自动控制原理基础知识教案

本课程介绍

一、制冷空调自动化课程的基本概况

二、本课程的教学目的

1．掌握制冷空调自动化的基本概念、基本原理和基本方法。

2．掌握制冷空调自动化系统的构造、组成和工作原理。

3．初步具备对简单制冷空调自动化系统的实际解读和操作技能。

三、本课程的特点：

1．是针对由制冷、电气、电子等技术综合而成的实际自动控制系统。

2．是制冷原理、空气调节、制冷设备、电工学、电子技术等专业基础课的综合应用。3．是理论知识和实际动手能力的结合。

四、本课程的教学方式

先详细介绍制冷空调自动化系统的基本概念和基本原理，在对系统组成和控制对象有了初步了解的基础上，重点讲述制冷空调自动化系统的构成和应用技术。在介绍控制系统原理及应用技术时，采用的是先分支后整体的思路，即在介绍系统部件的结构、原理的基础上，再介绍整个系统的结构、原理与应用。

一、制冷与空调技术的概况

制冷(Refrigeration)技术是一门研究人工制冷原理、方法、设备及应用的科学技术。在工业生产和科学研究上，常把制冷分为“普冷”和“深冷”（又称低温技术）两个体系，普冷的制冷温度高于一120℃，而深冷低于一120℃，但它们的划分界限不是绝对的。

1834年英国人波尔金斯(JacobPerkins）制成第一台用乙醚作制冷剂的制冷机以来，制冷技术不断发展和完善，制造了建立在不同原理上工作的各种制冷机，其中有1844年美国人高斯（Goss）发明的空气压缩式制冷机；1862年法国人卡尔里(Carre )制成的吸收式制冷机；1874年瑞士人皮克(RaoulPierre Pictet)首先制造了以二氧化硫作制冷剂的制冷机；同年德国人林德(Linde )发明了氨制冷机，因此成了公认的制冷机始祖，对制冷技术的实用化起了重大作用。1881年后又出现了以二氧化碳为制冷剂的制冷机，1890年有了以水为制冷剂的蒸汽喷射式制冷机，1930年出现了以氟利昂为制冷剂的制冷机，后者给制冷机的发展开辟了新的道路。到了20世纪60年代，半导体制冷（又称热电或温差电制冷）又独树一帜，成为制冷技术的新秀，对微型制冷器的发展起了推动作用。

制冷的具体实现有许多方法，工程上常用的有压缩式制冷、吸收式制冷、半导体制冷等制冷方法。每一种方法都有其特点，可以根据使用的条件进行选择。在各种制冷方法中，蒸气压缩式制冷始终处于主导地位，大约占90％以上。

空调是空气调节的简称，它是通过对空气的处理使室内温度、湿度、气流速度和洁净度（简称“四度”）达到一定要求的工程技术。

二、制冷与空调技术的应用

制冷与空调技术的应用范围与涉及的温度区域非常广阔，从工农业生产到日常生活，从接近于绝对零度的最低温到室温或更高。制冷的应用范围一般可分为三个温区。

①低温区（约一100℃以下）主要用于气体液化、低温物理、超导和宇航研究。

②中温区（-100-5℃）主要用于食品冻结和冷藏、化工和机械生产工艺的冷却过程、冷藏运输等。

③高温区(5^-50℃）主要用于空气调节和热泵设备。

三、制冷与空调自动控制的内容

自动控制是指机器或装置在无人干预的情况下自动进行操作，它是围绕着工业生产的需要而形成和发展起来的，已广泛应用于人类社会的各个方面。制冷与空调装置的自动控制系统，可以对制冷与空调系统参数如压力、温度、湿度、流量、液位、空气成分等自动检测和

调节，还可以对制冷机器和设备进行保护，使系统安全稳定的工作，保证储藏食品和空气的质量，提高系统的运行性能，节约能源消耗及降低运行成本等，以避免发生事故。

制冷与空调自动控制的主要内容包括以下几点。

1.温度控制

一种是由被冷却对象的温度变化来进行控制，多采用蒸气压力式温度控制器；

另一种由被冷却对象的温差变化来进行控制，多采用电子式温度控制器。

2.湿度控制

一是采用相对湿度控制；

二是采用绝对湿度控制，即露点控制。

3.压力控制

当制冷系统出现超压和欠压现象时，压力控制器发挥作用，断开压缩机电路，促使压缩机停机保护。

4.流量控制

制冷剂流量控制系统常常采用电子膨胀阀作为制冷剂流量调节机构。温度传感器放在蒸发器进出口，分别测量蒸发器进出口的温度，两者之差与蒸发器内压降的过热度修正值之和作为蒸发器实际的过热度，蒸发器实际的过热度与设定过热度的偏差作为蒸发器过热度反馈信号送人控制器，同时将压缩机的转速作为前馈信号送人控制器。

5.空气质量控制

空调系统使用的回风量愈多，掺混的新风量愈少，节能效果就愈明显。然而，无限制地减少新风，又会影响室内空气品质(IAQ)。空调系统常常是基于室内空气中典型的有害气体（以CO2为代表）的浓度变化来控制新风量，继而控制被处理环境中的空气质量。

6.装置的安全保护

四、制冷与空调装置自动控制的发展

人类很早就进行简易自动控制装置的探索，但由于技术与理论的限制，直至1788年，都未有重大突破。1920年，反馈理论广泛地应用于电子放大器中，标志着自动化领域技术进人新时期的开始。同年，美国也出现了PID调节器，1948年，控制理论的经典部分已基本形成。可以说，自动控制技术的每一次进步都给制冷空调装置带来重大变革。

制冷空调系统的控制有三种方式：

早期的继电器控制系统

直接数字式控制器（DDC ）控制系统

PLC可编程序控制器控制系统。

直接数字控制系统(Directed Digit Control)即DDC控制系统，是目前国内外应用较为广泛的计算机控制系统。在常规控制系统中，控制规律由硬件决定，若改变控制规律，则必须改变硬件；DDC控制系统中，控制规律的改变则只需改变软件的编制。．

模糊控制FLC (Fuzzy Logic Control)是人工智能领域中形成最早、应用最为广泛的一个重要分支，适合于结构复杂且难以用传统理论建模的问题。在制冷空调系统的过程控制中，由于控制对象的时滞、时变和非线性的特征比较明显，导致控制参数不易在线调节，而FLC 却能较好的适应这些特征，目前已经成功地应用到家用空调器上。随着模糊控制技术在空调系统中应用研究的不断深人，在控制目标方面从早期的温度控制发展到以热环境综合评价指标PMV（Predicted Mean V ote)作为控制基准；在控制策略方面从基于查询表方法的简单模糊控制发展到与其他人工智能领域相结合的智能模糊控制。这些智能控制方法的应用极大地提高了空调器的控制效果。

近20年来，制冷空调自动控制技术发展很快，除经典自动控制理论应用外，现代控制论、模糊控制技术、神经网络理论开始应用于本领域。概括地说，目前制冷空调自动化工作

已逐步转向计算机化、数字化。为了提高制冷空调设备的整体水平，各国均投人了大量人力、物力研究制冷与空调设备的最优控制。美国、丹麦、德国、日本、俄罗斯、乌克兰、挪威等国均有一些著名大学与公司联手，在该领域的理论与实验上竞相研究。归纳起来制冷空调自动控制技术的热点为节能控制、装置动态特性，以及控制方法与制冷空调自控元件的研究。

(1)更加重视制冷空调装置的节能控制制冷空调装置的耗能在国际经济中的比重日益递增、在发达的工业国家，这一能耗已占到总能源的1/3。近年来，国际制冷界为了提高制冷空调装置的节能水平，从自动控制原理、仿真优化理论和计算机集成控制角度出发，分析制冷空调装置各设备、各参数的数学模型，并用动态分布参数及参数定量藕合的观点分析，建立制冷装置与空调系统的数学模型，进而进行仿真优化，从装置与系统的总体性能出发，寻找制冷装置与空调系统各部件参数与尺寸的最佳匹配设计方法，其主要目的是从装置与系统内部设计出发，进行节能，提高经济性。

(2)注意制冷装置动态特性研究通过制冷装置动态特性的研究，把制冷空调装置及其自动化技术的理论基础，从传统的静态特性转到动态特性上来，以便为制冷空调装置及其各部件的最佳匹配（优化）设计提供理论基础和寻找合适的制冷装置（包括热泵）的数学模型，为计算机控制制冷循环提供必要条件。

(3)控制方法与制冷空调自控元件面临更新换代时期自从20世纪初制冷装置开始采用最原始的自控元件（热力膨胀阀），至60年代后期，自控元件结构形式变化繁多，但从控制方法上归纳，一直沿用经典控制方法中的双位控制，如各种温度控制器、压力控制器、油压差控制器、液位控制器和各型电磁阀，以及直接作用式比例控制器，如热力膨胀阀、旁通能量调节阀、吸气压力调节阀、背压调节阀等。

目前，全球正在进人网络化时代，制冷空调系统也逐步网络化。欧洲的西门子、梅洛尼两家公司于1998年推出了自己的产品。利用这些类似的“家庭电子系统( HES) "可实现对多种家电器具网络性控制，以及对外的通信联络。随着Internet技术的飞速发展，人们通过Internet对世界各地的制冷空调系统进行远程监控已经成为现实。可以相信，在不久的将来，基于Internet的常规空调系统远程监控和故障诊断将成为必然的发展趋势。

五、制冷与空调装置自动控制系统的特点

制冷与空调装置是为了实现某种工艺介质的温度、湿度等一系列要求的机器和设备。它包括两大部分，一是完成冷媒循环的制冷工艺系统，另一是实现制冷装置安全稳定运行的自动控制系统。充分认识制冷与空调装置自动控制系统的特点，是自动实现制冷工艺系统热工参数调节和控制，以及装置正常工作的保证。

(1)多干扰性制冷与空调系统的干扰通常分为外扰和内扰。

(2)控制对象的特性制冷空调系统自动控制的主要任务之一是维持被控环境一定的温、湿度，控制效果很大程度上取决于制冷空调系统本身，而不是自控部分，了解控制对象的特性成为非常关键的一个方面。

(3)温度与湿度的相关性和空调系统的整体控制性制冷空调系统中主要是对温度和相对湿度进行控制，这两个参数常常是在一个控制对象里同时进行调节的两个被调量，两个参数在控制过程中相互影响在自控中要充分考虑到温、湿度的相关性。空调自控系统是以空调房间的温、湿度控制为中心，通过工况转换与空气处理过程，每个环节紧密联系在一起的整体控制系统，任意环节有问题，都将影响空调房间的温、湿度控制，甚至使整个控制系统无法工作。

(4)具有工况转换的控制制冷空调系统是按工况运行的，因此，自动控制系统应包括工况自动转换部分。

第1章自动控制原理基础知识

教学目标

1.掌握自动控制系统的组成、方框图及自动控制系统的分类。掌握自动控制系统的过渡过程及品质指标。

2.掌握被控对象的特性参数的物理意义。

3.能运用过渡过程曲线分析并掌握控制规律的性质和应用，了解执行器和传感器的特性。

1.1自动控制的基本组成

自动控制系统就其基本组成而言是由控制装置和被控对象两大部分组成的。

自动控制原理图也就是自动控制流程图，通过自动控制流程图可以看出生产过程中系统所实施的自动控制方案。自动控制流程图是用规定的文字、图形符号，按照工艺流程绘出的。自动控制流程图主要反映每个控制系统中的被控变量及其测点位置、执行器种类及其安装位置、控制器的安装，以及各控制系统之间的关系等。

流程图中，，一般用小圆圈表示某些自动控制装置，圆圈内写有两位或三位字母，第一个字母表示被控变量，后续字母表示仪表的功能。

一个自动控制系统是由控制器、执行器、被控对象和测量变送器四个部分组成的。其中自动控制装置最少是由控制器、执行器、传感器（或变送器）组成。比较机构是控制器的一部分，但在自动控制系统方框图中为了能清楚地表明控制器的比较功能，通常将其单独画出，以方便系统的分析。在方框图中，比较机构用O或⑧表示，比较机构与控制器构成广义控制器。自动控制系统在其工作过程中会受到两种外部作用，一是给定值，也叫做输入信号，通常加在系统的输入端，是系统的输入信号，表示控制系统的控制目标或期望值；二是干扰，也叫做扰动信号。

1.1.1自动控制的基本环节

自动控制系统的方框图中每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间带箭头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方框的信号为环节输出。输入会引起输出变化，而输出不会反过来直接引起输入的变化，环节的这一特性称为单向性。

在制冷、空调系统中的自动控制系统通常是由控制器、执行器、测量变送器、控制对象四个基本环节组成的简单控制系统。

(1)控制器。控制器又称为调节器，在自动控制系统中能将被控量的实测值与给定值进行比较，检测偏差并对偏差进行运算，然后根据偏差的性质和大小按照预定的控制规律发出控制指令，对执行器的动作进行控制从而实现对系统的自动控制。控制器一般具有给定、比较、指示、运算和操作功能。

（２）执行器。执行器在控制系统中接受来自控制器的输出信号，并将该信号转变为操作量以改变流入或流出控制对象的物料量或能量，达到控制温度、压力、流量、液位、湿度等工艺参数的目的，可以形象地说，执行器是自动控制系统的“手脚”。

执行器由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是执行器的推动部分，它按照控制器输出信号的大小产生推动力或位移：调节机构是执行器的调节部分，最常见的是调节阀，它接受执行机构的操纵，改变阀芯与阀座间的流通面积，达到调节流体介质的目的。

（3)测量变送器。测量变送器也就是安装在工业现场的传感器及变送器。传感器也叫做敏感元件，它能实现对被控量信号的检测和远距离传输，即将检测到的被控量的实际值转变为与给定值同性质的信号，并传送至控制器中与给定值进行比较以求取偏差。测量变送器的输出信号称为测量值。

1.1.2自动控制系统中常用术语

（1)被控对象。被控对象也称为控制对象或被调对象，简称对象，指自动控制系统中与需要控制的物理量相应的那个生产过程或设备。

(2)给定值。给定值又称设定值或系统的输入，是控制系统的控制目标，即被控量要求达到的数值。

(3)被控量。被控量又称被控参数、被调参数或系统的输出，是被控对象中要求实现自动控制的物理量或物理参数。

(4)偏差。偏差是被控量实测值与给定值之差。控制器是根据偏差信号的性质按照预定的控制规律实现对系统的自动控制的。

（5）干扰。干扰又称扰动。系统受到干扰后，被控量的实际值会偏离给定值，让偏差增大。（6）操作量。操作量也称调节量或调节介质，是执行器的输出信号按照一定的规律随系统的偏差变化的量，改变控制对象的状态，实现对被控量的调节。

(7)系统反馈量。系统反馈量是系统的输出量通过测量变送器反馈到系统输入端的信号，也称反馈信号。

1.2制冷、空调自控的任务及内容1.

2.1制冷、空调自控的任务

1．制冷装置的自控任务

制冷装置自动控制的首要任务就是在负荷及外部条件变化时，及时通过适当的控制作用保证制冷工艺要求的温控指标，同时使制冷系统的工况始终维持在合理、安全的范围内。进一步的任务是在满足上述主要任务的同时，尽可能提高装置在各种变动条件下工作的运行经济性，并且对装置的运行故障能够予以显示、报警及打印记录。

2.空调自控的任务

空调的任务就是要维持空调房间内所要求的空气参数稳定在一定范围内，即当被控量偏离给定值时，依据偏差自动调节加热器、冷却器、加湿器、淋水室及风量调节设备等的实际输出量，使其与负荷状态紧密地相匹配，以满足对被控量（温度、相对湿度及空气静压等）的要求。

1.2.2制冷、空调自控的内容

1．制冷自控的内容

制冷系统是压缩机、节流机构和热交换器的串联组合。为使制冷系统适应负荷及外部条件的变化，制冷装置的自动控制概括地说有三方面主要控制内容。

(1)制冷剂流量调节。

(2)压缩机能量调节。

(3)热交换器能力调节。热交换器能力调节表现为冷凝压力及蒸发压力的控制。

这些调节既是为了满足指定的制冷温度要求，也是为了保证制冷装置安全可靠工作。从系统总体出发，上述三方面的调节又是相互关联的。

2.空调自控的内容

空调系统自动控制的主要内容是：①空气的温度、相对湿度；②风速；③送风量；④空气洁净度；⑤根据空气温度和相对湿度等参数变化控制制冷系统冷、热能量的供给。

1.3制冷、空调自动控制系统的分类

1.3.1按给定量的运动规律分类

1．恒值控制系统

在控制系统中，系统的输入信号或给定值为恒值，要求被控信号也保持为恒值，则称这种控制系统为恒值控制系统。

2.随动控制系统

在控制系统中，如果输入量是预先未知的任一时间函数，其变化规律预先无法确定，而当输入信号作用于系统后，要求输出信号能准确、迅速地复现输入信号的变化，则称这类系统为随动控制系统。在随动控制系统中，输入量的变化是随机的，要求输出信号即被控量必须快速而准确地跟踪输入量的变化。

3.程序控制系统

程序控制系统的设定值也是变化的，但系统的输入信号为已知的时间函数，即根据需要按一定的时间程序变化。程序控制系统既可以是开环控制系统，也可以是闭环控制系统。

在制冷、空调的自动控制系统中，恒值控制系统是应用最普遍的控制系统，程序控制和随动控制系统也有一定的应用场合。

1.3.2按系统的反应特性分类

1．连续控制系统

在控制系统中，如果信号传递和被控对象的反应是不间断的，则称该系统为连续控制系统。连续控制系统又可分为线性控制系统和非线性控制系统。由线性微分方程所描述的系统，称为线性控制系统。线性控制系统的一个重要性质是可以应用叠加原理，即几个输入信号和扰动同时作用于系统上产生的效果，等于每个信号和扰动单独作用的效果之和。非线性系统中含有非线性元件，不能用线性微分方程描述，叠加原理不再适用。

2.断续控制系统

在控制系统中，如果系统中信号传递和被控对象的运动是断续的，则称该系统为断续控制系统。断续控制系统又可以分为继电控制系统和脉冲控制系统。如果系统中某一元件的输出量保持为恒值，不随输入信号的数值而变化，但它的符号取决于输入信号的符号，则称这类系统为继电控制系统。

3.开环控制系统与闭环控制系统

（1)开环控制系统。开环控制系统是一种简单的控制系统。开环控制方式的特点是系统的输出量与输入量之间没有反向联系，只有输入量对输出量的单方向控制，即控制装置与被控对象之间只有顺向作用，不需要对被控量进行检测。

①按给定量控制的开环控制系统，其控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入信号，就有一个输出信号与之相对应。在这种控制系统中，对象或控制装置受到干扰或工作过程中系统的特性参数发生变化，都会直接影响被控量，系统没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。

②按扰动控制的开环控制系统，是通过测量破坏系统正常工作的扰动量，利用干扰信号产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响的控制方式。这种控制方式也称顺馈控制或前馈控制。

总的来说，开环控制系统的控制精度不高，抗千扰能力差，一般只用于千扰不大且控制精度要求不高的场合。

（２）闭环控制系统。闭环控制方式的特点是系统输出量与输入量之间既存在着正向作用，也存在着反向作用，系统的输出量对输入量有直接的影响，即控制装置与被控对象之间顺向和反向作用都存在，按这种方式组成的系统称为闭环控制系统。在闭环控制中，系统的输出信号通过测量变送环节反馈到输入端，控制器通过计算输入信号和输出信号的偏差信号对系统进行控制，因此闭环控制又称反馈控制或按偏差控制。反馈分正反馈和负反馈，为保证系统的稳定性，通常采用负反馈，采用负反馈可以减小系统的偏差。在反馈控制系统中，从被控量（系统的输出量）经过测量变送环节到输入端的联络通道，称为反馈通道（也称反向环节或反馈环节）。从系统的输入量到系统的输出量所经过的环节统称为系统的前馈通道（也称前向环节或前馈环节）。

总之，与开环控制系统相比较，闭环控制系统的特点是：具有较强的抗干扰能力；对前向通道的元件要求不高，因此可以使用低成本的元件构成精确的控制系统；反馈元件的不稳定会直接引起输出的误差；控制系统的准确性的保证与测量元件紧密相关，，所以要求测量元件具有较高的稳定性。

整个控制系统为了提高控制精度，采用了两种控制方式，一种是用以提前消除新风温度的主

要干扰、按扰动控制的开环控制，即前馈控制；另一种则是消除其他干扰影响的闭环控制，即反馈控制。这种把前馈控制与反馈控制结合起来的控制方式称为复式控制，相应的控制系统可称为复合控制系统。

《自动控制原理》电子教案

第一章自动控制的一般概念 第一节控制理论的发展 自动控制的萌芽：自动化技术学科萌芽于18世纪，由于工业革命的发展,如何进一步降低人的劳动强度和提高设备的可靠性被提到了议程。 特点：简单的单一对象控制。 1. 经典控制理论分类 线性控制理论，非线性控制理论，采样控制理论 2. 现代控制理论 3. 大系统理论 4. 智能控制理论 发展历程： 1. 经典控制理论时期（1940-1960） 研究单变量的系统，如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。 ?1945年美国人Bode出版了《网络分析与放大器的设计》，奠定了控制理论的 基础; ?1942年哈里斯引入传递函数； ?1948年伊万恩提出了根轨迹法； ?1949年维纳关于经典控制的专著。 特点：以传递函数为数学工具，采用频率域法，研究“单输入—单输出”线性定常控制系统的分析和设计，而对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力。 2. 现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初） 研究多变量的系统，如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。空间技术的发展提出了许多复杂的控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上，对自动控制的精密性和经济性指标提出了极严格的要求。并推动了控制理论的发展。 ?Kalman的能控性观测性和最优滤波理论; ?庞特里亚金的极大值原理； ?贝尔曼的动态规划。 特点：采用状态空间法（时域法），研究“对输入-多输出”、时变、非线性系统等高精度和高复杂度的控制问题。 3. 大系统控制时期（1970s-） 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、

自动控制原理基本知识测试题

第一章自动控制的一般概念 一、填空题 1.（稳定性）、（快速性）和（快速性）是对自动控制系统性能的基本要求。 2.线性控制系统的特点是可以使用（叠加）原理，而非线性控制系统则不能。 3.根据系统给定值信号特点，控制系统可分为（定值）控制系统、（随动）控制系统和（程序）控制系统。 4.自动控制的基本方式有（开环）控制、（闭环）控制和（复合）控制。 5.一个简单自动控制系统主要由（被控对象）、（执行器）、（控制器）和（测量变送器）四个基本环节组成。 6.自动控制系统过度过程有（单调）过程、（衰减振荡）过程、（等幅振荡）过程和（发散振荡）过程。 二、单项选择题 1.下列系统中属于开环控制的为（ C ）。 A.自动跟踪雷达 B.无人驾驶车 C.普通车床 D.家用空调器 2.下列系统属于闭环控制系统的为（ D ）。 A.自动流水线 B.传统交通红绿灯控制 C.普通车床 D.家用电冰箱 3.下列系统属于定值控制系统的为（ C ）。 A.自动化流水线 B.自动跟踪雷达 C.家用电冰箱 D.家用微波炉 4.下列系统属于随动控制系统的为（ B ）。 A.自动化流水线 B.火炮自动跟踪系统 C.家用空调器 D.家用电冰箱 5.下列系统属于程序控制系统的为（ B ）。 A.家用空调器 B.传统交通红绿灯控制 C.普通车床 D.火炮自动跟踪系统 6.（ C ）为按照系统给定值信号特点定义的控制系统。 A.连续控制系统 B.离散控制系统 C.随动控制系统 D.线性控制系统 7.下列不是对自动控制系统性能的基本要求的是（ B ）。 A.稳定性 B.复现性 C.快速性 D.准确性 8.下列不是自动控制系统基本方式的是（ C ）。 A.开环控制 B.闭环控制 C.前馈控制 D.复合控制 9.下列不是自动控制系统的基本组成环节的是（ B ）。 A.被控对象 B.被控变量 C.控制器 D.测量变送器 10.自动控制系统不稳定的过度过程是（ A ）。 A.发散振荡过程 B.衰减振荡过程 C.单调过程 D.以上都不是 第二章自动控制系统的数学模型 一、填空题 1.数学模型是指描述系统（输入）、（输出）变量以及系统内部各变量之间（动态关系）的数学表达式。 2.常用的数学模型有（微分方程）、（传递函数）以及状态空间表达式等。 3.（结构图）和（信号流图），是在数学表达式基础演化而来的数学模型的图示形式。 4.线性定常系统的传递函数定义：在（零初始）条件下，系统的（输出）量的拉氏变换与（输入）量拉氏变换之比。 5.系统的传递函数完全由系统的（结构、参数）决定，与（输入信号）的形式无关。 6.传递函数的拉氏变换为该系统的（脉冲响应）函数。 7.令线性定常系统传递函数的分子多项式为零，则可得到系统的（零）点。 8.令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的（极）点。 9.令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的（特征）方程。 10.方框图的基本连接方式有（串联）连接、（并联）连接和（反馈）连接。 二、单项选择题 1.以下关于数学模型的描述，错误的是（ A ） A.信号流图不是数学模型的图示 B.数学模型是描述系统输入、输出变量以及系统内部河变量之间的动态关系的数学表达式 C.常用的数学模型有微分方程、传递函数及状态空间表达式等 D.系统数学模型的建立方法有解析法和实验法两类 2.以下关于传递函数的描述，错误的是（ B ） A.传递函数是复变量s的有理真分式函数 B.传递函数取决于系统和元件的结构和参数，并与外作用及初始条件有关 C.传递函数是一种动态数学模型

自动控制原理教学大纲

《自动控制原理》教学大纲 课程类别：专业必修课课程名称：自动控制原理 开课单位：飞行器设计与工程专业建设组课程编号：N02010102 总学时：64学分：4 适用专业：飞行器设计与工程 先修课程：高等数学、大学物理、理论力学、机械原理、电工技术等 一、课程在教学计划中的地位、作用 《自动控制原理》是飞行器设计与工程专业的一门必修课，通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基本原理和概念，并具备对自动控制系统进行分析，计算，实验的初步能力，为专业课的学习和参加控制工程实践提供必要的理论基础。通过对本课程的学习，要求学生掌握自动控制的基本理论和基本分析方法，能应用控制理论对自动控制系统进行性能分析，能对系统进行校正和提出改善系统性能的途径和方法。 二、课程内容、基本要求 1、掌握常规控制器和自动控制系统的组成及其相互关系。 2、了解对自动控制系统的性能要求及分析系统性能的方法。 3、掌握用传递函数，方框图，信号流图及状态空间描述建立系统数学模型的方法。 4、掌握常规控制器的基本控制规律、动态特性和对控制系统的作用。 5、掌握对控制系统进行分析和综合的方法：时域分析法、频域分析法、根轨迹法及状态空间分析法。 6、初步掌握控制系统的校正和设计方法，为解决实际问题打好基础。 第一章自动控制的一般概念（3学时） 教学要求： （1）明确什么是自动控制；正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念；

（2）正确理解三种控制方式，特别是闭环控制； （3）初步掌握由系统工作原理画方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式； （4）明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的方式； （5）明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。 重点和难点重点：掌握线性与非线性系统的分类，特别是对线性系统的定义、性质、判别方法要准确理解。难点：线性系统的准确理解。 教学方式本章采用课堂讲授、多媒体教学相结合的教学形式。 教学内容 1-1自动控制的基本原理与方式 1-2自动控制系统示例 1-3自动控制系统的分类 1-4对自动控制系统的基本要求 1-5自动控制系统的分析与设计工具 第二章控制系统的数学模型（12学时） 教学要求 （1）正确理解数学模型的特点，对系统的相似性、动态模型、静态模型、输入变量、输出变量、中间变量等概念，要准确掌握，掌握动态微分方程建立的一般方法； （2）掌握运用拉氏变换解微分方程的方法，并对解的结构、运动模态与特征根的关系、零输入响应有清楚的理解； （3）正确理解传递函数的定义、性质和意义，特别对传递函数微观结构的分析要准确掌握； （4）正确理解由传递函数派生出来的系统的开环传递函数、闭环传递函数、前向通道传递函数的定义，并对重要传递函数如：控制输入下闭环传递函数、扰动输入下闭环传递函数、误差传递函数、典型环节传递函数，能够熟练掌握。 （5）掌握系统结构图和信号流图两种数学图形的定义和组成方法，熟练掌握等效变换代数法则，简化图形结构，并能用梅逊公式求系统传递函数。

自动控制原理课程教案附录1拉普拉斯变换

附录1. 拉普拉斯变换 附录1.1 拉氏变换的定义 如果有一个以时间为变量的函数()f t ，它的定义域是0t >，那么拉氏变换就是如下运算式 ()()st t F s f t e dt ∞ =? A-1 式中s 为复数。一个函数可以进行拉氏变换的充分条件是 （1） 在0t <时，()0f t =； （2） 在0t ≥时的任一有限区域内，()f t 是分段连续的； （3） ()st f t e dt ∞ <∞? 在实际工程中，上述条件通常是满足的。式A-1中，()F s 成为像函数，()f t 成为原函数。为了表述方便，通常把式A-1记作 ()[()]F s L f t = 如果已知象函数()F s ，可用下式求出原函数 1 ()()2c j st c j f t F s e ds j π+∞-∞ = ? （A-2） 式中c 为实数，并且大于()F s 任意奇点的实数部分，此式称为拉氏变换的反变换。同样，为了表述方便，可以记作 1()[()]f t L F s -= 为了工程应用方便，常把()F s 和()f t 的对应关系编成表格，就是一般所说的拉氏变换表。表A-1列出了最常用的几种拉氏变换关系。 一些常用函数的拉氏变换 附录1.1.1 单位阶跃函数的拉氏变换 这一函数的定义为 0, 0()0, 0t u t t ? 它表示0t =时，突然作用于系统的一个不变的给定量或扰动量，如图3-1所示。单位阶跃函数的拉氏变换 为 0011 ()[]st st F s e dt e s s ∞--∞==-=? 在进行这个积分时，假设s 的实部比零大，即Re[]0s >，因此 lim 0st t e -→∞ →

自动控制原理课程教学大纲

物理电子工程学院《自动控制原理》课程教学大纲课程编号：04210164 课程性质：专业必修课 先修课程：高等数学、函数变换、模拟电路、电路分析 总学时数：76 学分：4 适合专业：电子信息工程、机械与电子工程、机械自动化、电器自动化、通信、包装工程等专业 (一) 课程教学目标 自动控制理论是电子信息科学与技术专业的一门重要的专业基础课程。它侧重于理论角度，系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律，介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法，内容十分丰富。通过自动控制理论的教学，应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法，以便将来胜任实际工作，具有从事相关工程和技术工作的基本素质，同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。 (二) 课程的目的与任务 本课程是电子通信工程、机电一体化、包装工程等专业、工科及相关理科的必修基础课程。通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力，为专业课学习和参加控制工程实践打下必要的基础。学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法，如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、状态空间分析法、采样控制系统的分析等基本方法等。为各类计算机控制系统设计打好基础。 (三) 理论教学的基本要求 1、熟练掌握自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。 2、熟练掌握典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法，初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法。

自动控制原理教学大纲-2017版

《自动控制原理》课程教学大纲 课程代码：060131003 课程英文名称：Automatic Control Principle 课程总学时：64 讲课：56 实验：8 上机：0 适用专业：自动化专业 大纲编写（修订）时间：2017.11 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 自动控制原理是高等工业学校自动化专业开设的一门培养学生自动控制系统分析设计能力的主干技术基础课，主要讲授自动控制系统基本知识、基本理论和基本方法，在自动化专业培养计划中，它起到由基础理论课向专业课过渡的承上启下的作用。本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论和基本方法的教学外，还通过实验学时，来培养学生的设计思维和设计能力。 通过本课程的学习，学生将达到以下要求： 1．掌握自动控制系统的分析原理、设计方法和系统稳定性的一般规律 2．具有设计闭环控制系统的初步能力； 3．了解典型控制系统的实验方法，获得实验技能的基本训练； （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1.基本知识：掌握控制系统的一般知识，控制系统的主要类型、性能、结构特点、应用等。 2.基本理论和方法：掌握控制系统设计的基本原则，系统稳定的工作原理、简化的物理模型与数学模型、时域分析、根轨迹分析、频域分析、系统校正、非线性分析等。 3.基本技能:掌握设计计算、结构设计，实验技能等。 （三）实施说明 1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性。讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。 2．教学手段：本课程属于技术基础课，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。 3．计算机辅助学习：提醒学生使用matlab软件，要求学生使用VB编写程序来完成某些计算和绘制。 （四）对先修课的要求 本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。本课程主要的先修课程有高等数学、信号变换等。 （五）对习题课、实践环节的要求 1．对重点、难点章节（如：系统校正、非线性计算等）应安排习题课，例题的选择以培养学生消化和巩固所学知识，用以解决实际问题为目的。 2．课后作业要少而精，内容要多样化，作业题内容必须包括基本概念、基本理论及设计计算方面的内容，作业要能起到巩固理论，掌握计算方法和技巧，提高分析问题、解决问题能力，熟悉标准、规范等的作用，对作业中的重点、难点，课上应做必要的提示，并适当安排课内讲评作业。学生必须独立、按时完成课外习题和作业，作业的完成情况应作为评定课程成绩的一部分。 3．每个学生要完成大纲中规定的必修实验，通过实验环节，学生应掌握典型系统的频率特

自动控制原理及应用教案

第一章自动控制的基本知识 ? 1.1自动控制的一般概念 ? 1.2自动控制系统的组成 ? 1.3自动控制系统的类型 ? 1.4 对控制系统性能的要求 1.1.1自动控制技术 ?自动控制技术被大量应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测、交通管理、科研开 发、军事领域、特别是空间技术和核技术。自动控制技术的广泛应用不仅使各种生产设备、生产过程实现了自动化，提高了生产效率和产品质量，尤其在人类不能直接参与工作的场合，就更离不开自动控制技术了。自动控制技术还为人类探索大自然、利用大自然提供了可能和帮助。 1.1.2自动控制理论的发展过程 ?1945年之前，属于控制理论的萌芽期。 ?1945年，美国人伯德（Bode）的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础， 至此进入经典控制理论时期，此时已形成完整的自动控制理论体系。 ?二十世纪六十年代初。用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”（卡 尔曼Kalman）奠定了现代控制理论的基础。现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统，高精度复杂系统的控制问题，主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态空间法，提出了最优控制等问题。 ?七十年代以后，各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂，自动控制 理论继续发展，进入了大系统和智能控制时期。例如智能机器人的出现，就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。 1.2自动控制系统的组成 1.2.1自动控制系统的结构与反馈控制理论 ?图中为放水阀，为进水阀，水箱希望的液位高度为。当放水使得水箱液位降低而被 人眼看到，人就会打开进水阀，随着液位的上升，人用大脑比较并判断水箱液位达到时，就会关掉。若判断进水使得实际液位略高于，则需要打开放水而保证液位高度。 ?在这个过程中，人参与了以下三个方面的工作：

自动控制原理基本知识测试题.

自动控制原理基本知识测试题 第一章自动控制的一般概念 一、填空题 1.（）、（）和（）是对自动控制系统性能的基本要求。 2.线性控制系统的特点是可以使用（）原理，而非线性控制系统则不能。 3.根据系统给定值信号特点，控制系统可分为（）控制系统、（）控制系统和（）控制系统。 4.自动控制的基本方式有（）控制、（）控制和（）控制。 5.一个简单自动控制系统主要由（）、（）、（）和（）四个基本环节组成。 6.自动控制系统过度过程有（）过程、（）过程、（）过程和（）过程。 二、单项选择题 1.下列系统中属于开环控制的为（）。 A.自动跟踪雷达 B.无人驾驶车 C.普通车床 D.家用空调器 2.下列系统属于闭环控制系统的为（）。 A.自动流水线 B.传统交通红绿灯控制 C.普通车床 D.家用电冰箱 3.下列系统属于定值控制系统的为（）。 A.自动化流水线 B.自动跟踪雷达 C.家用电冰箱 D.家用微波炉 4.下列系统属于随动控制系统的为（）。 A.自动化流水线 B.火炮自动跟踪系统 C.家用空调器 D.家用电冰箱 5.下列系统属于程序控制系统的为（）。 A.家用空调器 B.传统交通红绿灯控制 C.普通车床 D.火炮自动跟踪系统 6.（）为按照系统给定值信号特点定义的控制系统。 A.连续控制系统 B.离散控制系统 C.随动控制系统 D.线性控制系统 7.下列不是对自动控制系统性能的基本要求的是（）。 A.稳定性 B.复现性 C.快速性 D.准确性 8.下列不是自动控制系统基本方式的是（）。 A.开环控制 B.闭环控制 C.前馈控制 D.复合控制 9.下列不是自动控制系统的基本组成环节的是（）。 A.被控对象 B.被控变量 C.控制器 D.测量变送器 10.自动控制系统不稳定的过度过程是（）。 A.发散振荡过程 B.衰减振荡过程 C.单调过程 D.以上都不是 三、简答题 1.什么是自动控制？什么是自动控制系统？ 2.自动控制系统的任务是什么？ 3.自动控制的基本方式有那些？ 4.什么是开环控制系统？什么是闭环控制系统？各自的优缺点是什么？ 5.简述负反馈控制系统的基本原理及基本组成。 6.自动控制系统主要有那些类型？ 7.对控制系统的基本要求是什么？请加以说明。 8.什么是自动控制系统的过度过程？主要有那些种？ 四、名词解释 1.被控对象 2.被控变量 3.给定值 4.扰动量 5.定值控制系统 6.随动控制系统 7.程序控制系统

自动控制原理-第三章控制系统的时域分析教案

第三章控制系统的时域分析 1．本章的教学要求 1）使学生掌握控制系统时域分析方法。 2）使学生掌握控制系统稳定性的基本概念、稳定的充分必要条件； 3）使学生学会利用代数稳定性判据判断系统稳定性； 4）掌握稳态误差计算; 5）掌握一阶系统的单位阶跃响应、单位斜坡响应、单位脉冲响应的分析方法; 6）掌握二阶系统的单位阶跃响应、单位脉冲响应的分析方法; 7）掌握二阶系统的单位阶跃响应性能指标计算； 2．本章讲授的重点 本章讲授的重点是稳定性的基本概念、稳定的充分必要条件，应用代数稳定性判据、稳态误差计算、一阶系统的单位阶跃响应、二阶系统的单位阶跃响应性能指标计算。 3．本章的教学安排 本章讲授10个学时，安排了5个教案，实验学时2学时。 学生通过亲自动手实验，掌握一阶系统、二阶系统的单位阶跃响应性能与系统参数之间的关系。

[教案3-1] 1．主要内容： 1）时域分析法的基本概念、时间响应概念及其组成 2）典型输入信号 1）控制系统稳定性的基本概念； 2）控制系统稳定的条件； 2．讲授方法及讲授重点： 本讲首先介绍时域分析的基本概念及其特点，通过二阶系统对单位阶跃输入的响应过程曲线来介绍瞬态响应和稳态响应概念，从而使学生了解时间响应的含义。重点介绍常用的典型输入信号，包括脉冲信号、阶跃信号、斜坡信号和抛物线信号，说明信号的特点、在实际中选用典型输入信号的方法。 强调控制系统稳定性是系统正常工作的首要条件，然后介绍系统稳定性的基本概念、稳定的条件及判定方法。重点介绍控制系统稳定的条件并做简单的推导，得出系统稳定的充分必要条件为系统特征方程无正实根的结论。 在授课过程中，通过讲解各种形式的例题，使学生充分理解并熟练掌握。3．教学手段： Powerpoint课件与黑板讲授相结合。 4．注意事项： 在讲授本讲时，注意讲清楚控制系统稳定的充要条件的推导； 5．课时安排：2学时。 6．作业： 书后p88 习题3-1,3-2。

自动控制原理电子教案(经典控制部分)

自动控制原理电子教案 经典控制部分 第一章控制理论一般概念3学时 (2) 第二章控制系统的数学模型9学时 (6) 第三章控制系统的时域分析io学时 (15) 第五章频率特性12学时 (26) 第六章控制系统的校正与设计8学时 (36) 第七章非线性系统8学时 (40) 第八章离散控制系统8学时 (45)

第一章控制理论一般概念3 学时 1．本章的教学要求 1）使学生了解控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容，认识本学科在国民经济建设中的重要作用，从而明确学习本课程的目的。 2）使学生深入理解控制系统的基本工作原理、开环闭环和复合控制系统、闭环控制系统的基本组成等内容，学会利用所学控制原理分析控制系统。 3）使学生学会控制系统的基本分类方法， 4）掌握对控制系统的基本要求。 2．本章讲授的重点 本章讲授的重点是控制系统的基本概念、反馈控制原理、控制系统的的基本分类方法及对控制系统的基本要求。 3．本章的教学安排 本课程讲授3 个学时，复习学时3 个。 演示《自动控制技术与人类进步》及《自动化的应用举例》幻灯片，加深同学对本课程研究对象和内容的了解，加深对反馈控制原理及系统参数对系统性能影响的理解。

1．教学主要内容 ： 本讲主要介绍控制工程研究的主要内容、 中的应用及控制理论的学习方法等内容。 2．讲授方法及讲授重点： 本讲首先介绍控制工程研究的主要内容， 离心调速器为例， 说明需要用控制理论解决控制系 统的稳定、 准确、快速等问题。 其次，在讲授控制理论的发展时， 主要介绍控制理论的发展的三个主要阶段， 重点说明经典控制理论、 现代控制理论研究的范围、 研究的手段， 强调本课程重 点介绍经典控制理论。 另外，在介绍控制理论在工程中的应用时， 应举出控制理论在军事、 数控机 床、加工中心、机器人、机电一体化系统、动态测试、机械动力系统性能分析、 液压系统的动态特性分析、 生产过程控制等方面的应用及与后续课的关系， 激发 同学的学习兴趣。 最后，在介绍控制理论的学习方法时，先说明本门课的特点，起点高、比较 抽象、系统性强， 然后强调学习本门课程应以新的视角分析和考虑问题， 以系统 的而不是孤立的、 动态的而不是静态的观点和方法来思考和解决问题； 掌握控制 理论的基本概念、 基本理论和基本方法并注意结合实际， 为解决工程中的控制问 题打下基础。 3．注意事项： 介绍本门课的参考书及课程总体安排。 4．课时安排： 1 学时。 5．教学手段： Powerpoint 课件。 6．作业及思考题： 借参考书，查阅与本门课有关的文献资料，了解控制理论的 应用及最新发展动态。 [教案 1-2] 第二节 控制系统的基本概念 1．主要内容： 本讲主要介绍控制系统的基本工作原理、 开环闭环和复合控制系统、 闭环控 制系统的基本组成等内容。 [教案 1-1] 第一节 概述 控制理论的发展、 控制理论在工程 给出定义，并以瓦特发明的蒸汽机

自动控制原理基础教程第三版胡寿松第一章课后答案

1-2 仓库大门自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门开闭的工作原理，并画出系统方框图。 题1-2图仓库大门自动开闭控制系统 解当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电动机反转带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。系统方框图如下图所示。 1-4 题1-4图为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图，并说明为了保持热水温度为期望值，系统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置各是什么？ 题1-4图水温控制系统原理图 解工作原理：温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温，并在温度控制器中与给定温度相比较，若低于给定温度，其偏差值使蒸汽阀门开大，进入热交换器的蒸汽量加大，热水温度升高，直至偏差为零。如果由于某种原因，冷水流量加大，则流量值由流量计测得，通过温度控制器，开大阀门，使蒸汽量增加，提前进行控制，实现按冷水流量进行顺馈补偿，保证热交换器出口的水温不发生大的波动。 其中，热交换器是被控对象，实际热水温度为被控量，给定量（希望温度）在控制器

中设定；冷水流量是干扰量。 系统方块图如下图所示。这是一个按干扰补偿的复合控制系统。 1-5 题1-5图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量及各部件的作用，画出系统方框图。 题1-5图 炉温自动控制系统原理图 解 加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。 在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。此时，0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。 当炉膛温度T °C 由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程,控制的结果是使炉膛温度回升，直至T °C 的实际值等于期望值为止。 系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u （表征炉温的希望值）。系统方框图见下图。

自动控制原理基本概念总结

《自动控制原理》基本概念总结 1.自动控制系统的基本要求是稳定性、快速性、准确性 2.一个控制系统至少包括控制装置和控制对象 3.反馈控制系统是根据被控量和给定值的偏差进行调节的控制系统 4.根据自动控制系统是否形成闭合回路来分类，控制系统可分为开环控制系统、闭环控制系统。 根据信号的结构特点分类，控制系统可分为：反馈控制系统、前馈控制系统和前馈-反馈复合控制系统。根据给定值信号的特点分类，控制系统可分为：恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。 根据控制系统元件的特性分类，控制系统可分为：线性控制系统、非线性控制系统。 根据控制信号的形式分类，控制系统可分为：连续控制系统、离散控制系统。 5.令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的特征方程 6.系统的传递函数完全由系统的结构和参数决定 7.对复杂系统的方框图，要求出系统的传递函数可以采用梅森公式 8.线性控制系统的特点是可以应用叠加原理，而非线性控制系统则不能 9.线性定常系统的传递函数，是在零初始条件下，系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换的比。 10.信号流图中，节点可以把所有输入支路的信号叠加，并把叠加后的信号传送到所有的输出支路。 11.从控制系统稳定性要求来看，系统一般是具有负反馈形式。 12.组成控制系统的基本功能单位是环节。 13.系统方框图的简化应遵守信号等效的原则。 14.在时域分析中，人们常说的过渡过程时间是指调整时间 15.衡量一个控制系统准确性／精度的重要指标通常是指稳态误差 16.对于二阶系统来说，系统特征方程的系数都是正数是系统稳定的必要条件 17.若单位反馈系统在阶跃函数作用下，其稳态误差ess为常数，则此系统为0型系统 18.一阶系统的阶跃响应无超调 19.一阶系统 G(s)= K/(Ts+1)的T越大，则系统的输出响应达到稳态值的时间越长。 20.控制系统的上升时间tr、调整时间tS等反映出系统的快速性。 21.二阶系统当0<ζ<1时，如果ζ增加，则输出响应的最大超调量将减小。 22.对于欠阻尼的二阶系统，当阻尼比ξ保持不变时，无阻尼自然振荡频率ωn越大，系统的超调量σp不变 23.在单位斜坡输入信号作用下，?II型系统的稳态误差 ess=0 24.衡量控制系统动态响应的时域性能指标包括动态和稳态性能指标。 25.分析稳态误差时，将系统分为0型系统、I型系统、II型系统…，这是按开环传递函数中的积分环节数来分类的。 26.二阶系统的阻尼系数ξ=时，为最佳阻尼系数。这时系统的平稳性与快速性都较理想。 27.系统稳定性是指系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到原来的平衡状态的性能。 28.系统特征方程式的所有根均在根平面的左半部分是系统稳定的充要条件。 29.如果系统中加入一个微分负反馈，将使系统的超调量减小。 30.确定根轨迹与虚轴的交点，可用劳斯判据判断。 31.主导极点的特点是距离虚轴很近。 32.根轨迹上的点应满足的幅角条件为∠G(s)H(s)等于±(2l+1)π (l=0,1,2,…) 33.如果要求系统的快速性好，则闭环极点应距离虚轴越远越好。 34.根轨迹的分支数等于特征方程的阶数/开环极点数，起始于开环传递函数的开环极点，终止于开环传递函数的开环零点。 35. 根轨迹与虚轴相交时，在该交点处系统处于临界稳定状态，系统阻尼为0

自动控制原理电子教案

第一章自动控制原理的基本概念 主要内容： 自动控制的基本知识 开环控制与闭环控制 自动控制系统的分类及组成 自动控制理论的发展 §1.1 引言 控制观念 生产和科学实践中，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。 同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的状态。 例如：卫星运行轨道，导弹飞行轨道，加热炉出口温度，电机转速等控制 控制：为了满足预期要求所进行的操作或调整的过程。 控制任务可由人工控制和自动控制来完成。 §1.2 自动控制的基本知识 1.2.1 自动控制问题的提出 一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。 当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。

所谓控制就是强制性地改变某些物理量(如上例中的进水量)，而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。 这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。 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(或状态)自动地按预先给定的规律去运行。 当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。

2. 自动控制的基本职能元件 自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与动控制的功能方框图进行对照。 比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件： 测量元件与变送器（代替眼睛） 自动控制器（代替大脑） 执行元件（代替肌肉、手）

自动控制原理第一章教案

第一章绪论 一、自动控制技术 自动控制技术被大量应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测、交通管理、科研开发、军事领域、特别是空间技术和核技术。自动控制技术的广泛应用不仅使各种生产设备、生产过程实现了自动化，提高了生产效率和产品质量，尤其在人类不能直接参与工作的场合，就更离不开自动控制技术了。自动控制技术还为人类探索大自然、利用大自然提供了可能和帮助。 二、自动控制理论的发展过程 1.1945年之前，属于控制理论的萌芽期。1945年，美国人伯德（Bode）的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础，至此进入经典控制理论时期，此时已形成完整的自动控制理论体系。 2.二十世纪六十年代初。用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”（卡尔曼Kalman）奠定了现代控制理论的基础。现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统，高精度复杂系统的控制问题，主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态空间法，提出了最优控制等问题。

3.七十年代以后，各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂，自动控制理论继续发展，进入了大系统和智能控制时期。例如智能机器人的出现，就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。 三、自动控制技术与人类历史发展 1.自动计时漏壶：古代利用滴水、沙多少来计量时间的一种仪器。水漏是以壶盛水，利用水均衡滴漏原理，观测壶中刻箭上显示的数据来计算时间。历史可追溯到夏、商时期。沙漏是为了避免水因气温变化而影响计时精度而设计的。其原理是通过流沙推动齿轮组，使指针在时刻盘上指示时刻。最早记载见于元代。 2.记里鼓车：记里鼓车是中国古代用于计算道路里程的车，行一里路打一下鼓的装置，故名“记里鼓车”。记里鼓车这是一种会自动记载行程的车辆，是中国的科学家、发明家研制出的自动机械物体，被机器人专家称为是一种中国。记里鼓车的记程功能是由完成的。车中有一套减速齿轮系，始终与车轮同时转动，其最末一只在车行一里时正好回转一周，车子上层的木人受牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以示里程。 3.指南车：指南车又称司南车，是中国古代用来指示方向的一种装置。它与指南针利用地磁效应不同，它不用磁性。它是利用机械传动系统来指明方向的一种机械装置。其原理是，靠人力来带动两轮的指南车行走，依靠车内的机械传动系统来传递转向时两车轮的差动来带动车上的指向木人与车转向的方向相反角度相同，使车上的木人指示方向，不论车子转向何方，木人的手始终指向指南车出发时设置木人指示的方向，“车虽回运而手常指南”。 4.伺服机构(servomechanism)系指经由闭和回路控制方式达到一个机械系统位置、速度、或加速度控制的系统，其中被控量为机械位置或机械位置对时间的。一个伺服系统的构成通常包含受控体(plant)、致动器(actuator)、(sensor)、(controller)等几个部分。 1.1.1 自动控制和自动控制系统

自动控制原理教案

自动控制原理教案 经典控制部分 第一章控制理论一般概念3学时 (2) 第二章控制系统的数学模型9学时 (6) 第三章控制系统的时域分析10学时 (15) 第五章频率特性12学时 (26) 第六章控制系统的校正与设计8学时 (36) 第七章非线性系统8学时 (40) 第八章离散控制系统8学时 (45)

第一章控制理论一般概念3学时 1．本章的教学要求 1）使学生了解控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容，认识本学科在国民经济建设中的重要作用，从而明确学习本课程的目的。 2）使学生深入理解控制系统的基本工作原理、开环闭环和复合控制系统、闭环控制系统的基本组成等内容，学会利用所学控制原理分析控制系统。 3）使学生学会控制系统的基本分类方法， 4）掌握对控制系统的基本要求。 2．本章讲授的重点 本章讲授的重点是控制系统的基本概念、反馈控制原理、控制系统的的基本分类方法及对控制系统的基本要求。 3．本章的教学安排 本课程讲授3个学时，复习学时3个。 演示《自动控制技术与人类进步》及《自动化的应用举例》幻灯片，加深同学对本课程研究对象和内容的了解，加深对反馈控制原理及系统参数对系统性能影响的理解。

[教案1-1] 第一节概述 1．教学主要内容： 本讲主要介绍控制工程研究的主要内容、控制理论的发展、控制理论在工程中的应用及控制理论的学习方法等内容。 2．讲授方法及讲授重点： 本讲首先介绍控制工程研究的主要内容，给出定义，并以瓦特发明的蒸汽机离心调速器为例，说明需要用控制理论解决控制系统的稳定、准确、快速等问题。 其次，在讲授控制理论的发展时，主要介绍控制理论的发展的三个主要阶段，重点说明经典控制理论、现代控制理论研究的范围、研究的手段，强调本课程重点介绍经典控制理论。 另外，在介绍控制理论在工程中的应用时，应举出控制理论在军事、数控机床、加工中心、机器人、机电一体化系统、动态测试、机械动力系统性能分析、液压系统的动态特性分析、生产过程控制等方面的应用及与后续课的关系，激发同学的学习兴趣。 最后，在介绍控制理论的学习方法时，先说明本门课的特点，起点高、比较抽象、系统性强，然后强调学习本门课程应以新的视角分析和考虑问题，以系统的而不是孤立的、动态的而不是静态的观点和方法来思考和解决问题；掌握控制理论的基本概念、基本理论和基本方法并注意结合实际，为解决工程中的控制问题打下基础。 3．注意事项：介绍本门课的参考书及课程总体安排。 4．课时安排：1学时。 5．教学手段：Powerpoint课件。 6．作业及思考题：借参考书，查阅与本门课有关的文献资料，了解控制理论的应用及最新发展动态。

自动控制原理知识点.

第一章自动控制的一般概念 1.1 自动控制的基本原理与方式 1、自动控制、系统、自动控制系统 ◎自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制 器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自 动地按照预定的规律（给定值）运行。 ◎系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存， 并能完成一定的任务。 ◎自动控制系统：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被 控对象组成。 除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。 ?测量元件：用以测量被控量或干扰量。?比较元件：将被控量与给定值进行比较。

?执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象。 参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。 2、自动控制原理及其要解决的基本问题 ◎自动控制原理：是研究自动控制共同规律的技术科学。而不是对某一过程或对象的具体控 制实现（正如微积分是一种数学工具一样）。 ◎解决的基本问题： ?建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述） ?分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能） ?综合：控制系统的综合与校正——控制器设计（方案选择、设计） 3、自动控制原理研究的主要内容 经典控制理论现代控制理论 研究对象单输入、单输 出系统 （SISO） 多输入、多输 出系统 （MIMO）

4、室 温控 制系统 5、控制系统的基本组成 ◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。 ◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放大 器）。 ◎执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空调器）。 ◎测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称 数学 模型 传递函数 状态方程 研究 手段 频域法、根轨迹法 状态空间方法 研究 目的 系统综合、校正 最优控制、系统辨识、最优 估计、自适应 控制

自动控制原理课程教案-附录1-拉普拉斯变换复习课程

自动控制原理课程教案-附录1-拉普拉斯 变换

附录1. 拉普拉斯变换 附录1.1 拉氏变换的定义 如果有一个以时间为变量的函数()f t ，它的定义域是0t >，那么拉氏变换就是如下运算式 ()()st t F s f t e dt ∞ =? A-1 式中s 为复数。一个函数可以进行拉氏变换的充分条件是 （1） 在0t <时，()0f t =； （2） 在0t ≥时的任一有限区域内，()f t 是分段连续的； （3） 0()st f t e dt ∞ <∞? 在实际工程中，上述条件通常是满足的。式A-1中，()F s 成为像函数，()f t 成为原函数。为了表述方便，通常把式A-1记作 ()[()]F s L f t = 如果已知象函数()F s ，可用下式求出原函数 1 ()()2c j st c j f t F s e ds j π+∞-∞ = ? （A-2） 式中c 为实数，并且大于()F s 任意奇点的实数部分，此式称为拉氏变换的反变换。同样，为了表述方便，可以记作 1()[()]f t L F s -= 为了工程应用方便，常把()F s 和()f t 的对应关系编成表格，就是一般所说的拉氏变换表。表A-1列出了最常用的几种拉氏变换关系。

一些常用函数的拉氏变换 附录1.1.1 单位阶跃函数的拉氏变换 这一函数的定义为 0, 0()0, 0t u t t ? 它表示0t =时，突然作用于系统的一个不变的给定量或扰动量，如图3-1所示。单位阶跃函数的拉氏变换为 0011 ()[]st st F s e dt e s s ∞--∞==-=? 在进行这个积分时，假设s 的实部比零大，即Re[]0s >，因此 lim 0st t e -→∞ → 附录1.1.2 单位脉冲函数的拉氏变换 单位脉冲函数也是作为自动控制系统常用的标准输入量。它是在持续时间0ε→期间内作用的矩形波，其幅值与作用时间的乘积等于1，如图3-3所示。其数学表达式为 00, 0()1 lim 0 t t t t εε δεε →>>?? =?<? 如图3-2所示，斜坡时间函数的拉氏变换为

自动控制原理实验(全面)

自动控制原理实验 实验一 典型环节的电模拟及其阶跃响应分析 一、实验目的 ⑴ 熟悉典型环节的电模拟方法。 ⑵ 掌握参数变化对动态性能的影响。 二、实验设备 ⑴ CAE2000系统（主要使用模拟机，模/数转换，微机，打印机等）。 ⑵ 数字万用表。 三、实验内容 １．比例环节的模拟及其阶跃响应 微分方程 )()(t Kr t c -= 传递函数 = )(s G ) () (s R s C K -= 负号表示比例器的反相作用。模拟机排题图如图9-1所示，分别求取K=1，K=2时的阶跃响应曲线，并打印曲线。 图9-1 比例环节排题图 图9-2 积分环节排题图 ２．积分环节的模拟及其阶跃响应 微分方程 )() (t r dt t dc T = 传递函数 s K Ts s G ==1)( 模拟机排题图如图9-2所示，分别求取K=1，K=0.5时的阶跃响应曲线，并打印曲线。 ３．一阶惯性环节的模拟及其阶跃响应 微分方程 )()() (t Kr t c dt t dc T =+ 传递函数 1 )(+=TS K S G 模拟机排题图如图３所示，分别求取K=1, T=1; K=1, T=2; K=2, T=2 时的阶跃

响应曲线，并打印曲线。 ４．二阶系统的模拟及其阶跃响应 微分方程 )()() (2)(2 22 t r t c dt t dc T dt t c d T =++ξ 传递函数 121 )(22++=Ts s T s G ξ2 2 2 2n n n s s ωξωω++= 画出二阶环节模拟机排题图，并分别求取打印： ⑴ T=1，ξ=0.1、0.5、1时的阶跃响应曲线。 ⑵ T=2，ξ=0.5 时的阶跃响应曲线。 四、实验步骤 ⑴ 接通电源，用万用表将输入阶跃信号调整为2V 。 ⑵ 调整相应系数器；按排题图接线，不用的放大器切勿断开反馈回路（接线时，阶跃开关处于关断状态）；将输出信号接至数/模转换通道。 ⑶ 检查接线无误后，开启微机、打印机电源；进入CAE2000软件，组态A/D ，运行实时仿真；开启阶跃输入信号开关，显示、打印曲线。 五．实验预习 ⑴ 一、二阶系统的瞬态响应分析；模拟机的原理及使用方法（见本章附录）。 ⑵ 写出预习报告；画出二阶系统的模拟机排题图；在理论上估计各响应曲线。 六．实验报告 ⑴ 将每个环节的实验曲线分别整理在一个坐标系上，曲线起点在坐标原点上。分析各参数变化对其阶跃响应的影响，与估计的理论曲线进行比较，不符请分析原因。 ⑵ 由二阶环节的实验曲线求得σ﹪、t s 、t p ，与理论值进行比较，并分析σ﹪、t s 、t p 等和T 、ξ的关系。 实验二 随动系统的开环控制、闭环控制及稳定性 一．实验目的 了解开环控制系统、闭环控制系统的实际结构及工作状态；控制系统稳定的概念以及系统开环比例系数与系统稳定性的关系。 二．实验要求 能按实验内容正确连接实验线路，正确使用实验所用测试仪器，在教师指导下独立