第一篇 控制工程基础第一章第三节2
控制工程基础(第一章)
生产过程的组织＋管理＋生产过程＝制造系统
生产过程的组织、管理以及生产过程中的每一个环 节都是整个制造系统的一个环节，任何一个环节都会对 其后面的环节产生影响，而后面的环节可能又反过来影 响前面的环节。这是一个闭环系统。
•北京工业大学机电学
•
§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
•北京工业大学机电学
•
§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
二. 研究反馈控制系统的性能和设计
• 反馈控制系统——系统的输出通过适当的测量装 置将输出信号全部或部分返回到输入端，并与系统的 输入进行比较。 • 如数控机床，自动生产线，精密工作台等。
•北京工业大学机电学
•
§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
•
•例如：数控机床、焊接机器人、温度控制系统
•北京工业大学机电学
•
§1-1 概述
• 特点：一个或多个被控制的物理量按照给定量的变 化而变化。
给定量：系统的输入量，可以是物理量、也可以是数 字量；
被控量：系统的输出量。
若被控量是恒定的，为恒值调节系统，如稳压电源， 恒温控制系统；
若被控量随给定量的变化而变化，则为调节系统或随 动系统，如转速调节系统，位置随动系统等。
•北京工业大学机电学
•
§1-1 概述
控制论是自动控制、电子技术、计算机科学等多学科相 互渗透的产物：
20世纪40年代酝酿形成，1948年，维纳（Wiener） 《控制论》出版，标志着该学科的诞生；
50年代蓬勃发展，一方面，火药、导弹的控制技术， 以及数控、电力、冶金自动化技术得到极大发展，另一方面 ，控制理论也逐渐成熟；
•北京工业大学机电学
控制工程基础课件第一章绪论
19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从1960年到1980，确定线性系统、随机系统的最佳控制及复杂系统的自适应和智能控制，都得到充分的研究。从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。
按给定量的特点来分：
（1）连续控制系统：系统的各环节输入量与输出量是信号连续的系统称为～
按系统反应特性来分
（2）离散控制系统：系统的各环节输入量、输出量信号是离散的系统称为～（如采样信号）
三 反馈控制系统的基本组成
1. 组成：给定元件、比较元件、反馈元件、放大元件、执行元件、控制对象及校正元件。
②闭环控制系统：反馈控制系统也称为闭环控制系统，是指系统的输入端与输出端之间存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响，其作用应用反馈来减少偏差，但不能消除偏差。
(1)开环控制系统特点 抗干扰能力差，控制精度低，但结构简单，调整方便，成本低，无自动纠偏能力。
(2)闭环控制系统特点 抗干扰能力强，控制精度高，结构复杂，能自动纠偏。 缺点：由于引入反馈，存在稳定、振荡和超调等问题，设计分析比较复杂。
人工控制恒温箱系统功能框图
总结： 人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差
（2）自动控制系统
恒温箱的自动控制系统原理图
恒温箱自动控制系统工作原理：（1）恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压 U2（2）恒温箱期望温度由U1给定，并与实际温度U2 比较得到温度偏差信号△U＝U1 - U2（3）温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之，加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差△U＝0，电机停止转动。
控制工程基础ppt - 第一章
高压供油路
发动机
喷油泵
离心式飞锤调速器
ห้องสมุดไป่ตู้
自动控制理论的发展过程
§1-1 控制系统的 基本工作原理
一 反馈控制原理
－
＋
给定信号
执行电动机 减速器
ui 比较 ⊿u ub 电压 放大器 功率 放大器
例：恒温炉自动控制系统
－ ＋
∆u = ui − ub
T
热电偶 加热电阻丝 调压器
～220V
恒温炉自动控制系统
开环控制系统的应用： 开环控制系统常用于，预知期望输出且扰动很小，或扰动虽大，但预知其 变化规律，从而能够加以补偿的场合。
扰 动
输入
控制器
被控对象
输出
二 按期望输出的类型分类 1 自动调节系统 若期望输出是常量，系统在有干扰的情况下，能使实际输出相当精确 地保持等于期望输出，则称该系统为自动调节系统（或恒值控制系统）。 自动调节控制系统应该是闭环控制系统。 2 随动系统 若期望输出经常发生变化，且不能预知其变化规律，系统能使实际输 出以一定的精度，及时跟随期望输出，则该系统称为随动系统。 随动系统的输出一般是机械量：位移、速度、加速度，此时又称其为 伺服系统，如： 雷达跟踪系统 火炮瞄准系统 舰船操纵系统
固有反馈（内在反馈） 由于系统本身固有的、内在相互作用而形成的反馈；
§1-2. 自动控制系统的基本类型
一 按反馈的情况分类 1 闭环控制系统 闭环控制系统 具有为控制目的而特意设置的主反馈（负反馈）的 控制系统，又称反馈控制系统。
给定元件
接受指令 指令并将其转换为输入的元件； 指令 指令是表示期望输出的信息。 指令 反馈元件 检测输出并将其转化为反馈的元件； 比较元件 将输入与反馈进行比较，并得出偏差的元件； 从广义上讲，比较元件是对信息进行合成的元件。 放大及运算元件 将比较元件传递来的偏差 偏差，进行转换和放大的元件； 偏差 执行元件 接受放大及运算元件传递来的信息，直接操纵被控对象的 元件； 被控对象 控制系统中需要被控制的某种设备或过程，其输出就是被 控量；
控制工程基础第1章绪论
(6) 1954年美国德沃（George Devol）研制出第一台 工业机器人样机，两年后，被称为机器人之父的恩 格尔伯格 （Joseph Engelberger）创立了第一家机器 人公司－通用机器人（Unimation）
R.E. Kalman
(7) 1960年美籍匈牙利人卡尔曼（R. E. Kalman）发 表“控制系统全面理论”（“On the General Theory of Control Systems”）等论文，引入状态空间法分析系 统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础
(5) 1937年英国图灵（A. M. Turine）提出图灵计 算机的设想
(6) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组 工作的申龙（C. Shannon） 1938年提出继电器逻辑 自动化理论，1948年发表专著《通信的数字理论》 (The Mathematical Theory of Communication)，奠 定了信息论的基础
(13) 1970年英国罗森布拉克（H.H
Rosenbrock ）发表“状态矢量空间与多变
量理论”（State Space and Multivariable
Theory）。 1974年加拿大旺纳姆（W.M
System)
(8) 1948年美国尹文思（W. Evans）提出根轨迹法 (Root Locus Method) ，完成了以单输入线性系统为 对象的经典控制研究工作。
(9) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包 括1942年史密斯（Ed. S. Smith）的《自动控制 工程学》（《Automatic Control Engineering 》）， 1945年H. Bode的《回路分析和反馈放 大器》（ 《 Network Analysis and Feedback Amplifier 》 ）， 1945年麦科尔（L.A. MacColl）的《伺服系统基本原理》（《 Fundamental Theory of Servomechanisms》） ，以及1954年钱学森的《工程控制论》(《 Engineering Cybernetics》)
控制工程基础第一章
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第一章 控制系统的基本概念
期望 温度
大脑
手
调压器
恒温箱
实际 温度
眼睛
温度计
人工控制恒温箱系统功能框图
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第一章 控制系统的基本概念
给定信号 比较 u1
+ u
电压 放大器 减速器
功率 执行 放大器 电动机 调压器
u2
+
热电偶 加热电阻丝
~220V
恒温箱自动控制系统
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第一章 控制系统的基本概念
输入量 控制器 反馈量 测量元件 闭环控制系统框图 对象或过程 输出量
半闭环控制系统 特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。
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第一章 控制系统的基本概念
闭环控制系统的组成
扰动信号
给定 元件 比较 + 元件 比较 + 元件
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第一章 控制系统的基本概念
恒温箱自动控制系统工作原理：
恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号u＝u1 u2 温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差u＝0，电机停止转动。
控制工程基础第一章绪论资料
(5)滤波与预测：当系统已定， 输出已知时，识别 输入或输入中的有关信息。
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机电工程学院
第一章 绪论
三、控制理论的内容
经典控制理论(19世纪中叶--20世纪50年代)
控制理论 现代控自动”功能的装置自古有之，瓦
制 工
特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉
程 基
地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例
础 。 麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于
1868年发表的论文当属最早的理论工作。
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机电工程学院
第一章 绪论
从20世纪20年代到40年代形成了以时
域法，频率法和根轨迹法为支柱的“古典
”控制理论。
控
60年代以来，随着计算机技术的发展
制 工
和航天等高科技的推动，又产生了基于状
自动控制理论与实践的不断发展，为人们提供
了设计最佳系统的方法，大大提高了生产率，同时
促进了技术的进步。
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机电工程学院
第一章 绪论
第一节 控制论的基本含义
一、 控制的含义
控制（Control）：是指由人或用控制装置使受控对
象按照一定目的来动作所进行的操作。
控 制
例：用微型计算机控制热处理炉的炉温使之保持
第一章 绪论
控制的分类
人工控制： 指控制的任务由人来完成。
煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制
控 自行车速度控制 收音机音量调节 汽车驾驶
制
工 程
自动控制：
指控制的任务用控制装置来完成，
基
础
而人不经常直接参与。
电饭煲 空调 抽水马桶 声控光控路灯
电动机转速控制 导弹飞行控制 自动控制系统：一般由控制装置和被控对象组成。
控制工程基础教案
控制工程基础教案第一节：引言控制工程是一门综合性学科，它涉及到了自动化、电子技术、信息处理以及数学等多个领域。
掌握控制工程的基础知识对于学生们在日后的学习和工作中都非常重要。
本教案将介绍控制工程基础的相关知识，并提供相应的教学方法和案例分析，帮助学生理解并掌握这一学科的核心内容。
第二节：教学目标通过本教案的学习，学生应该能够：1.了解控制工程的基本概念和原理；2.理解控制系统的组成和分类；3.掌握传统控制方法和现代控制方法的基本原理；4.能够应用所学知识解决实际问题。
第三节：教学内容本教案的教学内容主要包括以下几个方面：1.控制工程的基本概念1.1 控制工程的定义1.2 控制工程的基本原理2.控制系统的组成和分类2.1 控制系统的基本组成2.2 控制系统的分类3.传统控制方法3.1 PID控制器的原理和应用3.2 根轨迹法和频率法4.现代控制方法4.1 状态空间方法4.2 最优控制理论5.实际案例分析5.1 温度控制系统实例分析5.2 机器人运动控制系统实例分析第四节：教学方法在教学过程中，我们将采用多种教学方法来帮助学生更好地理解和掌握控制工程基础知识。
具体的教学方法包括：1.示例讲解：通过具体实例来解释相关概念和原理，使学生能够更加直观地理解。
2.案例分析：引入实际案例，并结合所学知识进行分析，让学生能够应用所学知识解决实际问题。
3.小组讨论：将学生分成小组，进行小组讨论和合作学习，培养学生的团队合作和解决问题的能力。
第五节：教学评估为了检验学生对于控制工程基础知识的理解和掌握程度，我们将进行以下几种教学评估方式：1.课堂测验：通过课堂测验来检验学生对于概念和原理的理解。
2.作业和实践：布置相关作业和实践项目，帮助学生运用所学知识解决实际问题。
3.小组展示：要求学生以小组为单位进行一定的研究和整理，并进行展示。
评价其团队合作和表达能力。
第六节：教学资源为了支持教学活动的开展，我们将准备以下教学资源：1.课件和讲义：为学生提供清晰明了的学习资料。
27481控制工程基础23页word
第一章概论一、课程内容本章主要介绍了控制理论发展过程及在工程上的应用；自动控制系统的基本概念；控制理论在机械制造工业中的应用；课程的整体安排。
二、学习目的与要求通过本章的学习使学生走进控制工程领域，了解控制理论在工程中的应用发展现状，了解自动控制理论在机械制造工业中的一些具体应用，了解本课程学习的知识结构和安排，掌握控制系统的基本概念。
三、考核知识点与考核要求（一）领会控制理论的发展过程，及在发展各阶段的主要特点。
（二）熟练掌握自动控制系统的基本概念：1．自动控制系统的工作原理；2.开环控制；3.闭环控制；4.反馈控制系统基本组成及组成的元件；5.自动控制系统的基本类型；6.对控制系统的基本要求。
（三）领会控制理论在机械制造工业中的应用：1.离心调速器；2.机器人关节司服系统；3.三坐标数控机床；4.六自由度工业机器人；5.感应导线式自动导引车；6.柔性制造系统。
（四）掌握本课程的基本要求。
第二章控制系统的动态数学模型一、课程内容本章主要介绍：（一）基本环节数学模型1．质量——弹簧——阻尼系统应用牛顿第二定律建立质量——弹簧——阻尼系统的运动微分方程。
2．电路网络应用基尔霍夫定律和区姆定律建立电路网络系统的微分方程。
3．电动机应用力学、电学方面定律建立电枢控制式直流电动机的数学模型。
（二）数学模型的线性化1．各类非线性现象。
2．系统线性化处理的方法。
（三）拉氏变换及反变换1．拉氏变换定义2．简单函数的拉氏变换（1）单位阶跃函数；（2）指数函数；（3）正弦函数和余弦函数。
（4）幂函数。
3．拉氏变换的性质（1）叠加原理；（2）微分定理；（3）积分定理；（4）衰减定理；（5）延时定理；（6）初值定理；（7）终值定理；（8）时间比例尺改变的象函数；（9）tx(t)的象函数；（10）x(t)/t的拉氏变换；(11)周期函数的象函数；(12)卷积分的象函数。
4．拉氏反变换（1）只含不同单极点的情况；（2）含共轭复数极点的情况；（3）含多重极点的情况。
《控制工程基础》电子教案
《控制工程基础》电子教案第一章：绪论1.1 课程介绍解释控制工程的定义强调控制工程在工程学中的重要性概述课程的目标和内容1.2 控制系统的基本概念介绍控制系统的定义解释控制系统的组成部分讨论控制系统的分类和特点1.3 控制理论的发展历程简述控制理论的发展历程强调现代控制理论的重要性第二章：数学基础2.1 线性代数基础介绍矩阵和向量的基本运算解释行列式和逆矩阵的概念讨论矩阵的秩和特征值2.2 微积分基础复习微积分的基本概念介绍导数和微分方程的概念讨论积分的概念和方法2.3 离散时间系统介绍离散时间系统的定义解释离散时间系统的差分方程讨论离散时间系统的性质和特点第三章：连续时间系统3.1 连续时间系统的描述方法介绍连续时间系统的微分方程描述解释状态空间描述的方法讨论两种描述方法的关系和转换3.2 连续时间系统的稳定性介绍连续时间系统的稳定性概念解释李雅普诺夫稳定性的判断方法讨论稳定性条件和不稳定性的原因3.3 连续时间系统的时域分析介绍连续时间系统的时域分析方法解释零输入响应和零状态响应的概念讨论时域分析的应用和意义第四章：离散时间系统4.1 离散时间系统的描述方法介绍离散时间系统的差分方程描述解释离散时间系统的状态空间描述讨论两种描述方法的关系和转换4.2 离散时间系统的稳定性介绍离散时间系统的稳定性概念解释离散时间系统的稳定性条件讨论稳定性判断方法和不稳定性的原因4.3 离散时间系统的时域分析介绍离散时间系统的时域分析方法解释离散时间系统的零输入响应和零状态响应讨论时域分析的应用和意义第五章：控制器设计5.1 概述控制器设计的目标和方法解释控制器设计的目标介绍常见的控制器设计方法5.2 PID控制器设计解释PID控制器的作用和原理介绍PID控制器的参数调整方法讨论PID控制器的应用和优点5.3 状态反馈控制器设计介绍状态反馈控制器的作用和原理解释状态反馈控制器的设计方法讨论状态反馈控制器的优点和应用第六章：频域分析6.1 频率响应分析介绍频率响应的概念和重要性解释传递函数和频率响应之间的关系讨论频率响应分析的方法和步骤6.2 传递函数的性质介绍传递函数的定义和基本性质解释传递函数的零点和极点讨论传递函数的稳定性和频率特性6.3 频域设计方法介绍频域设计方法的概念和原理解释截止频率和滤波器设计的要求讨论常用频域设计工具和技术第七章：频域设计实例7.1 低通滤波器设计介绍低通滤波器的作用和应用解释低通滤波器的设计方法和步骤讨论低通滤波器的性能指标和选择7.2 高通滤波器设计介绍高通滤波器的作用和应用解释高通滤波器的设计方法和步骤讨论高通滤波器的性能指标和选择7.3 其他类型滤波器设计介绍带通滤波器和带阻滤波器的作用和应用解释带通滤波器和带阻滤波器的设计方法讨论不同类型滤波器的性能指标和选择第八章：状态空间分析8.1 状态空间表示介绍状态空间的概念和表示方法解释状态空间矩阵和状态方程讨论状态空间表示的优点和应用8.2 状态空间稳定性和可控性介绍状态空间稳定性和可控性的概念解释李雅普诺夫稳定性和李雅普诺夫可行域讨论状态空间稳定性和可控性的判定方法8.3 状态空间最优控制介绍状态空间最优控制的概念和原理解释哈密顿-雅可比方程和解法讨论状态空间最优控制的应用和实现方法第九章：非线性控制9.1 非线性系统的定义和特点介绍非线性系统的定义和特点解释非线性系统的常见类型和行为讨论非线性系统分析和设计的方法和挑战9.2 非线性控制器设计介绍非线性控制器的设计方法和工具解释非线性PID控制器和滑模控制器的设计讨论非线性控制器的应用和效果9.3 非线性控制的应用实例介绍非线性控制在实际系统中的应用实例解释非线性控制在控制和航空航天领域的应用讨论非线性控制的优势和局限性第十章：控制系统仿真10.1 控制系统仿真概述介绍控制系统仿真的概念和重要性解释控制系统仿真的方法和工具讨论控制系统仿真的优点和局限性10.2 MATLAB控制系统仿真介绍MATLAB控制系统仿真的基本方法解释MATLAB中的仿真工具和函数讨论MATLAB控制系统仿真的应用和示例10.3 实际系统仿真案例分析介绍实际系统仿真案例的分析和实现方法解释实际系统仿真案例的仿真结果和分析讨论实际系统仿真案例的启示和应用前景第十一章：现代控制理论11.1 概述现代控制理论介绍现代控制理论的发展背景和意义解释现代控制理论的基本概念和原理讨论现代控制理论在工程应用中的重要性11.2 线性二次调节器（LQR）解释线性二次调节器的定义和特点介绍LQR控制器的设计方法和步骤讨论LQR控制器的性能分析和应用实例11.3 鲁棒控制理论介绍鲁棒控制的定义和目的解释鲁棒控制的设计方法和原理讨论鲁棒控制在系统不确定性和外部干扰下的性能第十二章：自适应控制12.1 概述自适应控制介绍自适应控制的概念和需求解释自适应控制的目标和原理讨论自适应控制在系统和环境变化中的应用12.2 自适应控制器设计介绍自适应控制器的设计方法和算法解释自适应控制器的自适应律和调整机制讨论自适应控制器的性能分析和应用实例12.3 自适应控制的应用介绍自适应控制在工业和农业领域的应用实例解释自适应控制在导航和飞行控制系统中的应用讨论自适应控制的优势和挑战第十三章：数字控制13.1 概述数字控制介绍数字控制的概念和与模拟控制的比较解释数字控制系统的组成和特点讨论数字控制在现代控制系统中的应用13.2 数字控制器设计介绍数字控制器的设计方法和算法解释数字控制器的离散化和实现方式讨论数字控制器的性能分析和优化方法13.3 数字控制的应用实例介绍数字控制在工业和家庭领域的应用实例解释数字控制在智能家居和工业自动化系统中的应用讨论数字控制的优势和局限性第十四章：控制系统实验14.1 控制系统实验概述介绍控制系统实验的目的和重要性解释控制系统实验的步骤和注意事项讨论控制系统实验在教学和研究中的应用14.2 实验设备和工具介绍控制系统实验中常用的设备和工具解释各种设备和工具的功能和操作方法讨论实验设备的选用和维护14.3 实验项目和解题方法介绍控制系统实验的项目和目标解释实验的解题方法和步骤讨论实验结果的分析和讨论第十五章：控制系统综合与应用15.1 控制系统综合概述介绍控制系统综合的目标和意义解释控制系统综合的方法和步骤讨论控制系统综合在实际应用中的挑战和解决方案15.2 控制系统应用实例介绍控制系统在工业和航空航天领域的应用实例解释控制系统在智能交通和智能中的应用讨论控制系统应用的挑战和发展方向15.3 控制系统未来的发展趋势探讨控制系统未来的发展趋势和机遇分析控制系统的创新技术和算法讨论控制系统在可持续发展和绿色能源领域的应用前景重点和难点解析本文档详细地介绍了《控制工程基础》这门课程的电子教案，内容涵盖了连续时间系统、离散时间系统、控制系统的基本概念、数学基础、控制器设计、频域分析、状态空间分析、非线性控制、仿真技术、现代控制理论、自适应控制、数字控制、实验项目和综合应用等多个方面。
(完整word版)控制工程基础课程教案
控制工程基础课程教案河北大学质量技术监督学院2013年2月章节目第一章控制系统导论（2学时）主要内容：1.1自动控制系统的基本原理1.2自动控制系统分类1。
3对控制系统的基本要求1。
4自动控制的发展简史1.5控制系统设计概论重点：1．要求学生了解自动控制系统的基本概念、基本变量、基本组成及工作原理2．理解信息反馈的含义和作用，区别开环控制和闭环控制3．绘制控制系统方框图难点：1．广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制教学方式：采用工程实例和设疑方法引导学生用系统论，信息论观点分析广义系统的动态特征、信息流，理解信息反馈的作用.绘制控制系统方框图.在讲述控制理论发展史引入我国古代指南车和“二弹一星"特殊贡献科学家——钱学森在自动控制理论方面的成就，进行爱国主义和专业教育。
在讲述控制系统系统设计概论，引用转台转速控制和磁盘驱动读取系统的设计实例，强化设计训练.章节目第二章控制系统的数学模型（6学时)主要内容：2.1导论2.2控制系统的微分方程2.3控制系统的传递函数2.4控制系统结构图（框图或方块图)与信号流图2.5应用MATLBA控制系统仿真重点：本章只介绍控制系统建模的基础知识和基本框架，研究用机理分析方法建立和简化线性单变量系统的数学模型:包括微分方程；传递函数;系统结构图及信号流图.着重掌握输入输出描述方法的特点和传递函数的定义、性质、求法与图示方法（结构图和信号流图）.难点:1．系统微分方程列写2．非线性系统偏微线性化3．传递函数方框图绘制及简化4．信号流图绘制及应用梅逊公式求出系统的传递函数教学方式：本章涉及的数学知识较多，主要有复变函数、拉氏变换和线性代数。
要求学生从应用出发进行适当复习，学用结合,急用先学，学习过程中应注意基本概念、基本原理和基本方法以及工程的观念，重在应用。
同时介绍应用MATLA软件求解不同参数和输入情况下的响应，即可视化解，帮助学生学会运用计算机进行辅助分析和设计.章节目第三章控制系统的时域分析法（6学时）主要内容：3。
控制工程基础(第一章)
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控制工程基础(第一章)
§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
三. 研究生产过程的组织和管理
生产过程的组织＋管理＋生产过程＝制造系统
生产过程的组织、管理以及生产过程中的每一个环 节都是整个制造系统的一个环节，任何一个环节都会对 其后面的环节产生影响，而后面的环节可能又反过来影 响前面的环节。这是一个闭环系统。
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控制工程基础(第一章)
§1-3 自动控制系统的基本概念
反馈——输出量经过适当的测量装置将信号全部或部 分返回到输入端，使其与输入量进行比较。
比较的结果叫偏差。
• 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”的原理。 • 反馈控制系统——利用反馈控制原理组成的系统。
学习自动控制，解决两个问题：
• 1）系统分析——对给定的控制系统，分析其工 作原理，元部件组成，分析系统的稳定性、对输入的 快速响应能力、误差、品质等；
• 2）系统设计——根据实际需要进行控制系统的 设计，并研究如何用机、电、光、液压部件或设备来 实现该控制系统。
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• 现代控制理论——以状态空间法为基础，研究多输 入、多输出、变参数、非线性、高精度、高性能的控制 系统。 • 最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制、人 工智能控制等。
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控制工程基础(第一章)
§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
一. 研究机械工程技术中广义系统的动力学 问题
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•图5 电机转速控制系统
控制工程基础(第一章)
§1-3 自动控制系统的基本概念
控制工程基础—第1章绪论
三 .反馈控制系统的基本组成
一个典型的反馈控制系统应该包括给定元件、反 馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正 元件等。
给定 元件 比较元件 扰动 串联校正 元 件 +放大变 换元件 执行 元件 输出 控制 信号 对象 xo
+输入 偏差 信号 xi 信号 e
并联校正 元 件 局部反馈 反馈元件 主反馈
图1-2 人工控制的恒温箱
人工控制恒温的过程可归结如下：
1. 观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱（被 控制元件）的温度； 2. 与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏 差的大小和方向； 3. 根据偏差大小和方向再进行比较控制：当温度 高于所要求的给定温度值时，就调节调压器动 触头使电压减小，温度降低；若温度低于给定 的值，则调节调压器动触头，使电压增加，温 度升高； 4. 如温度还达不到要求时，要反复进行上面的步 骤操作。 因此，人工控制的过程就是测量、求偏差、再控 制以纠正偏差的过程。也就是“检测偏差用以 纠正偏差”的过程。
自动控制？
是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器 （机械装臵、电气装臵或电子计算机）使生产 过程或被控制对象（机器、设备）的某一物理 量（温度、压力、液面、流量、速度、位移等） 自动地按照预定的规律运行。
例如： 电冰箱自动地控制冰箱中的温度恒定； 无塔供水系统保证楼宇自动恒压供水； 加工中心根据加工工艺的要求，能够自动地 按照一定的加工程序加工出所需要的工件。
所谓系统的动态性能，主要分如下三类 1.已知系统的参数m、k、f及输入x(t)，确 定输出y(t)； 2.已知输入x(t)及输出y(t)，确定系统的参数 m、k及f； 3.已知系统的参数m、k及f，给定输出y(t)时， 确定输入x(t)。
控制工程基础课件第一章
反馈(Feedback)就是指输出量通过适当的检测装置将信号全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。
反馈控制原理：基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理
负反馈(Negative Feedback)是指反馈信号与系统的输入信号的方向相反的反馈形式。
在开车过程中，司机用眼睛观察转速表上的实际车速并由大脑将实际车速与希望车速进行比较，大脑根据比较后的偏差对脚发出指令，控制油门踏板，从而使实际车速与希望车速一致。在这里人与车构成了一个系统。在该系统中，眼睛将实际车速这一信息送入大脑并与大脑中储存的车速信息进行比较，这一过程就是信息反馈过程。
输入量
输出量
在上述系统中，人直接参与了反馈控制过程，因此这是一个人工反馈控制系统。在自动控制系统中，反馈是用自动控制元件完成的。现以恒温箱温度自动控制为例，说明自动控制系统的控制过程。
输入量
输出量
例：恒温箱控制系统
T
t
二、开环控制与闭环控制
§1.2 自动控制系统的基本控制，如图 输入信号：电流 （时间的函数） 控制装置：开关 ，电阻丝 被控对象：炉子 输出信号：炉温 特点：控制装置只按照给定的输入信号对被控对象进行单向的控制，被控对象的输出不影响控制。
本课程主讲内容：
第一章：控制理论的基本概念 开、闭环，分类，基本要求 第二章：数学模型
微分方程 传递函数 结构图 信号流程图
根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。 “经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，主要研究单输入，单输出这类控制系统的分析和设计问题。
“现代控制理论”是在“经典控制理论”的基础上，于60年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础，研究多输入，多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课题，近代计算机技术和现代应用数学的结合，又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大发展。
彭珍瑞 控制工程基础 第一章绪论
控 制 工 程 基 础
1、按系统输入信号的变化规律不同来分 2、按系统传输信号的性质来分 3、按描述系统的数学模型不同来分
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第一章
绪论
一、按系统输入信号的变化规律不同来分
控 制 工 程 基 础
1、恒值控制系统(或称自动调节系统) 特点:输入信号是一个恒定的数值。主要研究各种干 扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰,使被控 量保持恒定的希望值,基本控制过程是抗扰过程(自动 调节过程)，所以也称为自动调节系统。
开环控制系统特点： 1.信号从输入到输出无反馈,单向传递. 2.结构简单. 3.控制精度不高,无法抑制扰动.
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第一章
绪论
二、闭环控制
控 制 工 程 基 础
系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统，叫 闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。“闭环” 这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小系统误差。闭 环控制系统的方框图如图1-3-3所示。
为与自动控制有关。现在已发展成为一门独立的
学科——控制论。工程控制论、生物控制论、 经济控制论和社会控制论。 控制论与工 程技术的结 合
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第一章
绪论
第一节 概论
一、控制的含义
人、机器
控制--某个主体使某个客体按照一定的目的动作。
控 制 工 程 基 础
一件物体，一套装臵，一个 物化过程，一个特定系统。
图1-2-1 锅炉水位控制系统
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第一章
绪论
例2 水箱水位控制
控 制 工 程 基 础
图1-2-2 水箱水位控制系统
控制工程基础第一章
1-1 自动控制的基本原理 1-2 自动控制系统的示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 自动控制系统的基本要求
第一章 控制系统导论
1-1 自动控制的基本原理
自动控制是指在没有人直接参与的情况下，
利用外加的设备和装置（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运行。 自动控制系统＝被控对象＋控制装置 控制的本意：为了达到某种目的对事物进行 支配、管束、管制、管理、监督、镇压。
式中：c(t) 是被控量，r(t) 是输入量。 定常系统又称为时不变系统，其特点是：描述系统 运动的微分或差分方程的系数均为常数。 线性系统的叠加原理表明：两个外作用同时加于系 统所产生的总数出，等于各个外作用单独作用时分 别产生的输出之和，且外作用的数值增大若干倍时， 其输出亦增大同样的倍数。
第一章 控制系统导论
电炉
温度计 调压器 电阻丝
～220V
人工控制调节过程： 观测电炉内温度（被控量）； 与要求的温度（给定值）进行 比较，得到温度偏差的大小和方 向； 根据偏差大小和方向调节调压 器，控制加热电阻丝的电流以调 节温度回复到要求值。
人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。
期望温度 大脑 手 调压器 电炉 实际温度T
第一章 控制系统导论 开环控制方式
1、按给定值控制的开环控制
给定量 控制装置 （输入量）
干扰信号：不需要的输入 信号，它影响系统输出。
干扰 被控量 被控对象 （输出量）
2、按干扰补偿的开环控制
测量装置 控制装置 干扰 被控对象 被控量 （输出量）
开环控制方式特点： ⑴结构简单,成本低； ⑵精度不高，抗干扰能力差。 开环控制的应用：交通灯、洗衣机等
控制工程基础第一章ccx
A t0
0
t0
t
0
t
4、正弦函数 数学表达式：
f ( t ) A sin( t )
图 例 说 明
系统的元件 信息的流向
• 例2：人如何控制设备：温箱的温度控制
• 被控对象：温 箱； • 被控量：温箱 的温度； • 测量元件：温 度计
期望 温度
大脑
手 眼睛
调压器
恒温箱
实际 温度
温度计
关键： 利用温度偏差， 减小偏差制系统
电炉 给定电压
-
控制工程基础
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理
• 自动控制（Automatic Control）定义
指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备和装 置（称控制装置或控制器（controller）），使机器、 设备或生产过程（统称被控对象（plant））的某个工 作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运 行。
1、负反馈：输入信号与反馈信号相减，使系统输出的误 差逐渐减小，则称为负反馈(利用偏差消除偏差) ； 2、正反馈：反馈信息不是制约控制部分的活动，而是促 进与加强控制部分的活动。正反馈的意义在于使过程不 断加强。
3. 反馈控制系统组成
扰动信号 输入量 比较元件 串联补偿元件 反馈补偿元件 局部反馈 比较元件 放大元件 执行元件 被控对象 输出量
5 自动控制系统基本控制方式
(1) 闭环控制（Closed Loop Control） ——反馈控制方式 定义：将输出量的测量值与期望的输出值相比较，产 生偏差信号并将偏差信号作用于执行机构的控制过程。
干扰 给定量 控制装置 （输入量） 测量元件 被控对象 被控量
干扰信号： （输出量） 不需要的输 入信号，它 影响系统输 出。
第一篇 控制工程基础第一章第一节
第一篇控制工程基础第一章机械系统控制工程的一般概念1948年，维纳的《控制论》的出版，标志着控制理论作为一门学科正式诞生。
二战后，控制理论在化工、电力、冶金等部门得到了广泛的应用，解决了压力、温度、流量、化学成分的各种控制问题、形成了以反馈为中心的经典控制理论体系，其主要研究基于单输入－单输出的定常系统。
上个世纪50年代末，随着计算机技术的发展，控制理论发展到了一个新的阶段、即出现了现代控制理论。
控制对象发展为导弹制导、航天、航海、航空等领域中的多输入-多输出系统。
这些系统可以是定常的或时变的、离散的或连续的、确定的或随机的。
八十年代佾以来，控制理论正向大系统理论和智能控制理论等方面深入发展。
本课程主要讲述经典控制理论的基本概念、基本理论和方法。
研究对象限于线性定常系统。
§1-1自动控制理论及系统的基本概念一、实例首先，根据实例向同学们介绍自动控制理论及系统的基本概念。
实例1.（图1-1）上例的控制过程为：（1）根据图纸设定x方向加工尺寸；（2）把此数据输入机床控制器中；在控制器中把工作台行程换算成当量脉冲，即总脉冲数/脉冲当量；（3）按计算所得脉冲数（电压信号）输给步进电机；（4）步进电机输出转角通过减速齿轮传给丝杠；（5）丝杠输出，通过螺母传给工作台，工作台输出直线运动；上述过程可以用框图表示如下:实例2（图1-3）（图见教材）控制过程：（1）指令电位器W1的滑动触点确定给工作台的位置指令，即输入指令，输出电压；（2）当最初给出位置指令时；在工作台改变位置之前的瞬间，则电桥输出为偏差电压；（3）经放大器放大后，放大器输出电压；（4）输入到直流伺服电机，输出；（5）经齿轮减速器，传给丝杠，丝杠输出转角；（6）丝杠通过螺母收运动传给工作台，工作台输出直线运动；（7）工作台运动量为，使（反馈）电位器的滑动触点移动，而使于触点端输出（反馈）电压；（8）当时，，工作台停止运动，整个机械系统控制过程完毕；如果，即可知，工作台继续向前运动；反之，工作台向后运动，直到，运动停止；用框图表示：通过以上二例介绍一下控制系统的基本概念二、基本概念（1）被控对象：指人们要求实现某种确定的运动、生产过程、状态以及特定要求的机器设备；如机器人；称为对系统的输入量，也是系统输出量的希望值；如例1、2中工作台即被控对象，要求的运动是（或可把伺服电机也放在被控对象中）；（2）控制装置：指对被控对象起控制作用，使之实现所要求动作的机械-电子系统总体；例子中除被控对象以外的装置。
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§1-3对闭环（反馈）控制系统的基本要求
一、典型输入信号（工程上常用、实验室易于产生、计算较简单的几种信号）：（1）阶跃信号：
通常又可以写成
其中1（t）叫单位阶跃信号。
实际中，如电压突然上升，飞机突然受到常值阵风扰动等可以看做是阶跃信号。
（2）斜坡信号
当R=1时，叫单位斜坡信号。
实际中，如自由落体时重物的速度就是斜坡信号。
（3）脉冲信号
定义下述函数：
如图：
或
图中斜线部脉冲的面积为:
始终不变，当时，脉冲幅值即形成了一个宽度为0，幅值为
而面积为A的脉冲。
当令A=1时，称此脉冲函数为单位脉冲函数或函数。
其强度即其面积A，此时，可表示为
（4）正弦函数：
叫角频率。
二、对（反馈）闭环控制系统的基本要求：
（1）稳定性
稳定性即当系统受到突然干扰时或输入突然改变时，系统输出将会偏离原来的平衡位置，当干扰消除后，系统最终应能以一定精度恢复到原来的平衡状态的特性；
（2）过渡过程性能
所谓过渡过程，指系统输入发生变化时，系统输出从原来的稳态值经过变化达到新的稳定输出值之间的过渡状态。
其中包括过渡过程所需时间以及变动状态。
（3）稳态精度：如果系统是稳定的，但其稳定的输出值与希望值间有一定误差，如图中
为此系统在阶跃响应时的稳定误差。
本课程的目的：根据上述三条基本要求，对系统在时间域以及频率域的特性进行研究、分析，在此基础上介绍系统特性的校正方法。
北京理工大学机械工程与自动化学院。