一章 控制系统的一般概念 §1 绪论
一.控制系统的发展史 自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。
• 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、 粘度自动控制
• 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、 导弹、卫星、宇宙飞船自动控制
• 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管 理等
缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
适用场合：系统元件参数变化和扰动无法预计的场合。
§3 控制系统的组成
介绍由原理图画方块图的步骤：（以角度随动系统为例）
1、看懂工作原理图，找出被控量、被控对象、给定量。 2、从两头来，先画出给定量、被控对象和被控量。 3、依原理图补上中间部分。
一.组成与术语 组成: 1.测量元件：测量被控量 2.比较元件：产生偏差信号 3.放大元件：对偏差信号进行幅值、功率放大 4.执行元件：对被控对象施加作用 5.校正元件：改善系统性能 6.给定元件：给出输入信号
自动控制: 在无人直接参与的情况下，利用控制装置使设备、 生产过程（被控对象）的一个物理量（被控量）按 预定规律（给定量）运行。
自动控制系统：能对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。
三.自动控制技术的作用
1. 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化， 极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强 度。
一般的形式
输入信号 比较
放大
执行
被控对象
输出信号
测量
输入信号——系统控制目标的反映 控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出
控制量，驱动执行机构完成控制功能。 输出信号——系统的控制结果，反映了被控对象的运行 状况。
• 反馈(feedback)：将输出量通过一定的方式送回到输入端， 并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈
《自动控制原理》第一章-自动控制原理精选全文完整版
● 执行环节： 其作用是产生控制量，直接推动被控对象的 控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。
常用的名词术语
1.稳定性
一个控制系统能正常工作的首要条件。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正 常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到 原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、 发散振荡或单调增长运动。
2.动态性能指标
反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。 当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为 阶跃响应。
时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。
即若系统的输入为 r(t) 时，对应的输出为 y(t)，则
当输入量为 Kr(t)时，输出量为 Ky(t) 。
（2）非线性系统
● 特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 ● 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、
间隙特性等。
图1-5 典型的非线性特性
对被控对象的控制作用，实现控制任务。
图1-3 闭环控制系统原理框图
Hale Waihona Puke (3)复合控制系统 工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系 统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信 号进行补偿，以达到精确的控制效果。
图1-4 复合控制系统原理框图
2.按系统输入信号分类
（1）恒值控制系统 系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服 干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。
举例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制 系统。
(完整版)自动控制原理知识点汇总
自动控制原理总结第一章绪论技术术语1.被控对象 :是指要务实现自动控制的机器、设施或生产过程。
2.被控量：表征被控对象工作状态的物理参量 (或状态参量 )，如转速、压力、温度、电压、位移等。
3.控制器：又称调理器、控制装置，由控制元件构成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。
4.给定值或指令信号 r(t) ：要求控制系统按必定规律变化的信号，是系统的输入信号。
5.扰乱信号 n(t) ：又称扰动值，是一种对系统的被控量起损坏作用的信号。
6.反应信号 b(t) ：是指被控量经丈量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。
7.偏差信号 e(t)：是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反应信号的差值。
闭环控制的主要长处：控制精度高，抗扰乱能力强。
弊端：使用的元件多，线路复杂，系统的剖析和设计都比较麻烦。
对控制系统的性能要求:稳固性迅速性正确性稳固性和迅速性反应了系统的过渡过程的性能。
正确性是权衡系统稳态精度的指标，反应了动向过程后期的性能。
第二章控制系统的数学模型拉氏变换的定义:F ( s) f ( t )e- st d t几种典型函数的拉氏变换1.单位阶跃函数1(t)2.单位斜坡函数3.等加快函数4.指数函数e-at5.正弦函数sin ωt6.余弦函数cos ωt7.单位脉冲函数 (δ函数 )拉氏变换的基本法例1.线性法例2.微分法例3.积分法例Lf ( t )d t1F ( s )s4.终值定理e( ) lim e( t ) lim sE ( s)ts 05.位移定理L f (t)e 0 s F(s)Le atf ( t )F ( s a )传达函数： 线性定常系统在零初始条件下， 输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比 称为系统 (或元零件 )的传达函数。
动向构造图及其等效变换1.串连变换法例2.并联变换法例3.反应变换法例4.比较点前移“加倒数”；比较点后移“加自己”。
5.引出点前移“加自己”；引出点后移“加倒数” 梅森（ S. J. Mason ）公式求传达函数典型环节的传达函数 1.比率 (放大 )环节 2.积分环节 3.惯性环节 4.一阶微分环节 5.振荡环节G ( s)12 s 22 Ts 1T C ( s ) ＝ 1 n6.二阶微分环节( s )P k kR ( s )k 1第三章时域剖析法二阶系统剖析2nKJF2nJ2 n(完整版)自动控制原理知识点汇总二阶系统的单位阶跃响应1.过阻尼 ξ>1 的状况 ：系统闭环特色方程有两个不相等的负实根。
自动控制原理 第一章 自动控制系统的基本概念(2011-1)
现代控制理论
•以状态空间为基础； 研究多输入-多输出、 时变、非线性一类控 制系统的分析与设计 问题。 •具有高精度和高效能 的特点。
1.2 自动控制系统基本概念
自动控制 控制对象 控制量 给定 扰动 自动控制系统 反馈 反馈控制系统 随动系统 过程控制系统
○自动控制 在没有人直接参与的情况下，通过控制器 使被控对象的某些物理量自动地按照预定 规律进行。 控制器 控制对象 控制量
控制系统动态过程曲线
如上图，系统在外作用作用下，输出逐渐与期望值一 致，则系统稳定的，如曲线１所示； 反之，输出如曲线２所示，则系统是不稳定的。
快速性： 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般 称为动态性能。 □形式 □快慢
◆快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明
系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝。如曲线２所示。
○随动系统 □ 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，
输出量是机械位移、速度或者加速度。
□ 随动系统这个术语，与位置（速度或加速度）控
制系统是同义语。
□ 在现代工业中，广泛采用着随动系统。
○过程控制
在工业生产过程中，对诸如压力、温度、湿度、流 量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制， 称为过程控制。
自动控制原理
Automatic Control Principle
Version 2011
中国矿业大学（北京）
自动控制原理
第一章 自动控制系统的基本概念
第一章 自动控制系统的基本概念
1.1 引言 1.2 自动控制系统的基本概念 1.3 闭环控制和开环控制 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的基本要求
◆稳和快反映了系统过渡过程的性能的好坏。既快又稳，表明
自动控制原理 第一章
钱学森
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论—标志阶段 经典控制理论 标志阶段(3/3) 标志阶段
• 从20世纪40年代到50年代末,经典控制理论的发展与应用 使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃,几乎在工业、 农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动 化控制技术。
– 第二次世界大战期间,反馈控制方法被广泛用于设计研制飞机自 动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。 – 这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追求,迫切 要求拓展已有的控制技术,促使了许多新的见解和方法的产生。 – 同时,还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系统的研 究。 – 可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展。
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论
经典控制理论即古典控制理论 。它的发展大致 经历了以下几个过程： –萌芽阶段 萌芽阶段 – 起步阶段 –发展阶段 发展阶段 – 标志阶段
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论--萌芽阶段 经典控制理论 萌芽阶段
• 早在古代,劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和 对反馈概念的直观认识,发明了许多闪烁自动控制 自动控制智慧火 自动控制 花的杰作。 • 如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国 就有了自动控制技术的萌芽 萌芽。 萌芽
– 例如,两千年前我国发明的 指南车,就是一种开环 开环自动 指南车 开环 调节系统。
指南车
§1.1 自动控制的基本原理与方 式
经典控制理论—起步阶段(1/4) 经典控制理论 起步阶段(1/4) 起步阶段
• 随着科学技术与工业生产的发展,到十七、十八世 十八世 纪,自动控制技术逐渐应用到现代工业中。 – 1681年法国物理学家、发明家巴本巴本(D. Papin)发明了用做安全调节装置的锅炉压力调 节器; – 1765年俄国人普尔佐诺夫(I. Polzunov)发明了 蒸汽锅炉水位调节器等；
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《自动控制原理》考试大纲一、《自动控制原理》部分参考教材：胡寿松.自动控制原理(第五版).北京：科学出版社，2007王划一.自动控制原理.北京：国防工业出版社，2001考试范围：1．自动控制的一般概念主要内容：自动控制的任务，基本控制方式：开环、闭环（反馈）控制。
自动控制的性能要求：稳、快、准及最优化。
2．数学模型主要内容：动态方程建立及线性化，传递函数及动态结构图，结构图的等效变换，梅逊公式及应用，典型环节。
3．时域分析法主要内容：典型响应及性能指标。
一、二阶系统的分析与计算。
系统稳定性的分析与计算：劳斯、古尔维茨判据。
稳态误差的计算及一般规律。
4．根轨迹法主要内容：根轨迹的概念与根轨迹方程，根轨迹的绘制法则，广义根轨迹，零、极点分布与阶跃响应性能的关系，主导极点与偶极子，阶跃响应的根轨迹分析。
5．频率响应法主要内容：线性系统的频率响应，典型环节的频率响应，系统开环的频率响应，Nyquist稳定判据和对数频率稳定判据，稳定裕度及计算，信号的频谱，闭环幅频与阶跃响应的关系，峰值及频宽，开环频率响应与阶跃响应的关系，三频段（低频段，中频段和高频段）的分析方法。
6．线性系统的校正方法主要内容：系统设计问题概述，串联校正特性及作用：超前、滞后及PID。
校正设计的频率法。
校正设计的根轨迹法。
反馈校正的作用及计算要点。
复合校正原理及其实现。
7．采样系统理论主要内容：采样信号及采样系统。
采样过程的数学描述。
采样信号的复现：香农定理、零阶保持器。
Z变换及Z反变换：定理、方法及应用。
差分方程及差分方程的解。
脉冲传递函数及动态结构图变换。
采样系统零、极点分布与动态性能的定性分析。
离散系统的状态方程及其解。
8．非线性系统理论主要内容：非线性系统动态过程的一般特征。
典型非线性特性及其影响。
谐波线性化及描述函数。
用描述函数法研究系统稳定性和自激振荡。
相轨迹的一般特点及绘制方法。
二、《现代控制理论》部分参考教材：刘豹.现代控制理论.北京：机械工业出版社，2002考试范围：1. 线性系统的状态空间描述主要包括连续时间系统描述的基本概念、基本形式、状态空间表达式的建立方法、状态转移矩阵和状态响应解、传递矩阵的状态空间实现、以及离散时间系统的相应理论。
2. 系统的可控性与可观测性主要包括一般系统的可控性与可观测性的概念、线性连续系统的可控性与可观测性的判据、线性离散系统的可控性与可观测性的判据等。
3. 线性定常系统的线性变换主要包括系统经线性变换后的基本形式、系统的对偶原理、系统在变换下的不变性和不变量、系统结构分解等。
4. 反馈控制与极点配置主要包括系统常用的反馈控制形式、系统极点配置等。
5. 系统的状态观测器与分离原理主要包括全维状态观测器设计、基于状态观测器的反馈控制与分离原理、降维状态观测器设计等。
6. 李雅普诺夫稳定性理论主要包括李雅普诺夫稳定性的一些基本概念、雅普诺夫稳《计算机控制系统》考试大纲参考教材：吴坚.计算机控制系统. 武汉：武汉理工大学出版社，2003姜学军.计算机控制技术.北京：清华大学出版社，2005 考试范围：1. 自动控制的基本概念(1) 掌握自动控制、闭环负反馈等基本概念。
(2) 掌握自动控制系统和计算机控制系统组成、特点及常用术语。
(3) 掌握控制系统的基本要求、脉冲响应、阶跃响应的概念。
(4) 了解控制系统、计算机控制系统的分类及应用。
(5) 了解自动控制系统的发展状况。
2. 连续控制系统分析与校正(1) 掌握一、二阶系统时域特性的基本特征, 系统稳定性概念, 稳定的充要条件, 稳态误差的定义以及无静差度的概念, 影响系统稳定性及稳态误差的因素。
(2) 掌握频率特性, 渐近对数频率特性，稳定裕度，穿越频率，频带等基本概念。
(3) 理解典型环节、开环渐近对数频率特性曲线的绘制方法以及从曲线中求取系统稳态误差、判稳定性、求稳定裕度的方法。
(4) 了解系统稳定性的代数判据、闭环频率特性。
(5) 了解系统校正以及串联PID、并联测速反馈校正的概念。
3.计算机控制系统的信号特性(1) 掌握计算机控制系统中的信号特点、采样信号的时域表示以及采样定理的规定与应用。
(2) 掌握零阶保持器的时域及频率特性和传递函数的表达式。
(3) 理解量化及量化误差的概念和对系统性能的影响。
(4) 了解前置滤波器及后置滤波器的作用。
4.计算机控制系统的数学描述及系统分析(1) 掌握脉冲传递函数定义、性质，差分方程与脉冲传递函数，系统方块图及方块图的等效变换，从方块图中求取闭环传递函数。
(2) 掌握离散系统稳定性及稳定性的充要条件，采样周期与稳定性关系，连续系统稳定性与离散系统稳定性关系。
离散系统的稳态误差。
(3) 理解Z变换的定义、性质及反变换方法。
(4) 了解离散系统稳定性的代数判据及动态响应的求解方法。
5.计算机控制系统的控制算法及程序实现(1) 掌握一阶差分变换及双线性变换方法的使用。
(2) 掌握数字PID基本算法。
(3) 掌握三种控制算法的程序实现。
(4) 理解数字PID的在线整定方法。
(5) 理解数字PID改进算法。
(6) 掌握最小拍控制系统设计。
(7)理解大林控制算法、了解串级、前馈、SMITH预估控制。
6.控制用计算机系统(1) 掌握控制用计算机主机、A/D、D/A、S/H等部件主要特性的选用原则与方法。
(2) 掌握实时控制软件的开发及控制算法的实现技术。
(3) 掌握选取采样周期的原则及经验规则。
(4) 理解实时控制计算机系统的基本组成，实时控制软件的组成及一般要求。
(5) 了解实时操作系统的概况。
7.计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术(1) 掌握所讲述的屏蔽技术、接地技术、电源抗干扰技术。
(2) 掌握常用的模拟式及数字式滤波算法的应用。
(3) 理解看门狗电路的应用及提高软件可靠性的常用方法。
(4) 了解关于系统可靠性的概念以及硬件的冗余技术。
(5) 了解故障诊断技术的一般方法。
8.计算机控制系统设计与调试(1) 理解计算机控制系统设计、调试一般步骤及系统调试主要技术。
(2) 了解所列举的设计实例。
(3) 了解计算机控制系统数学及实时仿真方法。
9.可编程控制器与集散控制系统了解这两种控制系统的概念、特点、工作原理及应用。
《检测技术及仪表》考试大纲参考教材：王建国.检测技术及仪表.北京：中国电力出版社，2007考试范围：要求学生全面了解检测系统的组成、分类及其技术发展概况，掌握测量基本原理、各类参数检测原理和检测仪表的组成。
1. 基础知识检测技术及仪表的重要性、历史发展及现状、典型应用、发展趋势；测量的基本概念，误差的定义、分类、仪表的组成及主要性能指标；仪表的防爆及防护相关概念。
2. 温度测量温标概念与常用测温方法；热电偶测温原理、基本定律及其灵活应用方法，热电偶的冷端补偿问题及方法；热电阻测温原理、主要误差来源及减小测量误差的方法；接触式测温误差讨论。
3. 电阻电路的等效变换和化简压力和差压的基本概念；液柱式压力计的工作原理及测量关系模型；弹性元件及弹性压力表，其它测压方法；压力计的选择、安装及校准。
4. 机械量测量位移测量的主要方法，原理，结合弹性压力计掌握位移信号的远传方法。
各种位移测量方法的内在关系，如电容式、电感式、电阻式在测量原理上的异同点，测量电路的配制形式。
差动式测量的目的等。
5. 流量测量流量的含义、常用表示方法，流体的物性及管流的基础知识；节流式流量计流量公式、参数的意义，公式的使用条件；掌握第一类命题的计算方法以及流体参数偏离设计值时的误差及补偿方法；其它常用流量测量方法的原理及特点。
6. 物位测量物位测量的基本方法及特点；锅炉汽包水位测量方法，差压低置式汽包水位计的原理、误差分析、补偿方法。
7. 成份分析重点掌握锅炉烟气成分分析原理、方法及典型装置，热导式分析仪原理及装置，氧化锆氧量计原理、工作条件、装置结构。
8. 检测新技术新技术、新装置的原理及特点。
《微型计算机原理及接口技术》考试大纲参考教材：孙育才.单片微型计算机及其应用.南京：东南大学出版社，2006考试范围：第1章绪论参考教材的基础上要补充数制知识。
第2章MCS-51单片机系统结构2.1 MCS-51单片机硬件组成结构2.2 引脚功能2.3 CPU2.4 并行I/O口结构第3章MCS-51存储器3.1 存储器类型3.2 MCS-51存储器结构3.3 外部存储器与访问第4章MCS-51指令系统4.1 寻址方式4.2 各种指令功能4.3 伪指令4.4 汇编语言程序设计基础4.5 常见程序设计举例4.6 抗干扰技术第5章中断系统5.1 概述5.2 MCS-51的中断系统5.3 响应中断5.4 外部中断5.5 中断响应时间第6章定时器/计数器与串行通信接口6.1 MCS-51的定时器/计数器6.2 MCS-51串行通信技术第7章单片机系统功能扩展7.1 概述7.2 外部存储器扩展7.3 并行I/O 8155芯片7.4 D/A转换器7.5 A/D转换器7.6 MCS-51外总线的驱动（244和245）7.7 键盘接口7.8 显示器接口《传感器原理及应用》考试大纲参考教材：王化祥，张淑英.传感器原理及应用.天津：天津大学出版社，2002 考试范围：上篇：传感器原理及应用绪论要求：掌握传感器的定义、构成、分类标准、发展趋向。
1.传感器的一般特性要求：掌握传感器的静态特性和动态特性。
2.应变式传感器3.电容式传感器4.电感式传感器5.压电式传感器6.数字式传感器7.热电式传感器8.固态传感器9.光导纤维式传感器第2章到第9章，要求掌握每章传感器的工作原理、材料构成、测量电路、传感器分类及其应用。
10.传感器的标定要求：掌握压力传感器的静态标定和动态标定方法。
下篇：传感器原理及应用例题解答及习题要求：掌握每章的例题、课后思考题和习题。
电路考试大纲参考教材：邱关源.电路.北京：高等教育出版社,2006刘耀年.电路.北京：中国电力出版社,2005考试范围：本课程主要介绍电路的基本概念、基本定理、基本定律、分析方法等内容。
第一章电路模型和电路定律本章要求：了解电路模型、电路元件的概念，理解电流、电压参考方向的概念，掌握元件、电路吸收或发出功率的表达式和计算；熟练掌握电阻、独立电源和受控源等电路元件的伏安特性；理解基尔霍夫定律的内容并能熟练应用该定律进行电路的分析计算。
第二章电阻电路的等效变换本章要求：理解电路等效变换的概念，基本掌握电阻Y形联结与△形联结的等效变换，熟练掌握电阻的串联、并联与混联的等效变换，以及电源的串联、并联，实际电源的两种模型及等效变换；一端口电路输入电阻的计算。
第三章电阻电路的一般分析本章要求：了解电路图论的初步概念，了解支路电流法方程的建立过程，熟练掌握网孔电流法，回路电流法，结点电压法。