自动控制理论基础

1、自动控制理论基础课程编号:0310620 课程名称：自动控制理论基础 英文名称：BASIC AUTOMACTIC CONTROL SYSTEM  总 学 时：32总 学 分：2适用对象: 理工类高年级本科生先修课程：积分变换、电路等  一、课程性质、目的和任务   古典自动控制理论讲述的是单输入单输出反馈控制系统的数学模型及数学基本原理，直接为解决实际控制系统中的问题提供理论和方法，是具有一般方法论特点的技术基础课，重点在于学习反馈控制系统的基本理论及其基本方法，在其后续课程中能够完成简单的分析和设计控制系统的任务。   通

2、过本课程的学习，应掌握线性控制系统的数学模型、对控制质量进行评价的三种指标（对二阶系统的几个评价参数应熟练掌握）、线性控制系统的时域分析、频域分析、根轨迹法。掌握线性控制系统的校正方法和基本原理。  二、教学要求和内容（标记的为重点，应熟练掌握；标记的为难点，应理解。）本课程的重点在于线性系统的时域分析法，根轨迹法和线性系统的频域分析法。   时域分析法中，重点了解二阶系统的动态指标，峰值时间、调节时间、超调量，以及时域中的稳定性分析（Routh判据）和稳态误差分析。   根轨迹法中应重点掌握根轨迹的绘制方法及对闭环性能的分析方法，了

3、解参数根轨迹。   频域分析法中，应重点掌握通过绘制开环副相曲线和对数幅频曲线，判定闭环稳定性。即掌握Nyquist判据及稳定裕度的概念和计算。   掌握线性系统的分析校正的方法和基本原理。1.自动控制的基本概念 1.1 自动控制的基本原理及基本控制方式自动控制的发展及现状 控制理论的三要素：同构理论、信息流动、反馈机制 自动控制 自动控制系统 开环控制 闭环控制 复合控制 1.2 自动控制系统示例及基本组成被控对象 执行机构 放大装置 检测装置 比较装置 反馈装置 校正装置 输入信号 输出信号 扰动信号 1.3 自动控制系

4、统的分类按数学模型分类 按控制方式分类 按元件类型分类 按系统功用分类 按输入量的变化规律分类 按输入输出的数量分 1.4 对控制系统的基本要求  稳定性 稳态性 动态性 1.5 典型输入信号  脉冲信号 阶跃信号 速度信号 加速度信号 正弦信号                         2 控制系统的

5、数学模型 2.1 控制系统的时域模型数学模型 控制系统的时域模型 典型元件的微分方程列写 线性系统微分方程的列写 线性系统微分方程的求解 非本质非线性系统及其线性化 2.2 控制系统的频域模型传递函数的定义 传递函数的性质 传递函数的零点 传递函数的极点 典型元部件的传递函数 典型环节的传递函数 无源网络、有源网络的传递函数 常用检测元件的传递函数 常用执行元件的传递函数 2.3 控制系统的结构图与信号流图结构图的概念 结构图的绘制 结构图的等效变换 结构图的简化 信号流图 梅逊公式 2.4 反馈控制系统的传递函数开环传递函数 输入作用及干扰作用下的闭环

6、传递函数 闭环系统的输出 输入作用及干扰作用下的误差传递函数 闭环系统的误差                                           3

7、60; 线性系统的时域分析法 3.1 线性系统时域响应的性能指标时域响应 动态过程 稳态过程 动态性能指标 稳态性能指标 3.2 一阶系统的时域分析一阶系统的数学模型 一阶系统的脉冲响应 一阶系统的阶跃响应 一阶系统的斜坡响应 一阶系统的加速度响应 一阶系统的性能分析 线性定常系统的一个重要结论 3.3 二阶系统的时域分析二阶系统的数学模型 二阶系统的各种类型 二阶系统的脉冲响应 二阶系统的阶跃响应 二阶系统的斜坡响应 二阶系统的性能分析 非零初始条件下二阶系统的响应过程 3.4 高阶系统的时域分析三阶系统的单位阶跃响应高阶系统的阶跃响应 闭环主导极点

8、偶极子对 高阶系统的性能分析及性能指标估算 3.5 线性系统稳定性的时域分析控制系统稳定性定义 控制系统稳定的必要条件 控制系统稳定的充要条件 古尔维茨判据 劳斯判据 劳斯判据的两种特殊情况 利用劳斯判据设计系统的稳定裕度 利用劳斯判据设计系统的参数 利用劳斯判据分析系统闭环极点的分布 3.6 线性系统稳态误差的计算控制系统的误差 控制系统的稳态误差 系统类型 静态位置误差系数 静态速度误差系数 静态加速度误差系数 动态误差系数 扰动作用下的稳态误差 提高系统稳态性能的措施 4 线性系统的根轨迹法 4.1 根轨迹方程根轨迹 根轨迹方程 闭环零、极点与开环

9、零、极点之间的关系 根轨迹与系统性能 4.2 根轨迹绘制的基本法则根轨迹绘制法则 由根轨迹确定闭环极点 系统闭环极点之积 系统闭环极点之和 4.3 广义根轨迹参数根轨迹 等效传递函数 附加开环零点对系统的影响 附加开环极点对系统的影响 零度根轨迹 零度根轨迹的绘制 4.4 系统性能的分析与估算稳定性分析 振荡性能分析 快速性分析 稳态性分析 闭环零极点与时间响应 系统性能的定量计算 5 线性系统的频域分析法 5.1 引言  频域分析的基本概念 频率特性的物理意义 5.2 频率特性频率特性的概念 幅频特性 相频特性 幅相曲线

10、对数频率特性曲线 对数幅相曲线系统零、极点与频率特性的关系 5.3 典型环节的频率特性  典型环节的频率特性 典型环节的幅相曲线 典型环节的对数频率特性曲线 5.4 开环系统的频率特性控制系统的开环幅相曲线 控制系统的开环对数频率特性曲线 最小相位系统 非最小相位系统 不稳定环节的频率特性 延迟环节的频率特性 5.5 Nyquist稳定性判据幅角原理 Nyquist稳定性判据 Nyquist稳定性判据的证明Nyquist稳定性判据的应用 开环临界稳定时Nyquist稳定性判据的应用 对数频率稳定判据条件稳定系统 多环系统稳定性判据 5.6 稳定

11、裕度稳定裕度 相位裕度 幅值裕度 5.7 闭环频率特性闭环频率特性 闭环频率特性的几何描述 系统带宽 系统带宽频率 频率尺度与时间尺度的反比性质 5.8 系统时域指标的估算开环对数频率特性与时域指标的关系 由相位裕度计算二阶系统的时域指标 由相位裕度估计高阶系统的时域指标 由闭环频率特性估算时域指标6 控制系统的校正方法 6.1 控制系统设计与校正的基本概念控制系统的设计方法 控制系统的校正方法（时域法、频域法、根轨迹法、复合控制法） 性能指标 校正方式（串联校正、并联校正、反馈校正、复合校正） 校正装置(无源校正、有源校正、超前校正、迟后校正、迟后-超前校正、P

12、ID控制器) 基本控制规律 6.2 时域法校正方法二阶系统的比例微分控制 二阶系统的速度反馈控制 比例积分控制 PID控制 6.3 频率法校正方法串联超前校正 串联滞后校正 串联滞后一超前校正 串联综合法校正设计 串联工程法设计 反馈校正 6.4 根轨迹校正方法串联超前校正 串联滞后校正 串联滞后-超前校正 参数设计 6.5 复合控制方法复合校正 不变性原理 按扰动补偿的复合校正 按输入补偿的复合校正   （ 四） 作业   每章讲解结束，根据教学内容，留有一定数量的作业。 三、教学安排及方式 本课程以课堂教学为主，分专题讲授，留下思考题。为了使教学的效果明显，我们不但要求内容新颖、有针对性，而且力求教学形式多样、教学手段灵活，让学生喜闻乐见，吸引学生积极参与。比如课堂讲授与讨论相结合，听课和案例分析相结合等