《控制工程基础》(DOC)
控制工程基础
解: 列写劳斯阵:列
s4 1 s3 2
35 40
符号改变一次
s2
23-4 2
1
5
符号改变一次
s1
14-25 1
6
0
s0 5
R o u t h阵列第一列符号改次变 , 二
故有两个实部为正。的根
2.Routh判据的特殊情况
a.某行第一个元素为零，其余均不为零。
方法：用正无穷小量ε代替0，继续运算
例. 设系统的特征方程为
解:
3
2
S 4S 5S 2 0
2
2
(S 1)(S 3S 2) (S 1) (S 2) 0
S1 -1, S 2 -1,
S3 -2
由 于 三 个 特 征 根 都 具 有 负 实 部,
故系统稳定。
从本例求解过程可见，如果特征方程阶次较高，方程所有根的求解十分困难，再判断 所有根是否落在复平面左侧，将不大现实！因而有些学者提出能否不解方程，研究 方程系数是否可以判断根的情况。
s5
4
4
8
s4
16 4 5
4
28 8 5 10 4
（原）s3
5454 0 5
0 (出现了全零行，要构造辅助方程）
由全零行的上一行构造辅助方程 5s4 5s2 10 0, 对其求导，得
20s3 10s 0
故原全零行替代为
（新）s3
20
10
s2
100 50 2.5
10
20
s1
6 第一列出现零元素时，
用正无穷小量ε代替。
劳斯判据
系统稳定的必要条件: 特征方程各项系数 均大于零!
有正有负一定不稳定! 缺项一定不稳定!
(完整word)控制工程基础填空题和选择题汇总-杨叔子教材含答案,推荐文档
一、填空题第一章所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，使（被控对象）的某些物理量准确地按照预期规律变化。
经典控制理论主要是以传递函数为基础，研究（单输入、单输出）系统的分析和设计问题。
经典控制理论主要是以（传递函数）为基础，研究单输入、单输出系统的分析和设计问题。
给定量与反馈量相减后的量称为（负反馈）。
负反馈是指将系统的（输出量）直接或经变换后引入输入端，与输入量相减，利用所得的偏差量去控制被控对象，达到减小偏差或消除偏差的目的。
负反馈是指将系统的输出量直接或经变换后引入输入端，与（输入量）相减，利用所得的偏差量去控制被控对象，达到减小偏差或消除偏差的目的。
负反馈是指将系统的输出量直接或经变换后引入输入端，与输入量相减，利用所得的（偏差量）去控制被控对象，达到减小偏差或消除偏差的目的。
线性系统是由（线性）元件组成的，系统的运动方程式可以用线性微分方程描述。
在组成系统的元器件中，只要有一个元器件不能用线性方程描述，即为（非线性）控制系统。
对控制系统有一个共同的要求，一般可归为（稳定性）、准确性、快速性。
对控制系统有一个共同的要求，一般可归为稳定性、（准确性）、快速性。
对控制系统有一个共同的要求，一般可归为稳定性、准确性、（快速性）。
线性定常控制系统是指系统参数（不随）时间变化的系统。
描述线性定常控制系统的微分方程或差分方程的系数是（常数）。
线性时变控制系统是指系统参数（时时）变化的系统。
描述线性时变控制系统的微分方程或差分方程的系数是（时间）的函数。
第二章数学模型是描述系统输入量、输出量及系统各变量之间关系的（数学表达式）。
建立系统数学模型有两种方法：（分析法）和实验法。
建立系统数学模型有两种方法：分析法和（实验法）。
（微分方程）是在时域中描述系统动态特性的数学模型。
在线性定常系统中，当初始条件为零时，系统输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比称作系统的（传递函数）。
在线性定常系统中，当初始条件为（零）时，系统输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比称作系统的传递函数。
《控制工程基础》电子教案
《控制工程基础》电子教案第一章：绪论1.1 课程介绍了解《控制工程基础》的课程目标和重要性掌握课程的主要内容和预期学习成果1.2 控制系统的基本概念解释控制系统的定义和作用了解控制系统的分类和基本组成第二章：数学基础2.1 线性代数基础复习向量、矩阵和行列式的基本运算掌握线性方程组的求解方法2.2 微积分基础复习函数、极限和导数的基本概念学习微分和积分在控制系统中的应用第三章：线性时不变系统3.1 系统的描述学习系统的状态空间表示和传递函数理解系统输入、输出和状态之间的关系3.2 系统的性质掌握系统的稳定性、可观性和可控性学习系统矩阵的特征值和特征向量第四章：反馈控制系统4.1 反馈控制原理理解反馈控制系统的结构和原理学习闭环系统的传递函数和稳定性分析4.2 控制器设计掌握PID控制器和比例积分微分控制器的设计方法学习控制器参数调整和优化第五章：非线性控制系统5.1 非线性系统的描述学习非线性系统的状态空间表示和传递函数理解非线性系统输入、输出和状态之间的关系5.2 非线性控制方法掌握非线性控制系统的分析和设计方法学习非线性控制器的设计和实现第六章：根轨迹法6.1 根轨迹的基本概念理解根轨迹的定义和作用学习根轨迹的绘制方法和规则6.2 根轨迹的设计与应用掌握根轨迹的设计原则和技巧学习根轨迹在控制系统分析和设计中的应用第七章：频率响应法7.1 频率响应的基本概念理解频率响应的定义和作用学习频率响应的测量和分析方法7.2 频率响应的设计与应用掌握频率响应的设计原则和技巧学习频率响应在控制系统分析和设计中的应用第八章：数字控制系统8.1 数字控制系统的概述理解数字控制系统的定义和特点学习数字控制系统的结构和原理8.2 数字控制器的设计掌握数字控制器的设计方法和算法学习数字控制器参数调整和优化第九章：状态空间法的应用9.1 线性时不变系统的状态观测器设计学习状态观测器的定义和作用掌握状态观测器的设计方法和算法9.2 线性时不变系统的状态反馈控制器设计理解状态反馈控制器的定义和作用学习状态反馈控制器的设计方法和算法第十章：控制系统的设计实践10.1 控制系统设计的一般流程掌握控制系统设计的基本步骤和方法学习控制系统设计的注意事项和经验10.2 控制系统设计案例分析分析典型控制系统的应用案例学习控制系统设计中的问题和解决方案重点解析一、绪论：理解控制系统的基本概念和重要性，掌握课程的主要内容。
控制工程基础第一章优选文档
等误差
例3：机器人足球
• 机器人足球控制 5 on 5 机器人足球队 完全自主 视觉系统 集中计算机 无线遥控机器人
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传感器：头部视觉系统，转 向轮传感器
控制工程基础第一章
（优选）控制工程基础第 一章
一. 自动控制理论的发展
在工程和科技发展过程中，自动控制担负着重要的角色。 除了在宇宙飞船系统、导弹制导系统和机器人系统等领域中 自动控制具有特别重要的作用之外，它已经成为现代机器制 造业和工业生产过程的重要不可缺少的组成部分。
从公元前的水利工程（李冰父子的都江堰工程）到中世 纪的钟摆，从工业革命的蒸汽机车轮船到近百年前的飞机、 汽车，从半个世纪前的电子放大器、模拟计算机到现在的无 线通讯、数字计算机，从二战的雷达、火炮到冷战时期的卫 星、导弹，再到现代的航天宇宙探测器。所有这些科技在发 明同时也直接催生和发展了自动控制技术。源于实践，服务 于实践，在实践中升华。技术如此，个人的创造才能价值也 如此。
历史发展
– 俄国数学家A.Lyapunov（1857～1918）（博士论文）系统 描述了稳分方程描述的一般运动系统的稳定性问题，建立了 著名的Lyapunov方法，为现代控制和非线性控制奠定了基础。
– 俄裔美国工程师N.Minorsky1922首先提出PID控制方法， 并成功应用于美国的海军军舰控制上。
执行机构：电动机力矩，踢 球的机构
计算部分：中心计算机，机 器人上的微型计算机
控制效果：动态场地的灵活 动作，赢得比赛
• 系统建模 系统分析 系统综合设计
控制工具
• MATLAB Toolboxes SIMULINK Control System Neural Network Data Acquisition Optimization Fuzzy Logic Robust Control Instrument Control Signal Processing LMI Control Statistics Model Predictive Control System Identification
《控制工程基础》电子教案
《控制工程基础》电子教案第一章：绪论1.1 课程介绍解释控制工程的定义、目的和重要性概述控制工程的应用领域和学科范围1.2 控制系统的基本概念介绍控制系统的定义和组成解释输入、输出、反馈和控制器的概念1.3 控制工程的历史和发展回顾控制工程的发展历程和重要里程碑讨论现代控制工程的挑战和发展趋势第二章：数学基础2.1 线性代数介绍矩阵、向量的基本运算和性质讲解线性方程组的求解方法2.2 微积分复习微积分的基本概念和公式讲解导数和积分的应用2.3 离散时间信号介绍离散时间信号的定义和特点讲解离散时间信号的运算和处理方法第三章：连续控制系统3.1 连续控制系统的概述介绍连续控制系统的定义和特点解释连续控制系统的应用领域3.2 传递函数讲解传递函数的定义和性质介绍传递函数的绘制和分析方法3.3 控制器设计讲解PID控制器和模糊控制器的原理和方法讨论控制器设计的考虑因素和优化方法第四章：离散控制系统4.1 离散控制系统的概述介绍离散控制系统的定义和特点解释离散控制系统的应用领域4.2 差分方程和离散传递函数讲解差分方程的定义和求解方法介绍离散传递函数的定义和性质4.3 控制器设计讲解离散PID控制器和模糊控制器的原理和方法讨论控制器设计的考虑因素和优化方法第五章：状态空间方法5.1 状态空间模型的概述介绍状态空间模型的定义和特点解释状态空间模型的应用领域5.2 状态空间方程讲解状态空间方程的定义和求解方法介绍状态空间方程的稳定性分析5.3 状态控制器设计讲解状态控制器的原理和方法讨论状态控制器设计的考虑因素和优化方法第六章：频域分析6.1 频率响应介绍频率响应的定义和作用讲解频率响应的实验测量方法6.2 频率特性分析系统频率特性的性质和图形讨论频率特性对系统性能的影响6.3 滤波器设计讲解滤波器的基本类型和设计方法分析不同滤波器设计指标的选择和计算第七章：数字控制系统7.1 数字控制系统的概述介绍数字控制系统的定义和特点解释数字控制系统的应用领域7.2 数字控制器设计讲解Z变换和反变换的基本原理介绍数字PID控制器和模糊控制器的设计方法7.3 数字控制系统的仿真与实现讲解数字控制系统的仿真方法和技术讨论数字控制系统的实现和优化第八章：非线性控制系统8.1 非线性系统的概述介绍非线性系统的定义和特点解释非线性系统的应用领域8.2 非线性模型和分析方法讲解非线性系统的建模方法和分析技术分析非线性系统的稳定性和可控性8.3 非线性控制策略讲解非线性PID控制器和模糊控制器的原理和方法讨论非线性控制策略的设计和优化第九章：鲁棒控制9.1 鲁棒控制的概述介绍鲁棒控制的定义和目的解释鲁棒控制在控制工程中的应用领域9.2 鲁棒控制设计方法讲解鲁棒控制的基本设计和评估方法分析不同鲁棒控制策略的性能和特点9.3 鲁棒控制在实际系统中的应用讲解鲁棒控制在工业和航空航天等领域的应用案例讨论鲁棒控制在实际系统中的挑战和限制第十章：控制系统的设计与实践10.1 控制系统的设计流程讲解控制系统设计的基本流程和方法分析控制系统设计中的关键环节和技术选择10.2 控制系统实践案例分析不同控制系统实践案例的设计和实现过程讲解控制系统实践中的注意事项和优化方法10.3 控制系统的发展趋势讨论控制系统未来的发展方向和挑战分析新兴控制技术和方法在控制系统中的应用前景重点和难点解析重点环节1：控制系统的基本概念和组成控制系统定义和组成的理解输入、输出、反馈和控制器的相互作用重点环节2：传递函数和控制器设计传递函数的定义和性质PID控制器和模糊控制器的设计方法和应用重点环节3：差分方程和离散传递函数差分方程的求解方法离散传递函数的定义和性质重点环节4：状态空间模型的建立和分析状态空间方程的定义和求解状态空间模型的稳定性和可控性分析重点环节5：频率响应和滤波器设计频率响应的实验测量和分析滤波器设计方法和应用重点环节6：数字控制系统和控制器设计Z变换和反变换的应用数字PID控制器和模糊控制器的设计方法重点环节7：非线性系统的建模和控制策略非线性系统的建模方法非线性控制策略的设计和优化重点环节8：鲁棒控制的设计和评估鲁棒控制的基本设计和评估方法鲁棒控制策略的性能和特点重点环节9：控制系统的设计流程和实践案例控制系统设计的基本流程和方法控制系统实践案例的设计和实现过程重点环节10：控制系统的发展趋势和新兴技术控制系统未来的发展方向新兴控制技术和方法在控制系统中的应用前景本教案涵盖了控制工程基础的十个重点环节，包括控制系统的基本概念和组成、传递函数和控制器设计、差分方程和离散传递函数、状态空间模型的建立和分析、频率响应和滤波器设计、数字控制系统和控制器设计、非线性系统的建模和控制策略、鲁棒控制的设计和评估、控制系统的设计流程和实践案例以及控制系统的发展趋势和新兴技术。
控制工程基础董景新第四版
控制工程基础董景新第四版简介《控制工程基础董景新第四版》是董景新教授所著的一本控制工程入门教材，通过全面介绍控制工程的基本概念、基本理论和基本方法，帮助读者建立起对控制工程的基础知识和基本技能的理解和掌握。
内容第一章：引言本章主要介绍控制工程的基本概念和发展历程，为后续章节的学习奠定基础。
首先对控制系统和控制工程的定义进行了阐述，并介绍了控制工程的主要任务和发展方向。
其次，对控制系统的分类进行了介绍，包括开环控制系统和闭环控制系统。
最后，介绍了控制系统的相关术语和符号，为后续章节的学习做好铺垫。
第二章：数学基础本章主要介绍控制工程所需要的数学基础知识。
首先介绍了常见的数学函数和符号，包括常用数学函数、求和符号、积分符号等。
其次，介绍了常用的数学运算法则，包括加法、乘法、指数运算等。
最后，介绍了常见的数学方程和常用的数学方法，包括线性方程组、矩阵运算、微积分等。
第三章：信号与系统本章主要介绍信号与系统的基本概念和分析方法。
首先介绍了信号的定义和分类，包括连续信号和离散信号、周期信号和非周期信号。
其次，介绍了信号的表示与分解方法，包括傅里叶级数和傅里叶变换。
最后，介绍了系统的定义和分类，包括线性系统和非线性系统、因果系统和非因果系统。
同时，介绍了系统的时域分析方法和频域分析方法。
第四章：传递函数与系统响应本章主要介绍传递函数和系统的响应特性。
首先介绍了传递函数的定义和性质，包括零极点分布和传递函数的单一性。
其次，介绍了系统的稳定性和系统的稳定判据，包括极点位置的判断和Nyquist判据。
最后，介绍了系统的时域响应和频域响应，包括单位冲击响应、单位阶跃响应、频率响应等。
第五章：控制系统的稳定性分析本章主要介绍控制系统的稳定性分析方法。
首先介绍了控制系统的稳定性的概念和判据，包括极点位置的判断和Nyquist稳定性判据。
其次，介绍了控制系统的根轨迹法和频率响应法，用于稳定性分析和设计。
最后，介绍了控制系统的相角裕度和增益裕度的概念和计算方法。
《控制工程基础》电子教案
《控制工程基础》电子教案第一章：绪论1.1 课程介绍了解控制工程的概念、内容和研究方法理解控制工程在工程实践中的应用和重要性1.2 控制系统的基本概念定义系统、输入、输出和反馈区分开环系统和闭环系统1.3 控制工程的目标掌握稳定性、线性、非线性和时变性等控制系统的特性学习控制系统的设计方法和步骤第二章：数学基础2.1 线性代数基础掌握向量、矩阵和行列式的基本运算学习线性方程组和特征值、特征向量的求解方法2.2 微积分基础复习极限、连续性和微分、积分的基本概念和方法应用微积分解决实际问题2.3 复数基础了解复数的概念、代数表示法和几何表示法学习复数的运算规则和复数函数的性质第三章：控制系统分析3.1 传递函数定义传递函数的概念和性质学习传递函数的绘制和解析方法3.2 频率响应分析理解频率响应的概念和特点应用频率响应分析方法评估系统的性能3.3 根轨迹分析掌握根轨迹的概念和绘制方法分析根轨迹对系统稳定性的影响第四章：控制系统设计4.1 控制器设计方法学习PID控制器的设计原理和方法了解模糊控制器和神经网络控制器的设计方法4.2 控制器参数调整掌握控制器参数调整的目标和方法应用Ziegler-Nichols方法和频域方法进行参数调整4.3 系统校正和优化理解系统校正的概念和目的学习常用校正方法和优化技术第五章：现代控制理论5.1 状态空间描述了解状态空间的概念和表示方法学习状态空间方程的求解和状态反馈控制5.2 状态估计和最优控制掌握状态估计的概念和方法学习最优控制的目标和求解方法5.3 鲁棒控制和自适应控制理解鲁棒控制的概念和特点了解自适应控制的设计方法和应用场景第六章：线性系统的稳定性分析6.1 稳定性的定义和性质理解系统稳定性的概念和重要性学习稳定性分析的基本方法6.2 劳斯-赫尔维茨准则掌握劳斯-赫尔维茨准则的原理和应用应用劳斯-赫尔维茨准则判断系统的稳定性6.3 李雅普诺夫方法了解李雅普诺夫方法的原理和分类学习李雅普诺夫第一和第二方法判断系统的稳定性第七章：线性系统的控制器设计7.1 控制器设计概述理解控制器设计的目标和重要性学习控制器设计的基本方法7.2 PID控制器设计掌握PID控制器的设计原理和方法应用PID控制器进行系统控制7.3 状态反馈控制器设计了解状态反馈控制器的设计原理和方法学习状态反馈控制器的设计和应用第八章：非线性控制系统分析8.1 非线性系统概述理解非线性系统的概念和特点学习非线性系统分析的基本方法8.2 非线性系统的描述方法学习非线性系统的数学模型和描述方法应用非线性系统分析方法研究系统的性质8.3 非线性控制系统的应用了解非线性控制系统在工程实践中的应用学习非线性控制系统的设计和优化方法第九章：鲁棒控制理论9.1 鲁棒控制概述理解鲁棒控制的概念和重要性学习鲁棒控制的基本方法9.2 鲁棒控制设计方法掌握鲁棒控制设计的原则和方法应用鲁棒控制设计方法设计控制器9.3 鲁棒控制在控制系统中的应用了解鲁棒控制在实际控制系统中的应用学习鲁棒控制在控制系统中的设计和优化方法第十章：控制系统仿真与实验10.1 控制系统仿真概述理解控制系统仿真的概念和重要性学习控制系统仿真的基本方法10.2 MATLAB控制系统仿真掌握MATLAB控制系统仿真工具的使用应用MATLAB进行控制系统仿真和分析10.3 控制系统实验了解控制系统实验的目的和重要性学习控制系统实验的方法和技巧重点和难点解析重点环节1：控制系统的基本概念和特性控制系统的基本概念，包括系统、输入、输出和反馈区分开环系统和闭环系统掌握稳定性、线性、非线性和时变性等控制系统的特性重点环节2：传递函数和频率响应分析传递函数的概念和性质，传递函数的绘制和解析方法频率响应的概念和特点，频率响应分析方法分析根轨迹对系统稳定性的影响重点环节3：控制器设计方法和参数调整控制器设计方法，包括PID控制器、模糊控制器和神经网络控制器的设计原理和方法控制器参数调整的目标和方法，应用Ziegler-Nichols方法和频域方法进行参数调整重点环节4：状态空间描述和最优控制状态空间的概念和表示方法，状态空间方程的求解和状态反馈控制状态估计和最优控制的目标和求解方法重点环节5：非线性控制系统分析和鲁棒控制理论非线性系统的概念和特点，非线性系统分析的基本方法鲁棒控制的概念和重要性，鲁棒控制的基本方法重点环节6：控制系统仿真与实验控制系统仿真的概念和重要性，控制系统仿真的基本方法MATLAB控制系统仿真工具的使用，应用MATLAB进行控制系统仿真和分析控制系统实验的目的和重要性，控制系统实验的方法和技巧全文总结和概括：本教案涵盖了控制工程基础的十个章节，主要包括控制系统的基本概念和特性、传递函数和频率响应分析、控制器设计方法和参数调整、状态空间描述和最优控制、非线性控制系统分析和鲁棒控制理论以及控制系统仿真与实验。
《控制工程基础》3.1
u i = ir R1 + u 0
1 u i = ∫ ic dt + u 0 C
u 0 = (ir + ic ) R2
3．整理 ： ．
第 3 章
& & CR1 R2 u 0 + ( R1 + R2 )u 0 = CR1 R2 u i + R2 u i
3.2
系统的微分方程
微分方程列写举例
例 3-4：列写如图所示电网络 的微分方程。 ： 的微分方程。 1．明确系统的输入与输出 ： ． 输出为u 输入为 ui(t) ，输出为 0(t) 2．列写原始微分方程 ： ．
3 章
3.2
系统的微分方程
非线性微分方程在一定条件下， 非线性微分方程在一定条件下，可以进行线性化处理
非线性方程线性化的条件： 非线性方程线性化的条件： 1．非线性函数是连续函数（即非线性不是本质非线性）。 ．非线性函数是连续函数（即非线性不是本质非线性）。 2．系统在预定工作点附近作小偏差运动，即变量的变化范围很小。 ．系统在预定工作点附近作小偏差运动，即变量的变化范围很小。 非线性方程线性化方法： 非线性方程线性化方法： 1．确定预定工作点。 ．确定预定工作点。 2．在工作点附近将非线性方程展开成Taylor级数形式。 ．在工作点附近将非线性方程展开成 级数形式。 级数形式 3．忽略高于一阶项。 ．忽略高于一阶项。 4．表示成增量方程的形式。 ．表示成增量方程的形式。
3.2
系统的微分方程
典型元件所遵循的物理定律
机械系统： 机械系统：
质量元件： 质量元件： 弹性元件： 弹性元件：
B M K
& F = Ma = M v = M && x
控制工程基础
括系统综合）
系统分析：已知系统的结构和参数，研究它在某种
典型输入信号作用下，被控量变化的全过程。从这个变
化过程得出其性能指标，并讨论性能指标和系统的结构、
参数的关系。
系统设计：寻求一个能完成一定控制任务，满足一
定控制要求的控制系统。
系统综合：控制系统设计好后，即控制系统的主要元
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《控制工程基础》
一、发展阶段
[经典控制]：20世纪50年代末形成完整的体系，以传递函数
为基础研究单输入、输出系统（SISO）的反馈控制系统。采
用的方法主要有：时域分析法、根轨迹法和频率法。
[现代控制]：60－70年代，以状态空间法为基础研究多输
出输入(MIMO)系统，变参数、非线性、高精度等系统。
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工业：数控机床、轧钢机、恒温箱等
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农业：恒温大棚、农业自动化机械
应用范围：
日常：冰箱、洗衣机、空调
道路交通：信号灯控制、车牌自动识别
宇航：火箭、飞船、卫星
机器人、导弹制导、核动力等高新领域
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生物、医学、环境、经济管理等其它
目
录 上
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《控制工程基础》
自动火炮、导弹制导等高新领域的应用
分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。
1932年奈奎斯特(H．Nyquist)在研究负反馈放大器时创立
了有名的稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。
1945年伯德(H.W.Bode)提出了分析控制系统的另一种图
解方法即频率法。
1948年伊万斯(w. K．Evans)又创立了根轨迹法。
《控制工程基础》电子教案 机电类模板组范例章节第七章
LCs2
1 RCs
1
Uc (s)
LCs2
1 RCs
U (s) 1
• 系统微分方程和传递函数仅描述了输入和输出之间的动态关系，没有 给出关于系统内部变量的动态信息，因此它对系统的描述是不完全的， 称为系统的输入—输出模型。
• 如果取电容电压和电流为变量，系统可用一阶微分方程组表示为
d dt
i(t)
d L dt i(t) Ri(t) uc (t) u(t)
uc
(t)
1 Cቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
i(t)dt
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7.2 控制系统的状态空间表达式
• 因此，运动微分方程为 LCuc(t) RCuc (t) uc (t) u(t)
• 按传递函数定义，有 • 系统在复数域的输出响应
G(s)
Uc (s) U (s)
统的内部特性，它能完全描述系统的一切动态特性。
• 由于描述系统的模型引入了状态变量，这样输入和状态变量的关系、 状态变量和输出的关系就带来一些新的概念和问题，请读者注意理解。
• 7.2.1 状态、状态变量
• 设有如图7-6所示的RLC网络，u(t)为输入量，uc (t)为输出量，可建立
三种形式的数学描述。
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7.1 概述
• 智能控制理论是第三代控制理论，目前比较成熟的是专家控制、模糊 逻辑控制、神经网络控制三个分支。经典控制理论、现代控制理论都 需要建立描述系统性能的数学模型，因此称为模型控制论，智能控制 理论不需要建立数学模型即可对系统实施有效的控制。
• 从20世纪60年代开始，现代控制理论在各个方面都有明显的进展， 到70年代已经形成了几个分支学科：线性系统理论、最优控制理论、 自适应控制、动态系统辨识、大系统理论等。而且随着当时科学技术 的迅速发展，现代控制理论在深度和广度两个方面不断地加深和拓宽， 已经成为成熟的控制理论。
《控制工程基础》电子教案
《控制工程基础》电子教案第一章：绪论1.1 课程介绍解释控制工程的定义强调控制工程在工程学中的重要性概述课程的目标和内容1.2 控制系统的基本概念介绍控制系统的定义解释控制系统的组成部分讨论控制系统的分类和特点1.3 控制理论的发展历程简述控制理论的发展历程强调现代控制理论的重要性第二章：数学基础2.1 线性代数基础介绍矩阵和向量的基本运算解释行列式和逆矩阵的概念讨论矩阵的秩和特征值2.2 微积分基础复习微积分的基本概念介绍导数和微分方程的概念讨论积分的概念和方法2.3 离散时间系统介绍离散时间系统的定义解释离散时间系统的差分方程讨论离散时间系统的性质和特点第三章：连续时间系统3.1 连续时间系统的描述方法介绍连续时间系统的微分方程描述解释状态空间描述的方法讨论两种描述方法的关系和转换3.2 连续时间系统的稳定性介绍连续时间系统的稳定性概念解释李雅普诺夫稳定性的判断方法讨论稳定性条件和不稳定性的原因3.3 连续时间系统的时域分析介绍连续时间系统的时域分析方法解释零输入响应和零状态响应的概念讨论时域分析的应用和意义第四章：离散时间系统4.1 离散时间系统的描述方法介绍离散时间系统的差分方程描述解释离散时间系统的状态空间描述讨论两种描述方法的关系和转换4.2 离散时间系统的稳定性介绍离散时间系统的稳定性概念解释离散时间系统的稳定性条件讨论稳定性判断方法和不稳定性的原因4.3 离散时间系统的时域分析介绍离散时间系统的时域分析方法解释离散时间系统的零输入响应和零状态响应讨论时域分析的应用和意义第五章：控制器设计5.1 概述控制器设计的目标和方法解释控制器设计的目标介绍常见的控制器设计方法5.2 PID控制器设计解释PID控制器的作用和原理介绍PID控制器的参数调整方法讨论PID控制器的应用和优点5.3 状态反馈控制器设计介绍状态反馈控制器的作用和原理解释状态反馈控制器的设计方法讨论状态反馈控制器的优点和应用第六章：频域分析6.1 频率响应分析介绍频率响应的概念和重要性解释传递函数和频率响应之间的关系讨论频率响应分析的方法和步骤6.2 传递函数的性质介绍传递函数的定义和基本性质解释传递函数的零点和极点讨论传递函数的稳定性和频率特性6.3 频域设计方法介绍频域设计方法的概念和原理解释截止频率和滤波器设计的要求讨论常用频域设计工具和技术第七章：频域设计实例7.1 低通滤波器设计介绍低通滤波器的作用和应用解释低通滤波器的设计方法和步骤讨论低通滤波器的性能指标和选择7.2 高通滤波器设计介绍高通滤波器的作用和应用解释高通滤波器的设计方法和步骤讨论高通滤波器的性能指标和选择7.3 其他类型滤波器设计介绍带通滤波器和带阻滤波器的作用和应用解释带通滤波器和带阻滤波器的设计方法讨论不同类型滤波器的性能指标和选择第八章：状态空间分析8.1 状态空间表示介绍状态空间的概念和表示方法解释状态空间矩阵和状态方程讨论状态空间表示的优点和应用8.2 状态空间稳定性和可控性介绍状态空间稳定性和可控性的概念解释李雅普诺夫稳定性和李雅普诺夫可行域讨论状态空间稳定性和可控性的判定方法8.3 状态空间最优控制介绍状态空间最优控制的概念和原理解释哈密顿-雅可比方程和解法讨论状态空间最优控制的应用和实现方法第九章：非线性控制9.1 非线性系统的定义和特点介绍非线性系统的定义和特点解释非线性系统的常见类型和行为讨论非线性系统分析和设计的方法和挑战9.2 非线性控制器设计介绍非线性控制器的设计方法和工具解释非线性PID控制器和滑模控制器的设计讨论非线性控制器的应用和效果9.3 非线性控制的应用实例介绍非线性控制在实际系统中的应用实例解释非线性控制在控制和航空航天领域的应用讨论非线性控制的优势和局限性第十章：控制系统仿真10.1 控制系统仿真概述介绍控制系统仿真的概念和重要性解释控制系统仿真的方法和工具讨论控制系统仿真的优点和局限性10.2 MATLAB控制系统仿真介绍MATLAB控制系统仿真的基本方法解释MATLAB中的仿真工具和函数讨论MATLAB控制系统仿真的应用和示例10.3 实际系统仿真案例分析介绍实际系统仿真案例的分析和实现方法解释实际系统仿真案例的仿真结果和分析讨论实际系统仿真案例的启示和应用前景第十一章：现代控制理论11.1 概述现代控制理论介绍现代控制理论的发展背景和意义解释现代控制理论的基本概念和原理讨论现代控制理论在工程应用中的重要性11.2 线性二次调节器（LQR）解释线性二次调节器的定义和特点介绍LQR控制器的设计方法和步骤讨论LQR控制器的性能分析和应用实例11.3 鲁棒控制理论介绍鲁棒控制的定义和目的解释鲁棒控制的设计方法和原理讨论鲁棒控制在系统不确定性和外部干扰下的性能第十二章：自适应控制12.1 概述自适应控制介绍自适应控制的概念和需求解释自适应控制的目标和原理讨论自适应控制在系统和环境变化中的应用12.2 自适应控制器设计介绍自适应控制器的设计方法和算法解释自适应控制器的自适应律和调整机制讨论自适应控制器的性能分析和应用实例12.3 自适应控制的应用介绍自适应控制在工业和农业领域的应用实例解释自适应控制在导航和飞行控制系统中的应用讨论自适应控制的优势和挑战第十三章：数字控制13.1 概述数字控制介绍数字控制的概念和与模拟控制的比较解释数字控制系统的组成和特点讨论数字控制在现代控制系统中的应用13.2 数字控制器设计介绍数字控制器的设计方法和算法解释数字控制器的离散化和实现方式讨论数字控制器的性能分析和优化方法13.3 数字控制的应用实例介绍数字控制在工业和家庭领域的应用实例解释数字控制在智能家居和工业自动化系统中的应用讨论数字控制的优势和局限性第十四章：控制系统实验14.1 控制系统实验概述介绍控制系统实验的目的和重要性解释控制系统实验的步骤和注意事项讨论控制系统实验在教学和研究中的应用14.2 实验设备和工具介绍控制系统实验中常用的设备和工具解释各种设备和工具的功能和操作方法讨论实验设备的选用和维护14.3 实验项目和解题方法介绍控制系统实验的项目和目标解释实验的解题方法和步骤讨论实验结果的分析和讨论第十五章：控制系统综合与应用15.1 控制系统综合概述介绍控制系统综合的目标和意义解释控制系统综合的方法和步骤讨论控制系统综合在实际应用中的挑战和解决方案15.2 控制系统应用实例介绍控制系统在工业和航空航天领域的应用实例解释控制系统在智能交通和智能中的应用讨论控制系统应用的挑战和发展方向15.3 控制系统未来的发展趋势探讨控制系统未来的发展趋势和机遇分析控制系统的创新技术和算法讨论控制系统在可持续发展和绿色能源领域的应用前景重点和难点解析本文档详细地介绍了《控制工程基础》这门课程的电子教案，内容涵盖了连续时间系统、离散时间系统、控制系统的基本概念、数学基础、控制器设计、频域分析、状态空间分析、非线性控制、仿真技术、现代控制理论、自适应控制、数字控制、实验项目和综合应用等多个方面。
(完整word版)控制工程基础课程教案
控制工程基础课程教案河北大学质量技术监督学院2013年2月章节目第一章控制系统导论（2学时）主要内容：1.1自动控制系统的基本原理1.2自动控制系统分类1。
3对控制系统的基本要求1。
4自动控制的发展简史1.5控制系统设计概论重点：1．要求学生了解自动控制系统的基本概念、基本变量、基本组成及工作原理2．理解信息反馈的含义和作用，区别开环控制和闭环控制3．绘制控制系统方框图难点：1．广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制教学方式：采用工程实例和设疑方法引导学生用系统论，信息论观点分析广义系统的动态特征、信息流，理解信息反馈的作用.绘制控制系统方框图.在讲述控制理论发展史引入我国古代指南车和“二弹一星"特殊贡献科学家——钱学森在自动控制理论方面的成就，进行爱国主义和专业教育。
在讲述控制系统系统设计概论，引用转台转速控制和磁盘驱动读取系统的设计实例，强化设计训练.章节目第二章控制系统的数学模型（6学时)主要内容：2.1导论2.2控制系统的微分方程2.3控制系统的传递函数2.4控制系统结构图（框图或方块图)与信号流图2.5应用MATLBA控制系统仿真重点：本章只介绍控制系统建模的基础知识和基本框架，研究用机理分析方法建立和简化线性单变量系统的数学模型:包括微分方程；传递函数;系统结构图及信号流图.着重掌握输入输出描述方法的特点和传递函数的定义、性质、求法与图示方法（结构图和信号流图）.难点:1．系统微分方程列写2．非线性系统偏微线性化3．传递函数方框图绘制及简化4．信号流图绘制及应用梅逊公式求出系统的传递函数教学方式：本章涉及的数学知识较多，主要有复变函数、拉氏变换和线性代数。
要求学生从应用出发进行适当复习，学用结合,急用先学，学习过程中应注意基本概念、基本原理和基本方法以及工程的观念，重在应用。
同时介绍应用MATLA软件求解不同参数和输入情况下的响应，即可视化解，帮助学生学会运用计算机进行辅助分析和设计.章节目第三章控制系统的时域分析法（6学时）主要内容：3。
(完整)控制工程基础
控制工程基础名词解释1.频率特性:当输入信号的幅值不变而频率变化时，输入幅值和相位围着输入信号的变化而变化。
2.传递函数：传递函数时在拉氏变换的基础上，以系统本身的参数描述的线性定常系统输入量和输出量的关系式。
3.伯德图：对数坐标图，是将幅值对频率的关系和相位对频率的关系分别画在两张图上，用半对数坐标纸绘制，频率坐标按对数分度，幅值和相角坐标则以线性分度.4.稳态误差：系统过渡完成后控制准确度的一种度量。
5.乃氏图：频率响应是输入频率的复变函数，是一种变换,当从0逐渐增长到时，作为一个矢量,其端点在复变平面相对应的轨迹就是频率响应的极坐标图。
6.反馈和反馈信号：输出量通过测量装置返回系统输入端,使之与输入端进行比较，并产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号，输出量的返回过程称为反馈，返回的全部或部分信号称为反馈信号。
7.瞬态响应：系统在输入信号的作用下，其输出从初始状态到稳定状态的相应过程。
8.n阶系统：由n阶微分方程描述的系统。
9.n型系统：开环频率特性时的系统10.闭环控制系统误差：控制系统希望输出量和实际输出量之差。
11.最小相位系统：极点和零点全部位于s左半平面的系统。
12.幅值裕量：当为相位交界频率时，开环频率幅频特性的倒数.13.相位裕量：当时,相频特性据线的相位差。
概论1.开环系统和闭环系统的优缺点开环系统：优点是结构简单，价格便宜，容易维修。
缺点是精度低，容易受环境变化(如电源波动，温度波动）的干扰闭环系统：优点是精度高，动态性能好，抗干扰能力强。
缺点是结构比较复杂，价格比较贵，对维修人员要求较高。
2.简要说明控制系统相应的快速性，稳定性,准确性和其之间的关系快速性:在系统稳定的条件下，当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时消除偏差的快慢程度。
稳定性：动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力.准确性:调整过程结束后输出量与输入量之间的偏差。
由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳准快的要求各有侧重。
控制工程基础-第一章
2019/12/11
北京科技大学信息工程学院自动化系
17
自动控制技术的产生与发展
我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践， 并与1954年出版了《工程控制论》。
2019/12/11
钱学森
北京科技大学信息工程学院自动化系
18
自动控制技术的产生与发展
四、现代控制理论阶段
二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制 研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现 代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操 纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计 算机技术的出现。
2019/12/11
Karl J. Astrom
北京科技大学信息工程学院自动化系
23
自动控制技术的产生与发展
美国R. Brockett提出用微分几何研究非线性控制系统(1976)， 意大利A. Isidori出版(Nonlinear Control Systems) (1985)。
2019/12/11
2019/12/11
N. Wiener
N. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (left) and Amar G. Bose, discussing an aspect of statistical communication theory
北京科技大学信息工程学院自动化系
2019/12/11
北京科技大学信息工程学院自动化系
29
自动控制的典型应用
世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)
Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of the launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.
《控制工程基础》电子教案
《控制工程基础》电子教案第一章：绪论1.1 课程介绍了解控制工程基础的课程背景、目的和意义熟悉课程的结构和内容安排1.2 控制理论的基本概念定义控制、控制系统和控制理论掌握系统、输入、输出、反馈等基本术语1.3 控制工程的应用领域了解控制工程在工程、工业和科学研究中的应用认识控制工程在自动化、技术、航空航天等领域的案例第二章：数学基础2.1 函数、极限和连续性学习函数的概念、性质和分类掌握极限的定义和计算方法理解函数的连续性和间断性2.2 微分和积分学习导数的概念、计算规则和应用掌握积分的概念、计算方法和应用2.3 常微分方程了解常微分方程的定义和分类学习常微分方程的解法和解的存在性第三章：线性系统的时域分析3.1 系统的数学模型了解系统的输入、输出和状态变量学习线性时不变系统的数学模型3.2 系统的零输入响应和零状态响应掌握零输入响应和零状态响应的概念和计算方法分析系统的稳定性、收敛性和瞬态特性3.3 系统的稳态性能分析学习稳态误差的定义和计算方法分析系统的稳态误差性能和稳态精度第四章：线性系统的频域分析4.1 频率响应的概念了解频率响应的定义和意义学习频率响应的计算和表示方法4.2 系统的频率特性掌握频率特性的概念和性质分析系统的幅频特性和相频特性4.3 系统的稳定性分析学习奈奎斯特稳定性和波特-瓦诺夫定理分析系统的稳定性条件和稳定裕度第五章：数字控制系统5.1 数字控制系统的组成了解数字控制系统的硬件和软件结构学习数字控制器的实现方法和算法5.2 数字控制器的设计方法掌握PID控制器和模糊控制器的原理和方法学习数字控制器设计的步骤和注意事项5.3 数字控制系统的仿真和实验学习数字控制系统的仿真工具和实验设备进行数字控制系统的仿真实验和实际系统测试第六章：线性系统的状态空间分析6.1 状态空间模型的概念了解状态空间模型的定义和表示方法学习状态空间模型的转换关系和坐标变换6.2 状态空间方程的求解掌握状态方程和输出方程的求解方法分析系统的零输入响应和零状态响应6.3 状态空间分析的应用学习状态空间方法在系统控制和稳定性分析中的应用掌握状态反馈控制和观测器设计的基本原理第七章：非线性控制系统7.1 非线性系统的特点了解非线性系统的定义和特点学习非线性系统建模和分析的方法7.2 非线性控制理论掌握非线性控制系统的数学模型和稳定性分析学习非线性控制算法和设计方法7.3 非线性控制的应用了解非线性控制在、航空航天等领域的应用案例分析非线性控制系统的仿真和实验结果第八章：鲁棒控制系统8.1 鲁棒控制的概念了解鲁棒控制的定义和意义学习鲁棒控制的目标和设计方法8.2 鲁棒控制理论掌握鲁棒控制系统的数学模型和稳定性分析学习鲁棒控制算法和设计方法8.3 鲁棒控制的应用了解鲁棒控制在工业和航空航天等领域的应用案例分析鲁棒控制系统的仿真和实验结果第九章：智能控制系统9.1 智能控制的基本概念了解智能控制的定义、发展和应用领域学习智能控制系统的结构和特点9.2 人工神经网络和模糊控制掌握人工神经网络的基本原理和应用学习模糊控制的基本原理和设计方法9.3 智能控制系统的应用了解智能控制在、自动化和工业等领域的应用案例分析智能控制系统的仿真和实验结果第十章：控制系统的设计与实践10.1 控制系统的设计流程学习控制系统设计的基本流程和方法掌握控制系统设计中的注意事项和技术要求10.2 控制系统的仿真与实验学习控制系统仿真的方法和工具进行控制系统的实验设计和实验数据分析10.3 控制系统的设计案例分析分析典型的控制系统设计案例学习控制系统设计中的创新和实践经验重点和难点解析重点一：控制理论的基本概念补充说明：控制系统是工程和科学中的一个核心概念，理解其基本组成部分对于深入学习控制理论至关重要。
控制工程基础第一章
1-1 自动控制的基本原理 1-2 自动控制系统的示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 自动控制系统的基本要求
第一章 控制系统导论
1-1 自动控制的基本原理
自动控制是指在没有人直接参与的情况下，
利用外加的设备和装置（称控制装置或控制 器），使机器、设备或生产过程（统称被控 对象）的某个工作状态或参数（即被控量） 自动地按照预定的规律运行。 自动控制系统＝被控对象＋控制装置 控制的本意：为了达到某种目的对事物进行 支配、管束、管制、管理、监督、镇压。
式中：c(t) 是被控量，r(t) 是输入量。 定常系统又称为时不变系统，其特点是：描述系统 运动的微分或差分方程的系数均为常数。 线性系统的叠加原理表明：两个外作用同时加于系 统所产生的总数出，等于各个外作用单独作用时分 别产生的输出之和，且外作用的数值增大若干倍时， 其输出亦增大同样的倍数。
第一章 控制系统导论
电炉
温度计 调压器 电阻丝
～220V
人工控制调节过程： 观测电炉内温度（被控量）； 与要求的温度（给定值）进行 比较，得到温度偏差的大小和方 向； 根据偏差大小和方向调节调压 器，控制加热电阻丝的电流以调 节温度回复到要求值。
人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。
期望温度 大脑 手 调压器 电炉 实际温度T
第一章 控制系统导论 开环控制方式
1、按给定值控制的开环控制
给定量 控制装置 （输入量）
干扰信号：不需要的输入 信号，它影响系统输出。
干扰 被控量 被控对象 （输出量）
2、按干扰补偿的开环控制
测量装置 控制装置 干扰 被控对象 被控量 （输出量）
开环控制方式特点： ⑴结构简单,成本低； ⑵精度不高，抗干扰能力差。 开环控制的应用：交通灯、洗衣机等
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目录1．概述 (1)2．实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究 (5)3．实验二典型系统动态性能和稳定性分析 (12)4．实验三典型环节（或系统）的频率特性测量 (16)5. 使用说明实例 (21)概述一．实验系统功能特点1．系统可以按教学需要组合，满足“自动控制原理”课程初级与高级实验的需要。
只配备ACT-I实验箱，则实验时另需配备示波器，且只能完成部分基本实验。
要完成与软件仿真、混合仿真有关的实验必须配备上位机（包含相应软件）及并口通讯线。
2．ACT-I实验箱内含有实验必要的电源、信号发生器以及非线性与高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。
此外，ACT-I实验箱内还可含有数据处理单元，用于数据采集、输出以及和上位机的通讯。
3．配备PC微机作操作台时，将高效率支持“自动控制原理”的教学实验。
系统提供界面友好、功能丰富的上位机软件。
PC微机在实验中，除了满足软件仿真需要外，又可成为测试所需的虚拟仪器、测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。
4．系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。
除了指导书所提供的10个实验外，还可自行设计实验。
二．系统构成实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACT-I实验箱、并行通讯线等组成。
ACT-I实验箱内装有以AD C812芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过并口与PC微机连接。
1．实验箱ACT-I简介ACT-I控制理论实验箱主要由电源部分U1单元、信号源部分U2单元、与PC机进行通讯的数据处理U3单元、元器件单元U4、非线性单元U5～U7以及模拟电路单元U8～U16等共16个单元组成，详见附图。
(1)电源单元U1包括电源开关、保险丝、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V以及1.3V～15V可调电压的输出，它们提供了实验箱所需的所有工作电源。
(2)信号源单元U2可以产生频率与幅值可调的周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号以及正弦信号，并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周期锁零信号。
该单元面板上配置的拨键S1和S2用于周期阶跃、斜坡、抛物线信号的频率段选择，可有以下4种状态：①S1和S2均下拨——输出信号周期的调节范围为2～60ms；②S1上拨、S2下拨——输出信号周期的调节范围为0.2～6s；③S1下拨、S2上拨——输出信号周期的调节范围为20～600ms；④S1和S2均上拨——输出信号周期的调节范围为0.16～7s；另有电位器RP1用于以上频率微调。
电位器RP2、RP3和RP4依次分别用于周期阶跃、斜坡与抛物线信号的幅值调节。
在上述S1和S2的4种状态下，阶跃信号的幅值调节范围均为0～14V；除第三种状态外，其余3种状态的斜坡信号和抛物线信号的幅值调节范围均为0～15V；在第三种状态时，斜坡信号的幅值调节范围为0～10V，抛物线信号的幅值调节范围为0～2.5V。
信号单元面板上的拨键S3用于正弦信号的频率段的选择：当S3上拨时输出频率范围为140Hz～14KHz；当S3下拨时输出频率范围为2～160Hz。
电位器RP5和RP6分别用于正弦信号的频率微调和幅值调节，其幅值调节范围为0-14V。
(3)数据处理单元U3内含以AD C812为核心组成的数据处理卡（含软件），通过并行口与上位PC进行通讯。
内部包含6路A/D采集输入通道和两路D/A输出通道。
与上位机一起使用时，可同时使用其中两个输入和两个输出通道。
结合上位机软件，用以实现虚拟示波器、测试信号发生器以及数字控制器功能。
(4)元器件单元U4单元提供了实验所需的电容、电阻与电位器，另提供插接电路供放置自己选定大小的元器件。
(5)非线性环节单元U5、U6和U7U5，U6，U7分别用于构成不同的典型非线性环节。
单元U5可通过拨键S4选择具有死区特性或间隙特性的非线性环节模拟电路。
单元U6为具有继电特性的非线性环节模拟电路。
单元U7为具有饱和特性的非线性环节模拟电路。
(6)模拟电路单元U8～U16U8～U16为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元。
其中U8为倒相电路，实验时通常用作反号器。
U9～U16的每个单元内，都有用场效应管组成的锁零电路和运放调零电位器。
2．系统上位机软件的功能与使用方法，详见《ACT-I自动控制理论实验上位机程序使用说明书》。
三．实验内容1．典型环节的电路模拟与软件仿真研究；2．典型系统动态性能和稳定性分析；3．典型环节（或系统）的频率特性测量；要完成上列全部实验，必须配备上位计算机。
四．实验注意事项1．实验前U9～U16单元内的运放需要调零。
2．运算放大器边上的锁零点G接线要正确。
不需要锁零时（运放构成环节中不含电容或输入信号为正弦波时），必须把G与-15V相连；在需要锁零时，必须与其输入信号同步的锁零信号相连。
如在采用PC产生的经D/A通道输出的信号O1作为该环节或系统的输入时，运放的锁零信号G应连U3单元的G1（对应O1）；类似地，如采用PC产生的信号O2作输入，则锁零信号G应连U3单元的G2（对应O2）。
锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，一般不需要锁零。
3．在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运放都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反号器。
4．作频率特性实验和采样控制实验时，必须注意上位机界面操作时“通道设置”只允许选用采样通道X作为A/D输入。
至于该“X通道”具体采用“I1～I6”中哪一个通道，决定于控制箱上的实际连线，必须注意硬件连线与软件界面上操作的一致性。
类似地，软件界面上操作时，也必须注意“通道设置”与“显示”选择的一致性。
此一致性要求对所有使用通道的实验都是一样的，只是其它实验还允许以同样方式使用Y通道。
5．上位机软件提供线性系统软件仿真功能。
在作软件仿真时，无论是一个环节、或是几个环节组成的被控对象、或是闭环系统，在利用上位机界面作实验时，都必须将开环或闭环的传递函数都转化成下面形式，以便填入参数a i, b j11101110...()...m m m m n n n n b s b s b s b W s a s a s a s a ----++++=++++其中 10n ≤， m n ≤。
如出现 m n >的情况，软件仿真就会出错，必须设法避免。
如实验一，在作理想比例微分（PD ）环节的软件仿真实验时就会遇到此问题，因为此时()(1)W s K Ts K KTs =+=+ 可见该W (s )分子中s 的阶高于分母的，直接填入参数仿真，即出现“非法操作”的提示。
具体避免方法请参阅该实验附录。
6．受数据处理单元U3的数据处理速率限制，作频率特性实验和采样控制实验时，在上位机界面上操作“实验参数设置”必须注意频率点和采样控制频率的选择。
对于频率特性实验，应满足ω<30Rad/sec ，以免引起过大误差。
类似地，对于采样控制实验，采样控制周期应不小于2 ms 。
实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究一．实验目的1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。
2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。
二．实验内容1．设计各种典型环节的模拟电路。
2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。
3．在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。
三．实验步骤1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。
注意实验接线前必须先将实验箱上电，以对运放仔细调零。
然后断电，再接线。
接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。
在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G可接-15V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。
2．利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。
必须在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。
以比例环节为例，此时将Ui连到实验箱 U3单元的O1（D/A通道的输出端），将Uo连到实验箱 U3单元的I1（A/D通道的输入端），将运放的锁零G连到实验箱 U3单元的G1（与O1同步），并连好U3单元至上位机的并口通信线。
接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。
界面上的操作步骤如下：①按通道接线情况完成“通道设置”:在界面左下方“通道设置”框内，“信号发生通道”选择“通道O1＃”，“采样通道X”选择“通道I1＃”，“采样通道Y”选择“不采集”。
②进行“系统连接”（见界面左下角），如连接正常即可按动态状态框内的提示（在界面正下方）“进入实验模式”；如连接失败，检查并口连线和实验箱电源后再连接，如再失败则请求指导教师帮助。
③进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“X-t”；选择“量程”（在“显示模式”下方）为100ms/div；并在界面右方选择“显示”“系统输入信号”和“采样通道X”。
④完成实验设置，先选择“实验类别”（在主界面右上角）为“时域”，然后点击“实验参数设置”，在弹出的“系统测试信号设置”框内，选择“输入波形类别”为“周期阶跃信号”，选择“输入波形占空比”为50%，选择“输入波形周期”为“1000ms”，选择“输入持续时间”为“1000ms”，选择波形不“连续”, 选择“输入波形幅值”为“1V”，将零位偏移设为“0”。
以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。
要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“输入波形周期”至少是环节或系统中最大时间常数的6～8倍。
这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。
⑤以上设置完成后，按“实验启动”启动实验，动态波形得到显示，直至“持续时间”结束，实验也自动结束，如上述参数设置合理就可以在主界面中间得到环节的“阶跃响应”。
⑥利用“红线数值显示”功能（详见软件使用说明书）观测实验结果；改变实验箱上环节参数，重复⑤的操作；如发现实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复④、⑤的操作。
⑦按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书。
3．利用上位机完成环节阶跃特性软件仿真的操作，前①②步骤与2相同，其后操作步骤如下：③进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“X-t”；选择“量程”（在“显示模式”下方）为100ms/div；并在界面右方选择“显示”“系统仿真”。