自動控制原理教材：高國燊《自動控制原理》(第三版)華南理工大學出版社《自動控制原理》與其它課程的關系微積分電機與拖動模擬電子技術電路分析信號與系統復變函數與積分變換大學物理（力學、熱力學）自動控制原理各類控制系統課程1.胡壽松，《自動控制原理》(第4版)，科學出版社2.涂植英，《自動控制原理》(第二版)，重慶大學出版社4.孫亮，《自動控制原理》，北京工業大學出版社參考書主要教學環節1.課堂教學

認真聽課，積極思考，主動學習，理解基本概念、基本理論，掌握分析、設計簡單自動控制系統的方法、技巧。2.課后自學、獨立完成作業培養自學能力和分析與處理問題的能力。考試方式：閉卷總成績=平時成績×30％+期末成績×70%考試方式及成績評定第一章緒論1.1引言1.2自動控制的基本概念1.3自動控制系統的組成1.4自動控制系統的分類1.6對自動控制系統的基本要求及本課程的研究內容1.1引言一、自動控制的定義及應用自動控制技術在化工、造紙、電力、汽車和鋼鐵等領域起著越來越重要的作用。近幾十年來，計算機技術的發展與應用，自動控制技術在許多高科技領域(航空航天、導彈制導、核動力)作用更大，且擴展到生物、醫學、環境、經濟管理和其他許多社會領域。自動控制：在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象自動地按照預定的規律運行。鍋爐設備的壓力和溫度自動保持恒定；數控機床按照預定的程序自動地切削工件；導彈發射與制導系統，自動地使導彈攻擊敵方目標；無人駕駛飛機能按預定軌道自動飛行；人造地球衛星能夠發射到預定軌道并能準確回收；……人造地球衛星無人駕駛飛機雷達技術制導導彈二、自動控制理論的發展1.經典控制理論(自動控制原理)控制理論的發展初期是以反饋理論為基礎的自動調節原理，主要用于工業控制。第二次世界大戰期間，為了設計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統、雷達跟蹤系統等基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進和完善了自動控制理論的發展。兩千年前我國發明的指南車，就是一種開環自動調節系統。公元1086-1092年(北宋)，我國發明的水運儀象臺，就是一種閉環自動調節系統。水運儀象臺是集觀測天象的渾儀、演示天象的渾象、計量時間的漏刻和報告時刻的機械裝置于一體的大型綜合性觀測儀器。隨著科學技術與工業生產的發展，到十八世紀，自動控制技術逐漸應用到現代工業中。1765年瓦特(J.Watt)發明蒸汽機，1788年瓦特利用反饋原理發明蒸汽機用的離心調速器。1868年馬克斯威爾(J.C.Maxwell)發表《論調節器》，提出了低階系統的穩定性代數判據，解決了蒸汽機調速系統中出現的劇烈振蕩的不穩定問題。1877年勞斯(Routh)、1895年赫爾維茨(Hurwitz)把馬克斯韋爾的思想擴展到高階微分方程描述的更復雜的系統中，分別獨立地提出了兩個著名的穩定性判據—勞斯判據和赫爾維茨判據，基本上滿足了二十世紀初期控制工程師的需要。赫爾維茨(Hurwitz)由于第二次世界大戰需要控制系統具有準確跟蹤與補償能力，1932年奈魁斯特(H.Nyquist)提出了頻域內研究系統的頻率響應法，為具有高質量的動態品質和靜態準確度的軍用控制系統提供了所需的分析工具。奈魁斯特(H.Nyquist)1945年伯德(H.W.Bode)提出了簡便而實用的伯德圖法(頻率法)；1948年伊文思(W.R.Evans)提出了直觀而又形象的根軌跡法；20世紀50年代非線性系統理論和離散控制理論。研究對象：單輸入單輸出(SISO)、線性定常系統核心概念：輸出反饋數學基礎：微積分、積分變換系統描述方法：傳遞函數研究方法：時域法、根軌跡法、頻率特性法2.現代控制理論由于經典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統，只注重系統的外部描述而忽視系統的內部狀態。因而在實際應用中有很大局限性。隨著航天事業和計算機的發展，20世紀60年代初，在經典控制理論的基礎上，以線性代數理論和狀態空間分析法為基礎的現代控制理論迅速發展起來。五十年代后期，貝爾曼(Bellman)等人提出了狀態分析法，在1957年提出了動態規劃。1960年卡爾曼(Kalman)成功地應用了狀態空間法，提出了可控性和可觀測性的新概念。卡爾曼1965年羅森布洛克(H.H.Rosenbrock)提出了尋求最優控制的動態規劃方法。1961年龐特里亞金(俄國人)證明了最優控制中的極大值原理。龐特里亞金(L.S.Pontryagin)與此同時，關于系統辨識、最優控制、離散時間系統和自適應控制的發展大大豐富了現代控制理論的內容，形成若干分支。研究對象：多輸入多輸出(MIMO)、非線性、時變系統核心概念：狀態反饋數學基礎：線性代數、矩陣理論系統描述方法：狀態空間表達式研究方法：時域法1.2自動控制的基本概念一、人工控制與自動控制人工控制的恒值水位系統水池進水出水實際水位要求水位閥門被控對象--水池被控量--水池中的水位簡單的水位自動控制系統水池出水浮子連桿進水閥二、控制系統的兩種基本形式1.開環控制系統輸入量被控對象輸出量控制器特點：(1)只有正向作用，沒有反饋作用；(2)結構簡單，成本低，調試方便；(3)抗干擾能力差，控制精度不高。應用：自動售貨機、自動洗衣機、自動流水線、包裝機等直流電動機轉速開環控制系統+電壓放大器功率放大器+-+-+-+-+ERWuruaMCn電動機負載給定量ur電壓放大器功率放大器輸出量n(對象)直流電動機MC干擾(控制裝置)ua2.閉環控制系統特點：(1)既有正向作用，又有反饋控制；(2)系統具有糾正偏差的能力；(3)具有較高的控制精度和較強的抗干擾能力；(4)包含元件多，結構復雜，成本相對較高。輸入量被控對象輸出量控制器測量元件+-偏差量反饋量直流電動機轉速閉環控制系統+電壓放大器功率放大器+-+-+-+-+ERWuruaMCn電動機負載uf+-+-u1ue測速發電機開環與閉環控制系統的比較開環控制系統：

1.結構簡單、成本低廉；

2.調試方便；

3.抗干擾能力差，控制精度不高。閉環控制系統：

1.系統具有糾正偏差的能力；

2.抗擾性好，控制精度高；

3.包含元件多，結構復雜，價格高；

4.參數應選擇適當。開環＋閉環＝復合控制系統(兼有兩者的優點，精度很高)三、自動控制系統的特征和定義特征：1.必須要有負反饋；2.由偏差產生控制作用；3.控制的作用是使被控量盡量接近期望值。自動控制系統：為實現某種自動控制，需要把一些相互關聯的部件按一定的模式組合起來，構成一個系統，來實現自動控制。1.3自動控制系統的組成一、基本組成串聯校正元件放大元件執行元件并聯校正元件反饋元件輸出——r(t)c(t)輸入信號++偏差信號e主反饋信號測量反饋元件主反饋局部反饋比較元件擾動控制對象基本元部件測量反饋元件：測量被控制量并將其轉換成與輸入相同的物理量后，再反饋到輸入端以作比較。測速發電機、電位器、熱電偶比較元件：用來比較輸入信號與反饋信號，并產生反映兩者差值的偏差信號。差動放大器、機械差動裝置、電橋電路放大元件：將微弱的信號作線性放大，用來推動執行元件去控制被控對象。電壓放大級、功率放大級執行元件：根據偏差信號的性質執行相應的控制作用，以便被使被控量按期望值變化。閥、電動機、液壓馬達校正環節：用于改善系統性能，校正環節可加于偏差信號與輸出信號之間的通道內，也可加于某一局部反饋通道內。由電阻、電容組成的無源或有源網絡控制對象：生產過程中需要進行控制的工作機械或生產過程。被控量：出現于被控對象中需要控制的物理量。二、常用名詞術語系統：由被控對象和自動控制裝置按一定方式聯接起來的，以完成某種自動控制任務的有機整體。輸入信號：參考輸入、給定值、期望值輸出信號：被控制量反饋信號：由系統的輸出端送回到系統的輸入端的信號。偏差信號：參考輸入與主反饋之差。誤差信號：輸出量的實際值與期望值之差。在單位反饋下：誤差信號＝偏差信號擾動信號：一種對系統的輸出產生不利影響的信號。1.4自動控制系統的分類一、按參考輸入信號分1.恒值控制系統--輸入信號為常數(恒值)如溫度、流量、液位、壓力控制tr(t)2.程序控制系統--輸入信號為預知的隨時間變化函數如數控機床、熱處理爐溫控制3.隨動控制系統(伺服系統)--輸入信號是未知的隨時間變化任意函數如火炮控制、雷達天線控制二、按系統數學性質分1.線性系統--可用線性微分方程(差分方程)描述。2.非線性系統--需用非線性微分方程(或差分方程)描述。三、按系統傳遞的信號分1.連續系統2.離散系統四、按時間信號分1.定常系統2.時變系統1.6對自動控制系統的基本要求及本課程的研究內容

1.“穩”定性(stability)--基本要求系統受到擾動后，重新恢復平衡狀態的能力。穩定性是對系統的最基本要求，不穩定的系統無法正常工作。穩定性，通常由系統的結構決定與外界因素無關。

一、基本要求C()C(t)t01321--衰減振蕩2--等幅振蕩3--發散2.“快”速性(rapidness)--動態要求對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般來說，都希望系統的快速性要好。C()C(t)t01323.“準”確性(accuracy)--穩態要求用穩態誤差來表示。如果在參考輸入信號作用下，當系統達到穩態后，其穩態輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩態誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統的輸出跟隨參考輸入的精度越高。

從總體上講，