《自动控制原理》电子教案.pdf
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河南大学物理与电子学院教案20102011学年第一学期课程名称自动控制原理系（室）测控系授课班级专业2008级测控技术与仪器主讲教师高伟职称助教使用教材自动控制原理简明教程河南大学物理与电子学院2010年9月自动控制原理电子教案自动控制原理电子教案自动控制原理电子教案自动控制原理电子教案自动控制原理课程教学大纲自动控制原理课程教学大纲课程编号：
课程名称：
自动控制原理英文名称：
AutomaticControlTheory课程类型:
：
专业基础必修课总学时：
64讲课学时：
56上机学时：
8学时：
64学分：
4适用对象：
电气工程及其自动化专业（电力系统及自动化、电力系统继电保护、电网监控技术、供用电技术专业方向）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。
二、教学基本要求本课程采用时域法、根轨迹法和频率特性法对自动控制系统的性能进行分析和设计，学完本课程应达到以下基本要求。
1掌握负反馈控制原理掌握负反馈控制原理，能够分析负反馈控制系统的调节过程并画出相应的控制系统方框图。
了解控制系统的基本构成和分类。
2熟悉建立控制系统数学模型的方法熟悉用拉氏变换法求解线性系统微分方程的基本方法。
掌握控制系统传递函数、动态结构图建立和简化方法。
3熟悉运用时域分析法分析系统性能的方法掌握典型二阶系统的单位阶跃响应以及性能指标的求取。
掌握用劳斯代数稳定判据判断系统的稳定性的方法。
掌握求系统的稳态误差及误差系数的方法。
4熟悉用根轨迹分析法分析控制系统性能的方法掌握根据系统开环传递函数的零、极点分布绘制闭环系统根轨迹图的基本方法。
根据根轨迹图分析控制系统的性能。
了解开环零、极点对系统性能的影响。
5熟悉频率分析法分析控制系统性能的方法熟悉典型环节频率特性的求取以及频率特性曲线，掌握系统开环对数频率特性曲线、极坐标曲线绘制的基本方法。
了解根据开环对数频率特性曲线分析闭环系统性能的方法。
熟悉用奈奎斯特稳定判据判断系1自动控制原理电子教案统稳定性的方法。
掌握稳定裕度的计算方法。
6熟悉控制系统校正的方法了解串联超前校正、串联滞后校正的校正装置设计的基本原理和方法。
7熟悉非线性控制系统的分析方法了解非线性控制系统的特点和常见非线性特性。
熟悉非线性控制系统的描述函数法。
三、教学内容及要求
（一）自动控制系统的基本概念了解自动控制理论的主要任务以及研究对象，掌握负反馈控制原理并分析控制系统的自动控制过程，熟悉自动控制系统的基本构成并能绘制控制系统方框图，了解自动控制系统的分类方法和基本要求。
主要内容1自动控制与自动控制系统2负反馈调节原理3自动控制系统的分类3对控制系统的性能要求4自动控制理论发展简史
（二）自动控制系统的数学模型熟悉系统微分方程的建立，拉氏变换及其应用。
掌握系统传递函数的定义及求取，系统动态结构图的建立及其简化以及系统不同传递函数的定义及求取。
1控制系统微分方程的建立2非线性数学模型的线性化3控制系统的传递函数4典型环节的传递函数5控制的动态结构图及变换6信号流图及梅逊公式7反馈控制系统的传递函数（三）自动控制系统的时域分析法熟悉控制系统的时域指标，一阶系统的单位阶跃响应、斜坡响应以及性能指标的求取。
掌握典型二阶系统的单位阶跃响应以及性能指标的求取。
掌握劳斯稳定判据分析系统的稳定性方法。
熟悉控制系统稳态误差分析以及稳态误差、误差系数的求取。
1控制系统性能指标的定义2一阶系统性能分析3二阶系统性能分析4欠阻尼二阶系统的时域分析和指标计算5高阶系统的时域分析、闭环主导极点和高阶系统的降阶2自动控制原理电子教案6控制系统的稳定性分析7控制系统的稳态误差分析和改进措施8同步发电机励磁调节（选讲）（四）根轨迹分析法了解根轨迹的基本概念，熟悉根轨迹的绘制规则，掌握最小相位系统的根轨迹图绘制，了解非最小相位系统根轨迹图的绘制。
运用根轨迹法分析系统的暂态特性。
1根轨迹的基本概念（根轨迹、根轨迹方程）2绘制根轨迹的基本法则01803绘制根轨迹的基本法则004广义根轨迹5非最小相位系统的根轨迹6用根轨迹法分析系统性能（五）频率法了解频率特性的基本概念，频率特性的几何表示方法，熟悉典型环节的对数频率特性曲线（Bode图）绘制和极坐标曲线（Nyquist曲线），掌握系统开环对数频率特性曲线的绘制，了解系统开环极坐标曲线绘制的一般方法，熟悉开环对数频率特性低频段、中频段、高频段的特征，学会运用奈奎斯特稳定判据判断闭环系统的稳定性，掌握系统稳定裕度的基本概念和计算方法，了解系统性能和开环频率特性的关系。
1频率特性的基本概念和几何表示2典型环节的频率特性3控制系统开环对数频率特性和极坐标曲线的绘制4最小相位系统传递函数的确定5奈奎斯特稳定判据和Bode图上的稳定判据6稳定裕度的基本概念和计算方法7频率特性与系统性能的基本关系（六）控制系统性能的校正了解校正装置和校正方法，熟悉串联超前校正、串联滞后校正的基本原理和方法。
了解频率法反馈校正的基本原理和方法（选讲）。
1控制系统校正的基本概念和一般方法2频率法串联超前校正的基本原理和方法3频率法串联滞后校正的基本概念和方法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）四、所含实践环节通过对MATLAB仿真软件的学习，掌握MATLAB软件的基本应用方法，能够学会运用MATLAB软件分析控制系统的性能和基本设计方法。
自动控制理论的实验安排在课程内计算机上完成，开设4个实验：
1熟悉MATLAB软件的基本使用方法，并利用MATLAB程序实现控制系统典型环节的性能仿真。
（验证性实验）2学时2利用MATLAB程序绘制控制系统阶跃响应曲线、计算性能指标，讨论开环放大倍数对闭环系统响应速度、稳定性和稳态误差的影响。
（验证性实验）2学时3利用MATLAB程序绘制控制系统的Nyquist曲线、Bode图，计算控制系统的幅值裕度和相位裕度。
（验证性实验）2学时4利用MATLAB软件设计控制系统（设计性实验）2学时五、课外习题及课程讨论为达到本课程的教学基本要求，课外习题一般不应少于50题。
六、教学方法与手段本课程采用以课堂板书为主适当结合多媒体课件并辅以上机实验的方式进行教学。
七、各教学环节学时分配章节（或内容）讲课习题课讨论课上机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102线性系统的时域分析法102根轨迹分析法8线性系统的频域分析法122控制系统的校正62非线性系统6合计56864八、考核方式本课程考核为期末闭卷笔试和平时考核相结合。
学生的课程总评成绩由平时成绩（占30%）和期末考4自动控制原理电子教案试成绩（占70%）两部分构成，平时成绩中上机实验成绩占20%，出勤、作业、课堂提问、学习主动性等占10%。
九、推荐教材和教学参考书教教材：
材：
自动控制原理，国防工业出版社，王划一主编，2001年参考书：
参考书：
自动控制原理，国防工业出版社，胡寿松主编，1994年自动控制原理，清华大学出版社，吴麒主编，1990年现代控制工程，电子工业出版社，KatsuhikoOgata著，卢伯英、于海勋等译，2000年大纲制订人：
杨志超大纲审定人：
李先允制订日期：
2005年6月5自动控制原理电子教案自动控制原理课程实验教学大纲一、实验教学目标与基本要求自动控制原理课程实验通过上机使用MATLAB软件，使学生初步掌握MATLAB软件在控制理论中的基本应用，学会利用MATLAB软件分析控制系统，从而加深对自动控制系统的认识，帮助理解经典自动控制的相关理论和分析方法。
通过本课程上机实验，要求学生对MATLAB软件有一个基本的了解，掌握MATLAB软件中基本数组和矩阵的表示方法，掌握MATLAB软件的基本绘图功能，学会MATLAB软件中自动控制理论常用函数的使用，学会在MATLAB软件工作窗口进行交互式仿真和使用M_File格式的基本编程方法，初步掌握利用MATLAB软件进行控制系统设计，让学生得到撰写报告的基本训练。
二、本课程实验的基本理论与实验技术知识采用MATLAB软件上机进行实验，就是利用现代计算机硬件和计算机软件技术，以数字仿真技术为核心，实现对自动控制系统基本理论和分析方法的验证以及控制系统设计。
通过上机实验，使学生在MATLAB软件的基本使用、编程调试、仿真实验数据的获取、整理、分析以及实验报告的撰写等基本技能得到训练。
三、实验方法、特点与基本要求本课程实验采用计算机MATLAB软件仿真方法，其特点是利用MATLAB软件丰富的功能函数、灵活的编程和调试手段以及强大的人机交互和图形输出功能，可以实现对控制系统直观和方便的分析和设计。
本课程实验的基本要求是，使学生对MATLAB软件有一个基本的了解，掌握MATLAB软件中基本数组和矩阵的表示方法，掌握MATLAB软件的基本绘图功能，学会MATLAB软件中自动控制理论常用函数的使用，学会在MATLAB软件工作窗口进行交互式仿真和使用M_File格式的基本编程方法，初步掌握利用MATLAB软件进行控制系统设计，让学生得到撰写报告的基本训练。
四、实验主要仪器设备配备有50台计算机，并安装MATLAB6.X软件。
五、实验项目的设置与内容提要序号实验项目内容提要实验学时实验类型每组人数实验要求1控制系统典型环节性能分析熟悉MATLAB软件的基本使用方法，并利用MATLAB实现控制系统典型环节性能的仿真分析2验证1必做2自动控制系统的稳定性和稳态误差分析利用MATLAB程序绘制控制系统阶跃响应曲线、计算性能指标，讨论开环放大倍数对闭环系统响应速度、稳定性和稳态误差的影响2验证1必做6自动控制原理电子教案3自动控制系统频域分析利用MATLAB程序绘制控制系统的Nyquist图、Bode图，判别稳定性，计算控制系统的幅值裕度和相位裕度2验证1必做4控制系统校正及设计利用MATLAB软件设计控制系统2设计1必做六、实验报告要求每次上机实验必须提交实验报告。
实验报告由实验原理、实验内容、仿真程序、实验数据记录及分析处理等内容组成。
七、考核方式与成绩评定标准实验成绩：
预习10%、上机操作50%、报告40%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年大纲制订人：
杨志超大纲审定人：
李先允制订日期：
2005年6月7自动控制原理电子教案自动控制原理授课计划（64学时）自动控制原理授课计划（64学时）序号周时需用时数授课性质授课或实验内容摘要课外作业114理论教学绪论1-2、1-6222理论教学系统数学模型的特点、类型和建模原则系统微分方程的建立2-4（a）2-5（b）322理论教学非线性数学模型线性化线性系统的传递函数432理论教学线性系统的传递函数典型环节及其传递函数2-2
（1）
（2）2-82-9532理论教学系统结构图2-62-10（c）2-11（a）642理论教学信号流图及梅逊公式2-12（b）2-13（a）2-14（c）742上机实验控制系统典型环节性能分析上机实验完成实验报告852理论教学线性系统时间相应的性能指标一阶系统的时域分析1052理论教学二阶系统的时域分析3-21162理论教学二阶系统的时域分析高阶系统的时域分析3-31262理论教学线性系统稳定性概念、定义和条件线性系统的代数稳定判据3-41372理论教学线性系统的误差分析3-73-111472上机实验自动控制系统稳定性和稳态性能分析完成实验报告1581理论教学根轨迹法的基本概念1683理论教学绘制系统180根轨迹的基本法则4-21792理论教学0根轨迹绘制及参变量根轨迹绘制4-124-138自动控制原理电子教案序号周时需用时数授课性质授课或实验内容摘要课外作业1892理论教学控制系统的根轨迹分析方法4-4、4-64-8、4-1519102理论教学频率特性基本概念、定义及几何表示法典型环节的频率特性20102理论教学典型环节的频率特性开环极坐标图的绘制5-4
（2）、（4）21112理论教学开环伯德图的绘制最小相位系统传递函数的确定5-3（4）5-5
（2）（3）22112理论教学奈奎斯特稳定判据5-1023122理论教学稳定裕度5-75-924122理论教学闭环频率特性频率特性分析25132上机实验自动控制系统频域分析上机实验完成实验报告26132理论教学系统的设计及校正问题频率法串联校正27142理论教学频率法串联超前校正6-128142理论教学频率法串联迟后校正6-229152上机实验控制系统的校正及设计上机实验完成实验报告30152理论教学典型非线性特性、非线性特征、非线性系统分析方法描述函数31162理论教学描述函数描述函数分析法7-232162理论教学描述函数分析法7-77-89自动控制原理电子教案第1次课授课时间2学时授课题目（章、节）第一章第一章绪论绪论（1-3节）主要内容1自动控制在各领域的应用2自动控制的作用3自动控制定义：
自动控制就是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）的某些物理量自动地按预先给定的规律去运行。
4自动控制系统的基本职能元件及基本框图等5开环控制与闭环控制目的与要求了解自动控制系统的基本职能元件、基本术语及方框图掌握自动控制定义掌握开环、闭环控制的定义、基本框图重点与难点重点：
自动控制的定义、开环控制与闭环控制的定义及框图教学手段授课、例题讲解思考题或作业题1-21.1引言1.1引言无论是人们的日常生活、工业生产，还是空间探索、导弹制导等尖端科技领域中，自动控制技术无所不在、无所不能。
自动控制理论和技术已经渗透到社会、经济和科学研究的各个方面。
自动控制技术是建立在控制论基础上的，而控制论研究的是控制的一般性理论，它不具体面对某一类控制系统的，因此它是一门以理论为主的课程。
自动控制理论是一门理论性和工程性的综合科学。
1控制理论的基础观念1控制理论的基础观念控制理论是建立在有可能发展一种方法来研究各式各样系统中控制过程这一基础上的理论（也即，它是研究系统共性的控制过程的理论，可以把实际对象的物理涵义抽象出来，因此，它一定是以数学工具作为主要研究手段的）。
2控制理论的研究对象2控制理论的研究对象控制论的研究是面向系统的。
广义地讲：
控制论是研究信息的产生、转换、传递、控制和预报的科学；狭义地讲：
根据期望的输出来改变控制输入，使系统的输出能达到某中预期的效果。
3控制论与数学及自动化技术的关系3控制论与数学及自动化技术的关系控制论是应用数学的一个分支，它的某些理论的研究还要借助于抽象数学。
而控制论的研究成果若要应用于实际工程中，就必须在理论概念与用来解决这些实际问题的实用方法之间架起一座桥梁。
1.2自动控制和自动控制系统1.2.1自动控制问题的提出1.2自动控制和自动控制系统1.2.1自动控制问题的提出人们存在着一种普遍的要求或希望，即要求某些物理量维持在某种特定的（如恒定不变或按某种规律变化或跟踪某个变化的量等等）标准上。
例如：
水箱的液位高度H的恒定控制就是一个十分典型的例子。
人工控制的系统，特别是在系统较为复杂时，其控制的快速性、准确性和稳定性就不容易得到保证，甚至是不可能达到预期的控制效果，同时，也不利于提高劳动生产力和解放人类自身。
1.2.2自动控制的定义及基本职能元件1自动控制的定义1.2.2自动控制的定义及基本职能元件1自动控制的定义自动控制就是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。
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基本职能元件2基本职能元件10自动控制原理电子教案比较自动控制与人工控制系统，可见自动控制系统存在着三个最基本的职能元件。
（1）测量元件与变送器：
代替人的眼睛，完成信号的采集测量和变送；
（2）控制器：
代替人的大脑，完成比较、计算、判断，并发出调节指令；（3）执行元件：
代替人的肌肉和手，完成或实现对被控对象的调节作用。
任何实际的自动控制系统，都少不了上述三个的职能元件（部件、部分）。
3自动控制中的常用术语3自动控制中的常用术语?
控制系统（Controlsystem）：
控制系统（Controlsystem）：
为了达到预期的目的（响应）而设计出来的系统，它由相互关联的部件组合而成。
?
控制对象（Controlplant）控制对象（Controlplant）：
指被控设备或过程。
?
控制器（控制器（Controller）：
）：
使被控对象达到所要求的性能或状态的控制设备。
它接受输入信号或偏差信号，按预定的控制规律给出控制信号（操作量），送到执行元件（放大器）或被控对象。
?
系统（System）：
系统（System）：
为实现预期的目标而将有关部件（部分）互联在一起的整体。
?
系统输出，也称被控量（Systemoutput）：
系统输出，也称被控量（Systemoutput）：
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（Response）。
?
控制量（操作量Controlsignal）：
控制量（操作量Controlsignal）：
是由控制器给出的作用于执行机构或被控对象的信号，它体现了对被控对象的调节作用。
?
参考输入或给定输入或希望输入（DesiredInput）：
参考输入或给定输入或希望输入（DesiredInput）：
是人为给定的系统预期输出的希望值。
?
扰动（Interaction）：
扰动（Interaction）：
干扰和破坏系统预期性能和输出的干扰信号（作用）。
由系统内部产生的称为内部扰动，由系统外部产生的称为外部扰动，且外部扰动对系统而言是一种输入量。
?
偏差信号（Errorsignal）：
偏差信号（Errorsignal）：
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。
4方框图（Block）4方框图（Block）将系统各部分用方框并注以文字或符号按信息传递关系联结起来的一种图形表示。
方框图明确地表示了系统内各部分对信息加工的内容和信息间的关系，以及信息的传递路径，是一种直观的图形表示，在工程各领域用于进行定性和定量分析，因此得到极其广泛的应用。
1.3开环控制与闭环控制1.3.1开环控制1.3开环控制与闭环控制1.3.1开环控制开环控制是控制量与被控对象之间只有一条通路而没有反馈通路，也即控制作用的传递路径不是闭合的，或者说输出信号不反馈作用于输入信号。
开环控制又可以分为按给定控制和按扰动控制1按给定控制1按给定控制这种开环控制系统的结构简单，调整方便，成本也较低，其控制的性能（如精度）主要取决于构成系统所用元件的性能优劣和外界环境。
开环控制的缺点是：
（1）控制精度较差；
（2）系统的抗干扰性能较差（鲁棒性较差）。
所以复杂的控制系统和精度要求较高的场合一般不适合应用开环控制。
2按扰动控制2按扰动控制从按给定的开环控制分析可知，影响控制系统精度的主要因素是扰动，对于那些预先明确其对系统影响的扰动，可以根据测得的扰动量大小，对系统采取一种补偿和修正处理，以抵消或减小扰动对系统输出的影响，它可以提高控制系统的精度，减小扰动对输出的影响，提高系统的抗干扰能力。
当然按扰动的开环控制必须有两个前提条件，即
（1）扰动对输出的影响特性必须是预知的；
（2）扰动必须是可测量的。
3开环控制的定义3开环控制的定义若系统的输出量对系统的控制作用没有影响的系统称为开环控制。
特点：
（1）输出量产生控制作用直接影响输出量；
（2）输出量对输入产生的控制作用没有影响（无反馈作用）。
1.3.2闭环控制（Closed-LoopControl）1.3.2闭环控制（Closed-LoopControl）11自动控制原理电子教案在控制系统中，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。
由于引入了输出量的反馈信息，使整个系统成为闭合的，因此，按反馈原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。
因为是按偏差的大小进行调节控制的，所以闭环反馈控制又称为按偏差控制。
闭环控制的定义：
系统的输出信号对控制作用能有直接影响的系统，叫做闭环控制系统。
特点和优点：
（1）系统的控制器根据偏差的大小来发出调节信号的，所以，又称闭环控制为按偏差控制。
（2）信号的传递途径形成一个闭合的环路，称为闭环。
闭环系统可以是正反馈的，也可以是负反馈的，实际可用的自动控制系统一般是负反馈控制系统。
（3）可以用精度不高的元器件，构成精度较高的控制系统。
（4）系统具有较强的抗干扰能力。
缺点：
（1）增加了组成系统的元器件数量，从而增加了系统的成本。
（2）增加了系统的复杂性。
（3）系统的增益（放大倍数）损失，这意味着控制系统的调节能力被削弱
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