控制工程基础-绪论
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-1
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
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》)
控制工程基础绪论
✓美国George Devol研制出第一台工业机器人样机 (1954)，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机器人公司Unimation。
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✓※世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功 (1957)
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综上所述
控制系统的工作原理： ➢检测输出量（被控制量）的实际值； ➢将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较
得出偏差； ➢用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输
出量维持期望的输出。
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由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预 计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考 输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏 差，故称之为反馈控制。
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输入信号：是指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律 的指令信号。 输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与 输入量之间保持一定的函数关系。 反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端的 信号称为反馈信号。反馈分为主反馈和局部反馈。 偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差。 误差信号：它是指系统输出量的期望值与实际值之差，简称误差。在单位反馈 情况下，误差值也就是偏差值，二者是相等的。 扰动信号：简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统 输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称为 内部扰动，后者称为外部扰动。 外部扰动是不希望的输入信号。
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现代控制（1950-Now）
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，以及计算 机技术的出现
控制工程基础第一章绪论
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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。
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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。
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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
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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。
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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》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、目的和重要性概述控制工程的应用领域和学科范围1.2 控制系统的基本概念介绍控制系统的定义和组成解释输入、输出、反馈和控制器的概念1.3 控制工程的历史和发展回顾控制工程的发展历程和重要里程碑讨论现代控制工程的挑战和发展趋势第二章：数学基础2.1 线性代数介绍矩阵、向量的基本运算和性质讲解线性方程组的求解方法2.2 微积分复习微积分的基本概念和公式讲解导数和积分的应用2.3 离散时间信号介绍离散时间信号的定义和特点讲解离散时间信号的运算和处理方法第三章：连续控制系统3.1 连续控制系统的概述介绍连续控制系统的定义和特点解释连续控制系统的应用领域3.2 传递函数讲解传递函数的定义和性质介绍传递函数的绘制和分析方法3.3 控制器设计讲解PID控制器和模糊控制器的原理和方法讨论控制器设计的考虑因素和优化方法第四章：离散控制系统4.1 离散控制系统的概述介绍离散控制系统的定义和特点解释离散控制系统的应用领域4.2 差分方程和离散传递函数讲解差分方程的定义和求解方法介绍离散传递函数的定义和性质4.3 控制器设计讲解离散PID控制器和模糊控制器的原理和方法讨论控制器设计的考虑因素和优化方法第五章：状态空间方法5.1 状态空间模型的概述介绍状态空间模型的定义和特点解释状态空间模型的应用领域5.2 状态空间方程讲解状态空间方程的定义和求解方法介绍状态空间方程的稳定性分析5.3 状态控制器设计讲解状态控制器的原理和方法讨论状态控制器设计的考虑因素和优化方法第六章：频域分析6.1 频率响应介绍频率响应的定义和作用讲解频率响应的实验测量方法6.2 频率特性分析系统频率特性的性质和图形讨论频率特性对系统性能的影响6.3 滤波器设计讲解滤波器的基本类型和设计方法分析不同滤波器设计指标的选择和计算第七章：数字控制系统7.1 数字控制系统的概述介绍数字控制系统的定义和特点解释数字控制系统的应用领域7.2 数字控制器设计讲解Z变换和反变换的基本原理介绍数字PID控制器和模糊控制器的设计方法7.3 数字控制系统的仿真与实现讲解数字控制系统的仿真方法和技术讨论数字控制系统的实现和优化第八章：非线性控制系统8.1 非线性系统的概述介绍非线性系统的定义和特点解释非线性系统的应用领域8.2 非线性模型和分析方法讲解非线性系统的建模方法和分析技术分析非线性系统的稳定性和可控性8.3 非线性控制策略讲解非线性PID控制器和模糊控制器的原理和方法讨论非线性控制策略的设计和优化第九章：鲁棒控制9.1 鲁棒控制的概述介绍鲁棒控制的定义和目的解释鲁棒控制在控制工程中的应用领域9.2 鲁棒控制设计方法讲解鲁棒控制的基本设计和评估方法分析不同鲁棒控制策略的性能和特点9.3 鲁棒控制在实际系统中的应用讲解鲁棒控制在工业和航空航天等领域的应用案例讨论鲁棒控制在实际系统中的挑战和限制第十章：控制系统的设计与实践10.1 控制系统的设计流程讲解控制系统设计的基本流程和方法分析控制系统设计中的关键环节和技术选择10.2 控制系统实践案例分析不同控制系统实践案例的设计和实现过程讲解控制系统实践中的注意事项和优化方法10.3 控制系统的发展趋势讨论控制系统未来的发展方向和挑战分析新兴控制技术和方法在控制系统中的应用前景重点和难点解析重点环节1：控制系统的基本概念和组成控制系统定义和组成的理解输入、输出、反馈和控制器的相互作用重点环节2：传递函数和控制器设计传递函数的定义和性质PID控制器和模糊控制器的设计方法和应用重点环节3：差分方程和离散传递函数差分方程的求解方法离散传递函数的定义和性质重点环节4：状态空间模型的建立和分析状态空间方程的定义和求解状态空间模型的稳定性和可控性分析重点环节5：频率响应和滤波器设计频率响应的实验测量和分析滤波器设计方法和应用重点环节6：数字控制系统和控制器设计Z变换和反变换的应用数字PID控制器和模糊控制器的设计方法重点环节7：非线性系统的建模和控制策略非线性系统的建模方法非线性控制策略的设计和优化重点环节8：鲁棒控制的设计和评估鲁棒控制的基本设计和评估方法鲁棒控制策略的性能和特点重点环节9：控制系统的设计流程和实践案例控制系统设计的基本流程和方法控制系统实践案例的设计和实现过程重点环节10：控制系统的发展趋势和新兴技术控制系统未来的发展方向新兴控制技术和方法在控制系统中的应用前景本教案涵盖了控制工程基础的十个重点环节，包括控制系统的基本概念和组成、传递函数和控制器设计、差分方程和离散传递函数、状态空间模型的建立和分析、频率响应和滤波器设计、数字控制系统和控制器设计、非线性系统的建模和控制策略、鲁棒控制的设计和评估、控制系统的设计流程和实践案例以及控制系统的发展趋势和新兴技术。
《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 课程介绍了解控制工程的概念、内容和研究方法理解控制工程在工程实践中的应用和重要性1.2 控制系统的基本概念定义系统、输入、输出和反馈区分开环系统和闭环系统1.3 控制工程的目标掌握稳定性、线性、非线性和时变性等控制系统的特性学习控制系统的设计方法和步骤第二章：数学基础2.1 线性代数基础掌握向量、矩阵和行列式的基本运算学习线性方程组和特征值、特征向量的求解方法2.2 微积分基础复习极限、连续性和微分、积分的基本概念和方法应用微积分解决实际问题2.3 复数基础了解复数的概念、代数表示法和几何表示法学习复数的运算规则和复数函数的性质第三章：控制系统分析3.1 传递函数定义传递函数的概念和性质学习传递函数的绘制和解析方法3.2 频率响应分析理解频率响应的概念和特点应用频率响应分析方法评估系统的性能3.3 根轨迹分析掌握根轨迹的概念和绘制方法分析根轨迹对系统稳定性的影响第四章：控制系统设计4.1 控制器设计方法学习PID控制器的设计原理和方法了解模糊控制器和神经网络控制器的设计方法4.2 控制器参数调整掌握控制器参数调整的目标和方法应用Ziegler-Nichols方法和频域方法进行参数调整4.3 系统校正和优化理解系统校正的概念和目的学习常用校正方法和优化技术第五章：现代控制理论5.1 状态空间描述了解状态空间的概念和表示方法学习状态空间方程的求解和状态反馈控制5.2 状态估计和最优控制掌握状态估计的概念和方法学习最优控制的目标和求解方法5.3 鲁棒控制和自适应控制理解鲁棒控制的概念和特点了解自适应控制的设计方法和应用场景第六章：线性系统的稳定性分析6.1 稳定性的定义和性质理解系统稳定性的概念和重要性学习稳定性分析的基本方法6.2 劳斯-赫尔维茨准则掌握劳斯-赫尔维茨准则的原理和应用应用劳斯-赫尔维茨准则判断系统的稳定性6.3 李雅普诺夫方法了解李雅普诺夫方法的原理和分类学习李雅普诺夫第一和第二方法判断系统的稳定性第七章：线性系统的控制器设计7.1 控制器设计概述理解控制器设计的目标和重要性学习控制器设计的基本方法7.2 PID控制器设计掌握PID控制器的设计原理和方法应用PID控制器进行系统控制7.3 状态反馈控制器设计了解状态反馈控制器的设计原理和方法学习状态反馈控制器的设计和应用第八章：非线性控制系统分析8.1 非线性系统概述理解非线性系统的概念和特点学习非线性系统分析的基本方法8.2 非线性系统的描述方法学习非线性系统的数学模型和描述方法应用非线性系统分析方法研究系统的性质8.3 非线性控制系统的应用了解非线性控制系统在工程实践中的应用学习非线性控制系统的设计和优化方法第九章：鲁棒控制理论9.1 鲁棒控制概述理解鲁棒控制的概念和重要性学习鲁棒控制的基本方法9.2 鲁棒控制设计方法掌握鲁棒控制设计的原则和方法应用鲁棒控制设计方法设计控制器9.3 鲁棒控制在控制系统中的应用了解鲁棒控制在实际控制系统中的应用学习鲁棒控制在控制系统中的设计和优化方法第十章：控制系统仿真与实验10.1 控制系统仿真概述理解控制系统仿真的概念和重要性学习控制系统仿真的基本方法10.2 MATLAB控制系统仿真掌握MATLAB控制系统仿真工具的使用应用MATLAB进行控制系统仿真和分析10.3 控制系统实验了解控制系统实验的目的和重要性学习控制系统实验的方法和技巧重点和难点解析重点环节1：控制系统的基本概念和特性控制系统的基本概念，包括系统、输入、输出和反馈区分开环系统和闭环系统掌握稳定性、线性、非线性和时变性等控制系统的特性重点环节2：传递函数和频率响应分析传递函数的概念和性质，传递函数的绘制和解析方法频率响应的概念和特点，频率响应分析方法分析根轨迹对系统稳定性的影响重点环节3：控制器设计方法和参数调整控制器设计方法，包括PID控制器、模糊控制器和神经网络控制器的设计原理和方法控制器参数调整的目标和方法，应用Ziegler-Nichols方法和频域方法进行参数调整重点环节4：状态空间描述和最优控制状态空间的概念和表示方法，状态空间方程的求解和状态反馈控制状态估计和最优控制的目标和求解方法重点环节5：非线性控制系统分析和鲁棒控制理论非线性系统的概念和特点，非线性系统分析的基本方法鲁棒控制的概念和重要性，鲁棒控制的基本方法重点环节6：控制系统仿真与实验控制系统仿真的概念和重要性，控制系统仿真的基本方法MATLAB控制系统仿真工具的使用，应用MATLAB进行控制系统仿真和分析控制系统实验的目的和重要性，控制系统实验的方法和技巧全文总结和概括：本教案涵盖了控制工程基础的十个章节，主要包括控制系统的基本概念和特性、传递函数和频率响应分析、控制器设计方法和参数调整、状态空间描述和最优控制、非线性控制系统分析和鲁棒控制理论以及控制系统仿真与实验。
控制工程基础2第1章绪论
缺点：系统参数应适当选择，否则可能不能 正常工作。
17
闭环控制的电加热炉方框图
扰动
输入量 温度计
（炉温希望值）
继电器
电阻丝
炉温
输出量 （炉温实际值）
18
19
自动控制系统的组成
20
三、闭环控制系统的基本组成
连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模 拟量传递的系统。
如果系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码 形式传递的系统则称为离散系统。其脉冲序列可由脉冲 信号发生器或振荡器产生，也可用采样开关将连续信号 变成脉冲序列，这类控制系统又称为采样控制系统或脉 冲控制系统。而用数字计算机或数字控制器控制的系统 又称为数字控制系统或计算机控制系统。
29
五、对控制系统的基本要求
性能指标是评价系统动态品质的定量指标，是 定量分析的基础。
控制系统应用于不同的场合，对它有不同的性 能要求。但从控制工程的角度来看，对控制系统却 有一些共同的要求，一般可归结为稳、快、准。
即：稳定性、快速性、准确性（稳态精度）
➢ 稳定性
系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系 统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状 态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散 性；反之，系统是不稳定系统。
2.系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际 需求合理选择。
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。
控制工程(自动控制)第一讲 控制工程基础绪论
据 1938年：H. Bode以及Nyquist(1940)提出频 率响应法 1942年：J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出 PID参数的最佳调整法 1945年：H. W. Bode提出反馈放大器的一般 设计方法 1948年：N. Wiener发表《控制论》 (Cybernetics)，标志经典控制理论基本形成
中国马钧研制出用齿 轮传动的自动指示方 向的指南车(235年)
引言
1769年：James
Watt发明飞球调节器，用 来控制蒸汽机的转速 C. Maxwell发表《调速器》，提 出反馈控制的概念及稳定性条件
J. Routh提出劳斯稳定性判据 M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳
1868年：J.
控制工程基础
陈 青 林
主讲
引言
控制工程应用举例
例：水钟（如右图所示）
引言
例：磁盘驱动器 磁盘驱动器读取装置的目标是要将磁头准确定位， 以便正确读取磁盘磁道上的信息。要精确控制的变量 是磁头的位置。
引言
例：飞球调节器 机械装置用来测量 驱动杆的转速并利用飞 球的转动来控制阀门， 进而控制进入蒸汽机的 蒸汽流量。
引言
1950年：W.
R. Evans提出根轨迹法，并应 用于反馈控制系统的设计 1954年：钱学森发表《工程控制论》 (Engineering Cybernet出极
大值原理 1957年：R. I. Bellman提出动态规划理论 1957年：国际自动控制联合会(IFAC)成立 1960年：R. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论 1960～1980年：确定性系统的最优控制、随 机系统的最优控制、复杂系统的自适应和自 学习控制 1980迄今：鲁棒控制、H∞控制、非线性控制、 智能控制等
工程控制基础 第1章绪论
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
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。
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08.03.2021
控制工程基础：第一讲 绪论
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名词术语（1）
输入信号r(t)：又称输入量、控制量、给定量。它是控制输出量变化 规律的信号。往往把输入到控制系统中的信号（包括扰动信号）广义 地叫做输入量。
输出信号c(t)：又称输出量、被控制量、被调整量。它的变化规律是 要加以控制的，应保持与输入信号之间有一定的函数关系。
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反馈控制系统的基本组成
给定环节：根据系统输出量的期望值，产生系统的给定输入信号的环节。 反馈环节：对系统输出量的实际值进行测量，将它转换成反馈信号，并使反
馈信号成为与给定信号同类型、同数量级的物理量。 比较器：将给定信号与反馈信号进行比较，产生偏差信号的环节。 控制器：根据偏差信号，按一定的控制规律，产生相应的控制信号的环节。 执行环节：将控制信号进行功率放大，直接推动被控对象，使被控制量发生
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闭环控制系统举例
导弹发射和制导系统
直流电机速度闭环 控制系统
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闭环控制系统方块图
在闭环控制系统中，不仅有从输入端到输出端的作用路径（前向通 道），还有从输出端到输入端的信号作用路径（反馈通道）。由于 引入了反馈，系统的方块图形成了闭环，构成了闭环控制系统。
如果系统的控制量和干扰量均无法事先预知时，或系统中元件参数不稳定时，采用闭 环控制的优点就显得特别突出。
若要求实现复杂而准确度较高的控制任务，则可将开环控制与闭环控制结合起来一起 作用，组成一个比较经济而又性能较好的复合控制系统。
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主要内容
引言 控制系统的工作原理和组成 自动控制系统的基本类型 对自动控制系统的基本要求 自动控制理论的发展简史 小结 教学大纲
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闭环控制系统的特点
闭环控制系统的优点：采用反馈控制提高了系统的精度。 负反馈：使偏差减小或消除的反馈作用。反馈控制是自动控制的基本
原理，负反馈控制系统的原理是根据所检测的偏差进行控制，从而抑 制或消除偏差，即检测偏差，抑制或消除偏差。 由扰动引起的偏差，只要扰动作用点被反馈路径包围，都能被反馈作 用抑制或消除。因此，系统对这部分元器件内部参数的变化不敏感， 可以用精度不高而成本低的元器件组成。 对作用点不被反馈路径包围的扰动所引起的偏差，反馈作用无能为力， 如给定元件、反馈元件的精度。 当闭环控制系统结构或参数配合不当时，可能引起过调，造成系统振 荡，甚至不能正常工作。对闭环系统来说，稳定性是一个重要问题。
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自动控制系统
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控制系统的工作原理和组成
人工控制系统和自动控制系统 人工控制系统 自动控制系统
开环控制和闭环控制
开环控制系统 闭环控制系统 反馈控制系统的基本组成
基本组成 名词术语 闭环控制系统与开环控制系统比较
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名词术语（2）
正反馈：反馈信号与输入信号符号相同，能加强输入信号的作用。 负反馈：反馈信号与输入信号符号相反，抵消输入信号作用。 主反馈：直接取自系统最终输出端的反馈。主反馈一定是负反馈，否则偏
差越来越大，直至系统失去控制。 局部反馈：除主反馈外，有的系统还有局部反馈，主要是为系统进行校正、
程序控制机床能够按预先排定的工艺程序自动地进行切削，加工 出预期的几何形状。
在钢铁工业中，初轧机的轧辊来回转动，将钢锭碾轧至规定尺寸。 为了保证轧制质量，要求实现低速咬钢、带钢升速、高速轧制等， 这就要求拖动轧机的电动机的转速和转向按照一定的规律变化； 然而，由于钢锭尺寸的不同，加热温度不同，以及由于钢锭进入 轧辊时对轧辊的冲击等，都会导致电机的负荷和转速发生巨大波 动，从而需要有控制装置对电机的转速和转向进行控制。
开关控制：恒功率、间歇控制（缺点：噪音、耗能） 变频控制：变功率、连续控制（优点：降噪、节能）
洗衣机的时间控制：定时控制－程序控制
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引言－工业生产中的自动控制问题
加热炉的温度自动控制－恒值控制。
化工生产中反应塔的温度和压力能够自动维持恒定不变。
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控制系统的工作原理和组成
人工控制系统和自动控制系统 人工控制系统 自动控制系统
开环控制和闭环控制 开环控制系统 闭环控制系统
反馈控制系统的基本组成
基本组成 名词术语 闭环控制系统与开环控制系统比较
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控制工程基础：第一讲 绪论
人造地球卫星能够发射到预定轨道并能准确回收。 无人驾驶飞机能按预定航行线路自动飞行。 导弹的目标寻找和制导。
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引言－为什么要研究自动控制理论
不同的生产机械、生产过程虽然要实现的任务各不相同，但都有一 个共同点，即要求其中的某些物理量（如温度、速度、位置等）按 照特定的规律变化。（被控制量、输出量）
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引言－国防工业中的自动控制问题
火炮自动瞄准系统－跟踪雷达和指挥仪所组成的防空系统能使 火炮自动地瞄准目标－随动控制。
宇宙飞船在茫茫太空中要按预定的轨道飞行，并保持一定的姿 态，但太空中有千变万化的因素对它产生影响，需要有高性能 的控制装置对它进行控制。
开环控制和闭环控制 开环控制系统 闭环控制系统
反馈控制系统的基本组成 基本组成 名词术语
闭环控制系统与开环控制系统比较
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开环和闭环控制系统比较
闭环控制系统的优点是采用了反馈，因此对外扰动和系统内部参数的变化引起的偏差 能够自动地纠正。这样就可以采用精度不太高而成本比较低的元件组成一个精确的控 制系统。
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人工控制系统
温 度
眼
脑
计
手
加热电阻丝
恒温炉
调压器
～220V
恒温炉炉温人工控制系统－原理图
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人工控制系统
脑
期望炉温＋ （输入）
偏差 手
－ 反 馈
调压器
扰动
恒温炉 实际炉温
(输出)
眼
温度计
恒温炉炉温人工控制系统－职能方块图
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自动控制系统的基本类型
按给定变化规律分类 恒值控制系统（恒值调节系统） 随动系统 程序控制系统
线性系统和非线性系统 连续系统和离散系统
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恒值控制系统（恒值调节系统）
在这种系统中，系统的给定输 入量是恒值，在扰动存在的情 况下，要求输出量保持恒定。 其分析设计的重点是要求系统 具有良好的抗干扰性能。
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控制工程自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制系统（装置）， 使生产机械或生产过程（被控制对象）的某些物理量自动地按照预 定的（恒定或变动的）规律运行。
在人类征服自然、改造自然的过程中，自动控制技术起着极其重要 的作用。自动控制技术在工业、农业、国防、交通运输、企业管理、 科学研究等各个领域的应用愈来愈广泛。
补偿或线性化而加入的。 偏差信号ε(t)：或称偏差。控制信号与主反馈信号之差。 误差信号e(t)：或称误差。系统输出量的实际值与希望值之差。 注意误差与偏差不是同一概念，只有在全反馈系统中，误差才等于偏差。
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控制系统的工作原理和组成
人工控制系统和自动控制系统 人工控制系统 自动控制系统
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开环控制系统
系统的控制器与被控对象之间只有顺（前）向作用，没有反（逆） 向作用，系统的输出量对控制作用没有影响。
直流电机速度开环控制系统
在开环控制系统中，只有从输入端到输出端的信号作用路径，而没 有从输出端到输入端的作用路径。
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控制工程基础：第一讲 绪论
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开环控制系统的特点
位置控制系统：控制目的是使输出轴的转 角迅速准确地跟随输入轴的转角变化。
对随动系统来说，输入信号是随机的，要 求输出能迅速而准确地复现输入信号的变 化，其分析和设计的重点是研究系统的跟 随性能。
开环控制系统方块图
结构比较简单，调整比较方便。
当因扰动作用（如电源输入变化、晶闸管整流装置特性的变化或负载转 矩变化等）引起电机转速偏离原来校准的数值时，系统没有对偏差修正 的能力。
开环控制系统的精度取决于系统校准的精度和系统中元器件特性的稳定 程度，从而对其所采用的元器件的精度和稳定性提出了较高的要求。
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控制工程基础：第一讲 绪论
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控制系统的工作原理和组成
人工控制系统和自动控制系统
人工控制系统 自动控制系统 开环控制和闭环控制
开环控制系统 闭环控制系统 反馈控制系统的基本组成
基本组成 名词术语 闭环控制系统与开环控制系统比较
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控制工程基础：第一讲 绪论
电冰箱恒温控制：冰箱内储物量的增加和减少、冰箱门开启和关闭的 次数不同、外界环境温度的变化等，都会影响冰箱内的温度，若希望 维持冰箱内温度恒定不变，则需要有某种控制装置（系统）对冰箱内