控制工程基础第一章 概论(含习题答案)

数字控制系统：采用计算机或数字控制器，其离散信号以数码形式传递的系统。
xi t

模拟量
A/D
数字量
计算机
数字量
D/A
模拟量
控制对象
xo t
检测装置
② 根据输入信号的特征

恒值调节系统：给定量恒定，分析重点在于如何克服扰动对被调 量的影响。 随动系统：被调量随给定量的变化而变化，要求输出量能准确、 快速地复现给定量。
① 给定元件：产生给定信号或输入信号。 ② 反馈元件：量测被调量或输出信号，产 生主反馈信号。 ③ 比较元件：比较输入信号和反馈信号之 间的偏差。 ④ 放大元件：对偏差信号进行信号放大和 功率放大的元件。
⑤ 执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。 ⑥ 控制对象：控制系统所要操纵的对象，其输 出量为系统的被调量（或被控制量）。 ⑦ 校正元件：用以稳定控制系统，提高性能。 a) 反馈校正 b) 串联校正
⑤ 按系统参数与时间的关系
①开环控制：输入直接供给控制器，通过控制器对受控对象产生控制 作用，没有输出反馈。
优点：结构简单、价格便宜、容易维修，不存在稳定性问题。 缺点：精度低，容易受环境变化的干扰影响。
参考输入 控制器 控制 指令 扰动 输出 受控对象
Mc恒定：ur↑ → ua↑ → n↑ ； ur ↓ → ua ↓ → n ↓ ur恒定： Mc ↑ → n↓ ； Mc ↓ → n ↑
1.2 自动控制系统的基本概念
5. 自动控制系统的基本类型
① 根据所采用信号处理技术的不同

模拟控制系统：采用模拟技术处理信号。 数字控制系统：采用数字技术处理信号。
偏差的脉冲系列
脉冲控制系统：离散信号取脉冲形式的系统
xi t

et
采样开关
e* t
数据 保持器
控制对象
x o t


Multivariable control system Coordinated control system for a boiler-generator 发电机组的联合控制
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
6. 控制理论的新发展
① 大系统理论：随着生产的发展和科学技术的进步，出现了许多规模庞 大、结构复杂（环节较多、层次较多或关系复杂）、目标多样、影响 因素众多，且常带有随机性的大系统，如电力系统、城市交通网、数 字通信网、柔性制造系统、生态系统、水源系统和社会经济系统等。 这类系统不能采用常规的建模方法、控制方法和优化方法来分析和设 计，因为常规方法无法通过合理的计算工作得到满意的解答。大系统 分析和设计理论包括：大系统建模、模型降阶、递阶控制、分散控制 和稳定性等内容。
Watt‘s flyball governor.



钱学森是我国航天之父、导弹之父、自动化控制之父。
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
4. 控制理论的进一步发展

20世纪60年代后，经典控制理论又在离散采样控制系统理论和非 线性系统稳定性分析方法等方面取得进一步发展； 1971年1月美国英特尔公司的霍夫（Hoff，Marcian Edward）发明 微处理器。，为计算 机控制系统应用和控制系统仿真奠定了硬件基础； 1984 年，美国 Cleve Molor 和 John Little 成立 Math Work 公司，把 MATLAB（matrix laboratory）软件推向市场，目前MATLAB已成 为全世界著名的控制系统仿真软件。
第一章 概论
1.1 控制理论在工程中的应用和发展 1.2 控制理论的基本概念 1.3 控制理论在机械制造工业中的应用
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
1. 早期的自动控制实践应用（1400BC～1868）
中国、埃及和巴比伦出现自动计 时漏壶（1400BC～1100BC）
希腊Philon发明了采用浮球 调节器来保持燃油液面高度 的油灯。(BC250年)。
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
6. 控制理论的新发展
② 智能控制理论：把人类具有的直觉推理和试凑法等智能加以形式化或 机器模拟，并用于控制系统的分析与设计中，以期在一定程度上实现 控制系统的智能化。智能控制是多学科交叉的学科，它的发展得益于 人工智能、认知科学、模糊集理论和生物控制论等许多学科的发展。 智能控制的研究对象具有不确定性、高度的非线性、任务要求复杂的 特点。智能控制系统的类型包括：专家控制系统、模糊控制系统、人 工神经网络控制系统等。
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
5. 控制理论的新发展
③ 集成控制理论：随着控制科学和计算机的飞速发展，基于网络的集成 控制系统应运而生，并逐渐成为国际学术界研究的一个热点。集成控 制系统具有信息资源共享、灵活性强、良好的自诊断和维护性能好等 优点。
1.2 自动控制系统的基本概念
1. 基本概念
扰动 控制输入
系统
被控制量
1.2 自动控制系统的基本概念
2. 自动控制系统工作原理
① ② ③
观测恒温箱内的实际温度（被控 制量）； 与要求的温度（给定量）比较、 得出温度偏差的大小和方向； 根据偏差调节调压器，控制电阻 丝的电流，以调节温度，使温度 恢复到要求值。
原理：检测偏差并用以纠正偏差
人工控制恒温箱的过程
中国张衡发明水运浑象，研制 出自动测量地震的候风地动仪 (132年)。
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
1. 早期的自动控制实践应用（1400BC～1868）
中国马均研制出用齿轮传动的自 动指示方向的指南车（235年）
中国明代宋应星所著《天工开物》 记载有程序控制思想的提花织机 结构图（1637年）
1.2 自动控制系统的基本概念
③ 按系统中传递信号的性质

连续控制系统：系统中各部分传递的信号是随时间连续变化的信号。 离散控制系统：系统某处或多处的信号是脉冲序列或数字量。
④ 按描述系统元件的微分方程

线性控制系统：由线性元件组成，输入和输出间具有叠加性和齐次性。 非线性控制系统：系统中有非线性元件。


Hoff，Marcian Edward
Cleve Molor，John Little，MATLAB
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
5. 经典控制理论和现代控制理论
早期经典控制理论在美国称伺服机构理论，在德国和苏联则称为自动调节理论； 1960在“第一届全美联合自动控制会议”上，把系统与控制领域中，研究单变量 控制问题的学科称为经典控制理论，研究多变量控制问题的学科称为现代控制 理论。 经典控制理论： 以线性定常系统为主的单输入单输出系统为研究对象，以传 递函数作为描述系统的数学模型，以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为主 要分析设计工具。 现代控制理论： 以时变参数、多变量、非线性复杂系统为研究对象，以状态 方程作为描述系统的数学模型，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分 析、设计的原理和方法。
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
3. 经典控制理论的发展

1788年，英国发明家James Watt（1736～1819）发明了控制蒸汽机速度的飞球 调节器，这是最著名的应用于工业过程的自动控制装置 。 1884年，英国E.J. Routh建立Routh判据（Routh Stability Criteria，Hurwitz 1895） 1868 年，英国科学家麦克斯发表的“论 调速器”的论文中，应用数学模型和数 学工具对飞球调节器稳定性问题进行探 索，标志着自动控制理论的诞生； 俄国A.M. Lyapunov博士论文“论运动稳 定性的一般问题” (1892 年 )，提出稳定 性的科学概念、研究方法和相关理论。 1927 年，美国电气工程师布莱克在改进 长途通信用信号发生器时，发明了负反 馈放大器，标志着反馈控制从无意识到 自觉应用的转折； 1948 ～ 1950 年，美国电气工程师埃文斯 提出并完善了根轨迹法； 1954 年 ， 我 国 科 学 家 钱 学 森 （ 1911 ～ 2009 ）发表《工程控制论》，把控制论 推广到工程技术领域。
t 温度
（被调量）
恒温箱自动控制系统职能方块图
反馈：输出量通过适当的测量转换装置将信号的全部或一部分返回输入 端，使之与输入量进行比较。比较的结果称为偏差。 反馈控制原理：基于反馈基础上的“检测偏差并用以纠正偏差” 。
1.2 自动控制系统的基本概念
3. 开环控制与闭环控制（按有无反馈测量装置分类）
1.2 自动控制系统的基本概念
控制器
输入变化引起的电机转速变化
负载变化引起的电机转速变化
1.2 自动控制系统的基本概念
4. 反馈控制系统的基本组成
给定元件
输入 信号 比较 元件 偏差 信号
扰动 串联校正 元件 放大元件 反馈校正 元件 执行元件 控制对象
输出
xi


ε

xo
局部反馈 主反馈
主反馈信号xb 反馈元件
① 自动控制： 在没有人参与的情况下，使被控对象的某些物理量准确地按照 预期规律变化。 例如：数控加工中心、焊接机器人、温度控制系统、主动悬架系统等。
主动悬架系统是在普通悬架系统中附加一个可以控制阻尼 作用力的装置，由执行机构、测量系统、反馈控制系统和 能源系统四部分组成。 主动悬架能够根据汽车的运动状态和路面状况，适时地调 节悬架的刚度和阻尼，使悬架系统处于最佳减振状态，使 车辆在各种路面状况下都会有良好的舒适性。
电机转速开环控制系统
1.2 自动控制系统的基本概念
② 闭环控制： 输出全部或部分被反馈回输入端，与输入比较得出偏 差加给控制器，再根据偏差调节受控对象，形成闭环控制回路。
优点：精度高、动态性能好、抗干扰能力强。 缺点：结构比较复杂，价格贵、维护较难。
扰动 参考输入
+_
控制器
反馈信号
控制指令
受控对象
输出
传感器
精度和稳定性之间的 矛盾是闭环系统的主 要矛盾。
Mc恒定： ur↑ → ue↑ →u1↑ → ua↑ → n↑； → uf↑ → ue↓→u1↓ → ua↓ → 如果ue<0，则 n↓； →……→ n稳定在预期数值附近。 ur恒定： Mc ↑ → n↓ →uf↓ →ue↑ → u1↑ → ua↑ → n↑ →……→ n稳定在预期数值附近； 电机转速闭环控制系统 Mc ↓ → n↑ →uf↑ → ue↓→ u1↓ → ua↓ → n↓ →……→ n稳定在预期数值附近。
1.2 自动控制系统的基本概念
1. 基本概念
② ③ 控制系统的基本任务：如何使被控制量按照给定量的变化规律而变化。 学习自动控制技术的目的： A. 分析系统： 分析某给定控制系统的工作原理、动态特性、稳定性、准 确性、快速性等。 B. 综合和设计系统： 在已知被控制对象和核定性能指标的前提下，寻求 控制规律，设计控制系统，并用机、电、光、液压等元部件或设备加 以实现。 ④ 控制系统： 由被控制对象和自动控制装置按一定方式联结起来的、完成一 定自动控制任务的总体。 A. 输入量：作用在系统上的激励信号。 a) 控制（指定、参考）输入：使系统具有预定性能的输入信号。 b) 扰动：干扰或破坏系统预定性能的输入信号。 B. 被控制量：系统的输出，表征控制对象或过程的状态和性能。
1.2 自动控制系统的基本概念
u1：与预期温度t1相应的给定电压 u2 ： 热电偶检测转换出来的与实际 温度t2相应的反馈电压 △u=u1-u2 ： 与实际温度误差△t=t1t2相应的电压偏差信号
给定元件
u1
u u 电压功率 ua 执行电机 放大 u2
减速器 热电偶
a
调压器
u
恒温箱 （控制对象）
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
2. 控制论和自动控制学科诞生
控制论奠基人：诺伯特·维纳(Norbert Wiener，1894-1964)，在火炮对空射 击自动控制的研究工作中，提炼出控制理论中最基本和最重要的负反馈概念。 准确控制的方法是把运动结果所决定的量，作为信息再反馈回控制仪器中。 （Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance.） 1948 年 Wiener 发表《控制论》，标志自动控制学科的诞生和经典控制理论 的成熟。