自动控制原理 杨平 ac1x
上海电力大学830自动控制原理2021年考研专业课初试大纲
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上海电力学院2021年硕士研究生入学初试《自动控制原理》课程考试大纲课程名称自动控制原理[1] 杨平等.自动控制原理－理论篇(第3版),中国电力出版社,2016参考书目：[2] 杨平等.自动控制原理－练习与测试篇,中国电力出版社,2012复习的总体要求自动控制原理课程的本质是自动控制系统的特性分析方法和控制器的初步设计理念。
学会本课程的学生应当表现出的基本能力是：首先，会用方框图变换或信号流图法将该系统分解成环节或综合成大的系统；其次，会用机理建模或实验建模法建立系统的数学模型---传递函数或状态方程形式；第三，会用系统分析方法分析出系统的基本特性，比如，稳定性、快速性或稳态误差；第四，会用控制器的设计方法设计控制器或利用系统分析方法改进系统特性。
控制系统分析和设计方法主要可分为时域法、根轨迹法、频域法和状态空间法四种。
前三种方法都是基于传递函数模型，第四种方法基于状态方程模型。
四种方法构成了控制理论的基础。
复习内容知识点一）自动控制系统的基本概念：系统组成、分类、性能、要求。
二）自动控制系统的数学模型：微分方程、传递函数、典型环节动态特性、系统方框图的等效转换和信号流图、机理建模法和实验建模、PID控制器基本控制规律和动态特性。
三）控制系统的时域分析：时域性能指标、一阶和二阶系统的时域分析、高阶系统的时域分析和闭环主导极点、稳定性与代数判据、稳态误差分析和误差系数。
四）控制系统设计：结构设计、规律选择、参数整定、串级控制、前馈控制等系统。
五）根轨迹法：根轨迹图绘制、根轨迹法典型超前和典型滞后校正设计。
六）控制系统的频域分析：频率特性的基本概念、奈氏图、伯德图、奈氏图分析，奈氏稳定性判据、相位裕量和幅值裕量、伯德图分析、闭环频率特性分析、频域法典型超前和典型滞后校正设计。
自动控制原理第二版
自动控制原理第二版自动控制原理是现代控制工程的基础课程，它涵盖了控制系统的基本概念、原理和方法，对于工程技术人员来说具有重要的理论和实践意义。
本文将从控制系统的基本概念、控制系统的分类、控制系统的性能指标、控制系统的稳定性分析、控制系统的校正和整定等方面进行介绍。
首先，控制系统是由控制器、被控对象和控制对象组成的。
控制系统的目标是使被控对象的输出与期望的参考输入信号相匹配，实现对被控对象的控制。
控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统两种类型。
开环控制系统是指控制器的输出不受被控对象的影响，而闭环控制系统是指控制器的输出受到被控对象的反馈影响。
其次，控制系统的性能指标包括稳定性、动态性能和静态精度。
稳定性是指控制系统在受到干扰或参数变化时，能够保持稳定的特性。
动态性能是指控制系统对于输入信号的响应速度和振荡情况。
静态精度是指控制系统在稳态下对于输入信号的精确度。
控制系统的稳定性分析是控制系统设计的重要内容。
稳定性分析包括了判据、判据的稳定性判定、稳定性判据的应用等内容。
控制系统的稳定性分析是控制系统设计的重要内容。
稳定性分析包括了判据、判据的稳定性判定、稳定性判据的应用等内容。
控制系统的校正和整定是控制系统设计的重要内容。
控制系统的校正和整定包括了控制器参数的校正和整定方法、控制系统性能的优化方法等内容。
总结而言，自动控制原理是现代控制工程的基础课程，它涵盖了控制系统的基本概念、原理和方法。
掌握自动控制原理对于工程技术人员来说具有重要的理论和实践意义。
希望本文所介绍的内容能够为读者对自动控制原理有一个清晰的认识，并能够在实际工程中得到应用。
《自动控制原理》PPT课件
4-1 根轨迹的基本概念
4-1-1 根轨迹
闭环极点随开环根轨迹增益变化的轨迹
目标
系统参数 连续、运动、动态
开环系统中某个参数由0变化到 时，
闭环极点在s平面内画出的轨迹。一 个根形成一条轨迹。
5
例4-1 已知系统如图，试分析 Kc 对系统特征根分布的影响。
R(s)
_ Kc
1
C(s)
s(s+2)
解：开环传递函数 G(s) Kc 开环极点：p1 0
s(s 2)
开环根轨迹增益：K * Kc 闭环特征方程：s2 2s K * 0
闭环特征根
2 s1,2
4 4K* 1
2
1 K*
p2 2
6
研究K*从0～∞变化时，闭环特征根的变化
K*与闭环特征根的关系 s1,2 1 1 K*
引言
时域分析法
优点：可以直接分析系统的性能 缺点：不能在参数变化时，预测系统性能；
不能在较大范围内，给出参数优化设 计的预测结果
系统的闭环极点
系统的稳定性 系统的动态性能
系统闭环特征方程的根
高阶方程情形 下求解很困难
系统参数（如开环放大倍数）的变化会引起其 变化，针对每个不同参数值都求解一遍根很麻 烦。
1 绘制依据 ——根轨迹方程
R(s) _
C(s) G(s)
闭环的特征方程：1 G(s)H(s) 0
H(s)
即：G(s)H(s) 1 ——根轨迹方程（向量方程）
用幅值、幅角的形式表示：
G(s)H(s) 1
G(s)H(s) [G(s)H(s)] 1(2k 1) G(s)H(s) (2k 1)
自动控制原理非线性控制系统分析
y
0
a
x
-M
y M7
2、死区特性 当输入|x|≤ ∆ 时，输出y=0，当输入|x|> ∆ 时，y与x呈线性关系。∆ 死区范围，K=tgβ 是死 区特性线性段的斜率。
死区特性对系统最直接的影响是造成系统的 稳态误差。死区的存在相当于降低了系统的开环 增益，从而提高了系统的稳定性，减弱了过渡过 程的振荡性。另外死区可以滤除输入端做小幅度 振荡的干扰信号，从而提高系统的抗干扰能力。
81非线性控制系统概述研究非线性控制理论的意义实际上理想的线性系统并不存在组成系统的各元件的动态和静态特性都存在着不同程度的非线性
自动控制原理
第八章 非线性控制系统分析
8-1 非线性控制系统概述
1. 研究非线性控制理论的意义
实际上，理想的线性系统并不存在，组成 系统的各元件的动态和静态特性都存在着不同 程度的非线性。
y M -a K 0 a -M x
13
8
3、饱和特性 当输入|x|≤ a 时， y与x呈线性关系， 即y=Kx；当输入|x|> a时，输出y保持为 一常值 。a为线性区，K是饱和特性线性 区的斜率。 饱和特性对系统的影响比较复杂，随 系统的结构和参数的不同而不同。但一般 来说，饱和特性往往促使系统稳定，但会 减小系统的放大系数，降低系统的稳态精 度。
y y y
0
x
0
x
0
x
3
2. 非线性系统的特征 稳定性分析复杂，系统可能存在多个平衡状态； t x0 e x x( x 1) x(t ) 1 x0 x0 et
4
可能存在自激振荡现象； 频率响应发生畸变。
3. 非线性系统的分析与设计方法
自动控制原理 科普
自动控制原理科普嘿，朋友！咱今天来聊聊自动控制原理，这可是个相当有趣的话题呢！你想想啊，咱们生活中其实到处都有自动控制的影子。
就说家里的空调吧，它能根据你设定的温度，自动调节制冷或者制热，让屋里始终保持舒适，这不就是一种自动控制嘛！自动控制原理，简单来说，就是让一个系统能够自动地按照我们期望的方式运行。
好比一个训练有素的士兵，不需要长官时时刻刻盯着，就能准确无误地完成任务。
比如说自动驾驶汽车，它得能感知周围的环境，识别道路、车辆和行人，然后自动做出加速、减速、转向等操作。
这背后的原理可复杂着呢！再看看工厂里的自动化生产线，那些机器手臂有条不紊地工作，精准地完成各种任务，生产出高质量的产品。
这可不是随便就能做到的，得依靠精确的自动控制技术。
自动控制原理里有个很重要的概念，叫反馈。
这就像你考试后老师给你的评语，告诉你哪里做得好，哪里需要改进，然后你就能调整自己的学习方法，下次考得更好。
系统也是这样，通过反馈，不断调整自己的行为，达到理想的状态。
还有啊，自动控制可不光在工业、交通这些大领域发挥作用，在咱们的日常生活里也无处不在。
比如智能手机的自动亮度调节，不就是根据周围的光线自动调整屏幕亮度，保护咱们的眼睛吗？你说要是没有自动控制，这世界得乱成啥样？工厂没法高效生产，交通混乱不堪，家里的电器也不听话。
那可真是不敢想象！所以说，自动控制原理就像是一个神奇的魔法，让我们的生活变得更加便捷、高效和舒适。
它让机器变得聪明起来，能够自主地为我们服务。
怎么样，是不是对自动控制原理有了点新的认识？这玩意儿可真是太重要啦，咱们得好好了解了解，说不定还能从中发现更多的奇妙之处呢！。
自动控制原理 杨平 ac2x
自动控制原理第2章控制系统的数学模型第2章控制系统的数学模型2.1 概论2.2 拉氏变换和传递函数2.3 机理分析建模方法2.4 典型环节的动态特性及PID 控制器2.5 系统方框图等效变换和信号流图第2章控制系统的数学模型2.1 概论2.2 拉氏变换和传递函数2.3 机理分析建模方法2.4 典型环节的动态特性及PID 控制器2.5 系统方框图等效变换和信号流图2.1 概论♣控制系统数学模型定义：揭示系统各变量内在联系的数学表达式和关系图表方式：图表，表达式图：方框图；信号流图；表达式：微分方程（或差分方程）；传递函数；频率特性函数；状态空间表达式建立方法：♣分析法：据物理化学规律推导♣实验法：据实验数据拟合Return第2章控制系统的数学模型2.1 概论2.2 拉氏变换和传递函数2.3 机理分析建模方法2.4 典型环节的动态特性及PID 控制器2.5 系统方框图等效变换和信号流图2.2 拉氏变换与传递函数♣2.2.1 拉普拉斯(Laplace )变换（复习）♣2.2.1.1 典型函数的拉氏变换♣2.2.1.2 拉氏变换的性质与定理♣2.2.1.3 用拉氏变换法求解微分方程♣2.2.2 传递函数♣2.2.2.1 定义♣2.2.2.2 传递函数的求取方法♣2.2.2.3 传递函数的性质2.2 拉氏变换与传递函数♣2.2.1 拉普拉斯(Laplace )变换（复习）♣2.2.1.1 典型函数的拉氏变换♣2.2.1.2 拉氏变换的性质与定理♣2.2.1.3 用拉氏变换法求解微分方程♣2.2.2 传递函数♣2.2.2.1 定义♣2.2.2.2 传递函数的求取方法♣2.2.2.3 传递函数的性质2.2 拉氏变换与传递函数♣2.2.1 拉普拉斯(Laplace )变换（复习）♣2.2.1.1 典型函数的拉氏变换♣2.2.1.2 拉氏变换的性质与定理♣2.2.1.3 用拉氏变换法求解微分方程♣2.2.2 传递函数♣2.2.2.1 定义♣2.2.2.2 传递函数的求取方法♣2.2.2.3 传递函数的性质6) 迟延定理(实平移定理）[])()(s X e t x L sττ-=-7) 位移定理(复平移定理）8) 卷积定理)()]([a s X t x eL at+=-[])()()()(s X s G t x t g L =*2.2 拉氏变换与传递函数♣2.2.1 拉普拉斯(Laplace )变换（复习）♣2.2.1.1 典型函数的拉氏变换♣2.2.1.2 拉氏变换的性质与定理♣2.2.1.3 用拉氏变换法求解微分方程♣2.2.2 传递函数♣2.2.2.1 定义♣2.2.2.2 传递函数的求取方法♣2.2.2.3 传递函数的性质2.2.1.3 用拉氏变换法求解微分方程1) 微分方程求解步骤♣对微分方程进行拉氏变换♣求系统输出变量表达式♣将输出变量表达式展开为部分分式♣查表求各分式的拉氏反变换♣整理出方程解2.2 拉氏变换与传递函数♣2.2.1 拉普拉斯(Laplace )变换（复习）♣2.2.1.1 典型函数的拉氏变换♣2.2.1.2 拉氏变换的性质与定理♣2.2.1.3 用拉氏变换法求解微分方程♣2.2.2 传递函数♣2.2.2.1 定义♣2.2.2.2 传递函数的求取方法♣2.2.2.3 传递函数的性质2.2.2.1 定义文字定义:数学式定义:2.2 拉氏变换与传递函数♣2.2.1 拉普拉斯(Laplace )变换（复习）♣2.2.1.1 典型函数的拉氏变换♣2.2.1.2 拉氏变换的性质与定理♣2.2.1.3 用拉氏变换法求解微分方程♣2.2.2 传递函数♣2.2.2.1 定义♣2.2.2.2 传递函数的求取方法♣2.2.2.3 传递函数的性质2.2.2.2 传递函数的求取方法1) 对微分方程进行拉氏变换(零初始条件)2) 对脉冲响应进行拉氏变换3）根据阶跃响应求取3）机理建模法(见2.3节)4）方框图、信号流图(见2.5节)5) 实验建模方法(见2.7 节)♣2.2.2.2 传递函数的求取方法2) 对脉冲响应进行拉氏变换X（s）Y（s）G（s）取输入x(t)= (t)则有X(s)=1所以输出Y(s)=G(s)X(s)=G(s)这样有传递函数求取公式：G(s)=L[y(t)]当x(t)= (t)2.2 拉氏变换与传递函数♣2.2.1 拉普拉斯(Laplace )变换（复习）♣2.2.1.1 典型函数的拉氏变换♣2.2.1.2 拉氏变换的性质与定理♣2.2.1.3 用拉氏变换法求解微分方程♣2.2.2 传递函数♣2.2.2.1 定义♣2.2.2.2 传递函数的求取方法♣2.2.2.3 传递函数的性质2.2.2.3 传递函数的性质1) 传递函数的系数和阶数均为实数，只与系统内部结构参数有关，而与输入量初始条件等外部因素无关2）实际系统的传递函数是s的有理分式，n≥m（因为系统或元件具有的惯性以及能量有限的缘故）3) 传递函数是物理系统的数学模型，但不能反映物理系统的性质，不同的物理系统可有相同的传递函数4）单位脉冲响应是传递函数的拉氏反变换5）传递函数只适用于线性定常系统第2章自动控制系统的数学描述2.1 概论2.2 拉氏变换和传递函数2.3 机理分析建模方法2.4 典型环节的动态特性及PID 控制器2.5 系统方框图等效变换和信号流图2.3 机理分析建模方法✠2.3.1 建立模型的步骤✠2.3.2 建立模型举例✠2.3.2.1 机械系统力守恒定律✠2.3.2.2 电气系统电能守恒定律✠2.3.2.3 液力系统质量守恒定律✠2.3.2.4 热力系统能量守恒定律✠2.3.3 物理系统的相似性假设系统是线性的1.划分系统元件，确定元件输入量、输出量；2.根据元件遵循定律列写动态方程式（为使问题简化可忽略次要因素）3.消除中间变量, 推导只保留元件的输入输出的数学关系式4.整理，动态方程标准化：把与输入变量有关的放在等式右边，与输出变量有关的放在等式左边，按降幂。
【优选】自动控制原理课件非线性系统讲义相平面PPT资料
例开上关半2线平面设———系向划右分统移不动同方线性程区域为的边界线 x (3 x 0 ，.5 )x x x 2 0
(相3)平奇面点法(平求（衡1）点系) ：统的平衡点xe，并判定平衡点附近相轨迹的性质。
相平面法（1）
xx0 解 令 相平面法（1）
当系统相轨迹方程比较简单或易于分段线性化时,
x 0 xxx x 当非线性方程在某个区2域可以表示为线性微分方程时，奇点类型e 1决定该区域系统运动的形式。
性系统特征根的分布，确定奇点的类型，进而确定平衡点附
近相轨迹的运动形式。
当非线性方程在某个区域可以表示为线性微分方程时，奇点 类型决定该区域系统运动的形式。
若对应的奇点位于本区域内，则称为实奇点；若对应的奇点
位于其它区域，则称为虚奇点。
相平面法（1）
奇点的位置？过奇点时系统运动的速度和加速度？过奇点的相轨迹个数？相轨迹从奇点处过x轴？
2
( x1)( x1) 0 可使用解析法求出相轨迹方程的解,再绘制相轨迹。
相通非轨过线迹横性上轴系斜时统率的不相 ，确平以xx定面90的 分°点析穿00越..55x轴 xx xx00
特征 方程
s2 s2
0.5s 1 0.5s 1
0 0
s 0.5 j0.97
s
0 x 0 — 向右移动 下半平面 x 0 — 向左移动
顺时针运动
通过横轴时(x 0)，以90°穿越 x
轴
d dx x d dx x d dttf(x x,x )0 0
一个初始条件对应一条相轨迹
(3)奇点 (平衡点) ：相轨迹上斜率不确定的点
• ••
•
相若轨在迹 某上点每处一f (点x,切x• )线和的斜x•率同为时dd为xx 零 xx•，即 f有(x•x,
自动控制原理完整版课后习题答案
1 请解释下列名字术语：自动控制系统、受控对象、扰动、给定值、参考输入、反馈。
解：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；受控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程扰动：扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。
如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。
外扰是系统的输入量。
给定值：受控对象的物理量在控制系统中应保持的期望值参考输入即为给定值。
反馈：将系统的输出量馈送到参考输入端，并与参考输入进行比较的过程。
2 请说明自动控制系统的基本组成部分。
解：作为一个完整的控制系统，应该由如下几个部分组成：①被控对象：所谓被控对象就是整个控制系统的控制对象；②执行部件：根据所接收到的相关信号，使得被控对象产生相应的动作；常用的执行元件有阀、电动机、液压马达等。
③给定元件：给定元件的职能就是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参考量）；④比较元件：把测量元件检测到的被控量的实际值与给定元件给出的参考值进行比较，求出它们之间的偏差。
常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置和电桥等。
⑤测量反馈元件：该元部件的职能就是测量被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般需要将其转换成为电量。
常用的测量元部件有测速发电机、热电偶、各种传感器等；⑥放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。
如电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大级加以放大。
⑦校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，用以改善系统的性能。
常用的校正元件有电阻、电容组成的无源或有源网络，它们与原系统串联或与原系统构成一个内反馈系统。
3 请说出什么是反馈控制系统，开环控制系统和闭环控制系统各有什么优缺点？解：反馈控制系统即闭环控制系统，在一个控制系统，将系统的输出量通过某测量机构对其进行实时测量，并将该测量值与输入量进行比较，形成一个反馈通道，从而形成一个封闭的控制系统；开环系统优点：结构简单，缺点：控制的精度较差；闭环控制系统优点：控制精度高，缺点：结构复杂、设计分析麻烦，制造成本高。
自动控制原理 杨平 ac3x
第一节 引言
时域分析：直接求解在典型输入作用下系统输出响应
的表达式，并由此分析系统的动态和稳态特性
第三章 控制系统的时域分析
学习要求
基本内容： 控制系统的典型输入信号。 线性定常系统的时域响应及暂态响应的性能指标。 一阶系统的暂态响应；二阶系统的暂态响应：暂态响应与 极点之间的关系，暂态响应性能指标公式及计算，应用举例 ；高阶系统的暂态响应：闭环主导极点、偶极子的概念。 线性系统的稳定性：稳定的概念，线性系统稳定的充要条 件， Routh — Hurwitz 稳定判据（代数判据）及应用。 控制系统的稳态性能分析：稳态误差定义、产生原因、分 类，给定稳态误差和扰动稳态误差的求取（误差终值和误差 系数的计算），减小稳态误差的基本方法。
n2
ss
n2
s1 s
s2
A B C s s s1 s s2
A 1
B s2 s2 s1
y(t) L1 Y (s)
1 1 s2 s1
s1es2t s2es1t
1
C s1 s2 s1
G(s)
s2
16 10s
0.5；n 4 rad s
s1,2 2 j2 3
250
Step Response
200
Y (s)
s
s2
16 4s
16
150
Amplitude
1 s4
自动控制原理梅杨1
性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。
对于非线性程度不大的情况，可在一定范围
内进行线性化。
• 注意：
• 在这本书中，输入用r(t)表示。输 出用c(t)表示。
1-4 对自动控制系统的基本要求
• 1、基本要求的提法 • 可以归结为稳定性（长期稳定性）、准
下图为锅炉液位控制系统的方框图
1-3 自动控制系统的分类
自动控制系统有多种分类方法，一般， 为了全面反映自动控制系统的特点，常常 将各种分类方法组合应用。
按控制方式分
开环控制 闭环控制(反馈控制) 复合控制
机械系统——恒张力系统
按
电气系统
元
机电系统——全自动照相机，
件
光机电结合
类 型
液压系统——伺服液压缸，汽 车发动机，大型的仿真模拟台
控制，随机系统的最佳控制，乃至复杂系统的
自适应和学习控制，都得到了充分的研究。
•
从1980年到现在，现代控制理论的进展集
中于鲁棒控制、H∞控制及其相关的课题。
3、反馈控制原理
反馈控制又称闭环控制
反馈控制是这样的一种控制过程，它能 在存在扰动的情况下，力图减小系统的 输出量与参考输入量（也称参据量）之 间的偏差，而其工作正是基于这一偏差 基础之上的，这就是反馈控制的原理。
d dt n
n
c(t)
a1
d dt n 1
n1
c(t)
an1
d dt
c(t)
anc(t)
b0
d dt m
m
r(t)
b1
d dt m1
m1
r(t)
bm1
d dt
r(t)
bmr(t)
系数a0， ‥， an，b0, ‥bn是常数时，称为定常系统；系数a0，‥，an， b0, ‥bn随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其输入 量的变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。
控制器的标准传递函数设计方法
控制器的标准传递函数设计方法
杨平
【期刊名称】《化工自动化及仪表》
【年(卷),期】2010(37)11
【摘要】提出串联校正型、反馈校正型和状态反馈型控制器的标准传递函数设计方法.导出了用Ⅰ型标准传递函数法设计时的约束条件.理论分析表明:常见的被控过程可模型化为无零点的高阶动态系统,特别适合用Ⅰ型标准传递函数来设计状态反馈型控制器.
【总页数】5页(P9-13)
【作者】杨平
【作者单位】上海电力学院,电力与自动化工程学院,上海,200090
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.基于多容惯性标准传递函数的锅炉水温控制器设计 [J], 余洁;杨平
2.锅炉汽温状态反馈控制器的标准传递函数设计方法 [J], 杨平;张玲芳;于会群
3.基于平行坐标主维度的多变量传递函数设计方法 [J], 聂俊岚;刘益萌;张继凯;郭栋梁
4.基于热扩散的体绘制传递函数设计方法 [J], 秦红星;何锐;董明杰
5.应用RBF神经网络的体绘制传递函数设计方法 [J], 周慧;张尤赛;李垣江
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自动控制原理第二版
自动控制原理第二版自动控制原理是现代控制工程的基础课程，它是研究自动控制系统的基本原理、方法和技术的学科。
自动控制系统是一种能够在没有人工干预的情况下，根据系统的输入和输出信号，自动调节系统的工作状态，使系统能够按照预先确定的要求进行工作的系统。
自动控制原理是研究自动控制系统的基本原理和方法的学科，是现代控制工程的基础课程。
自动控制原理第二版是对自动控制原理的一次全面修订和更新，本书主要内容包括自动控制系统的基本概念、数学模型、传递函数、状态空间分析等内容。
本书旨在帮助读者全面、深入地理解自动控制原理的基本概念和方法，从而为进一步学习和研究自动控制系统奠定坚实的基础。
首先，本书介绍了自动控制系统的基本概念和分类，包括开环控制系统和闭环控制系统、连续控制系统和离散控制系统等。
同时，本书还介绍了自动控制系统的基本组成部分，包括传感器、执行器、控制器等，并对它们的基本原理和工作原理进行了详细的介绍。
其次，本书介绍了自动控制系统的数学模型和传递函数，包括系统的输入输出关系、系统的传递函数、系统的稳定性等内容。
通过对系统的数学建模和分析，读者可以更加深入地理解自动控制系统的工作原理和特性。
然后，本书介绍了自动控制系统的状态空间分析方法，包括状态空间方程、状态空间表示、状态空间分析等内容。
通过对系统的状态空间分析，读者可以更加深入地理解自动控制系统的动态特性和稳定性。
最后，本书还介绍了自动控制系统的设计方法和实际应用，包括控制系统的设计原则、控制系统的性能指标、控制系统的参数调节等内容。
通过对控制系统的设计方法和实际应用的介绍，读者可以更加深入地理解自动控制系统的设计和应用。
总之，自动控制原理第二版是一本全面、系统地介绍自动控制系统的基本原理和方法的教材，它适用于自动控制理论和工程技术等专业的本科生和研究生，也可以作为自动控制系统工程师的参考书。
希望本书能够帮助读者更加深入地理解自动控制原理的基本概念和方法，从而为进一步学习和研究自动控制系统奠定坚实的基础。
自动控制原理 杨平 ac8x
8.1 线性系统的状态空间描述
一、问题的提出
1．控制系统的两种基本描述方法： 输入—输出描述法——经典控制理论 状态空间描述法——现代控制理论
2．经典控制理论的特点： (1) 优点：对单入—单出系统的分析和综合特别有效。 (2) 缺点：内部的信息无法描述，仅适于单入—单出系统。 3. 现代控制理论 (1) 适应控制工程的高性能发展需要，于60年代提出。 (2) 可处理时变、非线性、多输入—多输出问题。 (3) 应用方面的理论分支：最优控制、系统辩识、自适应控
yt
a0 x1
b0
t
x1 t
a1x2
t
b1x2 t b2 x2 x2 t ut
t
x2 t a0x1t a1x2 t ut
yt b0x1t b1x2 t b2x2 t b0 b2a0 x1t b1 b2a1 x2 t b2ut
标准形：符合标准化规定的状态空间描述形式，标准 形便于分析和处理，便于转换成方框图和传递函数， 因为标准形的ABC中元素与系统特征参数直接相关。
四种标准形：
– 能控标准形 – 能观标准形
由传递函数直接确定； 与能控标准形对偶；
– 对角标准形 是完全解耦的系统；
– 约当标准形 有重极点的系数。
则yt b0 x1 b1x2 bn xn a0 x1 a1x2 an1xn xn ut
后式解出xn代入前式
yt b0 bna0 x1 b1 bna1 x2 bn1 bnan1 xn bnu
x1 (t )
uc
(t)；dx2 (t) dt
x2 (t)
自动控制原理 杨平 ac1x
人工控制
煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制 自行车速度控制 汽车驾驶
自动控制
空调
抽水马桶
声控光控路灯
control No.1
自动控制的定义
在没有人直接参与下，利用控制装置，使 被控对象的被控制量自动的按照预定规律变 化。
control No.1
自动控制学科的特点
1.理论性、实践性强； 2.应用广泛；
第一章 绪论
control No.1
学习要求
基本内容： 概述：自动控制、自动控制系统的概念，自动控制系 统的两种基本形式（开环控制与闭环控制）。 自动控制系统的组成和分类。 自动控制理论发展简况：反馈控制理论的研究对象和方 法。 自动控制理论的研究内容：系统分析和系统设计，对自 动控制系统的基本要求。
control No.1
教学要求：
使学生对古典反馈控制的基本理论和方法有一全 面、整体的了解。
了解自动控制理论发展简况及反馈控制理论的研 究对象和方法。
掌握自动控制系统的基本概念、术语，了解自动 控制系统的组成和分类，及对自动控制系统稳、准、 快三方面的基本要求。
control No.1
第一节 自动控制的基本概念
自动控制系统的实现：控制装置＋受控对象 自动控制系统的图示：方框图(方框+箭头+求
和圆+线条)，用于分析系统内各部分之间关系 的图形．
control No.1
反馈控制系统的组成：
电位器
放大器 电动机及负载
SV 给定器
传感器（测速发电机）
DV
MV
控制器 执行器 调节阀
被 控 量
受控过程
传感器 反馈量
control No.1
《自动控制原理》张爱民课后习题答案【范本模板】
1．1解：（1）机器人踢足球：开环系统输入量：足球位置输出量：机器人的位置(2）人的体温控制系统：闭环系统输入量：正常的体温输出量：经调节后的体温（3）微波炉做饭：开环系统：输入量：设定的加热时间输出量：实际加热的时间（4）空调制冷：闭环系统输入量：设定的温度输出量：实际的温度1．2解：开环系统：优点:结构简单，成本低廉;增益较大;对输入信号的变化响应灵敏；只要被控对象稳定，系统就能稳定工作。
缺点:控制精度低，抗扰动能力弱闭环控制优点：控制精度高,有效抑制了被反馈包围的前向通道的扰动对系统输出量的影响;利用负反馈减小系统误差,减小被控对象参数对输出量的影响。
缺点：结构复杂，降低了开环系统的增益，且需考虑稳定性问题。
1.3解:自动控制系统分两种类型：开环控制系统和闭环控制系统.开环控制系统的特点是：控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系，系统的被控变量对控制作用没有任何影响.系统的控制精度完全取决于所用元器件的精度和特性调整的准确度。
只要被控对象稳定，系统就能稳定地工作。
闭环控制系统的特点:（1）闭环控制系统是利用负反馈的作用来减小系统误差的（2）闭环控制系统能够有效地抑制被反馈通道保卫的前向通道中各种扰动对系统输出量的影响。
（3）闭环控制系统可以减小被控对象的参数变化对输出量的影响。
1.4解输入量：给定毫伏信号被控量:炉温被控对象:加热器（电炉)控制器：电压放大器和功率放大器系统原理方块图如下所示：工作原理：在正常情况下,炉温等于期望值时，热电偶的输出电压等于给定电压，此时偏差信号为零，电动机不动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上。
此时，炉子散失的热量正好等于从加热器获取的热量,形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。
当炉温由于某种原因突然下降时,热电偶的输出电压下降,与给定电压比较后形成正偏差信号，该偏差信号经过电压放大器、功率放大器放大后,作为电动机的控制电压加到电动机上，电动机带动滑线变阻器的触头使输出电压升高，则炉温回升,直至达到期望值。
自动控制原理第2版
自动控制原理第2版自动控制原理是现代工程领域中的重要基础课程，它涉及到工程控制系统的设计、分析和应用。
本书是自动控制原理的第2版，旨在系统地介绍自动控制原理的基本概念、理论和方法，帮助读者深入理解控制系统的工作原理和设计方法。
首先，我们将介绍控制系统的基本概念和分类。
控制系统是指对被控对象进行监测、比较和调节，以使被控对象的输出符合预期要求的系统。
按照控制方式的不同，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统是指控制器的输出不受被控对象的影响，而闭环控制系统是指控制器的输出受被控对象的影响。
在介绍控制系统的基本概念和分类后，我们将详细介绍控制系统的数学模型和传递函数，以及控制系统的稳定性分析方法。
其次，我们将介绍控制系统的设计方法和技术。
控制系统的设计是指根据被控对象的特性和控制要求，确定控制器的类型、参数和结构，以实现对被控对象的精确控制。
控制系统的设计方法和技术包括根据被控对象的数学模型设计控制器、根据控制要求选择控制器的类型和参数、以及利用现代控制理论和技术设计先进的控制系统。
最后，我们将介绍控制系统的应用和发展。
控制系统的应用涉及到各种工程领域，如机械工程、电气工程、化工工程等。
控制系统的应用包括工业控制系统、交通运输系统、航空航天系统等。
控制系统的发展涉及到现代控制理论和技术的研究和应用，如模糊控制、神经网络控制、遗传算法控制等。
总之，自动控制原理第2版是一本系统、全面、深入的自动控制原理教材，旨在帮助读者全面理解自动控制原理的基本概念、理论和方法，掌握控制系统的设计、分析和应用技术，为读者的学习和工作提供有力的支持。
希望本书能够成为自动控制原理领域的经典教材，为自动控制原理的教学和研究工作做出积极的贡献。
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第一章绪论
学习要求
基本内容：
✓概述：自动控制、自动控制系统的概念，自动控制系统的两种基本形式（开环控制与闭环控制）。
✓自动控制系统的组成和分类。
✓自动控制理论发展简况：反馈控制理论的研究对象和方法。
✓自动控制理论的研究内容：系统分析和系统设计，对自动控制系统的基本要求。
教学要求：
使学生对古典反馈控制的基本理论和方法有一全面、整体的了解。
了解自动控制理论发展简况及反馈控制理论的研究对象和方法。
掌握自动控制系统的基本概念、术语，了解自动控制系统的组成和分类，及对自动控制系统稳、准、快三方面的基本要求。
第一节自动控制的基本概念
自动控制的定义
在没有人直接参与下，利用控制装置，使被控对象的被控制量自动的按照预定规律变化。
自动控制学科的特点
1.理论性、实践性强；
2.应用广泛；
自动控制理论的内容
自动控制
理论经典控制理论
(19世纪中叶--
20世纪50年代)
线性
非线性
根轨迹法
频域法
时域法
描述函数法
相平面法
离散Z变换法
现代控制理
论(60年代以
来)
状态反馈控制
最优控制
智能控制
预测控制
自适应控制
模糊控制
自动控制理论基本问题
☐控制系统的分析（性能指标）
⏹实验法－－典型信号的响应(阶跃响应,频率特性)
⏹解析法－－系统的数学模型(传递函数,状态方程)
⏹计算机仿真
☐控制系统的设计
⏹控制方案、控制器的结构参数设计和整定
⏹性能校核(计算,仿真,实验)：系统的实现和分析
第二节自动控制中的两种控制方式
闭环控制系统特点:
1.有反馈回路;（反馈控制系统）
2. 结构相对复杂;
3. 控制精度高,自动纠偏
第三节自动控制系统组成及方框图●自动控制系统的实现：控制装置＋受控对象
●自动控制系统的图示：方框图(方框+箭头+求和圆+线条)，用于分析系统内各部分之间关系的图形．
电位器电动机及负载
传感器（测速发电机）
放大器反馈控制系统的组成：
给定器控制器执行器受控过程
传感器
DV 反馈量MV 被控量SV 调节阀
电位器电动机及负载
传感器（测速发电机）
放大器反馈控制系统的组成：
给定器控制器执行器受控过程传感器
DV 反馈量MV 被控量SV 调节阀自动控
制装置
反馈控制系统中的常用术语
☐受控过程（受控对象）
☐被控量
☐控制系统= 受控过程＋自动控制装置
☐自动控制装置= 传感器+ 控制器+执行器+调节阀
☐给定值（参考输入值）
☐偏差值
☐控制量
☐扰动量(内扰,外扰)
锅炉汽包水位控制系统
•工业过程中的反馈控制系统例子---
调节器汽包
变送器
主蒸汽过热器
省煤器
执行器
给水调节阀给水泵
给水
第四节自动控制系统的分类
设定器控制器被控对象扰动
被控量设定器被控过程
传感器
控制器1.4.1 按系统环节连接形式分类闭环控制系统:
开环控制系统：
1.4.2 按控制器的馈入信号特点分类控制器
控制器被控过程
控制器被控过程
控制器被控过程反馈控制系统前馈控制系统前馈---反馈
控制系统
1.4.3 按给定值变化规律分类
t
t
t
r
r
r
恒值控制系统
给定值不随时间变化例空调温度控制
随动控制系统
给定值按需求随机变化例锅炉燃烧过程控制
程序控制系统
给定值按条件（时间或流程）变化
例金属热处理，汽机启动过程转速控制
1.4.4 按输入输出变量数分类
电站锅炉
单变量控制系统
单入--单出SISO（Single Input Single Output）例电加热炉温度控制系统电加热炉
电流
温度
多变量控制系统
多入--多出MIMO（Multiple ----）例锅炉燃烧控制系统
燃料量送风量引风量
工质温度
工质压力炉膛压力
1.4.5 按系统特性分类
线性控制系统
可用叠加原理
用线性数学模型描述
例弹簧秤（在工作区）
非线性控制系统
不可用叠加原理
用非线性数学模型描述
例弹簧秤（不在工作区）位
移
力位
移
力
1.4.6 按变量的时间特性分类
连续时间控制系统
系统中的变量是时间的连续函数例重锤式转速控制系统
离散时间控制系统
系统中存在离散变量
例计算机控制系统
变
量
变
量
时间
时间
第五节控制系统性能分析
☐典型试验信号
⏹阶跃信号
⏹斜坡信号
⏹抛物线信号
⏹脉冲信号
⏹正弦信号
☐系统性能分析方法
⏹动态特性分析
⏹稳态特性分析
阶跃信号（Step Function ）
阶跃信号含宽频带谐波分量，产生容易，是最常用系统性能测试信号。
时间
r （t ）R
)(1 0
00
)(1)(t t t R t R t r ⎩⎨⎧<≥=*=-----单位阶跃函数
斜坡信号（Ramp Function ）
斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。
时间t
r （t ）
R t
t g （φ）=R
φ
)(1 0
00
)(1)(t t t Rt t t R t r ⎩⎨⎧<≥=**=-----单位阶跃函数
抛物线信号（Parabolic Function ）
u （t ）-----单位阶跃函数
时间t
r （t ）0.5 R t 2
⎩⎨
⎧<≥*=**=0
00 5.0)(15.0)(2
2
t t t R t t R t r 抛物线信号为匀加速信号，适于测试匀加速系统。
脉冲信号（
正弦信号（Sine Function）
r（t）=Asin( ωt +φ)
A --------幅值
ω--------频率
φ--------初相位
正弦信号为单频率信号，适于测试系统频率特性。
时间t
r（t）
动态特性分析
y（t）= f ( x（t）)
y (t ) ------输出x (t ) ---------输入
动态响应: 系统输出在动态过程中随时间变化的特性
f(x(t))
y( t ) y
x (t )
x
t t
稳态特性分析
y（t = ∞）= f ( x)
y (∞) ------稳态输出x ---------输入稳态特性: 平衡状态下系统输出与输入的关系
y( t )
x (t )
t
第六节自动控制系统性能要求☐五个字：稳、准、快、壮、省⏹稳：扰动下不发散
⏹准：动态及稳态偏差小
⏹快：用最少的时间达到要求
衰减振荡过
程
渐扩振
荡过程单调过程
不衰减振
荡过程
小结
本章中，对自动控制系统的相关概念做了描述。
一、自动控制系统的概念及其自动控制系统的基本组成：
自动控制在没有人直接参与的情况下，利用控制设备或装置，使得被控对象的被控量自动的按预定的规律变化。
自动控制系统能自动对被控对象的被控量（或工作状态）进行控制的系统。
被控对象指工作状态需要加以控制的机械、装置或过程。
被控量表征被控对象工作状态且需要加以控制的物理量，也是自动控制系统的输出量。
给定值希望被控量趋近的数值。
扰动量引起被控量发生不期望的变化的各种内部或外部的变量。
控制器起控制作用的设备或装置。
二、自动控制系统的基本控制方式
自控控制系统的基本控制方式有开环控制、闭环控制；
开环控制是指控制器与控制对象之间只有顺向作用而没有
反向联系的控制过程。
闭环控制又称为反馈控制，指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。
闭环控制系统的抗干扰性好。
开环控制适用于控制任务要求不高的场合，工程上绝大部分的控制系统为闭环控制系统。
三、自动控制系统的分类
1 按给定输入的形式分类：恒值控制系统、随动控制系统、程序
控制系统。
2按元件的静态特性分类：线性控制系统、非线性控制系统。
3按信号是连续的还是离散的分类：连续（时间）控制系统、离散（时间）控制系统。
4其他分类：多变量控制系统、计算机控制系统、最优控制、模糊控制、神经网络控制等。
四、对控制系统的性能要求
稳定性、准确性、快速性
五、控制系统的典型输入信号
控制系统的典型输入信号有阶跃、斜坡、抛物线、脉冲、正弦信号等。