控制工程基础第一章绪论资料
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》)
07924控制工程基础孔祥东机械工业出版社
控制论(Cybernetics)是研究生物体、机器及各种不同系 统控制和调节规律的科学。它不仅是一门极为重要的科学， 而且也是一门卓越的方法论，具有适用于各门科学的思想和 方法。
将控制论同工程实践结合在一起形成了工程控制论，因 此，控制工程是一门研究控制论在工程中应用的科学。控制 工程基础主要阐述自动控制技术的基础理论。
第一章 绪论
§1.1 概 述
工程控制论
经济控制论
控制论
生物控制论 社会控制论
控制论被广泛的应用到现实生活中的各 个领域，是一门重要的方法论。
第一章 绪论
§1.1 概 述 二、控制论的发展历史
控制论的发展起源于18世纪英国第一次技术革命。
第一阶段：20世纪40~50年代为“古典控制理论”发 展时期。单输入单输出(SISO)控制系统，线性定常系 统。 第二阶段：二十世纪六、七十年代为“现代控制理论” 发展时期。多输入多输出(MIMO)、非线性及时变系统 。 第三阶段：二十世纪七十年代末至今，控制论向着 “大系统理论”和“智能控制论”发展。模糊控制、 神经网络控制和专家控制等 。
第一章 绪论
§1.2 自动控制系统的基本概念 四、自动控制系统的基本类型
1．按给定量的运动规律分 (1)恒值调节系统：输入量为常值，或者随时间缓慢变化。分析重点在克服扰动 对输出量的影响。 (2)程序控制系统：输入量为已知给定的时间函数，控制过程按预定程序进行。 (3)随动(伺服)系统：输入量是时间的未知函数，即给定量的变化规律事先无法 确定，要求输出量能够准确、快速地复现给定量，如火炮自动瞄准系统、轧机 板厚自动控制系统。
第一章 绪论
§1.2 自动控制系统的基本概念 三、闭环控制系统的基本组成
扰动量 n 输入量 偏差 输出量
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
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第一章 结 束
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牛头刨床
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焊接机器人
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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》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(主编_彭珍瑞_董海棠)课件(精)
第一章 绪论内容提要一、基本概念1.控制：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。
2.输入信号：人为给定的，又称给定量。
3.输出信号：就是被控制量。
它表征对象或过程的状态和性能。
4.反馈信号：从输出端或中间环节引出来并直接或经过变换以后传输到输入端比较元件中去的信号，或者是从输出端引出来并直接或经过变换以后传输到中间环节比较元件中去的信号。
5.偏差信号：比较元件的输出，等于输入信号与主反馈信号之差。
6.误差信号：输出信号的期望值与实际值之差。
7.扰动信号：来自系统内部或外部的、干扰和破坏系统具有预定性能和预定输出的信号。
二、控制的基本方式1.开环控制：系统的输出量对系统无控制作用，或者说系统中无反馈回路的系统，称为开环控制系统。
2.闭环控制：系统的输出量对系统有控制作用，或者说系统中存在反馈回路的系统，称为闭环控制系统。
三、反馈控制系统的基本组成1.给定元件：用于给出输入信号的环节，以确定被控对象的目标值（或称给定值）。
2.测量元件：用于检测被控量，通常出现在反馈回路中。
3.比较元件：用于把测量元件检测到的实际输出值经过变换与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。
4.放大元件：用于将比较元件给出的偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控对象。
5.执行元件：用于直接驱动被控对象，使被控量发生变化。
6.校正元件：亦称补偿元件，它是在系统基本结构基础上附加的元部件，其参数可灵活调整，以改善系统的性能。
四、控制系统的分类（一）按给定信号的特征分类1. 恒值控制系统2. 随动控制系统3. 程序控制系统（二）按系统的数学描述分类1. 线性系统2. 非线性系统（三）按系统传递信号的性质分类1. 连续系统2. 离散系统（四）按系统的输入与输出信号的数量分类1. 单输入单输出系统2. 多输入多输出系统（五）按微分方程的性质分类1. 集中参数系统2. 分布参数系统五、对控制系统的性能要求1. 稳定性：指系统重新恢复稳态的能力。
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
工程控制基础 第1章绪论
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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(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)。
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(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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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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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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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。
Variable)或称参考输入量，输出就是被控量。
控
制 工
这种关系可以用由方框及输入输出箭头表示的
程 基
方框图（Block Diagram）来描述 。
础
输入量
系统
输出量
图1-1-1 系统方框图
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二、工程控制论
第一章 绪论
工程控制论研究以工程技术为对象的控制论问题。
具体地讲，是研究在这一工程领域中广义系统的动
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第一章 绪论
主要内容
第一节 控制论的基本含义
第二节 控制的基本方式
控 制
第三节 反馈控制系统的基本组成
工 程
第四节 控制系统的分类
基
第五节 控制系统的性能要求
础
第六节 自动控制的应用举例
第七节 MATLAB在控制系统中的应用
第八节 本课程的特点与学习方法
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第一章 绪论
程 基 础
递温控 度 度 节给度制（，蒸水与量蒸从汽蒸,水汽而的:阀汽的流调流门量开）
的量流,来量控成制正水
比的. 温度.
但人工难以实现稳定的高质量控制.
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第一章 绪论
例 水温自动控制系统
控 系 节通阀统控门过中制的增电器开加机度了调：
制 工 程 基 础
从电而机调节蒸 汽工流作入原，理控：制
工 程
某个恒定值或按一定规律变化，其中，热处理炉就
基 础
是受控对象（Controlled Object）。温度为被控量
(Controlled Variable)。要求被控量保持的数值或变化
规律，称为被控量的期望值。而操作或控制的任务
就是使受控对象的被控量等于或按一定精度符合期
望值。
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制
本的自动控制原
工 程
理。
基
根据反馈信号对输入信号的影响不同将其分为
础 正反馈和负反馈。
反馈回去的信号与原系统的输
入信号的作用性质相反（或相
位相180°）
反馈回去的信号与原系统的输 入信号的作用性质或相位相同
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第一章 绪论
人用手取桌子上的书，就是一个负反馈系统。这个负 反馈控制系统的基本组成及工作原理可以用一个闭环 的方框图表示。
力学问题，也就是研究系统及其输入、输出三者之
间的动态关系。
控
制
工 程 基
例如，在机床数控技术中，调整到一定状态的数 控机床就是系统，数控指令就是输入，而数控机床
础 有关的运动就是输出。
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第一章 绪论
控制工程主要研究并解决的问题：
(1)系统分析: 当系统已定且输入已知时，求出系统
程 基
态空间模型的所谓“现代”控制理论。
础
近年来，在非线性系统理论、离散事
件系统、大系统和复杂系统理论以及专家
系统、模糊控制和人工神经网络控制等方
面均有不同程度的发展。
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第一章 绪论
第二节 控制的基本方式
一、反馈
反馈：把输出量送回到系统的输入端，并与输
入信号比较的过程。
控
信息反馈是最基
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第一章 绪论
受控对象：被控制的装置。 被控量：表征被控对象工作状态的物理量。
期望值：被控量所应保持的数值或变化规律。
控 制 工 程 基 础
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例 水温人工控制系统
第一章 绪论
系统蒸的汽构通成：
控 制 工
过受热控传手对导动象器调:水箱 件节被把阀控热门制量的量传开:水温
在工农业生产、交通运输、国防建设、科学研 究及日常生活等各个领域，自动控制技术的应用非 常广泛。
从工艺过程中对压力温度、湿度、粘度和流量
控 制
的控制到机械制造业中机械零件的加工、处理和装 配，自动控制技术都是其重要的组成部分。太空航
工 行、人造卫星等高新尖技术中，更渗透着控制工程
程 基
的辉煌成果。
础
输入信号
控 制
(书位置)
工
程
基
础
眼睛
大脑
手臂、手 眼睛
输出信号 (手位置)
图1-2-1 人取书的反馈控制方框图
可见反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行 闭环控制的过程。
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二、控制的基本方式
第一章 绪论
（一）开环控制： 系统的输出量对系统无控制作用，
的输出 (响应)，并通过输出研究系统本身的有关问题。
(2)系统的最优控制：当系统已定，且系统的输出
控 也已给定 ， 要确定系统的输入应使输出尽可能符合给
制
工 定的最佳要求。
程 基
(3)最优设计：当输入已知且输出也给定时，确定
础 系统以使得输出尽可能符合给定的最佳要求。
(4)系统辨识（系统识别）：当输入与输出均已知时 求出系统的结构与参数。
加 水入的给温定度信. 实号
检 现 参测没入实有的际人自温直动度接水 产 温生控控制制. 信号
控制器
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第一章 绪论
任何实际运行的物理系统都是因果系统，输出 (Output Variable)（或称响应）是输入（Input- Variable） （或称激励）引起的后果。
自动控制系统的输入称为给定量(Reference-