自动控制原理电子教案 第1章
自动控制原理电子教案
自动控制原理电子教案第一章：绪论1.1 自动控制的概念解释自动控制的定义强调自动控制在现代工业和日常生活中的重要性1.2 自动控制系统的分类介绍开环控制系统和闭环控制系统解释数字控制系统和模拟控制系统的区别1.3 自动控制系统的性能指标介绍稳定性、线性、收敛性和鲁棒性等性能指标解释这些指标对系统性能的影响第二章：反馈控制系统2.1 反馈控制系统的组成介绍控制器、执行器和传感器的功能和作用2.2 反馈控制系统的类型解释正反馈和负反馈的区别和应用场景2.3 控制器的设计方法介绍PID控制器和模糊控制器的原理和方法第三章：线性系统的状态空间分析3.1 状态空间表示法介绍状态空间的概念和数学表示方法3.2 状态方程和输出方程推导状态方程和输出方程的求解方法3.3 线性系统的可控性和可观测性解释可控性和可观测性的概念和判断方法第四章：非线性控制系统分析4.1 非线性系统的分类介绍线性与非线性的区别和常见的非线性特性4.2 非线性方程的求解方法解释求解非线性方程的数值方法和解析方法4.3 非线性控制系统的稳定性分析介绍李雅普诺夫理论和Lyapunov 函数的应用第五章：现代控制理论5.1 现代控制理论的概念解释现代控制理论的背景和发展5.2 鲁棒控制理论介绍鲁棒控制的概念和设计方法5.3 自适应控制理论解释自适应控制的概念和应用场景第六章：控制系统的设计方法6.1 系统设计的基本原则介绍控制系统设计中的稳定性、准确性和快速性原则6.2 控制器设计方法详细讲解PID控制器、模糊控制器、自适应控制器的设计步骤和注意事项6.3 系统仿真与实验介绍使用MATLAB等工具进行控制系统仿真的方法强调实验在控制系统教学和工程应用中的重要性第七章：线性调节器的设计7.1 调节器的作用与分类解释调节器的作用以及比例、积分、微分调节器的特点7.2 调节器的设计方法介绍Ziegler-Nichols方法等经典调节器设计方法7.3 调节器的参数整定讲解如何通过观察系统响应来整定调节器参数第八章：系统辩识8.1 系统辩识的基本概念解释系统辩识的目的和方法8.2 输入输出数据采集介绍如何采集系统的输入输出数据8.3 系统模型的建立与参数估计讲解如何根据采集到的数据建立数学模型并进行参数估计第九章：数字控制系统9.1 数字控制系统的组成介绍数字控制系统的硬件和软件组成部分9.2 数字控制算法详细讲解离散PID控制、模糊控制等数字控制算法9.3 数字控制器的实现介绍如何实现数字控制器，包括硬件实现和软件实现第十章：自动控制系统的应用10.1 工业自动化讲解自动控制系统在工业生产中的应用案例10.2 家居自动化介绍自动控制系统在智能家居中的应用案例10.3 汽车自动化探讨自动控制系统在现代汽车工业中的应用案例重点和难点解析重点环节：1. 自动控制的概念和分类2. 反馈控制系统的组成和类型3. 状态空间分析方法4. 非线性控制系统分析5. 现代控制理论6. 控制系统的设计方法和步骤7. 调节器的设计和参数整定8. 系统辩识的方法和模型建立9. 数字控制系统的组成和算法实现10. 自动控制系统的应用案例难点解析：1. 自动控制的概念和分类：理解自动控制的基本原理和不同类型控制系统的特点。
自动控制原理第一章教案
第一章绪论一、自动控制技术自动控制技术被大量应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测、交通管理、科研开发、军事领域、特别是空间技术和核技术。
自动控制技术的广泛应用不仅使各种生产设备、生产过程实现了自动化，提高了生产效率和产品质量，尤其在人类不能直接参与工作的场合，就更离不开自动控制技术了。
自动控制技术还为人类探索大自然、利用大自然提供了可能和帮助。
二、自动控制理论的发展过程1.1945年之前，属于控制理论的萌芽期。
1945年，美国人伯德（Bode）的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础，至此进入经典控制理论时期，此时已形成完整的自动控制理论体系。
2.二十世纪六十年代初。
用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”（卡尔曼Kalman）奠定了现代控制理论的基础。
现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统，高精度复杂系统的控制问题，主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态空间法，提出了最优控制等问题。
3.七十年代以后，各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂，自动控制理论继续发展，进入了大系统和智能控制时期。
例如智能机器人的出现，就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。
三、自动控制技术与人类历史发展1.自动计时漏壶：古代利用滴水、沙多少来计量时间的一种仪器。
水漏是以壶盛水，利用水均衡滴漏原理，观测壶中刻箭上显示的数据来计算时间。
历史可追溯到夏、商时期。
沙漏是为了避免水因气温变化而影响计时精度而设计的。
其原理是通过流沙推动齿轮组，使指针在时刻盘上指示时刻。
最早记载见于元代。
2.记里鼓车：记里鼓车是中国古代用于计算道路里程的车，行一里路打一下鼓的装置，故名“记里鼓车”。
记里鼓车这是一种会自动记载行程的车辆，是中国古代社会的科学家、发明家研制出的自动机械物体，被机器人专家称为是一种中国古代机器人。
记里鼓车的记程功能是由齿轮系完成的。
车中有一套减速齿轮系，始终与车轮同时转动，其最末一只齿轮轴在车行一里时正好回转一周，车子上层的木人受凸轮牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以示里程。
自动控制原理--第1章 自动控制理论的一般概念
1-3 典型控制系统
恒值系统：
也称镇定系统。输出量以一定的精度等于 给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢， 扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产 过程中，这类系统非常多。例如：恒温系统， 恒压系统等。
例 锅炉空气预热器密封间隙控制系统
系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算 机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调 整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。
u
~220V
开关闭合后，不同 的输入电压u对应于 不同的温度t。
炉温开环控制系统
扰动量
输入量 (电源 )
开关
加热电 阻丝
控制装置
电炉恒 温箱
受控对象
输出量 (温度)
炉温开环控制系统方框图
扰动
给定值
控制器
被控制 对象
典型开环控制的方框图
输出量
系统框图帮助理解系统的构成和性质
开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.
第1章 自动控制理论的一般概念
1-1 自动控制发展史 1-2 自动控制的基本方式 1-3 典型控制系统 1-4 对于自动控制系统的要求
1-1 自动控制发展史
经典控制理论（20世纪40年代及其以前）
主要研究单输入单输出线性定常系统 时域、频域和复域分析和设计问题。
现代控制理论（20世纪60年代）
主要研究多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统 分析和设计问题；最优控制问题。
(c)
五、复合控制
它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主
要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组
成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生
《自动控制原理》电子教案
《自动控制原理》电子教案自动控制原理是一门应用于工程系统中的基础课程，主要教授控制系统的基本原理、方法和技术。
本教案分为导入、教学过程、课堂活动、作业布置和教学总结五个部分。
一、导入控制系统是现代工程中不可或缺的部分，它在各个领域中都有着广泛的应用，如机械、电子、航空航天、化工等。
本课程将重点介绍控制系统的基本原理和常用的控制方法，通过理论与实践相结合的方式，让学生对自动控制有一个全面的了解。
二、教学过程1.引入控制系统的概念和意义-通过举例说明控制系统在日常生活中的应用，如电梯、温度调节器等。
-引导学生思考控制系统的目的是什么，如稳定性、精确度、鲁棒性等。
2.基本概念和术语-介绍控制系统的基本构成要素，如输入、输出、传感器、执行器等。
-解释控制系统的基本术语，如开环控制、闭环控制、反馈、控制器等。
3.数学模型建立与分析-介绍控制系统的数学建模方法，如微分方程、状态空间等。
-通过实例演示如何建立系统的数学模型，如电机控制系统、液位控制系统等。
-分析系统的稳定性和动态响应，引入根轨迹和频率响应的概念。
4.控制方法与技术-介绍常见的控制方法，如比例、积分、微分控制器，PID控制器等。
-讲解先进的控制技术，如自适应控制、鲁棒控制、优化控制等。
-针对不同的控制任务，介绍相应的控制算法和调参方法。
5.实验与仿真-安排实验课程，让学生通过实际操作来深入理解控制系统的原理和方法。
-使用仿真软件进行虚拟实验，提供学生自主学习和实践的机会。
三、课堂活动1.小组讨论：请学生分小组讨论不同控制系统的应用，并分享自己的观点和想法。
2.解答问题：教师提供一些与课程内容相关的问题，鼓励学生积极参与回答，加深对知识的理解。
3.实例分析：教师提供一些典型的控制系统实例，让学生逐步分析其数学模型和控制方法。
四、作业布置1.阅读相关文献资料，进一步了解控制系统的发展和应用。
2.完成课后习题，加强对知识的巩固。
3.准备下一堂课的报告，选择一个感兴趣的控制系统进行介绍。
《自动控制原理》电子教案
5
《自动控制原理》电子教案
《自动控制原理》课程实验教学大纲
一、实验教学目标与基本要求
《自动控制原理》课程实验通过上机使用 ＭＡＴＬＡＢ 软件，使学生初步掌握 ＭＡＴＬＡＢ 软件在控制理论中的 基本应用，学会利用 ＭＡＴＬＡＢ 软件分析控制系统，从而加深对自动控制系统的认识，帮助理解经典自动控 制的相关理论和分析方法。通过本课程上机实验，要求学生对 ＭＡＴＬＡＢ 软件有一个基本的了解，掌握 ＭＡＴＬＡＢ 软件中基本数组和矩阵的表示方法，掌握 ＭＡＴＬＡＢ 软件的基本绘图功能，学会 ＭＡＴＬＡＢ 软件中自动控制理论 常用函数的使用，学会在 ＭＡＴＬＡＢ 软件工作窗口进行交互式仿真和使用 Ｍ＿Ｆｉｌｅ 格式的基本编程方法，初步
制系统的性能。了解开环零、极点对系统性能的影响。
5．熟悉频率分析法分析控制系统性能的方法 熟悉典型环节频率特性的求取以及频率特性曲线，掌握系统开环对数频率特性曲线、极坐标曲线绘制 的基本方法。了解根据开环对数频率特性曲线分析闭环系统性能的方法。熟悉用奈奎斯特稳定判据判断系
1
《自动控制原理》电子教案
４．频率法反馈校正的基本原理和方法（选讲）
（七）非线性控制系统 了解非线性系统与线性系统的区别，了解非线性特性和非线性系统的主要特征，学会非线性系统的描 述函数分析方法，了解非线性系统的相平面分析法（选讲）。
3
《自动控制原理》电子教案
１． 非线性系统的基本概念
２． 典型非线性特性、非线性系统的主要特征
三、实验方法、特点与基本要求
本课程实验采用计算机 ＭＡＴＬＡＢ 软件仿真方法，其特点是利用 ＭＡＴＬＡＢ 软件丰富的功能函数、灵活的编 程和调试手段以及强大的人机交互和图形输出功能，可以实现对控制系统直观和方便的分析和设计。
《自动控制原理》电子教案
自动控制原理电子教案第 1 次课授课时间2学时授课题目（章、节）第一章绪论（1-3节）主要内容1．自动控制在各领域的应用2．自动控制的作用3．自动控制定义：自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（或过程）的某些物理量自动地按预先给定的规律去运行。
4．自动控制系统的基本职能元件及基本框图等5．开环控制与闭环控制目的与要求了解自动控制系统的基本职能元件、基本术语及方框图掌握自动控制定义掌握开环、闭环控制的定义、基本框图重点与难点重点：自动控制的定义、开环控制与闭环控制的定义及框图教学手段授课、例题讲解思考题或作业题1-2１．１ 引言 无论是人们的日常生活、工业生产，还是空间探索、导弹制导等尖端科技领域中，自动控制技术无所不在、无所不能。
自动控制理论和技术已经渗透到社会、经济和科学研究的各个方面。
自动控制技术是建立在控制论基础上的，而控制论研究的是控制的一般性理论，它不具体面对某一类控制系统的，因此它是一门以理论为主的课程。
自动控制理论是一门理论性和工程性的综合科学。
１．控制理论的基础观念 控制理论是建立在有可能发展一种方法来研究各式各样系统中控制过程这一基础上的理论（也即，它是研究系统共性的控制过程的理论，可以把实际对象的物理涵义抽象出来，因此，它一定是以数学工具作为主要研究手段的）。
２．控制理论的研究对象 控制论的研究是面向系统的。
广义地讲：控制论是研究信息的产生、转换、传递、控制和预报的科学； 狭义地讲：根据期望的输出来改变控制输入，使系统的输出能达到某中预期的效果。
３．控制论与数学及自动化技术的关系 控制论是应用数学的一个分支，它的某些理论的研究还要借助于抽象数学。
而控制论的研究成果若要应用于实际工程中，就必须在理论概念与用来解决这些实际问题的实用方法之间架起一座桥梁。
１．２ 自动控制和自动控制系统 １．２．１自动控制问题的提出 人们存在着一种普遍的要求或希望，即要求某些物理量维持在某种特定的（如恒定不变或按某种规律变化或跟踪某个变化的量等等）标准上。
自动控制原理电子教案
第一章自动控制原理的基本概念主要内容：自动控制的基本知识开环控制与闭环控制自动控制系统的分类及组成自动控制理论的发展§1.1引言例如：控制：§1.21.2.1（如1.2.21.自动控制的定义自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(或过程)的某些物理量(或状态)自动地按预先给定的规律去运行。
当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。
这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。
2.自动控制的基本职能元件自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。
画出以上人工控制与动控制的功能方框图进行对照。
比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不图。
1.2.31.2.§1.31.3.1开环控制定义:控制量与被控量之间只有顺向作用而没有反向联系。
开环控制系统的典型方框图如图所示。
例如：交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机1.按给定控制下图是一个直流电动机转速控制系统。
工作原理：以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。
2.按扰动控制图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。
控制过程可用方框图表示成如图示的形式。
把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生的影响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。
有时我们称按扰动控制为顺馈控制。
开环控制的特点：1.3.2◆由负反馈构成闭环，利用偏差信号进行控制；抗干扰能力强，精度高；存在稳定性问题。
系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常工作；自动控制理论主要研究闭环系统。
闭环控制系统的典型方框图如图所示。
一、开环与闭环控制系统的比较二、复合控制方法常见的方式有以下两种：1.附加给定输入补偿2.附加扰动输入补偿§1-4自动控制系统的分类基本组成1.4.1按给定信号的2.3.1.4.21.时，则称这种系统为线性系统。
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
《自动控制原理》电子教案(共8章)
第一章自动控制的一般概念第一节控制理论的发展自动控制的萌芽：自动化技术学科萌芽于18世纪，由于工业革命的发展,如何进一步降低人的劳动强度和提高设备的可靠性被提到了议程。
特点：简单的单一对象控制。
1. 经典控制理论分类线性控制理论，非线性控制理论，采样控制理论2. 现代控制理论3. 大系统理论4. 智能控制理论发展历程：1. 经典控制理论时期（1940-1960）研究单变量的系统，如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。
⏹1945年美国人Bode出版了《网络分析与放大器的设计》，奠定了控制理论的基础;⏹1942年哈里斯引入传递函数；⏹1948年伊万恩提出了根轨迹法；⏹1949年维纳关于经典控制的专著。
特点：以传递函数为数学工具，采用频率域法，研究“单输入—单输出”线性定常控制系统的分析和设计，而对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力。
2. 现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）研究多变量的系统，如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。
空间技术的发展提出了许多复杂的控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上，对自动控制的精密性和经济性指标提出了极严格的要求。
并推动了控制理论的发展。
⏹Kalman的能控性观测性和最优滤波理论;⏹庞特里亚金的极大值原理；⏹贝尔曼的动态规划。
特点：采用状态空间法（时域法），研究“对输入-多输出”、时变、非线性系统等高精度和高复杂度的控制问题。
3. 大系统控制时期（1970s-）各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。
大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、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。
4. 智能控制时期这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。
它的指导思想是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。
自动控制原理(第一章)
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
① 恒值控制系统
系统的输入量是一个常值，要求被控量也等于一个 系统的输入量是一个常值，要求被控量也等于一个 一个常值 常值。 常值。 基本任务：当出现扰动时， 基本任务：当出现扰动时，使得系统的输出量保持 恒定的希望值。 为恒定的希望值。
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
1-1 自动控制的基本原理
1） 自动控制技术及其应用 ）
控制器 自动控制(Automatic Control)是指在没有人直接参 是指在没有人直接参 自动控制 是指在 的情况下， 机器、 与的情况下，利用外加的设备和装置，使机器、 设备或生产过程的某个工作状态或参数，自动地 按照预定的规律运行。 按照预定的规律运行。
1-2 自动控制系统示例
函数记录仪 飞机-自动驾驶仪系统 飞机 自动驾驶仪系统 电阻炉微型计算机温度控制系统 锅炉液位控制系统
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
1-3 自动控制系统的分类
Automatic Control Theory——Basic Concept of Automatic Control Theory——Basic
2）快速性 ）
对控制系统过渡过程的时间的要求。 对控制系统过渡过程的时间的要求。
期望 温度
大脑
手 眼睛
调压器
恒温箱
自动控制原理教案1-3章
t0 t0
0
(t )dt 1
●正弦函数，其数学表达式为；
r (t ) A sin(t )
式中，A为振幅；Φ 为相位移；ω 为振荡角频率。 ●抛物线输入函数，其数学表达式为；
1 1 2 R t2 r (t ) Rt u(t ) 2 2 0
2
2)动态特性 稳定的控制系统受到外加控制信号或扰动的作用后，系统会 恢复到原态或达到新的平衡状态，但由于系统机械部分存在质量、 惯量，电路中存在电感、电容，同时也由于能源、功率的限制， 使得系统的各信号不能瞬时达到平衡，而要经历一个过程，系统 状态随时间t变化的这一过程称为动态过程或过渡过程。 动态特性即是反映在这一过程中，系统跟踪控制信号或抑制 扰动的速度快慢，系统响应过程的振荡大小及平稳、均匀的程度。 一个动态特性好的系统既要过渡过程时间短，又要过程平稳、 振荡幅度小。
严格说，实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件。例如 放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间隙和摩擦特 性等。因非线性方程在数学处理上困难，目前对不同类型的非线 性控制系统的研究没有统一的方法。但对非线性程度不太严重的 元部件，可在一定范围内线性化，将非线性控制系统近似为线性 控制系统来处理。
a0c(k n) a1c(k n 1) an1c(k 1) an c(k ) b0 r (k ) b1r (k m 1) bm1r (k 1) bm r (k )
式中，m≤n，n为差分方程的阶数； a0，a1 ，…，an，b0，b1，…， bm为常系数；r(k)，c(k)分别为输入和输出采样序列。 工业计算机控制系统就是典型的离散系统。
2) 典型测试信号 ●阶跃输入函数，其数学表达式为：
自动控制原理电子教案
自动控制原理电子教案第一章：绪论1.1 自动控制的概念介绍自动控制的定义和意义解释自动控制系统的组成和功能1.2 自动控制系统的分类介绍连续控制系统和离散控制系统的区别介绍开环控制系统和闭环控制系统的区别1.3 自动控制的发展历程介绍自动控制的发展历程和重要里程碑介绍自动控制在我国的发展状况第二章：自动控制系统的数学模型2.1 数学模型的概念介绍数学模型的定义和作用解释数学模型在自动控制系统中的应用2.2 连续系统的数学模型介绍连续系统的微分方程表示法介绍连续系统的传递函数表示法2.3 离散系统的数学模型介绍离散系统的差分方程表示法介绍离散系统的Z域表示法第三章：自动控制系统的稳定性分析3.1 稳定性概念介绍系统稳定性的定义和重要性解释稳定性的判定标准3.2 连续系统的稳定性分析介绍劳斯-赫尔维茨稳定性判据介绍尼科尔斯-李雅普诺夫稳定性判据3.3 离散系统的稳定性分析介绍离散系统的稳定性判定方法介绍离散系统的劳斯-赫尔维茨判据第四章：自动控制系统的控制器设计4.1 控制器设计概述介绍控制器设计的意义和目标解释控制器设计的基本方法4.2 连续系统的PID控制器设计介绍PID控制器的原理和结构介绍PID控制器的参数调整方法4.3 离散系统的控制器设计介绍离散PID控制器的设计方法介绍离散控制器的实现和优化方法第五章：自动控制系统的仿真与实验5.1 自动控制系统仿真概述介绍自动控制系统仿真的意义和目的解释仿真软件的选择和使用方法5.2 连续系统的仿真实验介绍连续系统的仿真实验方法和步骤分析实验结果和性能指标5.3 离散系统的仿真实验介绍离散系统的仿真实验方法和步骤分析实验结果和性能指标第六章：线性系统的状态空间分析6.1 状态空间的概念介绍状态空间及其在自动控制系统中的应用解释状态向量和状态方程的含义6.2 状态空间表示法介绍状态空间表示法的基本原理解释状态转移矩阵和系统矩阵的概念6.3 状态空间分析法介绍状态空间分析法在系统稳定性、可控性和可观测性方面的应用解释李雅普诺夫理论在状态空间分析中的应用第七章：非线性系统的分析与控制7.1 非线性系统概述介绍非线性系统的定义和特点解释非线性系统分析的重要性7.2 非线性系统的数学模型介绍非线性系统的常见数学模型解释非线性方程和方程组的求解方法7.3 非线性控制策略介绍非线性控制的基本策略和方法分析非线性控制系统的性能和稳定性第八章：现代控制理论及其应用8.1 现代控制理论概述介绍现代控制理论的定义和发展历程解释现代控制理论在自动控制系统中的应用8.2 鲁棒控制介绍鲁棒控制的定义和目标解释鲁棒控制在自动控制系统中的应用和优势8.3 自适应控制介绍自适应控制的定义和原理解释自适应控制在自动控制系统中的应用和效果第九章：自动控制系统的实现与优化9.1 系统实现概述介绍自动控制系统实现的意义和目标解释系统实现的方法和技术9.2 数字控制器的实现介绍数字控制器的实现方法和步骤解释数字控制器实现中的主要技术问题9.3 系统优化方法介绍系统优化方法的定义和目标解释系统优化方法在自动控制系统中的应用和效果第十章：自动控制技术的应用案例分析10.1 工业自动化控制系统案例分析工业自动化控制系统的组成和功能解释工业自动化控制系统在工业生产中的应用案例10.2 控制系统案例分析控制系统的组成和功能解释控制系统在现代工业和生活中的应用案例10.3 航空航天控制系统案例分析航空航天控制系统的组成和功能解释航空航天控制系统在航空航天领域的应用案例重点和难点解析重点环节1：自动控制的概念与系统组成自动控制系统的定义和功能是理解自动控制理论的基础，需要重点关注。
自动控制原理教案
自动控制原理教案经典控制部分第一章控制理论一般概念3学时 (2)第二章控制系统的数学模型9学时 (6)第三章控制系统的时域分析10学时 (15)第五章频率特性12学时 (26)第六章控制系统的校正与设计8学时 (36)第七章非线性系统8学时 (40)第八章离散控制系统8学时 (45)第一章控制理论一般概念3学时1．本章的教学要求1）使学生了解控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容，认识本学科在国民经济建设中的重要作用，从而明确学习本课程的目的。
2）使学生深入理解控制系统的基本工作原理、开环闭环和复合控制系统、闭环控制系统的基本组成等内容，学会利用所学控制原理分析控制系统。
3）使学生学会控制系统的基本分类方法，4）掌握对控制系统的基本要求。
2．本章讲授的重点本章讲授的重点是控制系统的基本概念、反馈控制原理、控制系统的的基本分类方法及对控制系统的基本要求。
3．本章的教学安排本课程讲授3个学时，复习学时3个。
演示《自动控制技术与人类进步》及《自动化的应用举例》幻灯片，加深同学对本课程研究对象和内容的了解，加深对反馈控制原理及系统参数对系统性能影响的理解。
[教案1-1]第一节概述1．教学主要内容：本讲主要介绍控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容。
2．讲授方法及讲授重点：本讲首先介绍控制工程研究的主要内容，给出定义，并以瓦特发明的蒸汽机离心调速器为例，说明需要用控制理论解决控制系统的稳定、准确、快速等问题。
其次，在讲授控制理论的发展时，主要介绍控制理论的发展的三个主要阶段，重点说明经典控制理论、现代控制理论研究的范围、研究的手段，强调本课程重点介绍经典控制理论。
另外，在介绍控制理论在工程中的应用时，应举出控制理论在军事、数控机床、加工中心、机器人、机电一体化系统、动态测试、机械动力系统性能分析、液压系统的动态特性分析、生产过程控制等方面的应用及与后续课的关系，激发同学的学习兴趣。
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第1章自动控制理论的发展史及内容教学目的: 知识：掌握什么是自动控制，自动控制控制原理的发展史和主要内容技能：通过学习自动控制原理的发展进程了解本课程主要的任务教学重点: 自动控制原理的主要内容教学难点: 本课程的任务教学方法: 结合多媒体讲授法教学进度: 本内容为4学时，其中1.1、1.2、1.3节2学时，1.4、1.5、1.6节2学时。
参考资料:《现代控制工程》绪方胜彦著,科学出版社教学内容第一节自动控制理论的发展史及内容一提到自动化很多人就会问自动化是什么？所谓自动化就是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。
广义的讲，自动化还包括模拟或再现人的自能活动。
自动化技术广泛用于工业、农业、国防、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务以及家庭等各方面。
采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展、放大人的功能和创新的功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。
因此自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志。
在我国的古代，很多的能工巧匠就发明了许多原始的自动装置，以满足生产、生活和作战的需要。
其中比较著名的就有以下几种：（1）指南车指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合齿轮系装置的车辆。
指南车是一种马拉的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。
《宋史·舆服志》中对指南车的构造和各齿轮大小和齿轮数都有详细的记载。
（2）铜壶滴漏即漏壶，中国古代的自动计时装置，又称刻漏或漏刻。
漏壶的最早记载见于《周记》。
这种计时装置最初只有两个壶，由壶上滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以示刻度（时间）。
（3）饮酒速度的自动调节宋朝仇士良著的《岭外代答》（公元1178）蹭记载中国南方和西南方部落村民的一种习俗，就是常用长0.6米以上的饮酒管饮酒。
在这种竹制饮酒管中有一条银制小鱼，作为可动的开关（即浮子式阀门）。
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。
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2020年5月24日
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第1章第1页
本门课程的性质:
1.重要的技术基础课，阐述有关自动控制技术的基础理 论——经典控制论，研究“控制论”在工程中的应用。
基本内容——控制论的基本理论、方法、特点、综合 设计方法。
研究对象——自动控制系统，揭示自动控制系统中存 在的信息转换、传递和反馈。
测速 发电机
Mc 扰动
直流
n
电动机
输
出
量
直流电动机转速闭环控制系统方块图
设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速n状 态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大） 而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。
Mc↑→n↓→uf↓→ue（ ue = ug - uf ）↑→ua↑→n↑
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第1章第29页
炉温自动控制系统方框图
扰动
Tr 给定装置 ur + ue 放大器 ua 电机减速器 调压器 -
电炉
Tc
uf
热电偶
原理：即当恒温箱内温度偏高时，使调压器降压，反之升压， 直到温度达到给定值为止。此时偏差电压ue=0，电机停转。
温度Tc下降， Tc↓→ uf ↓→ ue=ur- uf ↑→ ua↑→ 电机向增 大调压器输出电压的方向加速旋转→Tc↑→uf ↑，直到Tc = Tr， ue=0。
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第1章第8页
1.2.1 开环控制系统
示例——直流电动机转速开环控制系统 +
+
_
电位 器
ug
+
电压 放大器 _
+
n
功率 放大器
_u a
电动 机
Mc 负载
给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不同 的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。 输出端和输入端之间不存在反馈回路。
1.4.1 按输入信号的特征分
1.恒值调节系统：该类系统的输入信号为一常数，扰动使被 控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差该系统可使被控量回 复到理想值或接近理想值。上述的转速闭环控制系统、水位 控制系统均属于此类系统。 2.程序控制系统：输入信号为已知的时间函数，如机械加工 中的数控机床工作台移动系统。 3.随动系统：这类系统的给定量是时间的未知函数，系统能 使被控量准确、快速地跟随给定量变化。随动系统又称伺服 系统。火炮自动瞄准系统、船舶自动舵均属此类系统。
扰动信号：简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种 不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自 系统内部，又可来自系统外部，前者称为内部扰动，后者 称为外部扰动。 外部扰动是不希望的输入信号。
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第1章第22页
1.4 自动控制系统的分类
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第1章第23页
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第1章第10页
开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试 方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定， 且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素 可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。
开环控制的缺点——当控制过程中受到来自系统外部 的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来 自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接 影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，抗干扰性 能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。
偏差始终存在 正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。
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第1章第13页
闭环控制系统（Close-Loop Control System）又 称反馈控制系统（Feedback Control System），是在 闭环控制系统中，把输出量检测出来，经过物理量 的转换，再反馈到输入端去与给定值（参考输入） 进行比较（相减），并利用比较后的偏差信号，以 一定的控制规律产生控制作用，抑制内部或外部扰 动对输出量的影响，逐步减小以至消除这一偏差， 从而实现要求的控制性能。
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第1章第14页
闭环控制的优点——抑制扰动能力强，与开环 控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动 态特性和控制精度。
闭环控制的缺点——引入反馈增加了系统的复 杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能 会产生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是 自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。
自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、 环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，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。
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第1章第33页
1.6 自动控制理论发展简史
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第1章第34页
一、历史
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第1章第30页
1.5.2 导弹发射架方位控制系统
手轮
r
E0
给定装置 输入轴 Ⅰ
ur
+ +
u_e 放大器
ua _
0
+
_
导弹发射架方位控制系统原理图
反馈装置
发射架
Ⅱ
u0
输出 轴
E0
随 动 系 统
r
e 电位器 u e
－
Ⅰ、Ⅱ
0
放大器 ua
直流 电动机
减速器
0 导 弹
发射架
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第1章第4页
1.1 引言
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第1章第5页
自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控 制装置（或称为控制装置或控制器），使机器、设备或生 产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为 被控量）自动地按照预定的规律运行。
自动控制理论：是研究有关自动控制共同规律的一门技术 科学，是自动控制技术的基础理论，根据发展的不同阶段， 其内容可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理 论。
导弹发射架方位控制系统方块图
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第1章第31页
1.5.3 计算机控制系统
轧钢机计算机控制系统示意图
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轧钢机计算机控制系统方块图
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第1章第32页
锅炉设备的压力和温度自动保持恒定 数控机床按照预定的程序自动地切削工件 导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收
给定元件——其作用是给出与期望的输出相对应的系统 输入量，是一类产生系统控制指令的装置。
测量反馈元件——如传感器和测量仪表，感受或测量被 控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反 馈到输入端以作比较。
2020年5月24日
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第1章第19页
比较元件——比较输入信号与反馈信号，以产生反映两 者差值的偏差信号。
2.时变系统：特性随时间变化的系统称时变系统。对于 时变系统，其输出响应的波形不仅与输入信号波形有关， 而且还与参考输入加入的时刻有关，这一特点，增加了 对时变系统分析和研究的复杂性。
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第1章第26页
1.4.4 按信号的传递是否连续分
1.连续系统：该类系统各环节间的信号均为时间t的连续函数。
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第1章第21页
反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统 （或元件）输入端的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈 和局部反馈。
偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号 简称偏差。
误差信号：它是指系统输出量的期望值与实际值之差，简 称误差。在单位反馈情况下，误差值也就是偏差值，二者 是相等的。
2020年5月24日
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第1章第28页
1.5.1 炉温控制系统
炉温控制系统的理想温度由电压ur给出，热电偶检测箱温输出 电压uf,，偏差电压Δu= ur- uf，经电压和功率放大后控制电机的速 度和转向，从而改变调压器滑动触头的位置，改变炉温控制系统
的外施电压达到恒定炉温的目的。
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第1章第6页
1.2 开环控制系统和闭环控制系统
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第1章第7页
控制系统的类型很多，它们的结构类型 和所完成的任务也各不相同。控制系统中最 常见的两种控制方式是开环控制和闭环控制， 这两种控制的组合——即为复合控制，相对 应的控制系统称为开环控制系统、闭环控制 系统和复合控制系统。
自动控制系统：是由被控对象和自动控制装置按一定方 式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。 输入信号：系统的输入信号是指参考输入，又称给定量 或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。 输出信号：系统的输出信号是指被控对象中要求按一定 规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持 一定的函数关系。
2.学习目的：
① 自动化发展的需要
② 与信息科学、系统科学关系紧密
③ 掌握控制系统分析与设计的基本方法
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第1章第2页
第1章 控制系统的基本概念
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第1章第3页
1.1 引言 1.2 开环控制系统和闭环控制系统 1.3 自动控制系统的组成 1.4 自动控制系统的分类 1.5 自动控制系统的应用实例 1.6 自动控制理论发展简史 1.7 对自动控制系统的基本要求
第1章第17页
1.3.1 基本组成部分
r(t) 给定 元件
输入量
比较
＋元件e(t) 串联 ＋ － 偏差 校正元件 －