清华大学自动控制原理2绪论
自动控制原理所有定理
自然频率反映了系统的快速性，可以通过观察根轨迹与虚 轴的交点位置来判断系统的自然频率高低。
根轨迹与系统稳定性裕度
稳定性裕度反映了系统离不稳定状态有多远，可以通过观 察根轨迹与实轴的交点位置以及分离点的位置来判断系统 的稳定性裕度大小。
05
线性系统的频域分析法
频率特性的基本概念
频率特性
单系统，但对于复杂系统，求解过程可能非常繁琐。
02 03
拉普拉斯变换法
利用拉普拉斯变换将微分方程转换为代数方程，从而简化求解过程。通 过对输入信号和系统传递函数进行拉普拉斯变换，可以在复数域内求解 系统的输出响应。
卷积积分法
对于线性时不变系统，输出响应可以通过输入信号与系统冲激响应的卷 积积分得到。这种方法适用于任意输入信号和任意系统。
描述函数法的局限
性
对于非线性程度较高或包含复杂 输入信号的系统，描述函数法的 近似误差较大。
非线性系统的相平面法
相平面法的定义
在相平面上绘制系统状态变量的轨迹，通过 分析轨迹的形状和变化趋势来研究系统的稳 定性和动态性能。
相平面法的应用
适用于二阶及以下非线性系统的分析和设计，可直 观地展示系统的动态过程和稳定性。
01
以频率为参变量，表示系统幅频特性和相频特性的曲
线。
对数频率特性曲线（Bode图）
02 在对数坐标系下，以频率为参变量，表示系统幅频特
性和相频特性的曲线。
极坐标图
03
在极坐标系下，以频率为参变量，表示系统幅频特性
和相频特性的图形。
系统稳定性的频域判别法
Nyquist稳定判据
根据Nyquist图判断系统稳定性的方法，若Nyquist图不包 围（-1，j0）点，则系统稳定。
《自动控制原理》绪论、第1、2章(新)
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
线性系统理论(绪论)S2
1877年，E.J. Routh 稳定性分析 —— 代数判据。 年 代数判据。 1895年，A. Hurwitz 稳定性分析 —— 代数判据。 年 代数判据。
一般认为，Maxwell的代数稳定判据 代数稳定判据加上公元1922年N.米诺尔斯基的《关 代数稳定判据 《 于船舶自动操舵的稳定性》和1934年美国H.L.黑曾（Hazen）发表的《关于伺服 于船舶自动操舵的稳定性》 《 机构理论》 经典控制理论的诞生。 机构理论》论文，标志着经典控制理论 经典控制理论
课程基础 － 自动控制原理、线性代数、矩阵理论、(电路) 课程特点 － 线性多变量系统、新方法 学习方法 － 听课 + 自学 + 习题
学时与学分： 学时与学分：
学时， 学分。（13 学分。（ 次课） 共54学时，3学分。（ + 1次课） 学时 次课
参考书目： 参考书目：
《线性系统理论》（第2版）郑大钟，清华大学出版社 线性系统理论》 郑大钟， 《线性系统理论》史忠科著， 科学出版， 《现代控制理论》于长官著，哈尔滨工业大学出版社 《线性控制系统工程》 [美]德赖斯 (Driels M.) ，清华大学出版社 《线性系统 线性系统》 [美]T.凯拉斯著，科学出版社
绪论
从历史的角度： 从历史的角度：
控制技术和理论的发展表明了这样一个道理： 控制技术和理论的发展表明了这样一个道理 ： 任何社会实践没 有理论就不能成为科学，实践也就难以深入和系统地发展。 有理论就不能成为科学，实践也就难以深入和系统地发展。 控制技术在中国和巴比伦已有数千年的历史， 控制技术在中国和巴比伦已有数千年的历史 ， 但由于没有上升 为理论，只能在低级的（技艺层面上）水平上发展。 为理论，只能在低级的（技艺层面上）水平上发展。 1868年以来， 随着控制理论的建立 ， 控制理论和控制技术同时 年以来，随着控制理论的建立， 年以来 开始飞速发展， 开始飞速发展，控制技术终于成为人们征服自然与改造自然的有力武 器。 由于我们中国几千年来只重技术不重理论，我们现在（ 由于我们中国几千年来只重技术不重理论 ， 我们现在 （ 值得称 的历史就是十六、十七世纪前“灿烂辉煌的古代文明” 道）的历史就是十六、十七世纪前“灿烂辉煌的古代文明”，自从十 十七世纪西方科学理论体系开始建立之后，就开始相对日趋末落， 六、十七世纪西方科学理论体系开始建立之后，就开始相对日趋末落， 终于到了“落后”的近代，挨打受欺，以至于“丧权辱国” 终于到了“落后”的近代，挨打受欺，以至于“丧权辱国”了。
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(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。
自动控制原理复习提纲
第一章绪论1、基本概念（1）自动控制：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（被控量）自动地按预先给定的规律去运行。
（2）自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制装置与被控对象组成。
（3）被控对象：指被控设备或过程。
（4）输出量，也称被控量：指被控制的量。
它表征被控对象或过程的状态和性能，它又常常被称为系统对输入的响应。
（5）输入量：是人为给定的系统预期输出的希望值。
（6）偏差信号：参考输入与实际输出的差称为偏差信号，偏差信号一般作为控制器的输入信号。
（7）负反馈控制：把被控量反送到系统的输入端与给定量进行比较，利用偏差引起控制器产生控制量，以减小或消除偏差。
2、自动控制方式（1）开环控制开环控制系统指系统的输出量对系统的控制作用没有影响的系统。
它分为按给定控制和按扰动控制两种形式。
按给定控制：信号由给定输入到输出单向传递。
按扰动控制（顺馈控制）：根据测得的扰动信号来补偿扰动对输出的影响。
（2）闭环控制（反馈控制）闭环控制系统指系统的输出量与输入端存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接影响的系统。
系统根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为反馈控制原理。
3、自动控制系统的分类（1）按给定信号的特征分类①恒值控制系统：希望系统的输出维持在给定值上不变或变化很小。
②随动控制系统：给定信号的变化规律是事先不确定的随机信号。
③程序控制系统：系统的给定输入不是随机的，而是确定的、按预先的规律变化。
（2）按系统的数学模型分类⎧⎧⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪−−−→⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎧⎪⎪−−−→⎨⎨⎪⎩⎩⎪⎪⎧−−−→⎪⎪⎪⎧⎪⎨⎪⎪−−−→⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎩⎩分析法分析法分析法分析法时域法根轨迹法线性定常系统频域法线性系统状态空间法时域法线性时变系统状态空间法非本质非线性线性化法描述函数法非线性系统本质非线性相平面法状态空间法 （3）按信号传递的连续性划分①连续系统：系统中的所有元件的输入输出信号均为时间的连续函数，所以又常称为模拟系统。
学习笔记 -《自动控制原理》
化简得到从输入电压 Ua 到输出转速ω的传递函数������������������(������)
������������������(������)
=
ω ������������
=
������������������������������2
+
(������������ ������������
非线性函数在平衡点附近展开成泰勒级数，然后去掉高次幂得到线性函数。
例如函数������ = ������(������)，在平衡点(������0, y0)展开成泰勒级数为
������
=
������(������)
=
������(������0)
+
������′(������0)(������
−
������0)
性微分方程（差分方程）描述 9. 非线性系统：系统含有一个或者多个非线性元件，输入输出的静态特性为非线性特性，如
饱和限幅特性，死去特性，继电特性等。需用非线性微分方程描述 10. 连续系统：系统各信号均为时间的连续函数。可用微分方程描述 11. 离散系统：系统有一个或者多个信号是脉冲序列或者数字编码，需用差分方程描述 12. 定常系统：系统参数不随时间变化 13. 时变系统：系统参数随时间变化
m
x f
例 2.4 直流电动机系统
如下图，电机绕组电阻为 Ra，绕组电感为 La，反电动势系数为 Ke，转矩系数为 Kt，电机 轴端转动惯量为 Jm，粘滞摩擦系数为 b。 输入：电压 Ua， 输出：电流 ia，电磁转矩 Te，转动角度θ，转动速度ω，角加速度为α
电机的电压平衡方程为：U������
������������������(������)
自动控制原理知识点总结
自动控制原理知识点总结————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：自动控制原理总结第一章 绪 论技术术语1. 被控对象:是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。
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：又称调节器、控制装置，由控制元件组成，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)：要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。
5. 干扰信号n(t)：又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。
6. 反馈信号b(t)：是指被控量经测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，或指令信号与反馈信号的差值。
闭环控制的主要优点：控制精度高，抗干扰能力强。
缺点：使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。
对控制系统的性能要求 :稳定性 快速性 准确性稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。
准确性是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。
第二章 控制系统的数学模型拉氏变换的定义:-0()()e d st F s f t 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.等加速函数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) 拉氏变换的基本法则 1.线性法则 2.微分法则 3.积分法则1()d ()f t t F s s ⎡⎤=⎣⎦⎰L4.终值定理()lim ()lim ()t s e e t sE s →∞→∞==5.位移定理00()e()sf t F s ττ--=⎡⎤⎣⎦Le ()()atf t F s a ⎡⎤=-⎣⎦L传递函数：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(或元部件)的传递函数。
张爱民《自动控制原理》
张爱民《自动控制原理》1. 引言《自动控制原理》是由张爱民教授编写的一本介绍自动控制理论和方法的教材。
自动控制是现代工程和科学领域中的一个重要学科，涉及到各个领域的控制问题，包括机械、电气、电子、通信等。
2. 作者简介张爱民，清华大学自动化系教授，是自动控制领域的知名专家。
他在自动控制理论和应用方面做出了很多重要贡献。
他主持和参与了多项国家级科研项目，在自动控制领域发表了大量论文。
张爱民教授的《自动控制原理》以其深入浅出的讲解风格和丰富的实例深受学生和教师的喜爱。
3. 内容概述《自动控制原理》一书共分为八章，内容涵盖了自动控制领域的基础理论和实践方法。
下面对每一章的主要内容进行简要介绍。
3.1 第一章：自动控制概述这一章介绍了自动控制的基本概念、分类和发展历程。
通过一些实例，帮助读者理解自动控制的重要性和应用领域。
3.2 第二章：数学基础在自动控制领域，数学是基础。
这一章主要介绍了自动控制所涉及到的数学基础，包括线性代数、微积分和概率论等。
读者可以通过这一章的学习，为后续章节打下坚实的数学基础。
3.3 第三章：系统建模系统建模是自动控制的第一步。
这一章介绍了系统建模的基本概念和方法，包括系统的描述、状态空间分析和传递函数表示等。
通过实例，读者可以学会如何将实际问题转化为数学模型。
3.4 第四章：传递函数的表示与分析传递函数是自动控制中常用的数学工具。
这一章详细介绍了传递函数的定义、性质和常见的运算规则。
同时，还介绍了用传递函数进行系统分析和设计的方法。
3.5 第五章：控制器的设计控制器是自动控制中的核心组成部分。
这一章主要介绍了控制器的设计方法，包括比例控制器、积分控制器和PID控制器等。
通过实例，读者可以学会如何选择和设计合适的控制器。
3.6 第六章：闭环控制系统分析闭环控制系统是自动控制中常用的控制方式。
这一章详细介绍了闭环控制系统的分析方法，包括系统的稳定性分析和性能指标的评价等。
读者可以通过这一章的学习，了解闭环控制系统的优势和局限性。
自动控制原理_清华大学出版社课后习题答案
第一章习题答案1.自动控制：就是在人不直接参与的情况下，依靠外加装置或设备(称为控制装置或控制器)，使机械、设备或生产过程(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，或使某个被控制的参数按预定要求变化。
给定量：它是人们期望系统输出按照这种输入的要求而变化的控制量。
故一般又称给定输入或简称输入。
上例中的调节器的给定值u g 即是给定输入。
扰动量：它是一种人们所不希望的﹑影响系统输出使之偏离了给定作用的控制量。
上例中给水压力变化或蒸汽负荷变化都属于扰动。
开环控制：指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种方式组成的系统称为开环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的输入量产生影响。
闭环控制：按照偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。
复合控制：将闭环控制系统和开环控制系统结合在一起构成的开环-闭环相结合的控制系统，称为复合控制恒值控制：给定量是一定的，控制任务是保持被控量为一不变常数，在发生扰动时尽快地使被控量恢复为给定值。
随动控制：给定量是按照事先不知道的时间函数变化的，要求输出跟随给定量变化。
2.7. 自动控制系统的性能的要求：稳定性、快速性、准确性。
自动控制系统的性能的最基本要求：稳定性第二章习题答案1. (a) 22()()1()()d y t f dy t k y t t dt m dt m m++=F （b ）1211212()()()()k k k dy t y t t dt f k k k k +=++F （c ）42422()2()()dy t k dy t kt dt m dt m+=F2. (a) 22211221122122112()d u du dvR C R C R C R C R C u R C vdt dt dt ++++=+（b ）233112211221232()d u duR C R C R C R C R C u dt dt++++2112211222()d v dvR C R C R C R C vdt dt=+++（c ）222220.25 1.5d u du dv u v dt dt dt++=+3. (a)2111212()(1)()c r U s R R C s U s R R CR R s+=++（b ）222222()21()31c r U s C R s RCs U s C R s RCs ++=++（c ）2211212()()()c r U s R U s R LCs L R R C s R R =++++4. (a)21212121221212212121()1()()()1f f f fs s k k k k Y s f f f f f X s s s k k k k k +++=++++（b ）21212112221212112212()()1()()1c r U s R R C C s R C R C s U s R R C C s R C R C R C s +++=++++5. 0.085d d i u ∆=6. r d h Sh Q dt ∆+=∆7．2232(),()432t ts G s g t e e s s --+==-++8. 2()142tty t ee e--=-+9.（a ）21()()c r U s RU s R =-（b ）112212()(1)(1)()c r U s R C s R C s U s R C s ++=-（c ）212()()(1)c r U s R U s R R Cs =-+10.(1) ；012180,3,211k k k π︒==-=-(2) 略；(3)系统的闭环传递函数22301230123()11()1c M t Mr M MQ s k k k k T Q s s s k k k k k k k k k k =+++11.闭环传递函数32()0.7(6)()(0.90.7)(1.180.42)0.68c r Q s s Q s s K s K s +=+++++12.闭环传递函数12342363451234712348()()1G G G G C s R s G G G G G G G G G G G G G G G G =+++-13.传递函数，21221)()(T s T s s K K s R s C +++=2121)1()()(T s T s T s s s N s C ++-+=14.传递函数。
自动控制原理-课后习题及答案
第一章 绪论1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点.解答：1开环系统(1) 优点:结构简单，成本低，工作稳定。
用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时，可得到满意的效果。
(2) 缺点：不能自动调节被控量的偏差。
因此系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。
2 闭环系统⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。
它是一种按偏差调节的控制系统。
在实际中应用广泛。
⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。
>1-2 什么叫反馈为什么闭环控制系统常采用负反馈试举例说明之。
解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。
闭环控制系统常采用负反馈。
由1-1中的描述的闭环系统的优点所证明。
例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。
1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非线性，定常，时变）（1）22()()()234()56()d y t dy t du t y t u t dt dt dt ++=+（2）()2()y t u t =+（3）()()2()4()dy t du t ty t u t dt dt +=+ （4）()2()()sin dy t y t u t tdt ω+=（5）22()()()2()3()d y t dy t y t y t u t dt dt ++=—（6）2()()2()dy t y t u t dt +=（7）()()2()35()du t y t u t u t dtdt =++⎰解答： （1）线性定常 （2）非线性定常 （3）线性时变（4）线性时变 （5）非线性定常 （6）非线性定常 （7）线性定常1-4 如图1-4是水位自动控制系统的示意图，图中Q1，Q2分别为进水流量和出水流量。
2017年清华大学《自动控制原理》ppt课件合集.pdf
1-1 自动控制的任务
下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念
控制器
气动阀门
流入
Q1浮子
水箱
H
流出Q2
水位自动控制系统
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。
1-２自动控制的基本方式
炉温控制系统
飞机自动驾驶系统原理图
1-３对控制系统的性能要求
控制系统动态过程曲线
稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。
既快又稳，表明系统的动态精度高。
总结：解析方法适用于简单、典型、常见的系统，而实验方法适用于复杂、非常见的系统。
实际上常常是把这两种方法结合起来建立数学模型更为有效。
北京航空航天大学
2-1控制系统微分方程的建立
2－2 非线性微分方程的线性化
2－3 传递函数(transfer function
⏹传递函数仅适用于线性定常系统，否则无法用
三、传递函数举例说明
四、典型环节。
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。
自动控制原理课件全分解
使箱温增大到给定温度。
人 工 控 制 精 度 不 高 ， 人的反应不够快，不少 恶劣的场合人无法参与 直接控制。自动控制系 统可以解决以上问题。 下图为一恒温自动控制 系统原理框图。
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《自动控制原理》第一章
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篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
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篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
1.1.1自动控制的基本原理
所谓控制系统（Control System）就是通过执行 规定的功能来实现某一给定目标的一些相互关联 单元的组合。由人直接或间接操作执行装置的控 制方式称为手动控制（Manual Control）；而无需 人去直接或间接操纵执行机构，利用控制装置控 制被控制量自动地按预定的规律变化的过程则称 为自动控制（Automatic Control）。
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示例——恒温控制系统 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
由温度计测出恒温箱的实际温度与恒温箱内要求达到的 温度进行比较，得出偏差，根据偏差的大小和正负进行 控制。当恒温箱温度高于所要求的温度时，移动调压器 可动触头减小外施电压，使箱温减小到要求的温度；若 箱温低于给定温度，则移动调压器触头增大外施电压，
历史回顾
18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器。是自 动控制领域的第一项重大成果。在控制理论发展初期，做出过 重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、黑曾和奈魁斯特。
自动控制原理
季节周期性数据的分析方法
采用季节指数法消除季节变动以外的三个因素 同期平均法：现象不存在长期趋势或长期趋势不明显的情况
下，一般是直接用平均的方法通过消除循环变动和不规则变 动来测定季节变动 移动平均趋势剔除法：现象具有明显的长期趋势时，一般是 先消除长期趋势，然后再用平均的方法再消除循环变动和不 规则变动
▪ 北宋时期（公元1068-1089年）苏颂和韩公廉制成了一座水运 仪象台，它是一个根据被调节量偏差进行调节的闭环非线性自 动调节系统
▪ 古代罗马人依据反馈原理构建的水位控制装置，至今仍在抽水 马桶的水位控制中使用
▪ 1788年英国人瓦特（Watt）发明的控制蒸汽机速度的离心式调 速器，在自动控制装置中最具代表性，也对后世的自动控制技 术产生了深远的影响
季节周期性数据的分析——同期平均法
“同期平均”就是在同季(月)内“平均”，而在不同季(月)之间 “移动”的一种“移动平均”法
“平均”是为了消除非季节因素的影响，而“移动”则是为了 测定季节因素的影响程度
步骤如下：
➢ 第一，计算各年同季(季月节)指的数平(S均) 数同总月月((或或季季))平平均均数数 100% ➢ 第二，计算各年同季(或同月)平均数的平均数 ➢ 第三，计算季节比率
▪ 自动控制原理研究的是自动控制系统中的普遍性问题，首先研 究其组成和基本结构，然后建立控制系统的数学模型，在数学 模型的基础上便可以计算各个信号之间的定量关系，进而分析 出自动控制系统可否实现预定的控制目标，并研究怎样提高自 动控制系统的控制效果。
1.1 自动控制发 展简介
古代自动控制装置 经典控制理论 现代控制理论 智能控制理论
(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》胡寿松+习题答案(附带例题课件)
用电技术专业方向）
先修课程： 高等数学、大学物理、积分变换、电路、数字电子技术、模拟电子技术
一、课程性质、目的和任务
本课程为电气工程及其自动化专业的主要专业基础课程之一，目的是使学生掌握负反馈控制原理、控
制系统数学模型的建立和系统性能分析、设计的基本方法，培养学生分析和设计自动控制系统性能的基本
能力并能满足其它后续专业课程对自动控制理论知识的需要。
八、教材及主要参考资料
教 材： 《自动控制理论实验指导书》，王芳、杨志超编写，2007 年 参考书：《自动控制原理》，国防工业出版社，王划一主编，2001 年
《基于 MATLAB 的系统分析与设计》-控制系统，楼顺天、于卫编著，西安电子科技大学出 版社，1999 年
《MATLAB 控制系统设计与仿真》，赵文峰编著，西安电子科技大学出版社，2002 年
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 3． 描述函数定义、应用条件和求取方法 4． 应用描述函数分析非线性系统的稳定性 5． 非线性系统自激振荡分析和计算 6． 介绍非线性系统相平面分析法（选讲）
其它 合计
自动控制系统的基本概念
4
控制系统的数学模型
10
2
线性系统的时域分析法
10
2
根轨迹分析法
8
线性系统的频域分析法
12
2
控制系统的校正
6
2
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清华大学自动控制原理2绪论绪论1．自动控制理论的发展过程为了说明现代控制理在整个控制理论中的地位，我们简短地叙述自动控制理论发展过程。
自动控制理论的发展大体可划分为三个阶段。
（1）经典控制理论经典控制理论——————第一代控制理论第一代控制理论过去50年代的“第一代”控制理论，即所谓经典控制理论，以单变量控制与调节为主要内容，所用的工具主要是根轨迹法和频率响应法。
以微分方程和传递函数为数学模型。
优点：方法概念简单，计算方便，在多数情况下物理意义较明确。
缺点是建立在输入输出关系即传递函数基础上的经典控制理论有其限局性，只知道输入——输出关系，对系统内部的变化知道甚少，即不能描述系统全部运动状态，工程上近似性（根轨迹和频率法）带有明显的依靠手工进行分析和综合的色彩。
而且设计多凭经验，很难处理多输入—多输出的系统。
（2）现代控制理现代控制理论论————第二代控制理论第二代控制理论现代控制理是在50年代末逐步形成并迅速发展的一门新兴学科分支。
现代控制理论的诞生与发展是由于实践需要，技术条件可能、理论发展这三个方面互相影响，互相促进的结果。
1）实践的需要实践的需要，现代控制理是应分析与设计高质量和大型复杂控制系统的需要而产生的。
随着科学技术的发展，特别是航天、航空、航海、导弹等军事尖端技术的发展，对自动控制系统提出越来越高的要求。
这些要求可以概括为两个字：高、大。
即：从质上说，要求设计高质量（如高精度、快速响应、低消耗、低代价等）的控制系统；从量上说控制系统越来越大型、复杂、综合化，从单个局部自动化发展成综合自动化。
2）技术条件的可能技术条件的可能，电子数字计算机为现代控制理论的发展提供了最主要的技术条件。
计算机是现代的控制系统中的核心部分，计算机在现代控制系统的分析和设计中，被广泛采用来进行数字仿真，计算机辅助设计等。
3）理论发展理论发展，现代控制理论是以经典控制理论为基础，以近代应用数学为理论工具的技术科学。
50年代末60年代初应用数学的发展主要有：a）1958年原苏联学者ПОНТРЯГИНОНТРЯГИН（庞德里亚金）等提出的解决最佳控制问题的极大值原理；卡尔曼）等提出的最佳线性最小方b）1960年美国学者Kalman （卡尔曼卡尔曼差递推滤波（即Kalman滤波）；c）同年Kalman提出了可控性与可观测性概念；d）Bellman（1957年）提出了动态规划法；e）50年代后期Bellman等人提出状态变量法。
而其中，状态空间概念和方法的引入，则起了很重要的推动作用。
1960现代控制理论这一名年美国自动控制第一届联合年会上，首先提出了现代控制理论现代控制理论称，从此标志着现代控制理论的正式产生。
现代控制理论以多变量控制、最优控制为主要内容，采用时域法，以状态方程为数学模型。
优点：状态方程模型适用性相当广泛，可用于描述线性或非线性系统，常系数或变系数系统，集中参数或分布参数系统；状态方程描述了系统内部和系统输入、输出的关系，所以它描述了系统的全部运动状态。
缺点：状态方程模型的物理直观性较差，模型结构和参数的物理概念不够明确。
（3）进入70年代以后，可以说“大系统理论”与“智能控制理论”是“第三代”控制理论的重要内容。
这是控制理论向广度与深度发展的新阶段。
所谓大系统，是指规模大，结构复杂变量众多的信息与控制系统。
在大系统理论中，采用状态方程和代数方程相结合的数学模型，状态空间和运筹学相结合的方法。
主要研究大系统的稳定性、最优化、模型化及模型简化等问题。
智能控制是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。
其中最典型的是智能机器人。
控制理论的这一阶段，是进入七十年代后广泛出现的各学科互相渗透的的结果。
大系统理和智能控制理论，尽管目前尚在不断发展和完善过程中，但已受到广泛重视和注意，并开始得到一些应用。
2．现代控制理论主要内容现代控制理论是研究系统的状态的分析和综合的理论。
它主要包括：（1）线性控制系统的一般理论线性控制系统理论是现代控制理论中最成熟的理论，它包括：线性对象的状态空间描述及分析；状态的常规控制与观测，状态反馈系统等。
（2）系统辨识系统辨识，如何从动态系统的输入和输出求系统的方程，即建立系统的状态空间数学模型，这是一件基本工作。
图0—1 如图0—1所示的)(t u 为系统的输入、)t (y 为系统的输出，消除)t (w 和)t (v 的影响来找一个最适合于)t (u 和)t (y 的数学模型，这一大类问题称动态系统的辨识问题。
当模型结构已经确定，用输入输出来确定其参数的，叫做参数估计问题，同时确定模型结构和参数的则泛称系统辨识问题。
（3）最佳控制问题最佳控制问题，即如何按一定目标来确定一个控制函数。
图0—2 假设图0—2系统，有一组输入函数（控制函数）)t (u 作用在受控系统上，其相应状态变量是)t (x ，通过量测系统可得到这些状态的某种组合为)t (y 。
从实际需要出发，可以为受控系统指定一些目标。
例如能耗最小，时间最短，偏差最小等，可以提出一系列的目标函数 )()t ),t u ),t (x (f J 10?=)t (yu受控系统的运动方程即状态方程为：)()t u )t (B )t (x )t (A x 20?+=& 当（0－1）、（0－2）式已知，则寻找一个控制函数)t (u 满足条件（0－2），并使J 为极值（极大或极小）的问题。
这就是现在控制理论中最普遍的课题之一，称之为最优控制问题。
如果所选用的目标函数J 是一种二次型函数，则（0－1）式变成[]dt t u Q t u t x Q t x t x Q t x J T T t t f f T f))()()()()(2100++=∫ )30(? 式中 f t t ,0——分别为控制过程的开始和结束时间0Q 、1Q 、2Q ——要加以确定的权矩阵这就是最优控制问题中最成熟的线性二次型最优控制问题。
在解决最优控制问题中，ПОНТРЯГИН的最大值原理和Bellman 的动态规划，是其中最重要的两种方法。
（4）最佳过滤最佳过滤，如何从受到随机干扰的输入)t 和输出)t (y 来求状态向量)(t x 。
亦称最优估计。
在系统数学模型已经建立的基础上，通过对系统输入输出数据的测量，利用统计方法，对系统本来的状态进行予测。
或称之为状态估计。
状态估计理论中最有效的是Kalman 过滤理论，Kalman 过滤理论的提出，奠定了现代控制理论的基础。
此外现代控制理也包括随机最优控制、自适应控制、分布参数系统、非线性系统理论、多变量反馈系统的现代频域方法、容错控制、、鲁棒控制、∞Η控制（近年发展起来）等等。
这里，我们不可能涉及现代控制理论的全部内容，只讲解线性系统理论中的基本部分。
（见自动控制理论（二）教学大纲）。
3．本课程的改革思路本课程的改革思路、、教学安排和要求在指导思想上更加注重基本理论和基本概念的教学，注重培养分析问题的能力；积极引导学生重视实验环节，与实验中心配合搞好实验建设，培养学生的实践能力。
（1）在学时安排上继续执行48学时的模式（从64学时减到48学时），减少课堂理论学时，增加综合性设计型的实验学时，且将实验单独开出，以便为学生提供选择余地，为实验室实验灵活安排创造条件，进一步丰富实验内容，提高实验水平。
同时适当安排课内习题讲解、讨论和综合练习，课外加强答疑和讨论；（2）在课程内容安排上更加突出重点，讲解以线性连续系统为主，以状态空间表达、状态方程的求解、能控性能观性、状态反馈控制器、状态观测器、解耦控制、有外扰时控制系统的综合、李亚普诺夫稳定性原理、最优控制为主要内容（详见《自动控制理论（二）》课程教学大纲）。
线性离散系统以课外自学为主，有兴趣并有余力的同学可以自学Kalman 过滤理论。
课外安排答疑辅导，每章结束后将给出作业点评。
本课程要求本课程要求：：本课程特点是数学推导较较多，理论性较强，要求掌握基本概念，掌握分析问题和解决问题的基本方法。
具体要求如下：（1）要有好的学风，要严谨、勤奋，要踏踏实实地学；（2）上课不迟到，不早退，不旷课，希望课上认真听课，课后认真复习，并认真独立地做习题、思考题和实验，及时交作业，及时改正作业错误；（3）以课堂讲课内容为主线，尽可能拓宽知识面，广泛参考其它教材和参考资料，积极认真选作实验，提倡积极讨论研究问题，培养创新意识。
每周二交作业，每周五下午3:00－4:00安排答疑（中央主楼406室），有问题希望及时解决。
具体教学内容和安排见自动控制理论（二）教学大纲。
参考文献参考文献：：（除教学大纲指出的参考文献外还可参考以下文献）1. Katsuhiko Ogata. Modern Control Engineering (Fourth Edition).Prentice Hall Inc. 20022. 薛定宇，反馈控制系统设计与分析——MATLAB 语言应用, 清华大学出版社，2000年4月3. T ·E ·FORTMANN,K ·L ·Hitz,线性控制系统引论，吕林等译，机械工业出版社，19804. 郑大钟, 线性系统,清华大学出版社，2002年10月年5. John J.D’Azzo,Constantine H.Houpis, Linear Conrtol System Analyseand Design, Fourth Edition,清华大学出版社，2000年12月6. Morris Driels, Linear Conrtol System Engineering, 清华大学出版社，2000年12月或其中译本线性控制系统工程，金爱娟，李少龙，李航天译，清华大学出版社2005年6月，7. Robert H. Bishop, Modern Control Systems Analysis and DesignUsing Matlab and Simulink, 清华大学出版社，2003年12月。