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1、主要内容第一节第一节 自动控制理论课程概述自动控制理论课程概述第二节第二节第二节第二节 控制系统的基本概念控制系统的基本概念第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类第四节第四节 自动控制理论概要自动控制理论概要第一章第一章 引引 论论一、课程特点一、课程特点1、 它是一门专业基础课第一节第一节 自动控制理论课程概述自动控制理论课程概述自动控制理论自动控制理论电路理论电路理论电机与拖动电机与拖动大学物理大学物理信号与系统信号与系统复变函数复变函数拉氏变换拉氏变换模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数微积分微积分各各 类类专业课专业课线性系统线性系统现代控现代控制理论制理论2、理论实践
2、紧密结合u理论性非常强u与工程实践紧密结合3、内容广泛u高等数学、物理、化学u电路u电机u机械u经济u航空、航天等等二、学习自动控制理论的重要性二、学习自动控制理论的重要性1、本课程是自动化专业承上启下的课程、本课程是自动化专业承上启下的课程2、自动控制技术是应用非常广泛的技术、自动控制技术是应用非常广泛的技术l电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机械、冶金、石油、化工、电家用电器、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。3、自动控制理论能为解决实际控制问题提、自动控制理论能为解决实
3、际控制问题提供理论和方法供理论和方法4、学分较多、学分较多 三、本课程学习方法三、本课程学习方法1、打好基础、打好基础高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）2、做好预习、做好预习讲课的速度较快、了解课程内容讲课的速度较快、了解课程内容3、听好课、听好课理解基本理论和基本方法理解基本理论和基本方法4、做好习题、做好习题灵活应用基本理论和基本方法解决实际问题灵活应用基本理论和基本方法解决实际问题四、课程主要内容及课程按排四、课程主要内容及课程按排l第一章第一章 引论引论 2学时学时l知识准备知识准备 拉氏变换及拉氏变换定理拉氏变换及拉氏变换定理 2学时学时
4、l第二章第二章 线性系统的数学模型线性系统的数学模型 8学时学时l补充知识补充知识 复阻抗法求传递函数复阻抗法求传递函数 2学时学时l第三章第三章 线性系统的时域分析线性系统的时域分析 10学时学时l第四章第四章 线性系统的根轨迹分析线性系统的根轨迹分析 8学时学时l第五章第五章 线性系统的频域分析线性系统的频域分析 10学时学时l第六章第六章 线性系统的校正线性系统的校正 8学时学时l第七章第七章 非线性系统的分析非线性系统的分析 8学时学时l第八章第八章 采样控制系统采样控制系统 8学时学时l习题课习题课 各阶段习题讲解及课程总结（各阶段习题讲解及课程总结（3次）次） 6学时学时l实实 验
5、验 共共7个实验个实验 18学时学时l总学时数总学时数 90学时学时五、教材和主要参考资料五、教材和主要参考资料1、教材、教材自动控制理论自动控制理论 夏德钤夏德钤 机械工业出版社机械工业出版社 第第3版版2、主要参考书、主要参考书l自动控制理论自动控制理论 邹伯敏邹伯敏 机械工业出版社机械工业出版社l自动控制原理自动控制原理 胡寿松编胡寿松编 科学出版社科学出版社l自动控制原理自动控制原理 李友善李友善 国防工业出版社国防工业出版社l现代控制工程现代控制工程 绪方胜彦绪方胜彦 科学出版社科学出版社 第第3 3版版l 自动控制原理自动控制原理 王建辉王建辉 清华大学出版社清华大学出版社 lMo
6、dern Control EngineeringModern Control Engineering Katsuhiko Ogata Katsuhiko Ogata 电电子工业出版社子工业出版社l自动控制原理全程导学及习题全解自动控制原理全程导学及习题全解 王莹莹王莹莹 中国时中国时代经济出版社代经济出版社 l自动控制理论例题习题集自动控制理论例题习题集 王诗宓等编著王诗宓等编著 , , 清华大学清华大学出版社出版社 20022002一、控制系统方框图一、控制系统方框图 常用方框图来表示一个控制系统的结构及信号在系常用方框图来表示一个控制系统的结构及信号在系统中的传递路径。统中的传递路径。方框
7、：方框：控制装置和被控对象分别用方框表示控制装置和被控对象分别用方框表示; 信号线：信号线：方框的输入和输出以及它们之间的连接方框的输入和输出以及它们之间的连接用带箭头的信号线表示用带箭头的信号线表示;输入信号：输入信号：进入方框的信号进入方框的信号; 输出信号：输出信号：离开方框的信号离开方框的信号; 比较环节：比较环节：表示两个或两个以上的信号的叠加。表示两个或两个以上的信号的叠加。信号线信号线方框方框信号线信号线输出信号输出信号输入信号输入信号比较环节比较环节第二第二节 控制系控制系统的基本概念的基本概念【例例1-11-1】水箱水位控制系统水箱水位控制系统二、控制系统举例二、控制系统举例
8、简单的水箱水位简单的水箱水位简单的水箱水位简单的水箱水位控制系统控制系统控制系统控制系统系统原理方块图 被控对象：水箱被控对象：水箱 被控量：被控量： 水箱水位水箱水位 控制装置：杠杆控制装置：杠杆 执行机构：阀门执行机构：阀门 检测元件：浮球检测元件：浮球较完善的水箱水位控制系统较完善的水箱水位控制系统较完善的水箱水位控制系统较完善的水箱水位控制系统【例例1-2】家用空调控制器(制冷)房间房间交换设备交换设备压缩机压缩机控制板控制板传感器传感器控制对象控制对象执行机构执行机构测量元件测量元件控制单元控制单元 被控对象：房间被控对象：房间 被控量：被控量： 房间温度房间温度 控制装置：控制板控
9、制装置：控制板 执行机构：压缩机和冷凝器执行机构：压缩机和冷凝器 检测元件：温度传感器检测元件：温度传感器【例例1-3】带钢轧辊转速控制系统带钢轧辊转速控制系统 连轧机在轧钢过程中，通过各机架的带钢必须保持秒流量相等，否则将连轧机在轧钢过程中，通过各机架的带钢必须保持秒流量相等，否则将连轧机在轧钢过程中，通过各机架的带钢必须保持秒流量相等，否则将连轧机在轧钢过程中，通过各机架的带钢必须保持秒流量相等，否则将出现拉钢或叠钢，影响产品质量或造成故障。这就要求各机架轧辊的转速出现拉钢或叠钢，影响产品质量或造成故障。这就要求各机架轧辊的转速出现拉钢或叠钢，影响产品质量或造成故障。这就要求各机架轧辊的转
10、速出现拉钢或叠钢，影响产品质量或造成故障。这就要求各机架轧辊的转速保持一定比例，而对某机架轧辊来说，即要求其转速恒定。保持一定比例，而对某机架轧辊来说，即要求其转速恒定。保持一定比例，而对某机架轧辊来说，即要求其转速恒定。保持一定比例，而对某机架轧辊来说，即要求其转速恒定。 被控对象：轧辊被控对象：轧辊 被控量：轧辊的速度被控量：轧辊的速度 控制装置：比较、放大、整流等控制装置：比较、放大、整流等 执行机构：电动机执行机构：电动机 检测元件：转速反馈装置检测元件：转速反馈装置工作原理：工作原理：设负载扰动变化时设负载扰动变化时(如变大如变大)，则，则三、控制系统的基本概念三、控制系统的基本概念
11、【自动控制自动控制】【自动控制理论自动控制理论】研究自动控制共同规律的技术科学。研究自动控制共同规律的技术科学。 指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为自动控制装置或控制器），使生产过程（称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控制量）自动地按照预定的规律运行。【自动控制系统自动控制系统】 由被控对象和自动控制装置等按照一定的由被控对象和自动控制装置等按照一定的方式连接起来，组成一个有一定控制功能的有方式连接起来，组成一个有一定控制功能的有机整体，称为自动控制系统。机整体，称为自动控制系统。【控制系统方框图控制系统方框图】控制器被控对象输入量输入量输出量输出量测量电路比较比较四
12、、控制系统的两种基本形式及特点四、控制系统的两种基本形式及特点1、两种基本形式、两种基本形式 开环开环 闭环闭环2、开环控制定义、开环控制定义只有正向作用，没有反向控制作用的控制系统。只有正向作用，没有反向控制作用的控制系统。电机调速控制系统电机调速控制系统电位器放大电机功率放大负载控制器被控对象输入量输入量控制量控制量输出量输出量3、开环系统的特点、开环系统的特点（1）只有正向作用，没有反向作用；）只有正向作用，没有反向作用；（2）控制精度取决于元器件的精度和系统）控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度；调整精度；（3）没有抑制内、外干扰的能力；）没有抑制内、外干扰的能力；（4）系统结构简
13、单、成本低。）系统结构简单、成本低。5、闭环系统的特点、闭环系统的特点 （1）既有正向作用，又有反向作用；）既有正向作用，又有反向作用；（2）控制精度与元件精度、控制方法、调）控制精度与元件精度、控制方法、调整精度有关，控制精度较高；整精度有关，控制精度较高；（3）有抑制干扰的能力；）有抑制干扰的能力；（4）结构复杂，成本相对较高。）结构复杂，成本相对较高。4、闭环控制定义、闭环控制定义既有正向作用，又有反向控制作用的控制系统。既有正向作用，又有反向控制作用的控制系统。EEEAB炉温开环控制系统炉温开环控制系统炉温闭环控制系统炉温闭环控制系统SS6、开环控制与闭环控制的实例、开环控制与闭环控制
14、的实例电阻丝电阻丝希望温度希望温度实际炉温实际炉温扰动量扰动量炉子炉子继电器继电器温度计温度计电阻丝电阻丝实际炉温实际炉温扰动量扰动量炉子炉子开关开关希望温度希望温度炉温开环控制系统炉温开环控制系统炉温闭环控制系统炉温闭环控制系统第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类一、按输入信号的特征分类一、按输入信号的特征分类l1、恒值控制系统（自动调整系统）、恒值控制系统（自动调整系统）特征：输入信号为常数特征：输入信号为常数典型系统：液位、温度、压力、流量控制典型系统：液位、温度、压力、流量控制l2、程序控制系统、程序控制系统特征：输入信号为预知的随时间变化函数特征：输入信号为预知的随时间
15、变化函数典型系统：热处理炉控制系统、镜片固化炉温度控制、典型系统：热处理炉控制系统、镜片固化炉温度控制、程序控制机床、灌装生产线、自动生产流水线。程序控制机床、灌装生产线、自动生产流水线。l3、随动系统（伺服控制系统）、随动系统（伺服控制系统）特征：输入信号为随时间任意变化的函数特征：输入信号为随时间任意变化的函数典型系统：鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、导弹典型系统：鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、导弹制导。制导。二、按描述元件的动态方程分类二、按描述元件的动态方程分类1、线性系统、线性系统特征：元件是线性的、系统运动方程可用线特征：元件是线性的、系统运动方程可用线性微分方程或差分方程描
16、述。性微分方程或差分方程描述。2、非线性系统、非线性系统特征：系统中含有至少一个非线性元件、系特征：系统中含有至少一个非线性元件、系统运动方程需用非线性方程或差分方程描述。统运动方程需用非线性方程或差分方程描述。典型非线性：饱和、死区、继电器、传动间典型非线性：饱和、死区、继电器、传动间隙。隙。三、按系统传递的信号分类三、按系统传递的信号分类1、连续系统、连续系统特征：系统各环节之间传递的信号均为时特征：系统各环节之间传递的信号均为时间的连续函数，一般用微分方程描述。间的连续函数，一般用微分方程描述。2、离散系统、离散系统特征：在信号传递过程中，至少有一处的特征：在信号传递过程中，至少有一处的
17、信号是脉冲序列或数字编码。信号是脉冲序列或数字编码。四、按输入输出信号数量分类四、按输入输出信号数量分类1、单输入单输出系统（、单输入单输出系统（SISO系统）系统）特征：输入输出变量仅有一个。特征：输入输出变量仅有一个。2、多输入多输出系统、多输入多输出系统(MIMO系统）系统）特征：输入输出变量多于一个。特征：输入输出变量多于一个。五、按系统微分方程分类五、按系统微分方程分类1、集中参数系统、集中参数系统特征：能用常微分方程描述特征：能用常微分方程描述2、分布参数系统、分布参数系统特征：至少有一个环节需要用偏微分方程描特征：至少有一个环节需要用偏微分方程描述。述。六、按系统结构和参数的确定
18、性分类六、按系统结构和参数的确定性分类1、确定系统确定系统特征：系统的结构和参数是确定的、已知特征：系统的结构和参数是确定的、已知的，系统的输入信号也是确定的，可以用的，系统的输入信号也是确定的，可以用解析式或图表确切表示。解析式或图表确切表示。2、不确定系统、不确定系统特征：系统的结构和参数是不确定的或，特征：系统的结构和参数是不确定的或，系统的输入信号是不确定的。系统的输入信号是不确定的。第四节第四节 自动控制理论概要自动控制理论概要一、闭环控制系统的组成和基本环节一、闭环控制系统的组成和基本环节 测量元件测量元件：测量被控量的实际值或对被控量进行物理转换。测量被控量的实际值或对被控量进行
19、物理转换。 比较元件：比较元件：将测量值和给定值进行比较，得到偏差。将测量值和给定值进行比较，得到偏差。 控制元件：控制元件： 根据偏差大小产生控制信号。通常包括放大器和根据偏差大小产生控制信号。通常包括放大器和校正装置，控制信号和偏差信号具有一定关系校正装置，控制信号和偏差信号具有一定关系(称为调节规律称为调节规律)。 执行元件：执行元件：由控制信号产生控制作用，从而使被控制量达到由控制信号产生控制作用，从而使被控制量达到要求值。阀、电动机、液压马达等。要求值。阀、电动机、液压马达等。 被控对象：被控对象：被控制的机器、设备或过程等。被控制的机器、设备或过程等。二、控制系统的基本原理二、控制
20、系统的基本原理(1)反馈的本质：利用偏差进行控制。(2)反馈的两大作用：形成闭环控制，可使系统从不稳定到稳定，提高稳定性提高稳定性；抑制扰抑制扰动动，精度高。(3)绝大多数控制系统都是反馈系统。控制量u偏差信号e反馈信号b反馈环节 H控制环节 GC被控对象 GO扰动n输出信号C参考输入信号r比较环节三、自动控制系统中的术语和定义三、自动控制系统中的术语和定义四、自动控制系统的基本要求四、自动控制系统的基本要求稳定性、快速性、准确性，即稳定性、快速性、准确性，即稳、快、准稳、快、准。 n稳定性稳定性是指系统重新恢复平衡状态的能力，任何一个正常工作的系统首先必须是稳定的。n快速性 在控制作用下，系
21、统必然由原先的平衡状态经过一段时间才过渡到另一个新的平衡状态，这个过程称为过渡过程。过渡过程越短，表明系统的快速性越好。快速性是衡量系统质量高低的重要指标之一。n准确性 对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好。五、自动控制理论研究的问题五、自动控制理论研究的问题1、自动控制建模问题、自动控制建模问题 建立控制系统各个方框的数学模型是控制系统分析和建立控制系统各个方框的数学模型是控制系统分析和设计的基础。设计的基础。2、控制系统分析、控制系统分析 在已知系统的结构参数的条件下，研究系统
22、在某种典在已知系统的结构参数的条件下，研究系统在某种典型输入信号下输出信号变化的全过程，并从这个变化过程型输入信号下输出信号变化的全过程，并从这个变化过程中得到评价系统性能的指标；以及讨论系统的性能和系统中得到评价系统性能的指标；以及讨论系统的性能和系统结构、参数的关系。结构、参数的关系。3、控制系统设计、控制系统设计 在给定被控对象及所要求的性能指标的情况下，设计在给定被控对象及所要求的性能指标的情况下，设计一个即能完成控制任务又可以满足所提出的性能指标的控一个即能完成控制任务又可以满足所提出的性能指标的控制系统。要改变系统的某些参数或者是加入校正装置，使制系统。要改变系统的某些参数或者是加
23、入校正装置，使其满足预定的性能指标要求。其满足预定的性能指标要求。六、自动控制理论的主要内容六、自动控制理论的主要内容1、古典控制理论、古典控制理论l 研究对象：单输入单输出线性系统研究对象：单输入单输出线性系统l数学基础：微积分、积分变换数学基础：微积分、积分变换l系统描述方法：传递函数系统描述方法：传递函数l研究方法：时域法、频率特性法、根轨迹法研究方法：时域法、频率特性法、根轨迹法l核心概念：输出反馈核心概念：输出反馈l适用系统：线性系统适用系统：线性系统2、现代控制理论、现代控制理论l研究对象：多输入多输出线性系统研究对象：多输入多输出线性系统l数学基础：线性代数、矩阵理论数学基础：线
24、性代数、矩阵理论l系统描述方法：状态空间表达式系统描述方法：状态空间表达式l研究方法：时域法研究方法：时域法l核心概念：状态反馈核心概念：状态反馈l适用系统：线性、非线性适用系统：线性、非线性七、自动控制理论的发展七、自动控制理论的发展1 经典控制理论经典控制理论4050年代形成年代形成 SISO系统系统 基于：二战军工技术基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的镇定目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，基本方法：传递函数，频率法，PID调节器调节器2 现代控制理论现代控制理论6070年代形成年代形成 MIMO系统系统 基于：基于： 冷战时期空间技术，计算机技术冷战时期空间技术，
25、计算机技术目标：最优控制目标：最优控制基本方法：状态方程（时域）基本方法：状态方程（时域）3智能控制技术智能控制技术 90年代开始发展年代开始发展专家系统专家系统模糊控制模糊控制神经网络神经网络预测控制预测控制4 正在发展的各个领域正在发展的各个领域 自适应控制自适应控制大系统理论大系统理论鲁棒控制鲁棒控制多率周期控制多率周期控制非线性控制（微分几何，混沌，变结构非线性控制（微分几何，混沌，变结构）八、自动控制技术的应用八、自动控制技术的应用1、消费娱乐、消费娱乐2、家用电器、家用电器3、工业控制、工业控制4、智能仪器仪表、智能仪器仪表数字式测角仪数字式测角仪交直流电压电流表交直流电压电流表智能热量表智能热量表5、智能电网、智能电网5、汽车电子、汽车电子6、新能源、新能源7、航空、航天、航海、航空、航天、航海8、军事、军事
