控制工程基础课件及课后答案

20世纪40年代，频率响应法为技术人员设计满 足性能要求的线性闭环控制系统提供了可行的 方法；20世纪40年代末到50年代初，伊凡思提 出并完善了根轨迹法。 频率响应法和根轨迹法是经典控制理论的核心。 经典控制理论主要是在复数域内利用传递函数 或是频率域内利用频率特性来研究与解决单输 入、单输出线性系统的稳定性、响应快速性与 响应准确性的问题，这也是我们这门课要着重 阐明的问题，也就是说这门课我们主要学习古 典控制理论



迈纳斯基（1922年研制出船舶操纵控制 器，并证明了如何从描述系统的微分方 程中确定系统的稳定性） 奈奎斯特（1932年根据对稳态正弦输入 的开环响应，确定闭环系统的稳定性。） 黑曾（1934年提出用于位置控制系统的 伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪 输入信号变化的继电式伺服机构）
1.1历史回顾
1.2机械工程控制论的研究对象与任务
从物理角度上看，自动控制理论研究的是特定激 励作用下的系统响应变化情况； 从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映 射关系; 从信息处理的角度来看，研究的是信息的获取、 处理、变换、输出等问题.
一. 机械工程控制论的研究对象 机械工程控制论实质上是研究机械工程技术中广义系 统的动力学问题。具体地说，它研究的是机械工程广义 系统在一定的外界条件（即输入或激励、干扰）作用下， 从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固 有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定 的整个动态历程；研究这一系统及其输入、输出三者之 间的动态关系。
1.3控制系统的基本工作原理
我们可以把控制系统分为人工控制与自动控制。 自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装 置使被控对象（如：机器、设备或生产过程）的某一物理 量（或工作状态）自动地按照预定的规律运行（或变化）。 比如数控机床的加工过程、人造卫星按设定的轨道运行。
1.3控制系统的基本工作原理
特点是输入信号是一个未知函数，
控制系统的基本组成和名词术语
控制元件 输入
执行元件
被控对象 输出
反馈元件
三.控制系统的基本组成和名词术语
1.基本组成 ☆比较元件：将输入信号和反馈信号进行比较。并得出 二者差值的偏差信号。 ☆控制元件：也称校正元件或控制器、调节器。 ☆执行元件：控制元件的输出作用到执行元件，执行元 件在直接作用与被控对象，使被控对象根据输入信号 的要求变化而变化。 ☆被控对象：指系统中被控制的设备或过程，它能完成 特定的动作或生产任务。 ☆反馈元件：对被控量进行测量并转换成能用于与参考 输入进行比较的量值。
1.4自动控制系统的几种分类
一.按控制系统有无反馈来分（开环系统、闭环系统） 一. 1.开环系统：指系统的输出端与输入端之间不存在反 馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。 2.闭环系统：系统的输出信号与输入端之间存在反馈 回路的系统。也叫反馈控制系统。闭环的含义就是应用 反馈作用来减小系统误差。
小结




本章主要介绍控制系统的基本概念（控制系统、 控制器、被控对象、输入量、输出量、反馈） 控制系统的分类 基本组成（输入元件、比较元件、控制元件、 执行元件、被控对象、反馈元件） 涉及到的名词术语（输入信号、输出信号、反 馈信号、偏差信号、误差信号、扰动信号） 控制系统的基本要求
2.名词术语 ☆输入信号：指输入到系统中的各种信号，包括干 扰信号，一般来说，输入信号是指控制输出量变化规律 的信号。 ☆输出信号：输出是输入的结果，它的变化规律 通过控制应与输入信号之间保持确定的关系。 ☆反馈信号：输出信号经反馈元件变换后加到输 入端的信号。符号与输入信号相同叫正反馈 ☆偏差信号：输入信号与主反馈信号之差。 ☆误差信号：输出量实际值与希望值之差。 ☆扰动信号：偶然的无法加以人为控制的信号
1、理解控制系统中的各个物理量的含义 2、理解开环控制和闭环控制的含义 3、理解反馈的含义 4、掌握基本控制系统的组成
1.1历史回顾
控制理论发展的三个时期： 第一个时期：经典控制理论时期 （40年代末到50年代） 18世纪，瓦特为自动调节蒸汽机运转速度 设计离心式调速器，是自动控制领域的第一 项重大成果。 在控制理论发展初期，作出 过重大贡献的众多学者中有
三、本课程中各章节之间的关系：

本课程中各章节之间的关系：
补充拉氏变换 绪论（1） 系统的数学模型 （2）
系统的分析 （3、4）
系统的稳定性 （5） 系统的校正 （6）
第一章
绪论
本章主要内容 1.控制理论的发展 2.控制的基本工作原理 3.控制系统的分类 4.控制系统的基本要求
本章重点与难点

1.1历史回顾
第二个时期：现代控制理论时期（20世纪60年代初） 现代控制理论主要是在时域内利用状态空间来研究与解决多 输入多输出系统的最优控制问题。 第三个时期：大系统理论时期（20世纪70年代） 现代频域方法、自适应控制理论和方法、鲁棒控制方法、 预测控制方法。 第四个时期：智能控制时期 智能控制的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技 巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问 题。智能控制的方法包括：模糊控制、神经元网络控制、 专家控制。
频率响应法和根轨迹法这两种方法设计出来的系统是稳 定的，并且或多或少能满足一些独立的性能要求，一般来 说这些系统是令人满意的，但它不是某种意义上的最佳系 统。从50年代末期，控制系统设计问题的重点就从设计可 行系统转变到设计在某种意义上的一种最佳系统。 由于具有多输入和多输出的现代设备变得愈来愈复杂， 所以需要大量方程描述控制系统，经典控制理论就无能为 力了，另外由于计算机技术日趋成熟，因此利用状态变量 基于时域分析的现代控制理论就产生了。
二、机械工程控制论的研究任务
（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析 问题； （2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最 优控制问题； （3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设 计问题； （4）输出已知，系统确定，以识别输入或输入中的 有关信息，即滤波与预测问题； （5）已知系统的输入和输出，求系统的结构和参数， 即系统辨识问题。
图1 数控机床的加工过程 图2人造卫星
1.3控制系统的基本工作原理
水池水位自动控制系统
涉及的基本概念：
☆ ☆ ☆ ☆ 控制系统；用以完成一定控制任务的元、部件的组合。 控制器：对被控对象起控制作用的设备总体，即控制装置。 被控对象：需要控制的机器、设备或生产过程。 输入量：作用于控制系统的物理量，可分为使系统具有预定功能的控制 输入量(简称控制量)和破坏系统控制输入量和输出量之间预定规律的干 扰输入量(简称干扰或扰动量)。 ☆ 输出量：控制系统或被控对象的需要进行控制的物理量。 ☆ 反馈：将系统的输出部分或全部返回到输入，并与输入量相比较。比较 的结果称为偏差。
1.4自动控制系统的几种分类
输入装置 控制装置
伺服驱动 装置
工作台
输入装置Leabharlann 控制装置伺服驱动 装置
工作台
检测装置
按系统输入信号的变化规律来分
1.恒值控制系统（自动调节系统） 特点是输入信号是一个恒定的数值。 2.过程控制系统（程序控制系统） 特点是输入信号是一个已知的时间函数 3.随动控制系统（伺服系统）
2．名词
1.5控制系统的基本要求
1.系统的稳定性 稳定性的要求是控制系统正常工作的首要条件， 2.响应的快速性 所谓快速性是指系统的输出量与给定的输入量 相对应的稳态输出量之间产生偏差时，消除这 种偏差的快慢程度。 3.响应的准确性 所谓准确性是指在过渡过程结束后输出量同给 定的输入量相对应的稳态输出量之间的偏差，
一.课程的地位与作用
该课程的开设培养学生运用控制原理的基本方法，分析 和解决各种工程问题。 控制工程基础是工科许多专业的学科基础课，该课程在 各专业的学习过程中起着非常重要的作用。它既是前期基 础课向专业课的转折，又是后续专业课程的重要基础课。
二、课程简介

教学内容以反馈控制理论为核心，介绍 控制系统的数学模型，介绍线性系统的 时域、频域和根轨迹的分析。教学方式 以讲授为主，辅以多媒体CAI及课堂讨论。 课程的教学目标是，使学生掌握有关自 动控制的基本概念、基本理论和基本方 法，能够运用反馈原理解决实际工程中 的相关问题，进一步提高分析问题和解 决问题的能力。