控制工程基础-1
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(1) 1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼滤波理论， 1960
年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控 性和可观测性的新概念。 (2) 1961年Pontriagin（俄国人）提出了极小（大）值原理。
1. 绪论
(3)罗森布洛克(H.H.Rosenbrock)、欧文斯(D.H.Owens)和麦克法伦(G.J.MacFarlane) 研究了适用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函 数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关 系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。
1. 绪论
经典控制理论的主要特点：
(1)单变量线性定常系统是主要研究对象 (2) 研究控制系统动态特性的主要方法是频率法、根轨迹法 (3)各种图表(Nichles图、Bode图、Nyquist曲线、根轨迹曲线、Roth表等)
是控制系统分析和综合的主要工具
现代控制理论的主要特点：
(1)以多变量系统(线性和非线性)为研究对象 (2)以时域法(特别是状态空间法)为主要研究方法 (3)以近代数学为主要分析手段 (4)以计算机为主要分析、设计工具
1. 绪论
水箱液位控制
1. 绪论
控制的基本要素：
（1）控制对象或系统。需了解对象的性质 （2）控制方法。确定适当的调节作用 （3）反馈。检验和补偿作用
控制理论：基于这三个要素的控制系统的分析与综合原理和方法
给定 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ入
偏差
-
控制器
控制量
被控 对象
反馈器
输出(被 控制量)
1. 绪论
1.2 控制系统的分类
控制工程基础
谭跃刚等：《控制工程基础》，电子工业出版社
课程内容
1. 绪论：基本概念、控制思想和方法等 2. 系统的数学模型：传递函数、方框图、状态方程等 3. 时域分析：系统的输出响应计算和分析、稳定性及判
别法、可控性和可观性等 4. 根轨迹法：基本概念、根轨迹绘制和分析等 5. 频域分析：频率特性函数、频率特性图绘制、相对
单输入/单输出系统(SISO) 多输入/多数出系统(MIMO)
传递函数（频率特性函数） 状态方程（动态方程）
积分变换(拉普拉斯变换)
线性代数、矩阵论
频域法、根轨迹法
时域法（状态空间法）
图形法、试凑法 (PID控制和校正装置)
解析法 (状态反馈和输出反馈)
基于对象模型的分析设计
1. 绪论
1.5 控制系统的发展历程
(3) 1932年尼奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频 率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用 控制系统提供了所需的分析工具。
1. 绪论
(4) 1942年H.Harris引入了传递函数概念，1948年伊万斯 （W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。
(5) 1948年美国数学家维纳（N.Weiner）出版了《控制论— 关于在动物和机器中控制与通讯的科学》，为控制理论这 门学科奠定了基础。
（5）可靠性：这是控制系统在正常工作条件下不出现故 障的概率要求
1. 绪论
1.4 控制系统的分析设计方法
控制理论分为经典控制理论和现代控制理论，我们学 习的主要是经典控制理论。其基本思想和方法是：
1. 绪论
控制理论的主要特点：
研究对象 描述方式 数学工具 分析方法
设计方法
共同点
经典控制理论
现代控制理论
(1) 1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统 中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数 判据。
(2) 1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔 的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出 了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据。基本 上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。
1. 绪论
➢控制理论的产生和发展，主要源于“(负)反馈” ➢ “反馈”的精髓是“利用误差，纠正误差”。这就是 说反馈可以补偿任何原因引起的误差。因此，应用反馈 可使系统在不确定性存在条件下达到要求的性能目标， 但是反馈又引出了系统的稳定性和响应特性等问题，对 这些问题的研究就成了控制理论的主要内容。
稳定性及分析 6. 系统校正与PID控制：基本概念、校正方法及设计、
PID控制、状态反馈与极点配置设计等 7. 离散控制系统：概念、数学模型、性能分析与校正
1.绪 论
1. 绪论
1.1 控制的基本概念
控制——对系统或对象施加作用或限制，使其达到或保 持规定的或要求的运动状态。
“施加作用或限制”的本质就是对系统的调节，其 依据是给定任务目标和系统变化。因此，控制就是为了 实现任务目标给系统或对象的调节作用。人不直接参与 这种调节作用，而是利用控制器自动实施调节时，就是 自动控制。
1. 绪论
1.3 控制的基本要求
（1）稳定性：稳定性是指系统保持平衡状态的性能，这 是控制系统正常工作的必要条件
（2）响应特性：这是指系统在输入作用下的输出特性， 包括动态响应特性和静态响应特性
（3）鲁棒性：这是指控制系统对各种变化的适应能力 （4）可控性和可观性：反映控制系统内部状态与外部状
态的关系，是反馈控制的充要条件
(6) 我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并于 1954年出版了《工程控制论》。
钱学森说：“我们可以毫不含糊地说，从科学理论的角度来看， 20世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也许可以 称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃”
1. 绪论
从20世纪50年代末开始，随着科学技术的发展和生产实际的进一 步需要，出现了多输入/多输出控制、非线性控制和时变控制的分析 与设计问题。与此同时，近代数学的形成和数字计算机的出现为现代 控制理论的建立和发展准备了两个重要的条件。近代数学为现代控制 理论提供了多种多样的分析工具；数字计算机为现代控制理论发展提 供了分析和应用的平台。这一时期控制理论发展中的几个主要标志是：
(4)20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，ndau）在自适应控制理论 和应用方面作出了贡献。此后，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应 控制获得了迅速发展。
(5)从20世纪70年代末开始，控制理论向着“大系统理论”、“智能控制理论”和“复 杂系统理论”的方向发展：大系统理论——以控制论和信息论的观点，研究各种大 系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。智能控制 理论——研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些 拟人智能 的工程控制与信息处理系统的理论。复杂系统理论——把系统的研究拓 广到开放复杂巨系统的范筹，以解决复杂系统的控制为目标。
●按分析设计方法分：线性控制和非线性控制 输入输出呈线性关系的是线性控制系统，否则是非线
性控制系统 ●按给定输入信号分：常值控制和随动控制 给定输入是常量的为常值控制；给定输入是变量的为
随动控制 ●按控制信号种类分：连续控制和离散控制 系统中所有信号都是时间连续函数的为连续控制；系
统中存在离散信号的为离散控制
1. 绪论
➢控制理论是各工程领域的基础，其思想、方法在各领域 有广泛的应用。 ➢控制理论是一门基础性很强的学科，涉及数学、力学、 电学等多个学科，必须下功夫学习。 ➢优秀人才的形成要靠个人的品德修养，以及个人的勤奋 和努力。
衷心希望每一位同学都成为社会的优秀人才
（1）按控制方式分类：开环控制和闭环控制 ●开环控制：系统的输出与输入之间不存在反馈的控制
特点: (1) 结构简单 (2) 一般情况下工作稳定 (3) 没有纠偏能力
●闭环控制：系统的输出与输入之间存在反馈的控制
特点: (1) 有纠偏能力 (2) 抗干扰 (3) 存在稳定性问题
1. 绪论
（2）其他分类
年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控 性和可观测性的新概念。 (2) 1961年Pontriagin（俄国人）提出了极小（大）值原理。
1. 绪论
(3)罗森布洛克(H.H.Rosenbrock)、欧文斯(D.H.Owens)和麦克法伦(G.J.MacFarlane) 研究了适用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函 数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关 系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。
1. 绪论
经典控制理论的主要特点：
(1)单变量线性定常系统是主要研究对象 (2) 研究控制系统动态特性的主要方法是频率法、根轨迹法 (3)各种图表(Nichles图、Bode图、Nyquist曲线、根轨迹曲线、Roth表等)
是控制系统分析和综合的主要工具
现代控制理论的主要特点：
(1)以多变量系统(线性和非线性)为研究对象 (2)以时域法(特别是状态空间法)为主要研究方法 (3)以近代数学为主要分析手段 (4)以计算机为主要分析、设计工具
1. 绪论
水箱液位控制
1. 绪论
控制的基本要素：
（1）控制对象或系统。需了解对象的性质 （2）控制方法。确定适当的调节作用 （3）反馈。检验和补偿作用
控制理论：基于这三个要素的控制系统的分析与综合原理和方法
给定 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ入
偏差
-
控制器
控制量
被控 对象
反馈器
输出(被 控制量)
1. 绪论
1.2 控制系统的分类
控制工程基础
谭跃刚等：《控制工程基础》，电子工业出版社
课程内容
1. 绪论：基本概念、控制思想和方法等 2. 系统的数学模型：传递函数、方框图、状态方程等 3. 时域分析：系统的输出响应计算和分析、稳定性及判
别法、可控性和可观性等 4. 根轨迹法：基本概念、根轨迹绘制和分析等 5. 频域分析：频率特性函数、频率特性图绘制、相对
单输入/单输出系统(SISO) 多输入/多数出系统(MIMO)
传递函数（频率特性函数） 状态方程（动态方程）
积分变换(拉普拉斯变换)
线性代数、矩阵论
频域法、根轨迹法
时域法（状态空间法）
图形法、试凑法 (PID控制和校正装置)
解析法 (状态反馈和输出反馈)
基于对象模型的分析设计
1. 绪论
1.5 控制系统的发展历程
(3) 1932年尼奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频 率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用 控制系统提供了所需的分析工具。
1. 绪论
(4) 1942年H.Harris引入了传递函数概念，1948年伊万斯 （W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。
(5) 1948年美国数学家维纳（N.Weiner）出版了《控制论— 关于在动物和机器中控制与通讯的科学》，为控制理论这 门学科奠定了基础。
（5）可靠性：这是控制系统在正常工作条件下不出现故 障的概率要求
1. 绪论
1.4 控制系统的分析设计方法
控制理论分为经典控制理论和现代控制理论，我们学 习的主要是经典控制理论。其基本思想和方法是：
1. 绪论
控制理论的主要特点：
研究对象 描述方式 数学工具 分析方法
设计方法
共同点
经典控制理论
现代控制理论
(1) 1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统 中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数 判据。
(2) 1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔 的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出 了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据。基本 上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。
1. 绪论
➢控制理论的产生和发展，主要源于“(负)反馈” ➢ “反馈”的精髓是“利用误差，纠正误差”。这就是 说反馈可以补偿任何原因引起的误差。因此，应用反馈 可使系统在不确定性存在条件下达到要求的性能目标， 但是反馈又引出了系统的稳定性和响应特性等问题，对 这些问题的研究就成了控制理论的主要内容。
稳定性及分析 6. 系统校正与PID控制：基本概念、校正方法及设计、
PID控制、状态反馈与极点配置设计等 7. 离散控制系统：概念、数学模型、性能分析与校正
1.绪 论
1. 绪论
1.1 控制的基本概念
控制——对系统或对象施加作用或限制，使其达到或保 持规定的或要求的运动状态。
“施加作用或限制”的本质就是对系统的调节，其 依据是给定任务目标和系统变化。因此，控制就是为了 实现任务目标给系统或对象的调节作用。人不直接参与 这种调节作用，而是利用控制器自动实施调节时，就是 自动控制。
1. 绪论
1.3 控制的基本要求
（1）稳定性：稳定性是指系统保持平衡状态的性能，这 是控制系统正常工作的必要条件
（2）响应特性：这是指系统在输入作用下的输出特性， 包括动态响应特性和静态响应特性
（3）鲁棒性：这是指控制系统对各种变化的适应能力 （4）可控性和可观性：反映控制系统内部状态与外部状
态的关系，是反馈控制的充要条件
(6) 我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并于 1954年出版了《工程控制论》。
钱学森说：“我们可以毫不含糊地说，从科学理论的角度来看， 20世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也许可以 称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃”
1. 绪论
从20世纪50年代末开始，随着科学技术的发展和生产实际的进一 步需要，出现了多输入/多输出控制、非线性控制和时变控制的分析 与设计问题。与此同时，近代数学的形成和数字计算机的出现为现代 控制理论的建立和发展准备了两个重要的条件。近代数学为现代控制 理论提供了多种多样的分析工具；数字计算机为现代控制理论发展提 供了分析和应用的平台。这一时期控制理论发展中的几个主要标志是：
(4)20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，ndau）在自适应控制理论 和应用方面作出了贡献。此后，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应 控制获得了迅速发展。
(5)从20世纪70年代末开始，控制理论向着“大系统理论”、“智能控制理论”和“复 杂系统理论”的方向发展：大系统理论——以控制论和信息论的观点，研究各种大 系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。智能控制 理论——研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些 拟人智能 的工程控制与信息处理系统的理论。复杂系统理论——把系统的研究拓 广到开放复杂巨系统的范筹，以解决复杂系统的控制为目标。
●按分析设计方法分：线性控制和非线性控制 输入输出呈线性关系的是线性控制系统，否则是非线
性控制系统 ●按给定输入信号分：常值控制和随动控制 给定输入是常量的为常值控制；给定输入是变量的为
随动控制 ●按控制信号种类分：连续控制和离散控制 系统中所有信号都是时间连续函数的为连续控制；系
统中存在离散信号的为离散控制
1. 绪论
➢控制理论是各工程领域的基础，其思想、方法在各领域 有广泛的应用。 ➢控制理论是一门基础性很强的学科，涉及数学、力学、 电学等多个学科，必须下功夫学习。 ➢优秀人才的形成要靠个人的品德修养，以及个人的勤奋 和努力。
衷心希望每一位同学都成为社会的优秀人才
（1）按控制方式分类：开环控制和闭环控制 ●开环控制：系统的输出与输入之间不存在反馈的控制
特点: (1) 结构简单 (2) 一般情况下工作稳定 (3) 没有纠偏能力
●闭环控制：系统的输出与输入之间存在反馈的控制
特点: (1) 有纠偏能力 (2) 抗干扰 (3) 存在稳定性问题
1. 绪论
（2）其他分类