控制工程基础第1章绪论
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控制工程基础(第一章)
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。
•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
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-1
(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
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
第一章(绪论)控制工程概论
第一章 绪论
[例]
第一章 绪论
一. 控制系统的基本控制方式：
[例]
属于
开环
控制
方式
原理方框图
输入量
ui
uo
输出量ω
给定电位计
放大器
电动机及负载
第一章 绪论
一. 控制系统的基本控制方式：
[例]
属于
闭环
控制
方式
输入量
ur 给定电位计
△u
uo
放大器
e
输出量ω 电动机及负载
测速发电机
第一章 绪论
[例]
用于船舶推 进器中的离 心式调速器
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
用于船舶推进器 的电子式调速器
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
直 流 调 速 系 统
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
第一章 绪论
四. 控制系统举例
(二) 随动系统 随动系统的输入信号是一个随时间任意变化 的函数（事先无法预测其变化规律），系统的任 务是在有扰动的情况下，保证输出量以一定的精 度跟随输入信号的变化而变化。在这种系统中， 输出量通常是机械位移、速度或加速度。随动系 统也称为自动跟踪系统(或伺服系统)。
第一章 绪论
作业：P16 1-5
N
பைடு நூலகம்
Hi
Ho
浮子、联杆
进水阀
水箱
第一章 绪论
作业：P16 1-5
N
Hi
Ho
浮子、联杆
电位计
电机
进水阀
水箱
第一章 绪论
作业：P16 1-6
ωi
飞锤、弹簧
[例]
第一章 绪论
一. 控制系统的基本控制方式：
[例]
属于
开环
控制
方式
原理方框图
输入量
ui
uo
输出量ω
给定电位计
放大器
电动机及负载
第一章 绪论
一. 控制系统的基本控制方式：
[例]
属于
闭环
控制
方式
输入量
ur 给定电位计
△u
uo
放大器
e
输出量ω 电动机及负载
测速发电机
第一章 绪论
[例]
用于船舶推 进器中的离 心式调速器
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
用于船舶推进器 的电子式调速器
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
直 流 调 速 系 统
第一章 绪论
四. 控制系统举例——定值控制系统
第一章 绪论
四. 控制系统举例
(二) 随动系统 随动系统的输入信号是一个随时间任意变化 的函数（事先无法预测其变化规律），系统的任 务是在有扰动的情况下，保证输出量以一定的精 度跟随输入信号的变化而变化。在这种系统中， 输出量通常是机械位移、速度或加速度。随动系 统也称为自动跟踪系统(或伺服系统)。
第一章 绪论
作业：P16 1-5
N
பைடு நூலகம்
Hi
Ho
浮子、联杆
进水阀
水箱
第一章 绪论
作业：P16 1-5
N
Hi
Ho
浮子、联杆
电位计
电机
进水阀
水箱
第一章 绪论
作业：P16 1-6
ωi
飞锤、弹簧
控制工程基础 第一章 绪论
本课程应用ຫໍສະໝຸດ 例系统的建模与仿真
机电系统的时域和频域分析
机电系统的稳定性分析
进水 阀门
+ 电位器 减速器 -
连杆
浮子 实际水位
水池 放大器 电动机
出水
本课程涉及到的相关知识
本课程涉及到高等数学、理论力学、电工电子
学等多门基础知识，特别是运用数学工具较多，内 容较抽象及概括。因此在学习本课程过程中应及时 复习相关基础知识，多参考有关控制理论方面的参 考书，以加深理解，同时还应重视实验及习题。
课程简介
《机械工程控制基础》课程主要阐述的是有关反 馈自动控制技术的基础理论以及在机电系统中的应用。
本课程是机械设计制造及其自动化专业的一门重
要的技术基础课。它是适应机电一体化的技术需要，
针对机械对象的控制，结合经典控制理论形成的一门
课程。本课程主要涉及经典控制理论的主要内容及应 用, 突出的是机电控制的特点。
《机械工程控制基础》
山东交通大学 机械工程学院 机械电子教研室 梁 杰
课程说明
使用专业：机械设计制造及其自动化
使用班级：机械101-104
总学时数：45学时，其中理论教学39学时，实验4学时， 机动2学时。
本课程为必修课，3学分，期末考试采用闭卷考核方式。 总成绩包括平时成绩和期末考试成绩，平时成绩占总评成 绩的20%，期末考试成绩占80%，其中平时成绩包括作业、 考勤和实验报告，作业、考勤和实验报告所占的比例分别 为40%、40%和20%。
选用教材： 王积伟、吴振顺主编《控制工程基础》（第二 版），高等教育出版社，2010年5月。 参考资料： 1、董景新等编著《控制工程基础》，清华大学 出版社。 2、杨叔之等编著《机械工程控制基础》（第 五版），华中科技大学出版社。 3、柳洪义等编著《机械工程控制基础》，科 学出版社。 4、董霞等编著《机械控制理论基础》，西安 交通大学出版社。
机电系统的时域和频域分析
机电系统的稳定性分析
进水 阀门
+ 电位器 减速器 -
连杆
浮子 实际水位
水池 放大器 电动机
出水
本课程涉及到的相关知识
本课程涉及到高等数学、理论力学、电工电子
学等多门基础知识，特别是运用数学工具较多，内 容较抽象及概括。因此在学习本课程过程中应及时 复习相关基础知识，多参考有关控制理论方面的参 考书，以加深理解，同时还应重视实验及习题。
课程简介
《机械工程控制基础》课程主要阐述的是有关反 馈自动控制技术的基础理论以及在机电系统中的应用。
本课程是机械设计制造及其自动化专业的一门重
要的技术基础课。它是适应机电一体化的技术需要，
针对机械对象的控制，结合经典控制理论形成的一门
课程。本课程主要涉及经典控制理论的主要内容及应 用, 突出的是机电控制的特点。
《机械工程控制基础》
山东交通大学 机械工程学院 机械电子教研室 梁 杰
课程说明
使用专业：机械设计制造及其自动化
使用班级：机械101-104
总学时数：45学时，其中理论教学39学时，实验4学时， 机动2学时。
本课程为必修课，3学分，期末考试采用闭卷考核方式。 总成绩包括平时成绩和期末考试成绩，平时成绩占总评成 绩的20%，期末考试成绩占80%，其中平时成绩包括作业、 考勤和实验报告，作业、考勤和实验报告所占的比例分别 为40%、40%和20%。
选用教材： 王积伟、吴振顺主编《控制工程基础》（第二 版），高等教育出版社，2010年5月。 参考资料： 1、董景新等编著《控制工程基础》，清华大学 出版社。 2、杨叔之等编著《机械工程控制基础》（第 五版），华中科技大学出版社。 3、柳洪义等编著《机械工程控制基础》，科 学出版社。 4、董霞等编著《机械控制理论基础》，西安 交通大学出版社。
控制工程基础2-第1章(绪论)
方框信号
• 方框 • 信号线
控制装置和被控对象分别用方框表示 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带
箭头的信号线表示
• 输入信号 进入方框的信号 • 输出信号 离开方框的信号
7
例子2：恒温系统
• 人工控制恒温箱
测量、比较、判断、操 作
[动态过程]
1 2
观测恒温箱内的温度（被控制 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
第三节 控制系统主要任务与研究内容
控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系 统的稳定性，求取系统的动态、静态性能指标， 并据此评价系统的过程称为控制系统分析。 控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给 定系统的性能指标，合理的确定控制装置的结构 参数，称为控制系统设计。
41
课程的主要内容及其相互关系
16
开环例3:直流电机速度开环控制系统
17
• 闭环控制
如果系统的输出量与输入量之间具有
反馈联系，即输出量对系统的控制过程有 直接影响，这样的系统称为闭环控制系统。 闭环控制系统是按照反馈控制原理工作的， 又称为反馈控制系统。这种系统的信号传 递路线构成闭合回路（闭环）。 优点：具有自动补偿由于系统内部和外部干 扰所引起的系统误差（偏差）的能力，因 而有效地提高了系统的精度。
恒值控制系统（自动调节系统） 程序控制系统 随动系统(伺服系统）
恒值系统是指参考输入量保持常值的系统。其任务是消除或减少 扰动信号对系统输出的影响，使被控制量（即系统的输出量）保 持在给定或希望的数值上。例如蒸汽机离心调速器系统、恒温箱 温度控制系统等。 随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求 输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度 是随动系统的两项主要性能指标。
控制工程基础第一章绪论
第 15 页
第一章 结 束
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牛头刨床
返回
焊接机器人
返回
内燃机
返回
连杆机构
齿轮机构
返回
凸轮机构
螺旋机构
返回
平面机构
空间机构
返回
机械设计基础 ——
包括机械原理和机械设计， 是研究机械的组成原理、运动学 和动力学以及组成机械的通用零 件设计的学科。
目 录
第一章 第二章
第三章 第四章
第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章 第十二章 第十三章 第十四章
绪论 平面连杆机构
凸轮机构 间歇运动机构
机械的调速和平衡 机械零件设计和计算概论 联接 带传动和链传动 齿轮传动 蜗杆传动 轮系、减速器和无级变速传动 轴 轴承 联轴器、离合器和制动器
学习目的：能选用、分析基本机构， 能分析、使用和维护简单的机械装置， 为学习专业课程中的机械部分打下基础。
第 12 页
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§1-3 机械设计的基本要求和过程
一、设计机械应满足的基本要求 在满足预期功能的前提下，性能好，效率高，
成本低，造型美观。 在预定的使用期限内安全可靠，操作方便，
维修简单。
第8页
构件：运动单元 零件：加工制造单元
● 机构由若干构件组成 ● 构件由零件组成
零件
构件
机构
机器
第9页
机械
通用零件：在各类机械中经常可以遇到的，具有同 一功用及性能的零件。 联接零件：铆钉、焊接、螺纹、键 传动零件：带传动、齿轮传动、链传动等 轴系零件：轴、轴承、联轴器 其它零件：弹簧等
专用零件：只适于特定型式的机械上的零件。 如：内燃机的活塞，汽轮机的叶片等。
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。
page10
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。
page11
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。
page 2
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(第一章)
P•PT北文档演京模板 工业大学机电学
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。
P•PT北文档演京模板 工业大学机电学
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。
P•PT北文档演京模板 工业大学机电学
• 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。
P•PT北文档演京模板 工业大学机电学
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
P•PT北文档演京模板 工业大学机电学
•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
工程控制基础 第1章绪论
系统稳定性的方法—— Nyquist稳定性判据； 1948年，出版《控制论》，标志这门学科的正式诞生。 1954年，钱学森出版《工程控制论》
7
经典控制理论
在复数域内利用传递函数研究单输入—单输出线性定常系统的 稳定性、响应快速性与响应准确性的问题。
20世纪50年代及其以前的控制理论属于经典控制理论 数学基础：拉普拉斯变换 基本数学模型：传递函数 主要的分析与综合方法：时域分析法、频率响应法
控制量（给定量）：人为加上去的激励，保证对象的行为达到目标。
扰动量：偶然因素产生而无法完全人为控制的激励， 妨碍对象的行为达到目标。
机械系统的输出量：称为“响应”，指系统的变形或位移。
激励
扰动 机械系统
响应
16
三、数学模型
描述输入量、输出量及系统内部各个变量之间关系的数学表达式。 分动态模型和静态模型。 动态模型：研究系统在迅变载荷作用下或系统不平衡状态下的特性。 以微分方程描述，如
1
第1章 绪论
什么是控制？
控制：为达到某种目的，对某一对象施加所需的操作。 如温度控制、人口控制、压力控制等
2
控制实例1：发电机供电
发电机要正常供电，就必须维持其输出电压恒定， 尽量不受负荷变化和原动机转速波动的影响。 发电机是被控制的设备称为控制对象。 输出电压是被控制的物理量称为被控制量。 额定电压称为输入量。
12
例：质量-阻尼-弹簧单自由度系统
(a) (mp2 cp k ) y(t) f (t)
(b) (mp2 cp k ) y(t) (cp k)x(t)
初始状态：
y(0) y 0
,
. y(0)
. y0
初始状态
系统固有特性： mp2 cp k
7
经典控制理论
在复数域内利用传递函数研究单输入—单输出线性定常系统的 稳定性、响应快速性与响应准确性的问题。
20世纪50年代及其以前的控制理论属于经典控制理论 数学基础：拉普拉斯变换 基本数学模型：传递函数 主要的分析与综合方法：时域分析法、频率响应法
控制量（给定量）：人为加上去的激励，保证对象的行为达到目标。
扰动量：偶然因素产生而无法完全人为控制的激励， 妨碍对象的行为达到目标。
机械系统的输出量：称为“响应”，指系统的变形或位移。
激励
扰动 机械系统
响应
16
三、数学模型
描述输入量、输出量及系统内部各个变量之间关系的数学表达式。 分动态模型和静态模型。 动态模型：研究系统在迅变载荷作用下或系统不平衡状态下的特性。 以微分方程描述，如
1
第1章 绪论
什么是控制？
控制：为达到某种目的，对某一对象施加所需的操作。 如温度控制、人口控制、压力控制等
2
控制实例1：发电机供电
发电机要正常供电，就必须维持其输出电压恒定， 尽量不受负荷变化和原动机转速波动的影响。 发电机是被控制的设备称为控制对象。 输出电压是被控制的物理量称为被控制量。 额定电压称为输入量。
12
例：质量-阻尼-弹簧单自由度系统
(a) (mp2 cp k ) y(t) f (t)
(b) (mp2 cp k ) y(t) (cp k)x(t)
初始状态：
y(0) y 0
,
. y(0)
. y0
初始状态
系统固有特性： mp2 cp k
控制工程基础第一章.
授课内容
第3章 时间特性分析法(7学时) 3.1 时间响应与典型输入信号 3.2 一阶系统的瞬态响应 3.3 二阶系统的瞬态响应 3.4 高阶系统的瞬态响应
授课内容
第4章 频率特性分析(9学时) 4.1 频率特性的基本概念 4.2 频率特性表示法 4.3 典型环节的频率特性 4.4 控制系统开环伯德图和最小相位系统 4.5 闭环频率特性 4.6 由实测频率特性曲线确定系统传递函数
1.控制论发展概述（经典控制理论阶段）
美国贝尔实验室的H. Bode(1938)提出 频率响应法。 美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法 (1942) N.B. Nichols 美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)， 提出Wiener滤波理论(1942)，发表《控制论》 (Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。
1.控制论发展概述（经典控制理论阶段）
1.控制论发展概述（经典控制理论阶段）
自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人 N.Wiener给出的反馈定义为： “Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance” 闭环控制系统的结构框图：
授课内容
第6章 控制系统的稳定性分析(4学时)
6.1 控制系统稳定性的基本概念 6.2 劳斯稳定判据 6.3 奈奎斯特稳定判据
授课内容
第7章 第8章 控制系统的误差分析与计算(2学时) 系统的设计与校正(２学时)
另外有4学时的上机课
• 本课程的基本要求包括: • 掌握机电反馈控制系统的基本概念，
控制工程基础(王建平)章 (1)
第1章 绪论 图1-8 典型反馈控制系统方框图
第1章 绪论
(1) 给定元件——主要用于产生给定信号或输入信号的 元件，用于确定被控对象的给定量。
(2) 测量元件——或称为反馈元件，主要用于测量被控 变量或输出量，并将其转换为便于传送的另一物理量。 例如 炉温控制系统中的热电偶。
(3) 比较元件——用于比较输入信号和测量环节所测得 的反馈信号，并产生一个小功率的偏差信号，用于对被控对象 进行控制。
第1章 绪论
自动控制技术的应用， 不仅使生产过程实现了自动化， 极大地提高了劳动生产率和产品质量， 改善了劳动条件， 而且在人类征服自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民 物质生活等方面起着极为重要的作用。
自动控制的概念和分析问题的方法正向其他领域渗透， 其应用范围逐步扩展到交通管理、生物医学、生态环境、经济 管理、社会科学和其他许多社会生活领域， 并为各学科之间 的相互交流与渗透起到了促进作用。
第1章 绪论 图1-4 电炉炉温控制系统
第1章 绪论
假设系统已调好，处于平衡状态，即u1=u2，Δu=0，电动 机不动，此时炉温T=T0=680℃。 若因某种原因使炉温T高于要 求的炉温T0，即T>T0，则有u1<u2，使得偏差Δu=u1－u2<0。 经 放大后使ud≠0， ud的极性决定直流电动机通过减速器带动调 压器手柄朝减小加热电流的方向转动，使炉温T 及反馈信号u2下降，进而使Δu与ud下降，直到u1=u2，Δu=0时， 电动机才停止转动，电炉的温度恢复到要求的数值。 此时系 统达到新的平衡状态。 炉温控制系统方框图如图1-5所示。
第1章 绪论
到20世纪50年代，经典控制理论已发展的相当成熟，形成 了相对完整的理论体系，并且在工程实践中得到广泛的应用。 经典控制理论主要以传递函数为基础，以时域分析法、根轨迹 法和频域分析法为核心，研究单输入、单输出线性定常系统的 分析和设计问题。 随着生产和科学技术的发展，具有多输入、 多输出的现代设备变得愈来愈复杂，所以需要大量方程来描述 现代控制系统。
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
§1.2 自动控制系统的基本概念
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。
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。
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(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》)
(8) 1961年苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造 地球卫星轨道，开始了人类宇航时代
宇宙哥伦
布-加加林
第一个绕预定 轨道飞行的载 人太空舱
1961年，苏联的 东方一号载着人 类历史上第一名 宇航员加加林飞
向太空
1961年4月12日，莫斯 科时间9点零7分，27 岁的加加林离开了地 球，飞向太空。108分 钟以后，加加林重返 地球。飞行的最大高 度是327000米。最大 时速为28260公里。
控制理论的发展史
I. 前期控制(公元前1400 – 公元1900) 工业机器
II. 经典控制前期 (1900年-1935年)
III. 经典控制(1935年-1950年)
空间技术
Ⅳ. 现代控制 (1950年- )
控制理论
I.前期控制(Early Control)(公元前1400 – 公元1900)
都江堰
(2) 公元100年亚历山大的希 罗发明开闭庙门和分发圣水 等自动装置，把硬币投入储 钱箱，大门就会自动开启。 在装置中投入一个硬币，就 会有圣水从洞中喷出。
(3)公元132年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。
(4)公元235年中国马钧研制出用齿轮传动的自动 指示方向的指南车
Ⅳ现代控制(Modern Control) (1950年- )
二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的 控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后 兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导 弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星 球大战，并随着计算机技术的快速发展，使得现代 控制理论发展很快。
N.A. Armstrong
(12) 1967年瑞典奥斯特隆姆（Karl J.
Astrom）提出最小二乘辩识，解决了线性
定常系统参数估计问题和定阶方法，六年
后，提出了自启调节器，建立自适应控制
的基础。Astrom于1993年获得IEEE荣誉
奖章（IEEE Medal of Honor）。
K. J. Astrom
指南车模型图
指南车结构图
提花织机结构图
(5) 1637年中国明代宋应星所著《天工开物》 记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图
(6)英国瓦特（J. Watt）1765年发明了蒸汽机， 1788年发明了离心式飞球调速器，通过调速器调 节蒸汽量，从而保证蒸汽机在不同的工作负荷时 ，保持一定的转速。
(7) 1868年英国麦克斯威尔（J. C. Maxwell）发表“ 论调速器” (On Governors)文章；从理论上加以提 高，并首先提出了“反馈控制”的概念”
(8) 1875年英国劳斯（E.J. Routh ）建立Routh判据
(Routh-Hurwitz Stability Criteria)
控制工程基础第1章绪论
2020年4月28日星期二
教材： 《控制工程基础》机械工业出版社 祝守新 主编 《控制工程基础》机械工业出版社 燕山大学 王益群 孔祥东 主编 参考教材： 《控制工程基础》浙江大学出版社 张尚才 主编
第一章 绪论
第一节 概述--控制理论的发展史 第二节 自动控制系统的基本概念
(3) 1957年国际自动控制联合会(IFAC) 成立，中国为发起国之一，第一届学 术会议于1960年在莫斯科召开
地对空导弹 F4 幻影飞机
(4) 1952年美国麻省理工学院的伺服机构 实验室（Servomechanism Laboratory） 研制出第一台数控机床
(5) 1957年世界第一颗人造地球卫星(Sputnik) 由苏联发射成功
第一节 概述 控制理论的发展史
--自动控制技术与人类进步 Automatic Control & Human 前言 Civilization
自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程 中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它， 人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来， 从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发 展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一 ，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键 技术。自动化也即现代化。
II.经典控制前期(The Pre-classical Period) (1900 年-1935年)
(1) 1913年美国福特(Ford Motor)汽 车公司建成最早的汽车装配流水线
(2) 1922年美国米罗斯基( N.
Minorsky)研制出用于船舶驾驶的伺
服结构，提出PID控制方法
汽车装配流水线
导弹
卫星
航天器
(1) 1956年苏联庞特里亚 金（L.S. Pontryagin）发 表“最优过程数学理论”， 提出极大值原理 (Maximum Principle) L.S. Pontryagin
(2) 1957年美国贝尔曼（R. Bellman） 发表著名的动态规划（Dynamic Programming），建立最优控制的基 础
“反馈是一种控制系统的方法，该方法将系统的输出 作用于系统的输入。” 闭环控制系统的结构框图：
(6) 1925年美国斯佩雷（E. Sperry）研制出火炮控制 器，1929年梅森（C. Mason）研制出气压反馈控制器
火炮控制器
气压反馈控制器
III. 经典控制(Classical Control)(1935年-1950年)
(3) 1928年美国MIT的万尼瓦尔.布什 (Vannevar Bush)
研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analyzer)
V. Bush
大型模拟计算机
(4) 1927年美国布雷克 (H.S. Black)提出放大器性 的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier)
C. E. Shannon
两士兵在用装载有火炮控制系 统的装置追踪发射炮弹轨迹
(7) MIT辐射实验室（Radiation Laboratory）在研究SCR-584雷达 控制系统的过程中，创立了尼科尔 斯图解设计方法（Nichols Chart Design Method），菲利普（R. S. Philips）的噪音伺服系统（On Noise in Servomechanisms），以 及霍尔维兹（Hurewicz ）(1947)的 数字控制系统(Sampled Data
1957. Laika. Sputnik 二号
Sputnik一号为第一个 向太空发射的人造卫星
1957年10月4日，火箭将第 一颗人造卫星Sputnik送往 太空。升空照片至今没有向 世人公开。右面的这张照片 是从1967年的一部苏联记录 片中剪辑出来的。
科罗廖夫（S. Korolev） (1906-1966),俄 国太空船设计 者，东方号飞 船和上升号飞 船的总设计师
H. S. Black
(5)闭环控制(反馈）--自动控制的基础。控制论的奠 基人维纳 (N.Wiener) 1948年对此给出的定义为：
“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”
苏联发行的一枚专门 纪念加加林的邮票
(9) 1963年, 美国的扎德（Lofti Zadeh）与戴森（C. Desoer）发表“线性系统－状态矢量空间方法”（ Linear Systems - A State Space Approach ） 。1965 年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念
Zadeh
(0)具有反馈控 古代的计时器 “水钟”( 在中国叫作“刻漏” ，也叫“漏壶” )。据古代锲形文字记载和 从埃及古墓出土的实物可以看到，巴比 伦和埃及在公元前1500年以前便已有很 长的水钟使用历史了。