第一章控制系统导论
控制系统导论-PPT
经典控制理论与现代控制理论比较:
• 经典控制理论
研究对象:单输入、单输出系统 数学模型与工具:微分方程→传递函数 研究内容:确定模型,系统分析,系统设计
• 现代控制理论
研究对象:多输入、多输出系统 数学模型与工具:状态方程→传递矩阵 研究内容:最优控制,系统辨识,自适应类
线1、性线系性统系—统可与用非线线性性微系分统方程或差分方程描述。
2、定线常性系系统统与重时要变系特统性—叠加性,均匀性 非定时非线常 变方线线性系 系程性性系统 统或系系:;统差统统参 参分—特中数 数方y描点各不就程述元随是—。系件时时统特间间得系性变t 运数均化得动为函随方直数变程线量为，大非y如小线性而微变分化
r 电位计式桥路 us
给定值
〉 ua 电动机构 工作机械
（执行、对象）
被控量 c
(三)液位自动控制系统
液位控制系统
控制器
Q1
浮子
c
用水开关
Q2
电位器
减速器
电动机
SM
if
§1-3 自动控制系统中得常用术语
扰动
比较环节
n
参考输入
偏差 控制环节 控制量 被控对象
e
Gc
u
G0
输出 c
主反馈 b
反馈环节 H
一、自动控制系统组成
热力系统自动控制流程图
人工控制
自动控制系统方框图
系统组成:
• 被控对象 • 测量元件 • 控制装置 • 执行机构
二 、控制得基本方式 1、开环控制
开环控制之一:按给定值操作
给定值 计算
执行
干扰 被控量
被控对象
• 信号由给定值至被控量单向传递; • 抗干扰能力差,不能保证控制精度。
自动控制原理简明教材胡寿松
自动控制原理简明教材胡寿松图书目录前言第一章控制系统导论1-1 自动控制的基本原理1-2 自动控制系统示例1-3 自动控制系统的分类1-4 自动控制系统的基本要求习题第二章控制系统的数学模型2-1 傅里叶变换与拉普拉斯变换2-2 控制系统的时域数学模型2-3 控制系统的复数域数学模型2-4 控制系统的结构图与信号流图2-5 数学模型的实验测定法习题第三章线性系统的时域分析法3-1 系统的时域性能指标3-2 一阶系统的时域分析3-3 二阶系统的时域分析3-4 高阶系统的时域分析3-5 线性系统的稳定性分析3-6 线性系统的稳态误差计算习题第四章线性系统的根轨迹法4-1 根轨迹法的基本概念4-2 常规根轨迹的绘制法则4-3 广义根轨迹4-4 系统性能的分析习题第五章线性系统的频域分析法5-1 频率特性5-2 典型环节与开环系统频率特性5-3 频域稳定判据5-4 频域稳定裕度5-5 闭环系统的频域性能指标习题第六章线性系统的校正方法6-1 系统的设计与校正问题6-2 常用校正装置及其特性6-3 串联校正6-4 反馈校正习题第七章线性离散系统的分析7-1 离散系统的基本概念7-2 信号的采样与保持7-3 ｚ变换理论7-4 离散系统的数学模型7-5 离散系统的稳定性与稳态误差7-6 离散系统的动态性能分析习题第八章非线性控制系统分析8-1 非线性控制系统概述8-2 常见非线性特性及其对系统运动的影响8-3 描述函数法习题。
自动控制原理_胡寿松_第五版_第一章_绪论(简)改ppt
掌握系统的基本分析方法
为设计自动控制系统打下一定的基础 为进一步的学习和研究控制理论创造条件
教学方式：讲授 学时：48 H 考核方式： 笔试70％ 平时30％：作业（20％），课堂（10％） 教材： 胡寿松主编，《自动控制原理基础教程》第三版，科学 出版社 参考书： 李友善主编，《自动控制原理》，国防科技出版社 高国燊主编，《自动控制原理》，华南理工大学出版社 文锋主编，《自动控制理论》，中国电力出版社 目标：学到真本事，考个好成绩！ 要求：认真听课，不能无故旷课、迟到；独立完成作业，能够提 出问题，讨论问题。 即：严肃认真，生动活泼！
前苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着 陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号 把宇航员N. A. Armstrong 送上月球。
第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)。
旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索。
控制论是一门多学科性的技术科学。在理论研究中，广 泛的使用了各种数学工具：微积分，概率论，复变函数，泛 函，变分法，拓扑学等，实际上是数学的一个分支。
信号与系统（含 拉氏变换，傅氏 变换、z变换
复变函数
电路理论
模拟电子技术
电机与拖动
自动控制理论
线性代数 微积分（含微分方程）
大学物理（力学、热力学）
我们讨论的自控原理，仅仅是控制论的一个小部分，只讨论 了控制系统分析和设计的最一般的理论。属于经典控制部分。
Chapter 1: 主要介绍自动控制的基本概念，控制系统的常用术语及方框图表示； 主要内容： 1.自动控制、自动控制系统的概念 2.自动控制系统的基本方式 3.自动控制系统的类型 4.自动控制系统的要求和分析设计 chapter 2: 如何建立系统的数学模型（定量分析的基础），着重讨论对传递 函数的分析和基于方框图、梅逊公式的数学模型的简化方法；
飞行器自动控制导论_第一章飞行控制系统概述
第一章飞行控制系统概述1.1飞行器自动控制1.1.1飞行控制系统的功能随着飞行任务的不断复杂化，对飞机性能的要求越来越高，不仅要求飞行距离远（例如运输机），高度高（高空侦察机），而且还要求飞机有良好的机动性（例如战斗机）。
为了减轻驾驶员在长途飞行中的疲劳，或使驾驶员集中精力战斗，希望用自动控制系统代替驾驶员控制飞行，并能改善飞机的飞行性能。
这种系统就是现代飞机上安装的飞行自动控制系统。
飞行控制系统的功能归结起来有两点：1）实现飞机的自动飞行；2）改善飞机的飞行性能。
飞机的自动飞行控制系统在无人参与的情况下，自动操纵飞机按规定的姿态和航迹飞行，通常可实现对飞机的三轴姿态角和飞机三个方向的空间位置的自动控制与稳定。
例如，无人驾驶飞行器（如无人机或导弹等），实现完全的飞行自动控制；对于有人驾驶的飞机（如民用客机或军用飞机），虽然有人参与驾驶，但某些飞行阶段（如巡航段），驾驶员可以不直接参与操纵，而由飞行控制系统实现对飞机飞行的自动控制，但驾驶员应完成对自动飞行指令的设置和监督自动飞行的情况，并可以随时切断自动控制而实现人工驾驶。
采用自动飞行具有以下优点：1）长距离飞行时解除驾驶员的疲劳，减轻驾驶员的工作负担；2）在一些恶劣天气或复杂的环境下，驾驶员难于精确控制飞机的姿态和航迹，自动飞行控制系统可以精确对飞机姿态和航迹的精确控制；3）有一些飞行操纵任务，驾驶员难于精确完成，如进场着陆，采用自动飞行控制则可以较好地完成任务。
一般来说，飞机的性能和飞行品质是由飞机本身气动特性和发动机特性决定的，但随着飞机飞行高度及飞行速度的增加，飞机的自身特性将会变坏。
如飞机在高空飞行时，由于空气稀薄，飞机的阻尼特性变坏，致使飞机角运动产生严重的摆动，靠驾驶员人工操纵将会很困难。
此外，设计飞机时，为了减小质量和阻力，提高有用升力，将飞机设计成静不稳定的。
对于这种静不稳定的飞机，驾驶员是难于操纵的。
在飞机上采用增稳系统或阻尼系统可以很好地解决这些问题。
自动控制原理教学大纲
《自动控制原理》课程教学大纲一、课程的地位、目的和任务本课程地位:自动控制原理是机械设计制造及其自动化专业的专业方向课。
自动控制技术是现代化技术中重要的一个方面，本课程主要讲述现代自动控制技术的基本原理与结构模型，自动控制系统的分析方法与设计方法，使学生具备自动化控制的基础理论知识以及实践能力。
本课程目的：通过本课程的学习,要求学生理解自动控制的基本概念，掌握简单系统的建模方法，掌握对线性定常系统的稳定性、快速性和准确性的基本分析方法以及设计和校正方法，能熟练使用根轨迹法和频率特性法分析与设计控制系统和控制器，对非线性系统也能进行初步的分析.本课程任务:1.掌握自动控制的基本概念、原理，学会对实际物理系统进行数学抽象，并用已学过的数学工具进行系统分析和综合，能灵活应用各种理论知识来解决实际问题的综合设计能力。
2.不仅为后续课程的学习奠定基础，而且直接为解决实际控制系统问题提供理论和方法，养成将来在工程实际中经常进行理性思维的习惯.3。
培养学生在掌握课程知识、概念、原理方法基础上，独立思考、独立解决问题、实验与仿真实现的能力。
二、本课程与其它课程的联系本课程的先修课是高等数学（上、下)、大学物理、电工电子技术（Ⅰ、Ⅱ)。
这些课程的学习，为本课程学习奠定数学基础和分析系统建立数学模型提供必要的电学知识。
本课程学习为后续课程的学习提供所应用的系统分析、设计的基本理论和基本方法，掌握必要的基本技能,为进一步深造打下必要的理论基础.三、教学内容及要求第一章控制系统导论教学要求：通过本章教学，使学生理解自动控制的定义、组成、基本控制方式及特点,对控制系统性能的基本要求，自动控制系统的分类，自动控制系统实例有一定掌握。
使学生对反馈控制的基本理论和方法有一全面、整体的了解。
重点:自动控制的定义、组成、基本控制方式、特点及基本要求难点：自动控制系统实例的分析教学内容：第一节自动控制的基本原理（一）自动控制技术及其应用(二)自动控制理论（三）反馈控制原理（四)反馈控制系统的基本组成(五）自动控制系统基本控制方式第二节自动控制系统示例（一)函数记录仪（二)电阻炉微型计算机温度控制系统（三)锅炉液位控制系统第三节自动控制系统的分类（一）线性连续控制系统（二）线性定常离散控制系统（三)非线性控制系统第四节自动控制系统的基本要求（一）基本要求的提法(二）典型的外作用第二章控制系统的数学模型教学要求:通过本章教学，要求学生掌握拉普拉斯变换的概念、定理及拉普拉斯反变换的数学方法；了解数学模型的概念、表达方式，建模的方法；掌握微分方程的建立、典型元部件及其传递函数、结构图及化简、信号流图和梅森公式，控制系统传递函数的表示方法，学会对一般的机电系统等进行机理建模。
现代控制系统(十一版)
现代控制系统（十一版）第一章控制系统导论1、实现高效的设计过程的主要途径是参数分析和优化。
参数分析的基础是：（1）辨识关键参数；（2）构建整个系统；（3）评估系统满足需求的程度。
这三步是一个循环迭代的过程。
一旦确定了关键参数，构建了整个系统，设计师就可以在此基础上优化参数。
设计师总是尽力辨识确认有限的关键参数，并加以调整。
2、控制系统设计流程（重要）①确定控制目标和受控变量，并初步定义（确定）系统性能指标设计要求和初步配置结构；②系统定义和建模；③控制系统设计，全系统集成的仿真和分析。
（控制精度要求决定了测量受控变量的传感器选型）；④设计规范/设计要求规定了闭环系统应该达到的性能，通常包括：（1）抗干扰能力；（2）对指令的响应能力；（3）产生使用执行机构驱动信号的能力；（4）灵敏度；（5）鲁棒性等方面的要求。
⑤首要任务：设计出能够达到预期控制性能的系统机构配置（传感器、受控对象、执行机构和控制器）。
其中执行机构的选择与受控对象和变量有关，控制器通常包含一个求和放大器（框图中的比较器），用于将预期响应与实际响应进行比较，然后将偏差信号送入另一个放大器。
⑥调节系统参数，以便获得所期望的系统性能。
⑦设计完成之后，由于控制器通常以硬件的形态实现，还会出现各硬件之相互干扰的现象。
进行系统集成时，控制系统设计必须考虑的诸多问题，充满了各种挑战。
3、分析研究动态系统的步骤为：①定义系统及其元件；②确定必要的假设条件并推导出数学模型；③列写描述该模型的微分方程；④求解方程（组），得到所求输出变量的解；⑤检查假设条件和多得到的解；⑥有必要，重新分析和设计系统。
4、中英文术语和概念Automation 自动化Closed-loop feedback control system 闭环反馈控制系统Complexity of design 设计的复杂性Control system 控制系统Design 设计Design gap 设计差异Engineering design 工程设计Feedback signal 反馈信号Flyball governor 飞球调节器Hybrid fuel automobile 混合动力汽车Mechatronics 机电一体化系统Multivariable control system 多变量控制系统Negative feedback 负反馈Open-loop control system 开环控制系统Optimization 优化Plant 受控对象Positive feedback 正反馈Process 受控过程Productivity 生产率Risk 风险Robot 机器人Specification 设计规范Synthesis 综合System 系统Trade-off 折中处理第二章系统数学模关键词：数学模型微分方程（组）非线性模型区域（点）线性化拉普拉斯变换合理假设相似变量相似模型线性模型线性叠加原理注：线性系统满足叠加性和齐次行。
系统与控制导论
一般系统是由互相关联的一些事物(即系统的组成部分)所组成的有机整体。
所谓事物通常指对象、元件、变量、属性、现象等。
关系则指结构、组织、约束、交连等。
控制系统由被控制对象和控制装置所构成，能对被控制对象的工作状态进行遥控或自控的系统。
由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统系统数学模型又称数学模拟，是建立在客观存的环境系统的基础上，反映评价涉及到的各种环境要素和过程以及它们之间相互联系和作用一组数学表达式。
它是在反映环境要素和环境过程的数学模型的基础上，分析要素和过程间的相互联系及作用，按照一定的法则把单个数学模型组合而成反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。
所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。
在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。
因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。
现场总线系统是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。
通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。
集散控制系统。
即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
系统是符合控制系统，他的控制方式是把按偏差控制和按扰动控制结合起来。
采用温度负反馈，由温度控制器对热水温度进行自动控制。
控制系统导论.答案
自动控制系统的基本控制方式
反馈控制（闭环控制） 开环控制 复合控制
1. 反馈控制——闭环控制
➢反馈控制又称为闭环控制，是最基本、也是应 用最广泛的一种控制方式。
➢反馈控制是指：在系统输出端与输入端之间， 不但有顺向作用，而且还有反馈回路，或者说输 出量直接或间接地参与了控制作用。
➢另一方面，对于一些复杂系统，难于建立数学 模型，难于用常规控制理论定量计算分析，必须 采用定量、定性相结合的控制方式，于是提出了 智能控制理论——模拟人的控制技术，虽然不能 实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比 较满意的控制。
课程学习要面临
• 数学基础宽而深 • 控制原理抽象 • 计算复杂且繁琐 • 绘图困难
少或消除扰动对被调量的影响，使它按一定的 规律变化。
控制器：指对被控对象起控制作用的控 制装置的总体。
自动控制系统：指控制装置和被控对象 的总称。
自动控制系统的原理方框图
自动控制装置 广义对象
偏差
控制作用
扰动输入 控制量
给定输入
控制器
比较环节 测量值
执行机构 测量装置
控制 对象
被控量 输出量
➢所谓反馈是指：通过测量装置将系统的输出信号 反馈到系统的输入端。
➢原理框图如图所示。
给定 输入
Байду номын сангаас偏差
控制器
扰动输入
输出量 被控对象
前/正向通道
反/负向通道
检测装置
➢反馈控制是根据负反馈原理，按偏差量进 行控制的。
负反馈原理：
是指将系统的输出反馈到系统的输入端，与 给定值进行比较产生一个偏差信号，并根据输入 量与输出量的偏差信号进行控制。
自控原理 第五节
式中，c(t)是被控量；r(t)是系统输入量。系数是常数时称为定常系统； 系数随时间变化时称为时变系统。 线性定常连续系统又可分为：
(1). 恒值控制系统，这类控制系统的参据量是一个常值，要求被控 量亦等于一个常值，故又称为调节器。
(2). 随动系统，这类控制系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函
1.2 自动控制系统示例
3. 锅炉液位控制系统
锅炉是电厂和化工厂里常见的生产蒸汽的设备，常见 的锅炉液位控制系统示意图如图1-11所示。 当蒸汽的耗汽量与锅炉进水量相等时，液位保持为正 常值。当锅炉的给水量不变，而蒸汽负荷突然增加或减少 时，液位就会下降或上升；或者其它原因引起锅炉液位发 生变化，实际液位高度与正常给定液位之间出现了偏差， 调节器均应立即进行控制，去开大或关小给水阀门，使液 位恢复到给定值。 图1-12 是锅炉液位控制系统方框图
1.1 自动控制的基本原理
2. 自动控制理论
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它 的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于 工业控制。 第二次世界大战期间，为了设计和制造基于反馈原理的 军用装备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战 后已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基 础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出、线性定常系 统的分析和设计问题。
u0 比较电路 ﹘﹘ ut ∆u 放大器 uk 触发器 测速发电机 晶闸管 ua 电动机 n
图1-4 龙门刨床速度控制系统方框图
1.1 自动控制的基本原理
4. 反馈控制系统的基本组成
反馈控制系统是由各种不同的元部件组成的，从完成 “自动控制”这一职能来看，一个系统必然包含被控对象 和控制装置两大部分，而控制装置是由具有一定职能的各 种基本元件组成的。组成系统的元部件按职能分类主要有 以下几种：
控制系统类的课程设计
控制系统类的课程设计一、教学目标本课程的教学目标是让学生掌握控制系统的基本概念、原理和方法，培养学生分析和解决控制系统问题的能力。
具体来说，知识目标包括：掌握控制系统的数学模型、稳定性分析、控制器设计等基本理论；技能目标包括：能够运用MATLAB等软件进行控制系统分析和仿真；情感态度价值观目标包括：培养学生对控制工程的兴趣，提高学生的问题意识和创新精神。
二、教学内容根据课程目标，教学内容主要包括控制系统的基本概念、数学模型、稳定性分析、控制器设计等。
具体安排如下：1.第一章：控制系统导论，介绍控制系统的基本概念、发展历程和应用领域。
2.第二章：控制系统的数学模型，学习状态空间表示、系统性质和状态反馈。
3.第三章：稳定性分析，掌握李雅普诺夫方法、劳斯-赫尔维茨准则等。
4.第四章：控制器设计，学习PID控制、状态反馈控制和观测器设计。
5.第五章：控制系统仿真，利用MATLAB进行控制系统分析和仿真。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本课程采用多种教学方法，包括讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。
1.讲授法：用于传授基本理论和概念，引导学生掌握控制系统的基本知识。
2.讨论法：学生针对实际案例进行讨论，培养学生的分析问题和解决问题的能力。
3.案例分析法：分析控制系统在实际工程中的应用，帮助学生了解控制系统的应用价值。
4.实验法：利用MATLAB进行控制系统分析和仿真，提高学生的动手能力和实践能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，本课程准备以下教学资源：1.教材：《控制系统导论》、《控制工程基础》等。
2.参考书：《现代控制系统》、《控制理论及其应用》等。
3.多媒体资料：制作课件、教学视频等，以便于学生复习和自学。
4.实验设备：计算机、MATLAB软件、控制系统实验板等，用于实验教学和仿真练习。
五、教学评估本课程的评估方式包括平时表现、作业、考试等。
平时表现主要评估学生的课堂参与度、提问和讨论等，占总成绩的20%；作业主要包括练习题和小论文，占总成绩的30%；考试分为期中考试和期末考试，各占总成绩的30%。
1控制系统概论
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1.2.5 其它分类方法
(1)按系统的输入/输出信号数量分:单入/单出系统（SISO） 和多入/多出系统（MIMO） (2)按控制系统的功能分：温度控制系统、速度控制系统、位 置控制系统等。 (3)按系统元件组成来分：机电系统、液压系统、生物系统。 (4)按不同的控制理论分支设计的新型控制系统分：最优控制 系统，自适应控制系统，预测控制系统，模糊控制系统， 神经网络控制系统等等。
(1)稳定性。自动控制系统的最基本的要求是系统必须是 稳定的，不稳定的控制系统是不能工作的。 (2)快速性。在系统稳定的前提下，希望控制过程（过渡 过程）进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很 短，可能使动态误差（偏差）过大。合理的设计应该 兼顾这两方面的要求。 (3)准确性。即要求动态误差和稳态误差都越小越好。当 与快速性有矛盾时，应兼顾这两方面的要求。
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在20世纪50年代，控制工程的发展的重点是复平面和根 轨迹的发展。进而在20世纪80年代，数字计算机在控制 系统中的使用变得普遍起来，这些新控制部件的使用使 得控制精确、快速。 状态空间方法属于时域方法，其核心是最优化技术。它 以状态空间描述（实质上是一阶微分或差分方程组）作 为数学模型，利用计算机作为系统建模分析、设计乃至 控制的手段，适应于多变量、非线性、时变系统。
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(三) 大系统控制理论阶段 20世纪70年代开始，出现了一些新的控制方法和理论。 （1）现代频域方法，该方法以传递函数矩阵为数学模型， 研究线性定常多变量系统； （2）自适应控制理论和方法，该方法以系统辨识和参数 估计为基础，处理被控对象不确定和缓时变，在实时 辨识基础上在线确定最优控制规律； （3）鲁棒控制方法，该方法在保证系统稳定性和其它性 能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型 的不确定性；
自动控制原理第一章胡寿松
第一章 控制系统导论
※ 20世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可 ※ 行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。 ※ 20世纪50年代末，控制系统设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。 ※ 20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。 ※ 从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复 ※ 杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。 ※ 从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞ ※ 控制及其相关课题。
• 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。
第一章 控制系统导论
二、典型外作用
为了便于用统一的方法研究和比较控制系统 的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作 用，选择外作用的标准是： （1）这种函数在现场或实验室容易得到。
(2) 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的 变化。
稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不 能实现预定任务。线性系统的稳定性，通常由系 统的结构决定，与外界因素无关。
第一章 控制系统导论
• 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。
一、对控制系统的基本要求可以归纳为三个字：
稳 准快
1.4
1.2
1
0.8
现代控制系统第十二版课后习题1章答案中文版吐血整理
第1章控制系统导论基础练习题下面的系统都可以用框图来表示它们的因果关系和反馈回路（有反馈时）。
试辨识每个方框的功能，指出其中的输入变量、输出变量和待测变量。
必要时请参考图1.3。
E1.1描述能测量下列物理量的典型传感器：（a）线性位置（b）速度（或转速）（c）非重力加速度（d）旋转位置（或角度）（e）旋转速度（f）温度（g）压力（h）液体（或气体）流速（i）扭矩（j）力【解析】（a）位置传感器：用来测量机器人自身位置的传感器。
（b）转速传感器：是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。
（c）重力加速度传感器：能够感知到加速力的变化的传感器。
（d）角度传感器：用来检测角度的传感器。
（e）转速传感器：是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。
（f）温度传感器：指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。
（g）压力传感器：是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的传感器。
（h）流量传感器：测定吸入发动机的空气流量的传感器。
液体流量计传感器：用来测量各种导电液体介质的体积流量的传感器。
（i）扭矩传感器：将扭力的物理变化转换成精确的电信号的传感器。
（j）测力传感器：在受到外力作用后，粘贴在弹性体的应变片随之产生形变引起电阻变化，电阻变化使组成的惠斯登电桥失去平衡输出一个与外力成线性正比变化的电量电信号的传感器。
E1.2描述能实现下列转化的典型执行机构：（a）流体能到机械能（b）电能到机械能（c）机械形变到电能（d）化学能到运动能【解析】（a）液压马达、液压缸（b）电动机（c）形变发电装置（d）内燃机E1.3精密的光信号源可以将功率的输出精度控制在1%之内。
激光器由输入电流控制，产生所需要的输出功率。
作用在激光器上的输入电流由一个微处理器控制，微处理器将预期的功率值，与由传感器测量得到的，并与激光器的实际输出功率成比例的信号进行比较。
试辨识指明输出变量、输入变量、待测变量和控制装置，从而完成这个闭环控制系统的如图E1.3所示的框图。
控制系统工程导论课后习题问题详解
第一章 概论 习题及及解答1-1 试列举几个日常生活中的开环控制和闭环控制系统实例，并说明它们的工作原理。
略1-2. 图1-17是液面自动控制系统的两种原理示意图。
在运行中，希望液面高度0H 维持不变。
1．试说明各系统的工作原理。
2．画出各系统的方框图，并说明被控对象、给定值、被控量和干扰信号是什么?()a 工作原理：出水量2θ与进水量一致，系统处于平衡状态，液位高度保持在0H 。
当出水量大于进水量，液位降低，浮子下沉，通过连杆使阀门1L 开大，使得进水量增大，液位逐渐回升；当出水量小于进水量，液位升高，浮子上升，通过连杆使阀门1关小，液位逐渐降低。
其中被控对象是水槽，给定值是液面高度希望值0H 。
被控量是液面实际高度，干扰量是出水量2θ。
()b 工作原理：出水量与进水量一致系统处于平衡状态，电位器滑动头位于中间位置，液面为给定高度0H 。
当出水量大于（小于）进水量，浮子下沉（上浮）带动电位器滑动头向上（下）移动，电位器输出一正（负）电压，使电动机正（反）转，通过减速器开大（关小）阀门1L ，使进水量增大（减小），液面高度升高（降低），当液面高度为0H 时，电位器滑动头处于中间位置，输出电压为零，电动机不转，系统又处于平衡状态。
其中被控对象是水槽，给定值为液面高度希望值0H ，被控量是液面实际高度，干扰量是出水量2θ。
()a ，()b 系统结构图如下图1-3 什么是负反馈控制?在图1-17(b)系统中是怎样实现负反馈控制的?在什么情况下反馈极性会误接为正，此时对系统工作有何影响?解：负反馈控制就是将输出量反馈到输入端与输入量进行比较产生偏差信号，利用偏差信号对系统进行调节，达到减小或消除偏差的目的。
图1-17()b系统的输出量液面实际高度通过浮子测量反馈到输入端与输入信号（给定液面高度）进行比较，如果二者不一致就会在电位器输出一电压值——偏差信号，偏差信号带动电机转动，通过减速器使阀门1开大或关小，从而进入量改变，当输出量——液面实际高度与给定高度一致偏差信号为0，电机，减速器不动，系统又处于平衡状态。
自动控制原理基本概念
⾃动控制原理基本概念第⼀章控制系统导论1、⾃动控制系统的组成：控制器、被控对象、反馈环节、给定装置等。
2、⾃动控制系统基本控制⽅式：开环控制、闭环控制和复合控制三种⽅式。
3、反馈是将检测出来的输出量送回到系统的输⼊端，并与输⼊量进⾏⽐较的过程。
反馈有正反馈和负反馈之分，只有负反馈能改善系统性能。
第⼆章控制系统的数学模型1、线性定常系统的传递函数,定义为零初始条件下,系统输出量的拉⽒变换与输⼊量的拉⽒变换之⽐。
2、为传递函数的参数形式，τi(i=1,2,…,m)和 Tj(j=1,2,…,n)为系统中各环节的时间常数, K 为系统的放⼤倍数。
3、为传递函数的零极点形式，zi ( i =1,2,…,m)和pj(j=1,2,…,n)分别称为传递函数的零点和极点,K1称为传递函数的增益（或根轨迹增益）。
4、传递函数的概念适⽤于线性定常系统，传递函数的结构和各项系数包括常数项完全取决于系统本⾝结构；它是系统的动态数学模型，与输⼊信号的具体形式和⼤⼩⽆关，不反映系统的内部信息。
5、传递函数是在零初始条件下定义的。
但是，对输⼊量加于系统之前, 系统处于稳定⼯作状态的情况同样适⽤。
6、传递函数不能（能或不能）反映系统或元件的学科属性和物理性质。
物理性质和学科类别截然不同的系统可能（可能或不可能）具有完全相同的传递函数。
第三章线性系统的时域分析法1、系统的模态（响应形式）由闭环极点确定，闭环零点只影响响应的幅值。
闭环极点的不同取值，动态过程有单调上升，衰减振荡、发散振荡和等幅振荡四种形式。
2、动态过程包含了系统的稳定性、快速性、平稳性等信息。
3、稳态过程是指时间 t 趋近于⽆穷⼤时, 系统输出状态的表现形式。
它表征系统输出量最终复现输⼊量的程度。
稳态过程包含系统的稳态误差等信息。
4、⼀阶系统的典型响应与时间常数T 密切相关。
时间常数越⼩, 响应越快, 跟踪误差越⼩, 输出信号的滞后时间也越短。
)1()1)(1()1()1)(1()(2121++++++=s T s T s T s τs τs τK sG n m )())(()())(()(21211n m p s p s p s z s z s z s K s G ------=5、⼆阶系统的阶跃响应性能定性分析可知，ωn ⼀定，ζ与系统性能的关系：0< ζ<1⽋阻尼，衰减振荡；ζ＝1临界阻尼，单调上升；ζ>1过阻尼，单调上升；ζ=0⽆阻尼，等幅振荡。
控制系统导论.答案
第一章 控制系统导论
1-1 自动控制的基本原理
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 典型输入信号 1-6 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
例：水温人工控制 工作原理：
•热蒸汽通过管道把热 量传递给被加热的水, 被加热水的温度与热蒸 汽流量成正比。 •通过调节阀门的开度， 可调节热蒸汽流量,从 而控制被加热水的温 度。
(2)离散系统
系统中有一处或数处的信号是脉冲序列或数码。 若系统中采用了采样开关,将连续信号转变为离 散的脉冲形式的信号,此类系统称为采样控制系统 或脉冲控制系统。 若采用数字计算机或数字控制器,其离散信号是 以数码形式传递的,此类系统称为数字控制系统。
线性定常连续系统
这类系统可用常系数线性微分方程来描述， 其一般形式为：
定常系统和时变系统
(1)定常系统
如果描述系统特性的微分方程中各项系数都 是与时间无关的常数,则称为定常系统。
(2)时变系统
如果描述系统特性的微分方程中只要有一项 系数是时间的函数,此系统称为时变系统。
连续系统和离散系统
(1)连续系统
系统中所有元件的信号都是随时间连续变化的 信号,称为连续系统。
自动控制原理
胡寿松 主编
科学出版社
引
自是指在无人直接参与的情 况下，通过外加的设备或装置（称为控制 器Controller），使机器、设备或生产过程 （统称被控对象Plant）的某个工作状态或 参数自动地按照预定的规律运行。
自动控制理论：
是研究自动控制共同规律的技术学科 是自动化学科的重要理论基础
送到系统(或环节)的输入端的信号 ,称为反馈。若 此信号是从系统输出端取出送入系统输入端 ,这种 反馈称主反馈。而其它称为局部反馈。
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经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）
1943年，霍尔(A.C.Hall)利用传递函数（复 数域模型）和方框图，把通信工程的频域响应 方法和机械工程的时域方法统一起来，人们称 此方法为复域方法。
1948年伊文斯（W.Evans）又进一步提出了 属于经典方法的根轨迹设计法，它给出了系统 参数变换与时域性能变化之间的关系。
自动控制原理 Automatic Control Theory
河南理工电气学院
罗宇锋
联系电话：13782631982 邮箱：zhanglyf@
助教：电气本：李敏捷，15824628877，D216 电气：贾珍，18300629066，D219
序：自动控制的发展简史
最初的闭环自动控制装置是1788年瓦特 （J.Watt）发明的飞锤调速器的研究。 四个阶段：
经典控制理论阶段 现代控制理论阶段 大系统控制理论阶段 智能控制阶段
经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）
1868年麦克斯韦尔（J.C.Maxwell）基于微 分方程描述从理论上给出了它的稳定性条件。 1877年劳斯（E.J.Routh）,1895年古尔维茨 （A.Hurwitz）分别独立给出了高阶线性系统的 稳定性判据。
劳斯
古尔维茨
经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）
1892年，李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）给出 了非线性系统的稳定性判据。在同一时期，维 什哥热斯基（I.A.Vyshnegreskii）也用一种正 规的数学理论描述了这种理论。 1922年米罗斯基(N.Minorsky)给出了位置控 制系统的分析，并对PID三作用控制给出了控制 规律公式。 1942年，齐格勒（J.G.Zigler）和尼科尔斯 (N.B.Nichols)又给出了PID控制器的最优参数 整定法。【上述方法基本上是时域方法 】
现代频域方法，自适应控制理论和方法、鲁 棒控制方法等。
小知识：卡尔曼
Rudolf Emil Kalman，匈牙利数学 家，1930年出生于匈牙利首都布达佩斯。 1953、1954年于麻省理工学院分别获得 电机工程学士及硕士学位。
1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。在现代控制理论 中的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的 论文《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems》（线性滤波与预测问题的新方法）。
经典控制理论阶段（传递函数作为系统数负反馈系
统的频率域稳定性判据。
1940年，波德(H.Bode)进一步研究通信系
统频域方法，提出了频域响应的对数坐标图描
述方法。
频域分析法主要
用于描述反馈放大器
的带宽和其他频域指 标。
柰奎斯特
小知识：奈奎斯特
现代控制理论阶段（以状态空间表达式为模型）
总结： 状态空间方法属于时域方法，其核心
是最优化技术。它以状态空间描述（实质 上是一阶微分或差分方程组）作为数学模 型。适应于多变量、非线性、时变系统。
大系统控制理论阶段
20世纪70年代，随着控制理论应用范围的 扩大，人们开始了对大系统理论的研究。
大系统理论是过程控制与信息处理相结合 的综合自动化理论基础，是动态的系统工程理 论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目 标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、 多输出、多干扰、多变量的系统。
智能控制阶段
环境的复杂性则表现为变化的不确定性 和难以辨识。试图用传统的控制理论和方法 去解决复杂的对象，复杂的环境和复杂的任 务是不可能的。
智能控制的方法包括模糊控制，神经元 网络控制，专家控制等方法。
40~50年代 经典控制理论 （频域法或复频域法）
核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等 特点：图形方法，直观简便，设置参数少，
大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。
智能控制阶段
智能控制： 依据人的思维方式和处理问题的技巧，
解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂 的控制问题。
被控对象的复杂性体现为:模型的不确定 性，高度非线性，分布式的传感器和执行器， 动态突变，多时间标度，复杂的信息模式， 庞大的数据量，以及严格的特性指标等。
（以简单控制结构获取相对满意的性能） 适用范围：单输入单输出（SISO）系统。
数学基础：复变函数，积分变换。
SISO: Single Input and Single Output
美国物理学家，1889年出生在瑞典。1976年在德克 萨斯逝世。奈奎斯特对信息论做出了重大的贡献。奈奎 斯特1907年移民到美国并于1912年进入北达克塔大学学 习。1917年在耶鲁大学获得物理学博士学位。1917年～ 1934年在AT&T公司工作，后转入贝尔电话实验室工作
作为贝尔电话实验室的工程师，在热噪声(JohnsonNyquist noise)和反馈放大器稳定性方面做出了很大的贡献。他早期的 理论性工作关于确定传输信息需满足的带宽要求，在《贝尔系统技术》 期刊上发表了《影响电报速度传输速度的因素》文章，为后来香农的信 息论奠定了基础。
1927年，奈奎斯特确定了如果对某一带宽的有限时间连续信号（模 拟信号）进行抽样，且在抽样率达到一定数值时，根据这些抽样值可以 在接收端准确地恢复原信号。为不使原波形产生“半波损失”，采样率 至少应为信号最高频率的两倍，这就是著名的奈奎斯特采样定理。奈奎 斯特1928年发表了《电报传输理论的一定论题》。1954年，他从贝尔实 验室退休。
经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）
总结：经典控制理论的分析方法为复数 域方法,以传递函数作为系统数学模型， 优点:可通过试验方法建立数学模型，物 理概念清晰。 缺点:只适应单变量线性定常系统，对系 统内部状态缺少了解。
现代控制理论阶段（以状态空间表达式为模型）
1954年贝尔曼(R.Bellman)的动态规划理论。 1956年庞特里雅金(L.S.Pontryagin)的极大 值原理。 1960年卡尔曼（R.E.Kalman）的多变量最优 控制和最优滤波理论。