自动控制系统概述
自动控制理论是一门研究自动控制系统的性能，即系统性能好坏的技术科学。其研究对象为自动控制系统，主要研究问题为自动控制系统的性能。课程内容主要包括如何建立数学模型、工程上分析和计算系统的方法以及一般的理论和规律。
自动控制理论的发展简史
- 经典控制理论：20世纪50年代末形成完整体系，以传递函数为基础研究单输入输出系统（SISO）的反馈控制系统。主要方法包括时域分析法、根轨迹法和频率法。
- 现代控制理论：60-70年代，以状态空间法为基础研究多输出输入（MIMO）系统，变参数、非线性、高精度等系统。主要方法为状态空间分析法。
- 控制论：大系统理论和智能控制论。大系统论是用控制和信息的观点研究大系统的结构方案、总体设计中的分析方法和协调问题，智能控制论是研究与模拟人类活动的机理的新的控制论。
自动控制系统的基本概念
- 自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(控制装置)，使机器、设备或者生产过程(控制对象)的某个工作状态或参数(被控量)自动的按照预定的规律运行。
- 反馈控制：将输出量的全部或一部分通过适当的测量装置返回到输入端，使两者进行比较，根据比较的结果进行控制，是实现自动控制的最基本方法。
- 反馈控制系统：由给定元件、比较元件、放大元件、执行元件、测量元件和控制对象组成。
- 系统的分类：按照有无反馈分为开环系统和闭环系统；按照给定量的运动规律分为恒值调节系统、程序控制系统和随动系统；按照反应特性分为连续控制系统、数字控制系统和复合控制系统。
- 控制系统的基本要求：稳定性、准确性、快速性。
控制系统的数学模型
- 数学模型：描述系统的数学表达式，意义是通过数学模型，在理论上掌握系统在一定的输入作用下的运动规律以及稳定情况和动态过程。
- 微分方程：是最基本的数学模型，是其他两种的基础上。
- 建立微分方程的一般步骤：确定输入量、输出量和扰动量，并根据需要引进一些中间变量；根据物理或化学定律，列出微分方程；消去中间变量后得到描述输出量与输入量(包括扰动量)关系的微分方程（标准形式）。
- 传递函数：对于线性定常系统，在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换Y(s)与输入量的拉氏变换X(s)之比。
- 典型环节：比例环节、惯性环节、积分环节、振荡环节、微分环节和延时（滞后）环节。
控制系统的时间响应分析
- 时间响应：控制系统在典型信号的作用下，输出量随时间变化的函数关系。
- 典型输入信号：阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数。
- 一阶系统的时间响应：可以用一阶微分方程描述的系统，其单位阶跃响应为指数函数。
- 二阶系统的时间响应：用二阶微分方程描述的系统，其单位阶跃响应根据阻尼比的不同分为过阻尼、欠阻尼和零阻尼三种情况。
- 控制系统误差分析：准确性，即系统的精度，是用系统的误差来度量的。系统的误差可分为动态误差和稳态误差，动态误差是指误差随时间变化的过程值，而稳态误差是指误差的终值。
控制系统的频率特性分析
- 频率特性：系统（或元件）对不同频率正弦输入信号的响应特性。
- 频率特性的表示方法：幅相频率特性图（奈魁斯特图）、对数频率特性图（伯德图）、对数幅相频率特性图（尼柯尔斯图）。
- Bode图：由对数幅频特性和对数相频特性两条曲线所组成，优点是幅频特性的乘除运算转变为加减运算，对系统作近似分析时，只需画出对数幅频特性曲线的渐进线，大大简化了图形的绘制。
- 系统辨识：采用实测bode图确定系统的传递函数，实质是研究输入与输出的传递关系。
控制系统的性能分析与校正
- 控制系统校正：根据生产工艺的要求来设计一个系统，使之各项性能指标满足预期的要求。
- 校正的一般过程：需要在系统中引进一些附加装置来改变整个系统的特性，以满足给定的性能指标。这种为改善系统的静、动态性能而引入系统的装置，称为校正装置。
- 基本校正方法：串联校正、反馈校正、前馈校正。
- 串联校正：校正装置与系统不可变部分成串联连接的方式，适用于参数变化的敏感性较强的场合。
- 反馈校正：校正装置与系统不可变部分或不可变部分中的一部分按反馈方式连接，设计相对较为复杂，优点是可以抑制系统的参数波动及非线性因素对系统性能的影响。
- 前馈校正：前馈校正的信号取自闭环外的系统输入信号，按其所取的输入性质不同，可以分成按给定的前馈校正和按扰动的前馈校正，前馈校正一般不单独使用，总是和其他校正方式结合应用而构成复合控制系统。
