《自动控制原理》绪论、第1、2章(新)

第一章 自动控制系统的基本概念 1.1 开环控制系统与闭环控制系统 1.2 闭环控制系统的组成和基本环节 1.3 自动控制系统的类型 1.4 自动控制系统的性能指标 第二章 自动控制系统的数学模型 2.1 动态微分方程式的编写 2.2 非线性数学模型线性化 2.3 传递函数 2.4 系统动态结构图 2.5 系统传递函数和结构图的等效变换 3学时 （2） （1）
1、线性系统— 系统中各组成部分或元件特性可以用线性微分方程式 来描述的系统。 特点： （1）满足叠加原理。（对线性系统，初始条件为零时，几 个输入信号同时作用在系统上所产生的输出信号，等 于各输入信号单独作用时产生的输出信号的和。） （2）系统的运动方程式可以用线性微分方程式来描述，暂 态特性与初始条件无关。 （3）系统为线性定常系统。 2、非线性系统 —当系统中存在非线性元件或具有非线性特性，其运 动方程用非线性微分方程式来描述。 特点： 不满足叠加原理；暂态特性与初始条件有关。
第四章
4.1 4.2 4.3
根轨迹法的基本概念 根轨迹的绘制法则 用根轨迹法分析系统的暂态特性
( 2) (4) (2)
第五章 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6
频率法 12学时 频率特性的基本概念 频率特性的基本方法 典型环节的频率特性 系统开环频率特性的绘制 用频率法分析控制系统的稳定性 系统暂态特性和开环闭环特性的关系 6学时
3、典型的非线性环节特性
4、两者的关系（参考教材Page6)
二、 连续数据系统和离散数据系统
1 、连续数据系统—— 信号为模拟的连续函数。 2、离散数据系统 —— 系统中一处或多处，信号以序列 或数码形式传递。 3、两者研究方法比较 连续：微分方程 — 拉氏变换 — 传递函数和频率特性 分析 离散：差分方程 — Z变换 —— 脉冲传递函数和频率 特性分析
2、闭环控制（即反馈控制或偏差控制）
特点：闭环系统的输出量将参与系统的控制，系统具有抗干扰的能 力，控制精度高。
例2：炉温闭环 控制系统
温度闭环控制的自动调节过程： Tc Uf (U g - U f )
Tc
给定量 U g
U c （滑动端右移）
；
被控量 T c ( 热电偶测得值为 U f ) ； 控制量 U g – U f
1、稳定系统： 扰动作用后，系统能恢复稳定。 2、不稳定系统：扰动作用后，系统不能恢复稳定，即出现发散。
二、稳态性能指标
反映系统的准确性。即要求被控量与给定值之间的误差达到 所要求的精度范围。要求被控量在任何时候，任何状况下都不超 出规定的误差范围。通常准确性总是用稳态误差来表示。
1、 稳态误差—— 当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动
作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差 称为稳态误差。 2、有差系统和无差系统——若稳态误差为零，则系统为无差系统；相 反，系统为有差系统。
三、暂态性能指标（反映系统的快速性和平稳性）
1、过渡过程—— 系统从一个稳态过渡到新的稳态都需要经历一段时 间，亦即需要经历一个变化过程，这个过程称为过渡 过程。 2、暂态性能指标——表征过渡过程的性能指标叫做暂态性能指标。通 常用快速性和平稳性来描述。其中平稳性由系统过渡 过程的超调量和振荡次数决定；快速性由上升时间和 调节时间决定。
二、教学大纲
教学目的及要求
本课程作为测控技术及仪器专业必修的专业技术 基础课，旨在为本专业的学生打下坚实的专业理论 基础。 本课程着重讲授SISO系统经典控制理论，要求学 生熟练掌握其基本概念、基本理论和研究方法，并 将其应用于各种测控系统的设计和调试中，为进一 步学习现代控制理论打下良好基础。
教学内容（含各章节主要内容、学时分配）
10~12学时 （3） （1） （3） （3） （2）
第三章
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
自动控制系统的时域分析
10~12学时
(2) (4) ( 4) (2) 8~10学时
自动控制系统的时域指标 一阶系统的阶跃响应 二阶系统的阶跃响应 高阶系统的暂态响应 自动控制系统的代数稳定判据 稳态误差 根轨迹法
3、学习方法和要求
（1）熟练掌握各章节基本概念、基本理论和分析方法； （2）了解时域法、频域法和根轨迹法的内在联系，以便 融会贯通； （3）认真完成作业，通过大量练习巩固所学知识。
第一章 自动控制系统的基本概念
本章主要知识点：
自动控制系统的基本概念
开环、闭环控制方式及特点
控制系统的分类，各类系统的定义及特征 自动控制系统的基本要求及性能指标
扰动量： 电源电压波动或加热物件变化
闭环控制结构图如下：
例3：闭环调速系统
TG 测速发电机：检测电机速度n，以电压U f 输出, U f 为反馈量 速度闭环控制的调节过程：
n n
Uf
(U g - U f )
Ud
速度控制系统的结构图：
小结：开环控制与闭环控制系统的特点比较（参考教材Page3 ~ 4 )
本章小结（参考教材Page11）
1、开环控制系统与闭环控制系统的特点； 2、控制系统的组成环节、作用量和被控量；系 统的结构框图； 3、反馈控制系统的本质特征——输出跟随输入； 4、控制系统的性能指标要求——稳、快、准。
课后作业：1-1 ，1-3 ，1-4
习题1-3如图为一直流发电机电压控制系统
50年代 ~ 60年代初期，现代控制理论的发展阶段 主要研究成果：
庞特里亚金（ Pontrygin ）的极大值原理； 贝尔曼 ( Belman ) 的动态规划理论； 卡尔曼 ( Carlman )的线性滤波理论以及能控性、能观性理论。
20世纪70年代以来，形成了以最优控制、系统辨识、最 优估计等为代表的现代控制理论和系统设计方法，发展 了大系统理论和智能控制。 当前的研究方向： 自适应控制、 模糊控制、人工神经元网络以及混沌理论
第六章 控制系统的校正及综合 6.1 控制系统校正的一般概念 6.2 串联校正 6.3 反馈校正
注：实验6学时依课程进度安排；另在期中、期末各安排2学时 习题课。
三、学习方法和要求
1、自动控制理论发展的不同阶段 自动控制的飞速发展是在20世纪，主要阶段为： 20世纪30 ~ 50年代，形成经典控制理论 主要成就：
§1.2 闭环控制系统的组成和基本环节 一、闭环控制系统的基本环节
1、被控对象— 指要进行控制的设备或过程。
2、执行机构 — 一般由传动装置和调节机构组成。它直接作用于 控制对象，使被控制量达到所要求的数值。
3、检测装置或传感器 — 用来检测被控量，并将其转换为与给定
量相同的物理量。一般为电量（电压或电流）。 4、给定环节 — 设定被控制量的给定值的装置。
3、输出量暂态过程的几种情况——
（1）单调过程 （2）衰减过程
（3）持续振荡过程
（4）发散振荡过程
4、系统对突加给定信号 （即阶跃信号 ）的动态 响应曲线
5、阶跃输入下，输出暂态性能指标的定义—— （参考教材Page10~11） （1）最大超调量 （2）上升时间 tr
（3）调节时间 ts
（4）振荡次数 µ
5、比较环节 — 该环节将被控量与给定量进行比较，确定其偏
差。 6、中间环节 — 一般为放大元件，将偏差信号变换成适合于控制
执行机构工作的信号。
二、系统的结构图（按偏差原则构成的）
控制器或调节器：将比较环节、放大装置、校正环节合称为控制 器，也称为调节器。 正向通道 、反向通道、局部反馈、主反馈
§ 1.3 自动控制系统的类型 一、 线性和非线性系统
《自动控制原理》 —— 自动控制的基础理论
课程介绍
一、课程简介 二、课程的教学大纲 三、学习方法和要求
一、课程简介
课程号（代码）：30234040 课程名称（中、英文）：自动控制原理 Principles of Automatic Control 学分：4 学时：64 考核方式: 考试 先修课程: 电工技术、物理、高等数学、工程数学等 基本面向: 测控、机电、电子及电气类专业 教材： 《自动控制原理 》 作者： 王建辉 顾树生 出版社：冶金工业出版社 2005年第四版
第二章 自动控制系统的数学模型 本章主要知识点：
系统微分方程式的建立方法 传递函数的定义及性质 控制系统中典型环节的传递函数及暂态特性 系统动态结构图的绘制及简化
传递函数和动态结构图的等效变换
微分方程式、传递函数和结构图之间的关系和转换
系统的数学模型 —— 用来描述系统暂态过程的微分方程式。 本章讨论的数学模型：微分方程 传递函数 结构框图 信号流图 §2.1 动态微分方程式的编写 一、系统微分方程式的建立 编写系统的动态方程式，其目的在于确定被控量与给定量或扰 动量之间的函数关系。 1、一般步骤 ( 参考Page19 ) （1） 确定系统的输入量、输出量； （2）按信号传递的顺序及各环节的物理规律，写各环节的方程 式，并化成标准形式；（输入放右，输出放左） （3）消去中间变量，求得系统的微分方程式。
§ 1. 4 自动控制系统的性能指标
动态过程 — 被控量处于变化状态的过程称为动态过程，也称暂态过程。 静态过程 — 被控量处于相对稳定的状态称为静态过程，也叫稳态过程。 评价系统性能优劣的指标，包括三个方面：稳定性、准确性、快速性。
一、稳定性
稳定性是指系统处于平衡状态下，受到扰动作用（或给定值发生 变化）时，系统恢复原平衡状态的能力。对任何自动控制系统，首 先满足的条件是系统能稳定正常运行。
1932年奈奎斯特( Nyquist ) 对控制系统稳定性的研究— 奈氏判据； 1940年伯德（Body ) 在频域法中引入了对数坐标； 1948年伊万斯（Evans）提出了根轨迹法； 1949年维纳（ Weiner）出版了划时代著作《控制论》，对控制理论 作了系统的阐述。 正是这些研究工作及前人的努力，奠定了经典控制理论的基础