自動控制原理

電子教案

《自動控制原理》電子教案

《自動控制原理》課程教學大綱

課程編號：

課程名稱：自動控制原理

英文名稱：AutomaticControlTheory

課程類型：：專業(yè)基礎(chǔ)必修課

總學時：64講課學時：56上機學時：8

學時：64

學分：4

適用對象：電氣工程及其自動化專業(yè)（電力系統(tǒng)及自動化、電力系統(tǒng)繼電保護、電網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)、供

用電技術(shù)專業(yè)方向）

先修課程：高等數(shù)學、大學物理、積分變換、電路、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)

-、課程性質(zhì)、目的和任務(wù)

本課程為電氣工程及其自動化專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，目的是使學生掌握負反饋控制原理、控

制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立和系統(tǒng)性能分析、設(shè)計的基本方法，培養(yǎng)學生分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)性能的基本

能力并能滿足其它后續(xù)專業(yè)課程對自動控制理論知識的需要。

二、教學基本要求

本課程采用時域法、根軌跡法和頻率特性法對自動控制系統(tǒng)的性能進行分析和設(shè)計，學完本課程應(yīng)達

到以下基本要求。

1.掌握負反饋控制原理

掌握負反饋控制原理，能夠分析負反饋控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程并畫出相應(yīng)的控制系統(tǒng)方框圖。了解控制

系統(tǒng)的基本構(gòu)成和分類。

2.熟悉建立控制系統(tǒng)數(shù)學模型的方法

熟悉用拉氏變換法求解線性系統(tǒng)微分方程的基本方法。掌握控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖建立和簡

化方法。

3.熟悉運用時域分析法分析系統(tǒng)性能的方法

掌握典型二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)以及性能指標的求取。掌握用勞斯代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性

的方法。掌握求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及誤差系數(shù)的方法。

4.熟悉用根軌跡分析法分析控制系統(tǒng)性能的方法

掌握根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的零、極點分布繪制閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡圖的基本方法。根據(jù)根軌跡圖分析控

制系統(tǒng)的性能。了解開環(huán)零、極點對系統(tǒng)性能的影響。

5.熟悉頻率分析法分析控制系統(tǒng)性能的方法

熟悉典型環(huán)節(jié)頻率特性的求取以及頻率特性曲線，掌握系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線、極坐標曲線繪制

的基本方法。了解根據(jù)開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線分析閉環(huán)系統(tǒng)性能的方法。熟悉用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)判斷系

《自動控制原理》電子教案

統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。掌握穩(wěn)定裕度的計算方法。

6.熟悉控制系統(tǒng)校正的方法

了解串聯(lián)超前校正、串聯(lián)滯后校正的校正裝置設(shè)計的基本原理和方法。

7.熟悉非線性控制系統(tǒng)的分析方法

了解非線性控制系統(tǒng)的特點和常見非線性特性。熟悉非線性控制系統(tǒng)的描述函數(shù)法。

三、教學內(nèi)容及要求

（一）自動控制系統(tǒng)的基本概念

了解自動控制理論的主要任務(wù)以及研究對象，掌握負反饋控制原理并分析控制系統(tǒng)的自動控制過程，

熟悉自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成并能繪制控制系統(tǒng)方框圖，了解自動控制系統(tǒng)的分類方法和基本要求。

主要內(nèi)容

1.自動控制與自動控制系統(tǒng)

2.負反饋調(diào)節(jié)原理

3.自動控制系統(tǒng)的分類

3.對控制系統(tǒng)的性能要求

4.自動控制理論發(fā)展簡史

（二）自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

熟悉系統(tǒng)微分方程的建立，拉氏變換及其應(yīng)用。掌握系統(tǒng)傳遞函數(shù)的定義及求取，系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

的建立及其簡化以及系統(tǒng)不同傳遞函數(shù)的定義及求取。

1.控制系統(tǒng)微分方程的建立

2.非線性數(shù)學模型的線性化

3.控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

4.典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

5.控制的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及變換

6.信號流圖及梅遜公式

7.反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

（三）自動控制系統(tǒng)的時域分析法

熟悉控制系統(tǒng)的時域指標，一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)、斜坡響應(yīng)以及性能指標的求取。掌握典型二階

系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)以及性能指標的求取。掌握勞斯穩(wěn)定判據(jù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性方法。熟悉控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)

誤差分析以及穩(wěn)態(tài)誤差、誤差系數(shù)的求取。

1.控制系統(tǒng)性能指標的定義

2.一階系統(tǒng)性能分析

3.二階系統(tǒng)性能分析

4.欠阻尼二階系統(tǒng)的時域分析和指標計算

5.高階系統(tǒng)的時域分析、閉環(huán)主導極點和高階系統(tǒng)的降階

2

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6.控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

7.控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析和改進措施

8.同步發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)（選講）

（四）根軌跡分析法

了解根軌跡的基本概念，熟悉根軌跡的繪制規(guī)則，掌握最小相位系統(tǒng)的根軌跡圖繪制，了解非最小相

位系統(tǒng)根軌跡圖的繪制。運用根軌跡法分析系統(tǒng)的暫態(tài)特性。

1.根軌跡的基本概念（根軌跡、根軌跡方程）

2.繪制180°根軌跡的基本法則

3.繪制00根軌跡的基本法則

4.廣義根軌跡

5.非最小相位系統(tǒng)的根軌跡

6.用根軌跡法分析系統(tǒng)性能

（五）頻率法

了解頻率特性的基本概念，頻率特性的幾何表示方法，熟悉典型環(huán)節(jié)的對數(shù)頻率特性曲線（Bode圖）

繪制和極坐標曲線（Nyquisi曲線），掌握系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線的繪制，了解系統(tǒng)開環(huán)極坐標曲線繪

制的一般方法，熟悉開環(huán)對數(shù)頻率特性低頻段、中頻段、高頻段的特征，學會運用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)判斷

閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，掌握系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的基本概念和計算方法，了解系統(tǒng)性能和開環(huán)頻率特性的關(guān)系。

1.頻率特性的基本概念和幾何表示

2.典型環(huán)節(jié)的頻率特性

3.控制系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性和極坐標曲線的繪制

4.最小相位系統(tǒng)傳遞函數(shù)的確定

5.奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)和Bode圖上的穩(wěn)定判據(jù)

6.穩(wěn)定裕度的基本概念和計算方法

7.頻率特性與系統(tǒng)性能的基本關(guān)系

（六）控制系統(tǒng)性能的校正

了解校正裝置和校正方法，熟悉串聯(lián)超前校正、串聯(lián)滯后校正的基本原理和方法。了解頻率法反饋校

正的基本原理和方法（選講）。

1,控制系統(tǒng)校正的基本概念和一般方法

2.頻率法串聯(lián)超前校正的基本原理和方法

3.頻率法串聯(lián)滯后校正的基本概念和方法

4.頻率法反饋校正的基本原理和方法（選講）

（七）非線性控制系統(tǒng)

了解非線性系統(tǒng)與線性系統(tǒng)的區(qū)別，了解非線性特性和非線性系統(tǒng)的主要特征，學會非線性系統(tǒng)的描

述函數(shù)分析方法，了解非線性系統(tǒng)的相平面分析法（選講）。

3

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1.非線性系統(tǒng)的基本概念

2.典型非線性特性、非線性系統(tǒng)的主要特征

3.描述函數(shù)定義、應(yīng)用條件和求取方法

4.應(yīng)用描述函數(shù)分析非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性

5.非線性系統(tǒng)自激振蕩分析和計算

6.介紹非線性系統(tǒng)相平面分析法（選講）

四、所含實踐環(huán)節(jié)

通過對MATLAB仿真軟件的學習，掌握MATLAB軟件的基本應(yīng)用方法，能夠?qū)W會運用MATLAB軟件分析

控制系統(tǒng)的性能和基本設(shè)計方法。

自動控制理論的實驗安排在課程內(nèi)計算機上完成，開設(shè)4個實驗：

1.熟悉MATLAB軟件的基本使用方法，并利用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的性能仿真。

（驗證性實驗）2學時

2.利用MATLAB程序繪制控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線、計算性能指標，討論開環(huán)放大倍數(shù)對閉環(huán)系統(tǒng)響

應(yīng)速度、穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差的影響。（驗證性實驗）2學時

3.利用MATLAB程序繪制控制系統(tǒng)的Nyquist曲線、Bode圖，計算控制系統(tǒng)的幅值裕度和相位裕度。

（驗證性實驗）2學時

4.利用MATLAB軟件設(shè)計控制系統(tǒng)（設(shè)計性實驗）2學時

五、課外習題及課程討論

為達到本課程的教學基本要求，課外習題一般不應(yīng)少于50題。

六、教學方法與手段

本課程采用以課堂板書為主適當結(jié)合多媒體課件并輔以上機實驗的方式進行教學，

七、各教學環(huán)節(jié)學時分配

章節(jié)（或內(nèi)容）講課習題課討論課上機其它合計

自動控制系統(tǒng)的基本概念4

控制系統(tǒng)的數(shù)學模型102

線性系統(tǒng)的時域分析法102

根軌跡分析法8

線性系統(tǒng)的頻域分析法

122

控制系統(tǒng)的校正

62

非線性系統(tǒng)6

合計56864

八、考核方式

本課程考核為期末閉卷筆試和平時考核相結(jié)合。學生的課程總評成績由平時成績（占3優(yōu)）和期末考

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試成績（占70%）兩部分構(gòu)成，平時成績中上機實驗成績占20%出勤、作業(yè)、課堂提問、學習主動性等

占10%。

九、推薦教材和教學參考書

教材：《自動控制原理》，國防工業(yè)出版社，王劃一主編，2001年

參考書：《自動控制原理》，國防工.業(yè)出版社，胡壽松主編，1994年

《自動控制原理》，清華大學出版社，吳麒主編，1990年

《現(xiàn)代控制工程》，電子工業(yè)出版社，KatsuhikoOgata著，盧伯英、于海勛等譯，2000

年

大綱制訂人：楊志超

大綱審定人：李先允

制訂日期:2005年6月

5

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《自動控制原理》課程實驗教學大綱

一、實驗教學目標與基本要求

《自動控制原理》課程實驗通過上機使用MATLAB軟件，使學生初步掌握MATLAB軟件在控制理論中的

基本應(yīng)用，學會利用MATLAB軟件分析控制系統(tǒng)，從而加深對自動控制系統(tǒng)的認識，幫助理解經(jīng)典自動控

制的相關(guān)理論和分析方法。通過本課程上機實驗，要求學生對MATLAB軟件有一個基本的了解，掌握MATLAB

軟件中基本數(shù)組和矩陣的表示方法，掌握MATLAB軟件的基本繪組功能，學會MATLAB軟件中自動控制理論

常用函數(shù)的使用，學會在MATLAB軟件工作窗口進行交互式仿真和使用M_Filc格式的基本編程方法，初步

掌握利用MATLAB軟件進行控制系統(tǒng)設(shè)計，讓學生得到撰寫報告的基本訓練。

二、本課程實驗的基本理論與實驗技術(shù)知識

采用MATLAB軟件上機進行實驗，就是利用現(xiàn)代計算機硬件和計算機軟件技術(shù)，以數(shù)字仿真技術(shù)為核

心，實現(xiàn)對自動控制系統(tǒng)基本理論和分析方法的驗證以及控制系統(tǒng)設(shè)計。

通過上機實驗，使學生在MATLAB軟件的基本使用、編程調(diào)試、仿真實驗數(shù)據(jù)的獲取、整理、分析以

及實驗報告的撰寫等基本技能得到訓練。

三、實驗方法、特點與基本要求

本課程實驗采用計算機MATLAB軟件仿真方法，其特點是利用MATLAB軟件豐富的功能函數(shù)、靈活的編

程用調(diào)試手段以及強大的人機交互和圖形輸出功能，可以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)直觀和方便的分析和設(shè)計。

本課程實驗的基本要求是，使學生對MATLAB軟件有一個基本的了解，掌握MATLAB軟件中基本數(shù)組和

矩陣的表示方法，掌握MATLAB軟件的基本繪圖功能，學會MATLAB軟件中自動控制理論常用函數(shù)的使用，

學會在MATLAB軟件工作窗口進行交互式仿真和使用M_File格式的基本編程方法，初步掌握利用MATLAB

軟件進行控制系統(tǒng)設(shè)計，讓學生得到撰寫報告的基本訓練。

四、實驗主要儀器設(shè)備

配備有50分計算機，并安裝MATLAB6.X軟件。

五、實驗項目的設(shè)置與內(nèi)容提要

實

實

驗

驗

序每組人

學

實驗項目內(nèi)容提要類實驗要求

號數(shù)

時

型

熟悉MATLAB軟件的基本使用方驗

1控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)性能分析法，并利用MATLAB實現(xiàn)控制系統(tǒng)21必做

證

典型環(huán)節(jié)性能的仿真分析

利用YATLAB程序繪制控制系統(tǒng)

驗

自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)階躍響應(yīng)曲線、計算性能指標，討

221必做

態(tài)誤差分析論開環(huán)放大倍數(shù)對閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)速證

度、穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差的影響

《自動控制原理》電子教案

利用MATLAB程序繪制控制系統(tǒng)

驗

的Nyquist圖、Bode圖,判別穩(wěn)定

3自動控制系統(tǒng)頻域分析21必做

性，計算控制系統(tǒng)的幅值裕度和相證

位裕度

設(shè)

4控制系統(tǒng)校正及設(shè)計利用MATLAB軟件設(shè)計控制系統(tǒng)2必做

計1

六、實驗報告要求

每次上機實驗必須提交實險報告.實驗報告由實險原理、實驗內(nèi)容、仿真程序、實驗數(shù)據(jù)記錄及分析

處理等內(nèi)容組成。

七、考核方式與成績評定標準

實驗成績：預(yù)習10%、上機操作50%、報告40%

八、教材及主要參考資料

教材：《自動控制理論實驗指導書》，王芳、楊志超編寫，2007年

參考書：《自動控制原理》，國防工業(yè)出版社，王劃一主編，2001年

《基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計》-控制系統(tǒng)，樓順天、于衛(wèi)編著,西安電子科技大學出

版社，1999年

《MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真》，趙文峰編著，西安電子科技大學出版社，2002年

大綱制訂人：楊志超

大綱審定人：李先允

制訂日期:2005年6月

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自動控制原理》電子教案

自動控制原理授課計劃（64學時）

需授

周

序課

時用

授課或?qū)嶒瀮?nèi)容摘耍課外作業(yè)

號時性

數(shù)質(zhì)

理論

緒論

114教學1"2>1-6

理論系統(tǒng)數(shù)學模型的特點、類型和建模原則2-4(a)

222

教學系統(tǒng)微分方程的建立2-5(b)

理論非線性數(shù)學模型線性化

322教學線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

理論線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2-2(1)(2)

432教學典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)2-8

2-9

理論2-6

532系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2-10(c)

教學2-11(a)

理論2-12(b)

信號流圖及梅遜公式

642教學2-13(a)

2-14(c)

上機完成實驗報

72控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)性能分析上機實驗

4實驗告

論

理線性系統(tǒng)時間相應(yīng)的性能指標

學

教

852一階系統(tǒng)的時域分析

論

理

學

1052教二階系統(tǒng)的時域分析3-2

理論二階系統(tǒng)的時域分析

1162教學高階系統(tǒng)的時域分析3-3

理論線性系統(tǒng)穩(wěn)定性概念、定義和條件

1262教學線性系統(tǒng)的代數(shù)稔定判據(jù)3-4

理論3-7

1372線性系統(tǒng)的誤差分析

教學3-11

上機完成實驗報

自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能分析

1472實驗告

論

理

學

1581教根軌跡法的基本概念

理論

繪制系統(tǒng)180根軌跡的基本法則

1683教學4-2

理論4-12

179200根軌跡繪制及參變量根軌跡繪制

教學4-13

8

《自動控制原理》電子教案

需

授

用

序周課

時授課或?qū)嶒瀮?nèi)容摘要課外作業(yè)

a時性

數(shù)

質(zhì)

理論

1892控制系統(tǒng)的根軌跡分析方法4-4、4-6

教學4-8、4-15

理論頻率特性基本概念、定義及幾何表示法

19102教學典型環(huán)節(jié)的頻率特性

理論

典型環(huán)節(jié)的頻率特性

20102教學5-4(2)、(4)

開環(huán)極坐標圖的繪制

理論開環(huán)伯德圖的繪制5-3(4)

21112

教學最小相位系統(tǒng)傳遞函數(shù)的確定5-5⑵⑶

論

理

學

22112教奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)5-10

論

理

學5-7

23122教穩(wěn)定裕度

5-9

理論閉環(huán)頻率特件

24122

教學頻率特性分析

機

上完成實驗報

驗

25132實自動控制系統(tǒng)頻域分析上機實驗

告

理論系統(tǒng)的設(shè)計及校正問題

26132

教學頻率法串聯(lián)校正

理論

頻率法串聯(lián)超前校正

27142教學6-1

論

理

學

28142教頻率法串聯(lián)遲后校正6-2

機

完成實驗報

29152驗控制系統(tǒng)的校正及設(shè)計上機實驗

告

理論典型非線性特性、非線性特征、非線性系統(tǒng)分析方法

30152

教學描述函數(shù)

論

理描述函數(shù)

學

教

31162描述函數(shù)分析法7-2

理論7-7

32162描述函數(shù)分析法

教學7-8

9

《自動控制原理》電子教案

第1次課授課時間2學時

授課題目（章、節(jié)）第一章結(jié)論（1-3節(jié)）

1.自動控制在各領(lǐng)域的應(yīng)用

2.自動控制的作用

3.自動控制定義：自動控制就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對象（或

主要內(nèi)容

過程）的某些物理量自動地按預(yù)先給定的規(guī)律去運行。

4.自動控制系統(tǒng)的基本職能元件及基本框圖等

5.開環(huán)控制與閉環(huán)控制

了解自動控制系統(tǒng)的基本職能元件、基本術(shù)語及方框圖

目的與要

掌握自動控制定義

求

掌握開環(huán)、閉環(huán)控制的定義、基本框圖

重點與難重點：自動控制的定義、開環(huán)控制與閉環(huán)控制的定義及框圖

點

教學手段授課、例題講解

思考題或

作業(yè)題1-2

1.1引言

無論是人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)，還是空間探索、導彈制導等尖端科技領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)

無所不在、無所不能。自動控制理論和技術(shù)已經(jīng)滲透到社會、經(jīng)濟和科學研究的各個方面。

自動控制技術(shù)是建立在控制論基礎(chǔ)上的，而控制論研究的是控制的一-般性理論，它不具體面對某

一類控制系統(tǒng)的，因此它是一門以理論為主的課程。

自動控制理論是一門理論性和工程性的綜合科學。

1.控制理論的基礎(chǔ)觀念

控制理論是建立在有可能發(fā)展一種方法來研究各式各樣系統(tǒng)中控制過程這一基礎(chǔ)上的理論（也即，

它是研究系統(tǒng)共性的控制過程的理論，可以把實際對象的物理涵義抽象出來，因此，它一定是以數(shù)學

工具作為主要研究手段的）。

2.控制理論的研究對象

控制論的研究是面向系統(tǒng)的。

廣義地講：控制論是研究信息的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳遞、控制和預(yù)報的科學；

狹義地講：根據(jù)期望的輸出來改變控制輸入，使系統(tǒng)的輸出能達到某中預(yù)期的效果。

3.控制論與數(shù)學及自動化技術(shù)的關(guān)系

控制論是應(yīng)用數(shù)學的?個分支，它的某些理論的研究還要借助于抽象數(shù)學。而控制論的研究成果

若要應(yīng)用于實際工程中，就必須在理論概念與用來解決這些實際問題的實用方法之間架起一座橋梁。

1.2自動控制和自動控制系統(tǒng)

1.2.1自動控制問題的提出

人們存在著一種普遍的要求或希望，即要求某些物理最維持在某種特定的（如恒定小變或按某種

規(guī)律變化或跟蹤某個變化的量等等）標準上。

例如：水箱的液位高度H的恒定控制就是一個十分典型的例子。

人工控制的系統(tǒng)，特別是在系統(tǒng)較為復(fù)雜時，其控制的快速性、準確性和穩(wěn)定性就不容易得到保

證，甚至是不可能達到預(yù)期的控制效果，同時:也不利于提高勞動生產(chǎn)力和解放人類自身。

1.2.2自動控制的定義及基本職能元件

1.自動控制的定義

自動控制就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對象（或過程）的某些物理量（被控量）

自動地按預(yù)先給定的規(guī)律去運行。

2.基本職能元件

10

《自動控制原理》電子教案

比較自動控制與人工控制系統(tǒng)，可見自動控制系統(tǒng)存在著三個最基本的職能元件。

(1)測量元件與變送器：代替人的眼睛，完成信號的采集測量和變送；

(2)控制器：代替人的大腦，完成比較、計算、判斷，并發(fā)出調(diào)節(jié)指令；

(3)執(zhí)行元件：代替人的肌肉和手，完成或?qū)崿F(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)作用。

任何實際的自動控制系統(tǒng)，都少不了上述三個的職能元件(部件、部分)。

3.自動控制中的常用術(shù)語

?控制系統(tǒng)(Controlsystem):為了達到預(yù)期的目的(響應(yīng))而設(shè)計出來的系統(tǒng)，它由相互關(guān)聯(lián)

的部件組合而成。

?控制對象(Controlplant):指被控設(shè)備或過程。

?控制器(Controller):使被控對象達到所要求的性能或狀態(tài)的控制設(shè)備。它接受輸入信號或偏

差信號，按預(yù)定的控制規(guī)律給出控制信號(操作量)，送到執(zhí)行元件(放大器)或被控對象。

?系統(tǒng)(System):為實現(xiàn)預(yù)期的目標而將有關(guān)部件(部分)互聯(lián)在?起的整體。

?系統(tǒng)輸出，也稱被控量(Systomoutput):指被控制的量。它表征被控對象或過程的狀態(tài)和性

能，它又常常被稱為系統(tǒng)對輸入的響應(yīng)(Response)o

?控制量(操作量Controlsignal):是由控制器給出的作用于執(zhí)行機構(gòu)或被控對象的信號，它

體現(xiàn)了對被控對象的調(diào)節(jié)作用。

?參考輸入或給定輸入或希望輸入(DesiredInput):是人為給定的系統(tǒng)預(yù)期輸出的希望值。

?擾動(Interaction):干擾和破壞系統(tǒng)預(yù)期性能和輸巴的干擾信號(作用)。由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的

稱為內(nèi)部擾動，由系統(tǒng)外部產(chǎn)生的稱為外部擾動，且外部擾動對系統(tǒng)而言是一種輸入量。

?偏差信號(Errorsignal):參考輸入與實際輸出的差稱為偏差信號，偏差信號一般作為控制器

的輸入信號。

4.方框圖(Block)

將系統(tǒng)各部分用方框并注以文字或符號按信息傳遞關(guān)系聯(lián)結(jié)起來的一種圖形表示。

方框圖明確地表示了系統(tǒng)內(nèi)各部分對信息加工的內(nèi)容和信息間的關(guān)系，以及信息的傳遞路徑，是一

種直觀的圖形表示，在工程各領(lǐng)域用于進行定性和定量分析，因此得到極其廣泛的應(yīng)用。

1.3開環(huán)控制與閉環(huán)控制

1.3.1開環(huán)控制

開環(huán)控制是控制量與被控對象之間只有一條通路而沒有反饋通路，也即控制作用的傳遞路徑不是閉

合的，或者說輸出信號不反饋作用于輸入信號。

開環(huán)控制又可以分為按給定控制和按擾動控制

1.按給定控制

這種開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，成本也較低，其控制的性能(如精度)主要取決于構(gòu)成

系統(tǒng)所用元件的性能優(yōu)劣和外界環(huán)境。

開環(huán)控制的缺點是：

(1)控制精度較差；

(2)系統(tǒng)的抗干擾性能較差(魯棒性較差)。

所以復(fù)雜的控制系統(tǒng)和精度要求較高的場合一般不適合應(yīng)用開環(huán)控制。

2.按擾動控制

從按給定的開環(huán)控制分析可知，影響控制系統(tǒng)精度的主要因素是擾動，對于那些預(yù)先明確其時系統(tǒng)

影響的擾動，可以根據(jù)測得的擾動量大小，對系統(tǒng)采取一種補償和修正處理，以抵消或減小擾動對系統(tǒng)

輸出的影響，它可以提高控制系統(tǒng)的精度，減小擾動對輸出的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

當然按擾動的開環(huán)控制必須有兩個前提條件，即

(1)擾動對輸出的影響特性必須是預(yù)知的：

(2)擾動必須是可測量的。

3.開環(huán)控制的定義

若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制。

特點：

5)輸出量產(chǎn)生控制作用直接影響輸出量；

(2)輸出量對輸入產(chǎn)生的控制作用沒有影響(無反饋作用)。

1.3.2閉環(huán)控制(Closed-LoopControl)

II

《自動控制原理》電子教案

在控制系統(tǒng)中，根據(jù)實際輸出來修正控制作用，實現(xiàn)對被控對象進行控制的任務(wù)，這種控制原理稱

為反饋控制原理。由于引入了輸出量的反饋信息，使整個系統(tǒng)成為閉合的，因此，按反饋原理建立起來

的控制系統(tǒng)，叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)，因為是按偏差的大小進行調(diào)節(jié)控制的，所以閉環(huán)反饋控制乂稱為按偏

差控制。

閉環(huán)控制的定義：

系統(tǒng)的輸出信號對控制作用能有直接影響的系統(tǒng)，叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。

特點和優(yōu)點：

(D系統(tǒng)的控制器根據(jù)偏差的大小來發(fā)出調(diào)節(jié)信號的，所以，又稱閉環(huán)控制為按偏差控制。

(2)信號的傳遞途徑形成一個閉合的環(huán)路，稱為閉環(huán)。閉環(huán)系統(tǒng)可以是正反饋的，也可以是負反饋

的，實際可用的自動控制系統(tǒng)一股是負反饋控制系統(tǒng)。

(3)可以用精度不高的元器件，構(gòu)成精度較高的控制系統(tǒng)。

(4)系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。

缺點：(1)增加了組成系統(tǒng)的元器件數(shù)量，從而增加了系統(tǒng)的成本。

(2)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

(3)系統(tǒng)的增益(放大倍數(shù))損失，這意味著控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力被削弱，響應(yīng)速度變慢，

(4)由于引入了反饋，所以閉環(huán)系統(tǒng)就存在著穩(wěn)定性問題，而穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)工作的首要條件。

1.3.3其它控制方式

在實際的工程控制實踐中，還可以將上述兩種控制方式進行適當?shù)慕M合，構(gòu)成復(fù)合控制方式。

1.附加給定輸入的補償控制方式

2.附加擾動輸入的補償控制方式

《自動控制原理》電子教案

第2次課授課時間2學時

授課題目(章、節(jié))第一章緒論(4-6節(jié))

自動控制系統(tǒng)的分類及組成

對控制系統(tǒng)的要求

主要內(nèi)容控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計

自動控制理論的發(fā)展簡史

反饋控制舉例

掌握自動控制系統(tǒng)的分類以及對系統(tǒng)的要求

目的與要了解控制系統(tǒng)的基本組成、控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計

求了解自動控制理論的發(fā)展簡史

掌握自動控制系統(tǒng)的工作原理和方框圖的繪制

重點：自動控制系統(tǒng)的分類

重:點與難

對控制系統(tǒng)的要求

點難點：自動控制系統(tǒng)的工作原理和方框圖的繪制

教學手段授課、例題講解

思考題或

作業(yè)題1-6

1.4自動控制系統(tǒng)的分類及基本組成

1.4.1按給定信號的特征分類

1.恒值控制系統(tǒng)

特點：希望系統(tǒng)的輸出維持在給定值上不變或變化很小，這類控制系統(tǒng)是最常見的，常常也稱為

自鎮(zhèn)定系統(tǒng)，像壓力、流量、溫度、速度、電壓、電流等恒定控制系統(tǒng)。

2.隨動控制系統(tǒng)

特點：這類控制系統(tǒng)的主要特點是給定信號的變化規(guī)律是事先不確定的隨機信號，控制系統(tǒng)的主

要任務(wù)是使系統(tǒng)的輸出能快速、準確地跟隨輸入的變化而變化，故這類系統(tǒng)常常又稱為跟蹤控制系統(tǒng)。

常見的例子如火炮、雷達、導彈制導等控制系統(tǒng)。

3.程序控制系統(tǒng)

特點：程序控制系統(tǒng)與隨機控制系統(tǒng)的不同在于系統(tǒng)的給定輸入不是隨機的，而是確定的、按預(yù)

先的規(guī)律變化。它要求系統(tǒng)的輸出能嚴格按輸入變化而變化，并具有足夠的精度，常見的例子如數(shù)控

加工、自動流水生產(chǎn)線系統(tǒng)等。

1.4.2按系統(tǒng)的數(shù)學模型分類

這種分類方法是按照元件或系統(tǒng)的數(shù)學模型(方程或數(shù)學描述)的特征，依據(jù)其輸入輸出之間的

關(guān)系來進行分類，?？梢苑譃榫€性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)兩大類。

1,線性系統(tǒng)

對于一個信統(tǒng)，當其輸入(激勵)和輸出(響應(yīng))同時滿足疊加性和齊次性時稱其為線性系統(tǒng)。

根據(jù)線性系統(tǒng)的定義，滿足線性特性的元件稱為線性元件，而構(gòu)成系統(tǒng)的所有元件均為線性元件

的，必為線性系統(tǒng)。

所謂線性特性，從幾何上來看，是指元件的靜態(tài)特性為一條通過坐標原點的直線。

線性系統(tǒng)常可以用微分方程來表示，若微分方程的系數(shù)均為常數(shù)，則稱為線性定常系統(tǒng)。

例1:判斷下列輸出響應(yīng)對應(yīng)的系統(tǒng)是否為線性系統(tǒng)。

yl(r)-3^(0)+5jx(r)</r,r>C

2

系統(tǒng)2:y2(t)=3q(0)+5x(t),t>0

系統(tǒng)3:y3(t)=3q2(0)+5x(t),t>0

系統(tǒng)4:(t.)=3q2(0)+1gx(t.),t>0

13

《自動控制原理》電子教案

［解］:

系統(tǒng)1：零輸入響應(yīng)［3q(0)］和零狀態(tài)響應(yīng)卜［“r均具有線性性，故為線性系統(tǒng)。

系統(tǒng)2:僅零輸入響應(yīng)［3q(0)］具有線性性；'

系統(tǒng)3:僅零狀態(tài)響應(yīng)［5x(3具有線性性；

系統(tǒng)4：零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)均不具有線性性；

2.非線性系統(tǒng)

凡是不滿足線性系統(tǒng)特性的系統(tǒng)，統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。具體地講，只要系統(tǒng)中存在一個或一個以上

的非線性元件，那么，這個系統(tǒng)就是非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)用非線性方程來表示。

可以將非線性特性分為兩大類，即非本質(zhì)非線性和本質(zhì)非線性.

(1)非本質(zhì)非線性：對于某一類非線性特性，在某一區(qū)域內(nèi)可以近似為線性關(guān)系，而在大范圍工

作區(qū)域時，這種近似的線性關(guān)系就不存在了。

(2)本質(zhì)非線性：對于任意大小的輸入信號，均呈現(xiàn)非線性特性的這類非線性特性。

典型的本質(zhì)非線性如下：

非本質(zhì)非線性系統(tǒng)可以通過對非本質(zhì)非線性在工作點附近進行線性化處理而得到線性化后的系統(tǒng)

數(shù)學模型，仍可按線性系統(tǒng)的理論進行分析和設(shè)計。而本質(zhì)非線性特性，只能按照非線性系統(tǒng)的方法進

行分析和設(shè)計。

1.4.3按信號傳遞的連續(xù)性劃分

1.連續(xù)系統(tǒng)

這類系統(tǒng))的所有元件的輸入輸出信號均為時間的連續(xù)函數(shù)，所以又常稱為模擬系統(tǒng)。

2.離散系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一處的信號是脈沖序列或數(shù)字信號時，該系統(tǒng)就是離散系統(tǒng)。這類系統(tǒng)常用差分方程

來表示。離散系統(tǒng)實現(xiàn)上是將連續(xù)信號經(jīng)過采樣后離散化為脈沖或數(shù)字信號后送入計算機進行分析?、處

理、決策后，形成脈沖或數(shù)字式控制信號，并還原為相應(yīng)的模擬量控制信號對被控對象實現(xiàn)控制。

1.4.4按系統(tǒng)的輸入/輸出信號的數(shù)量分類

1.單變量系統(tǒng)(SISO)

所謂單變量系統(tǒng)是指系統(tǒng)只有一個輸入和一個輸出，它只注重系統(tǒng)的外部輸入和輸出，而不關(guān)心系

統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)變化，所以單輸入單輸出系統(tǒng)可以把系統(tǒng)看成為一個黑匣子。

經(jīng)典控制理論研究的對象主要是單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)。

2.多變量系統(tǒng)(MIMO)

所謂多變量系統(tǒng)是指系統(tǒng)有多個輸入或單個輸出或多個輸出，它不僅僅注重系統(tǒng)的輸入和輸出變

量，還更多地關(guān)心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部各狀態(tài)變量的變化和個狀態(tài)變量之間的耦合關(guān)系。

多變量系統(tǒng)是現(xiàn)代控制理論研究的主要對象，在數(shù)學上以狀態(tài)空間變量法和矩陣理論為主要研究工

具。

1.4.5自動控制系統(tǒng)的基本組成

1.給定元件：其職能是給巴與期望的輸出相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。

2.測量元件：其職能是檢測被控量(系統(tǒng)輸出)，并進行信號的變換(如非電量轉(zhuǎn)換)和傳輸，用

于反饋被控量到比較元件與輸入進行比較(形成偏差信號)。

3.比較元件：其職能是把測量元件檢測到的實際輸出量與給定元件給出的輸入量進行二匕較，得到

偏差信號。

4.放大元件：其職能是將微弱的偏差信號進行放大，以足夠的功率來推動執(zhí)行機構(gòu)或被控對象。

5.執(zhí)行元件：其職能是直接控制被控對象，使其被控量發(fā)生變化，例如閥門、伺服機構(gòu)等。

6.校正元件：其職能是為了改善或提高控制系統(tǒng)的性能(如穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)精度、響應(yīng)速度等)，在

控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)上附加一定的裝置(元件)，這種附加的校正裝置(元件)可以有多種形式，如串

聯(lián)校正、并聯(lián)校正、反饋校正等。

1.5對控制系統(tǒng)的要求和分析設(shè)計

1.5.1對系統(tǒng)的要求

理想的控制系統(tǒng)，必須具備兩方面的性能，即

(1)使系統(tǒng)的輸出快速、準確地按輸入信號要求的期望輸出值變化；

(2)使系統(tǒng)的輸出盡量不受任何擾動的影響：

14

《自動控制原理》電子教案

對自動控制系統(tǒng)性能的主要要求為：

(1)穩(wěn)定性：要求系統(tǒng)穩(wěn)定并具有一定的穩(wěn)定裕度。

(2)瞬態(tài)質(zhì)量：要求系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)快速且變化平穩(wěn)。

(3)穩(wěn)態(tài)精度：要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差滿足設(shè)計的要求。

上述三個要求往往很難同時滿足，并且相互之間有一定的制約關(guān)系，例如，為保證系統(tǒng)有足夠的精

度，要求系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)越大越好，但開環(huán)放大倍數(shù)的大小，卻受制與閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此這

些一切之間需要進行折中選擇。

1.5.2控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計

1.系統(tǒng)分析

一般步驟：(D建立數(shù)學模型；(2)分析系統(tǒng)的性能，計算起具體的性能指標；(3)分析系統(tǒng)參數(shù)

變化對系統(tǒng)性能的影響，并決定選擇合理的分析方法。

系統(tǒng)的分析方法往往隨著數(shù)學模型的不同而不同，在經(jīng)典控制理論中，常用的分析主要有時域分析

法、復(fù)頻域分析法、根軌跡分析法等。

2.系統(tǒng)設(shè)計

用據(jù)要求的性能指標綜合出系統(tǒng)應(yīng)有的數(shù)學模型

根據(jù)已知的被控對象求出對象的數(shù)學模型

按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型關(guān)系，求出控制器的數(shù)學模型

更改控制器的數(shù)學模型獲得系統(tǒng)的數(shù)學模型后，分析計算出其性能指標

_________NF

滿足要求？

Y

仿真試驗，樣機生產(chǎn)

《自動控制原理》電子教案

第3次課授課時間2學時

授課題目(章、節(jié))第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型(1、2節(jié))

數(shù)學模型的基本概念、特點、類型

主要內(nèi)容

系統(tǒng)微分方程的建立

了解建立數(shù)學模型的意義和數(shù)學模型的特點、類型

目的與要

掌握建立微分方程數(shù)學模型的方法和步驟，

求

機械平移、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、電學系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)微分方程的建立

重點：微分方程的建立

重點與難

點難點：根據(jù)物理機理建立各類不同系統(tǒng)的微分方程

教學手段授課、例題講解

思考題或

2-4(a)、2-5(