高国燊《自动控制原理》（第4版）笔记和考研真题详解

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内容简介
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第1章　绪　论
　1.1　复习笔记
　1.2　名校考研真题详解
第2章　自动控制系统的数学模型
　2.1　复习笔记
　2.2　名校考研真题详解
第3章　自动控制系统的时域分析
　3.1　复习笔记
　3.2　名校考研真题详解
第4章　根轨迹分析法
　4.1　复习笔记
　4.2　名校考研真题详解
第5章　频率特性分析法
　5.1　复习笔记
　5.2　名校考研真题详解
第6章　自动控制系统的校正
　6.1　复习笔记
　6.2　名校考研真题详解
第7章　非线性控制系统的分析方法
　7.1　复习笔记
　7.2　名校考研真题详解
第8章　线性离散（时间）控制系统分析
　8.1　复习笔记
　8.2　名校考研真题详解
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内容预览
第1章　绪　论
1.1　复习笔记
一、引言
1．自动控制简介
（1）定义
自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（简称控制器）使整个生产过程或工作机械（称为被控对象）自动地按预先规定的规律运行，或使它的某些物理量（称为被控量）按预定的要求产生变化。
（2）分类
自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。
①经典控制理论
a．形成时间：20世纪40年代到50年代。
b．研究范围：线性系统理论，非线性系统理论和离散控制理论。
③现代控制理论
a．形成时间：20世纪60年代初。
b．研究范围：处理多变量、非线性、时变和自适应等控制问题。
2．研究方法
（1）经典控制理论研究方法
主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。
（2）现代控制理论研究方法
以矩阵理论等近代数学方法作为工具，主要研究方法是状态空间法。
二、自动控制的基本概念
1．人工控制与自动控制
（1）人工控制
①定义
人工控制是指有人直接参与的控制。
②控制过程
人工控制的过程是测量、求误差、控制、再测量、再求误差、再控制这样一种不断循环的过程。
（2）自动控制
①定义
自动控制是指在控制系统中以某种装置完全替代人的作用，从而实现自动控制。
②控制过程
控制器根据反馈回来的误差以一定的算法给出控制量，使被控对象的输出达到要求。
2．开环控制系统
（1）定义
开环控制系统是指只有输入量对输出量的单向控制作用，而输出量与输入量没有任何影响和联系，即系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路。
（2）特点
①开环控制系统没有抵抗外部干扰的能力，故控制精度较低；
②系统的结构简单、造价较低。
3．闭环控制系统
（1）定义
闭环控制系统是指通过反馈回路使系统构成闭环，并按偏差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差（从而减小或消除误差）的控制系统，也叫做反馈控制系统。
（2）优缺点
①优点
a．闭环控制系统具有很强的纠偏功能，对干扰具有良好的适应性。
b．系统对外部或内部干扰（如元部件参数变动）的影响不是很敏感，可以选用不太精密的元件构成较为精密的控制系统。
②缺点
a．采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。
b．若参数配合不当，控制过程可能变得很差，甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。
4．自动控制系统的特征和定义
（1）自动控制系统的特征
①在结构上，系统必须具有反馈装置，并按负反馈的原则组成系统。
②系统按照偏差的性质（大小、方向）进行控制。
③控制的目的是力图减小或消除偏差，使被控制量尽量接近期望值。
（2）自动控制系统的定义
自动控制系统是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除所存在的偏差。
三、自动控制系统的组成
1．基本组成部分
（1）典型自动控制系统的方块图
图1-1是一个典型自动控制系统的职能框图，简称方块图。

图1-1典型自动控制系统的方块图
（2）典型元件的职能
①测量反馈元件：用以测量被控量并将其转换成与输入量相同的物理量后，再反馈到输入端以作比较。
②比较元件：用来比较输入信号与反馈信号，并产生反映两者差值的偏差信号。
③放大元件：将微弱的信号作线性放大。
④校正元件：按某种函数规律变换控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。
⑤执行元件：根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期望值变化。
⑥被制对象：生产过程中需要进行控制的物理量，工作机械或生产过程。
2．自动控制系统中常用的名词术语
（1）系统
自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。
（2）输入信号
系统的输入信号是指参考输入，又叫做给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。
（3）输出信号
系统的输出信号是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又叫做被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。
（4）反馈信号
反馈信号是指系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端的信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。
（5）偏差信号
偏差信号是指参考输入与主反馈信号之差，简称偏差。
（6）误差信号
误差信号是指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。
（7）扰动信号
简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部。
四、自动控制系统的分类
1．按输入信号的特征分类
（1）恒值控制系统
①定义
恒值控制系统，又称自动调整系统，是指输入信号为某个常数的控制系统。
②控制特点
扰动的出现，使被控量偏离期望值而出现偏差，恒值系统能根据偏差的性质产生控制作用，使被控量以一定的精度回复到期望值附近。
（2）程序控制系统
①定义
程序控制系统是指输入信号按照预先知道的时间函数进行变化的控制系统。
②控制特点
事先知道系统的发展态势，使输入信号按照给定的函数进行变化，从而控制系统的运行。
（3）随动系统
①定义
随动系统，又称伺服系统，是指输入信号随时间任意变化的系统。
②控制特点
控制系统能使被控量以尽可能高的精度跟随给定值的变化，随动系统也能克服扰动的影响。
2．按描述元件的动态方程分类
（1）线性系统
①特点
组成系统的全部元件都是线性元件，它们的输入一输出静态特性均为线性特性。
②描述方法
线性系统的运动过程可用线性微分方程（或差分方程）来描述。
（2）非线性系统
①特点
系统中含有一个或多个非线性元件，非线性元件的输入一输出静态特性是非线性特性。
②描述方法
非线性系统的运动过程需用非线性微分方程（或差分方程）来描述。
3．按信号的传递是否连续分类
（1）连续系统
①定义
连续系统是指各环节间的信号均为时间t的连续函数的系统。
②特点
信号在任意时刻都是时间的函数。
③描述方法
连续系统的运动规律可用微分方程描述。
（2）离散系统
①定义
离散系统是指，在信号传递过程中有一处或以上的信号是脉冲序列或数字编码的系统。
②特点
信号在特定离散时刻

中是时间的函数，而在上述离散时刻之间，信号无意义（不传递）。
③描述方法
离散系统的运动规律需用差分方程描述。
4．按系统的参数是否随时间而变化分类
（1）定常系统
定常系统是指系统中的参数不随时间的变化而改变的系统。
（2）时变系统
时变系统是指系统中的参数是时间t的函数的系统。
五、对自动控制系统的基本要求及本课程的研究内容
1．对自动控制系统的基本要求
工程上把控制性能的要求归纳为稳定性、快速性和准确性三个方面。
（1）稳定性
①定义
稳定性是指系统重新恢复平衡状态的能力。
②特点
由于闭环控制系统有反馈作用，故控制过程有可能出现振荡或不稳定。
（2）快速性
①定义
快速性是指系统由原先的平衡状态过渡到另一个新的平衡状态的快慢程度。
②特点
由于系统的对象和元件具有一定的惯性，当系统输入信号改变时，系统需要由一个平衡态过渡到另一个平衡态。
（3）准确性
①定义
准确性是指系统输出量的实际值与期望值之间的差别程度。
②特点
系统的准确性与系统的快速性往往是相互矛盾的，需要采取折中的方法，以使系统总体性能最优。
2．本课程的研究内容
自动控制系统的研究内容主要分为系统分析和系统设计两个方面。
（1）系统分析
①定义
系统分析是指在已知系统的结构和参数的情况下，研究系统在某种典型输入信号作用下被控量变化的全过程。
②分析目的
a．得出评价系统性能的指标；
b．讨论系统的性能指标与系统结构、参数的关系。
（2）系统设计
①定义
系统设计是指在给出被控对象及其技术指标要求的情况下，寻求一个能完成既定控制任务、满足所提的技术指标要求的控制系统。
②设计要求
根据性能要求，改变系统的某些参数（结构）或加入某种装置，使其满足预定的性能指标要求。

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