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1、课程简介,教材及参考资料 控制工程基础第三版孔祥东、王益群主编，机械工业出版社 自动控制原理第四版 胡寿松主编，科学出版社 机械控制工程基础 朱骥北主编，机械工业出版社 现代控制工程 Katsuhiko Ogata 著，卢伯英 于海勋译，电子工业出版社 自动控制原理 周其节主编，华南理工大学出版社 自动控制原理 李友善主编，国防工业出版社 有关Matlab软件的工具书 前后课程 前续课程高等数学、工程数学 相关课程理论力学、机械设计、液压传动、电路理论、模拟、数字电子技术、电机拖动基础 、计算机技术 后续课程现代控制理论、计算机控制系统 内容与结构 学习方法 复习和综合运用已学知识 注意运用已
2、学知识解决实际问题 课程比较抽象和概括，注意物理概念的理解，既要结合实际又要善于思考 多看参考书 重视习题 作业和考试,第一章 绪论,1. 概述 自动控制的学科组成和学习自动控制的目的 自动控制理论的发展过程 2. 自动控制系统的基本概念 自动控制系统的工作原理 开环控制和闭环控制 控制系统的基本组成 控制系统的分类 控制系统的基本要求 自动控制系统实例分析,1. 概述,控制工程的学科组成和学习控制工程基础目的 自动控制理论的发展过程,控制工程的学科组成和学习控制工程基础目的,自动控制理论的发展过程,2. 自动控制系统的基本概念,自动控制系统的工作原理 开环控制和闭环控制 控制系统的基本组成
3、控制系统的分类 控制系统的基本要求 自动控制系统实例分析,一.自动控制系统的工作原理,控制系统:使受控对象的状态按照预期规律变化 反馈控制的基本原理 测量、反馈 求偏差 纠正偏差,实例分析.1,离心式飞球调速器,实例分析,恒温箱温度自动控制系统,实例分析,恒温箱温度自动控制系统,实例分析,恒温箱温度自动控制系统,2. 自动控制系统的基本概念,自动控制系统的工作原理 开环控制和闭环控制 控制系统的基本组成 控制系统的分类 控制系统的基本要求 自动控制系统实例分析,开环控制系统：系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制没有影响。 特点：系统简单，容易建造、一般不存在稳定性问题，精
4、度低、抗干扰能力差。 闭环控制系统：又称反馈控制系统，系统的输出端和输入端存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响。 特点：精度高、抗干扰能力强、系统复杂，容易引起振荡。,二.开环控制和闭环控制,2. 自动控制系统的基本概念,自动控制系统的工作原理 开环控制和闭环控制 控制系统的基本组成 控制系统的分类 控制系统的基本要求 自动控制系统实例分析,三.控制系统的基本组成,2. 自动控制系统的基本概念,自动控制系统的工作原理 开环控制和闭环控制 控制系统的基本组成 控制系统的分类 控制系统的基本要求 自动控制系统实例分析,给定量的运动规律分（输入）：恒值系统、程序控制系统、随动系统 系统线性特性分
5、（模型）：线性、非线性参数是否变化分（结构）：时变、定常 系统信号类型分（信号形式）：连续、离散、混合 输入输出数量（信号数量）：单变量、多变量,四. 控制系统的分类,2. 自动控制系统的基本概念,自动控制系统的工作原理 开环控制和闭环控制 控制系统的基本组成 控制系统的分类 控制系统的基本要求 自动控制系统实例分析,稳、准、快 稳定性：由于系统存在惯性，当系统的各个参数匹配不妥时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。稳定性是系统工作的首要条件。 准确性：输出量与给定量之间的偏差，随时间变化的程度，称动态精度偏差；调整过程结束后的偏差，称静态精度偏差。 快速性：在系统稳定的前提下，消除偏差过程的
6、快速程度。 性能指标形式： 时域性能指标 频域性能指标 综合性能指标（最优性能指标）,五. 控制系统的基本要求：,2. 自动控制系统的基本概念,自动控制系统的工作原理 开环控制和闭环控制 控制系统的基本组成 控制系统的分类 控制系统的基本要求 自动控制系统实例分析,六自动控制系统实例分析,要分析一个实际的自动控制系统，首先要了解它的工作原理， 再画出组成系统的方框图。在画方框图之前，必须明确以下问题： (1) 哪个是控制对象？被控量是什么？影响被控量的主扰动量是什么？ (2) 哪个是执行元件？ (3) 测量被控量的元件有哪些？ 有哪些反馈环节？ (4) 输入量由哪个元件给定？ 反馈量与给定量如
7、何进行比较？ (5) 此外还有哪些元件（环节）? 它们在系统中处于什么地位？ 起什么作用？,例：液位控制系统,液位控制系统的工作原理如图所示。 被控对象： 液体储罐。 被控量： 液体储罐的输出量液位xo。 扰动量： 主要是Q2的变化。 给定量： 液体储罐中液位的希望高度xi。 测量元件： 液位变送器。 控制装置： 调节器。 执行元件： 调节阀。,液位控制系统的原理图,图 1 - 13 液位控制系统的原理方框图,课程结构 .2,重点和难点：自动控制系统的组成及工作原理；自动控制系统中的有关概念名词及术语。系统的基本要求；控制系统的分析和设计（综合）过程；系统原理框图。,第二章 控制系统的 数学模
8、型,1. 拉氏变换和反变换 2. 控制系统的微分方程及线性化方程 3. 传递函数及基本环节的传递函数 4. 系统框图及其简化,概述,数学模型：描述系统的数学表达式。 控制工程的基本方法：就是建立控制系统的数学模型，在此基础上对控制系统进行分析、综合。 工程上常用的数学模型形式：微分方程、传递函数和状态方程等。 建立数学模型就是应用不同学科中的一些定律及基本原理。在建立数学模型的过程中须解决模型的简化和模型的精度之间的矛盾。 非线性系统线性化：对于某些非本质的非线性系统，在一定条件下可进行线性化处理，以简化分析。,第二章内容,重点：数学模型的概念及其作用；系统数学模型的建立方法；拉普拉斯变换和反
9、变换；传递函数、函数结构图及其等效变换；同一系统数学模型的多样性及相互变换。 难点：控制系统微分方程的建立；传递函数的概念；结构图等效变换的正确运用,恒温箱温度自动控制系统,1. 拉氏变换和反变换,复变函数概念 拉氏变换概念 拉氏变换性质 拉氏反变换 用拉氏变换解常系数线性微分方程,一. 复变函数概念,复常数、复变量和复变函数 c=a+jb ,共轭复数 复数表示法 点表示 向量表示:模： , 辐角： （逆时针） 三角表示 指数表示,一. 复变函数概念,复数运算法则 复数的加减复数的乘除复数的乘方,一. 复变函数概念,欧拉定理 可由马克劳林级数(x0=0时的泰勒级数)分别将ej、cos和sin展
10、开即可得到。其它还有极点、零点、留数、保角映射等概念在自动控制原理中应用, 1. 拉氏变换和反变换,复变函数概念 拉氏变换概念 拉氏变换性质 拉氏反变换 用拉氏变换解常系数线性微分方程,二.拉氏变换概念,拉氏变换定义 ： 拉氏变换存在的条件 当 时，f(t)=0。并在 的任意有限区间上连续或分段连续； 当 时，不等式 成立， 式中M、a为确定的正实数。则在 半平面内f(t)的拉氏变换一定存在，且复变函数F(s)为解析函数。,几个常用函数的拉氏变换 单位阶跃函数 ：单位脉冲函数： 单位斜坡函数： 指数函数：,二拉氏变换概念,几个常用函数的拉氏变换 正弦函数： 幂函数：,二拉氏变换概念, 1. 拉
11、氏变换和反变换,复变函数概念 拉氏变换概念 拉氏变换性质 拉氏反变换 用拉氏变换解常系数线性微分方程,线性定理： 延迟定理： 位移定理： 微分定理：,三拉氏变换性质,积分定理：初值定理： 终值定理：,三拉氏变换性质, 1. 拉氏变换和反变换,复变函数概念 拉氏变换概念 拉氏变换性质 拉氏反变换 用拉氏变换解常系数线性微分方程,定义： （r为大于F(s)的所有奇点实部的实常数） 计算方法：简单的可直接利用拉氏变换对照表查出。复杂的采用部分分式展开法。 部分分式展开法： 式中 ，一般的工程问题都符合这一条件,四拉氏反变换,部分分式展开法：设S1、S2、S3、sn为F（s）的极点（A（s）=0的根）
12、，它可以是实数也可能是复数，如果是复数则一定是成对共轭的。F（s）可表示为： A(s)=0无重根,四拉氏反变换,（复数域中展开时）,（实数域中展开时）,系数确定：或用通分后分子相应系数应相等来求各系数 反变换：应用线性定理及位移定理,四拉氏反变换,四拉氏反变换,A(s)=0有重根 系数确定： k2、k3kn同上 反变换：,四拉氏反变换,四拉氏反变换,Matlab运用 符号： ，；：%=（） num=bm bm-1 b0； den=an an-1 a0； r,p,k=residue(num,den),； %r：留数，p：极点，k：余式；重极点时: roots(den) ;%求den的根 例：num=4,3,9,11,12,3,5,8,2； den=6,4,7,9,3,1； r,p,k=residue(num,den)； roots(den),例：求 的拉氏反变换,四拉氏反变换,四拉氏反变换, 1. 拉氏变换和反变换,复变函数概念 拉氏变换概念 拉氏变换性质 拉氏反变换 用拉氏变换解常系数线性微分方程,对微分方程进行拉氏变换，微分方程转换为s变量的代数方程。 整理代数方程，求拉氏反变换即可得微分方程得解。 例：解方程 ， 其中： ， 。,五用拉氏变换解常系数线性微分方程,例：解方程 ， 其中： ， 。,
