控制工程基础(第一章)[2]
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。
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
第一篇 控制工程基础第一章第一节
第一篇控制工程基础第一章机械系统控制工程的一般概念1948年，维纳的《控制论》的出版，标志着控制理论作为一门学科正式诞生。
二战后，控制理论在化工、电力、冶金等部门得到了广泛的应用，解决了压力、温度、流量、化学成分的各种控制问题、形成了以反馈为中心的经典控制理论体系，其主要研究基于单输入－单输出的定常系统。
上个世纪50年代末，随着计算机技术的发展，控制理论发展到了一个新的阶段、即出现了现代控制理论。
控制对象发展为导弹制导、航天、航海、航空等领域中的多输入-多输出系统。
这些系统可以是定常的或时变的、离散的或连续的、确定的或随机的。
八十年代佾以来，控制理论正向大系统理论和智能控制理论等方面深入发展。
本课程主要讲述经典控制理论的基本概念、基本理论和方法。
研究对象限于线性定常系统。
§1-1自动控制理论及系统的基本概念一、实例首先，根据实例向同学们介绍自动控制理论及系统的基本概念。
实例1.（图1-1）上例的控制过程为：（1）根据图纸设定x方向加工尺寸；（2）把此数据输入机床控制器中；在控制器中把工作台行程换算成当量脉冲，即总脉冲数/脉冲当量；（3）按计算所得脉冲数（电压信号）输给步进电机；（4）步进电机输出转角通过减速齿轮传给丝杠；（5）丝杠输出，通过螺母传给工作台，工作台输出直线运动；上述过程可以用框图表示如下:实例2（图1-3）（图见教材）控制过程：（1）指令电位器W1的滑动触点确定给工作台的位置指令，即输入指令，输出电压；（2）当最初给出位置指令时；在工作台改变位置之前的瞬间，则电桥输出为偏差电压；（3）经放大器放大后，放大器输出电压；（4）输入到直流伺服电机，输出；（5）经齿轮减速器，传给丝杠，丝杠输出转角；（6）丝杠通过螺母收运动传给工作台，工作台输出直线运动；（7）工作台运动量为，使（反馈）电位器的滑动触点移动，而使于触点端输出（反馈）电压；（8）当时，，工作台停止运动，整个机械系统控制过程完毕；如果，即可知，工作台继续向前运动；反之，工作台向后运动，直到，运动停止；用框图表示：通过以上二例介绍一下控制系统的基本概念二、基本概念（1）被控对象：指人们要求实现某种确定的运动、生产过程、状态以及特定要求的机器设备；如机器人；称为对系统的输入量，也是系统输出量的希望值；如例1、2中工作台即被控对象，要求的运动是（或可把伺服电机也放在被控对象中）；（2）控制装置：指对被控对象起控制作用，使之实现所要求动作的机械-电子系统总体；例子中除被控对象以外的装置。
《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《控制工程基础》的课程目标和重要性掌握课程的主要内容和预期学习成果1.2 控制系统的基本概念解释控制系统的定义和作用了解控制系统的分类和基本组成第二章：数学基础2.1 线性代数基础复习向量、矩阵和行列式的基本运算掌握线性方程组的求解方法2.2 微积分基础复习函数、极限和导数的基本概念学习微分和积分在控制系统中的应用第三章：线性时不变系统3.1 系统的描述学习系统的状态空间表示和传递函数理解系统输入、输出和状态之间的关系3.2 系统的性质掌握系统的稳定性、可观性和可控性学习系统矩阵的特征值和特征向量第四章：反馈控制系统4.1 反馈控制原理理解反馈控制系统的结构和原理学习闭环系统的传递函数和稳定性分析4.2 控制器设计掌握PID控制器和比例积分微分控制器的设计方法学习控制器参数调整和优化第五章：非线性控制系统5.1 非线性系统的描述学习非线性系统的状态空间表示和传递函数理解非线性系统输入、输出和状态之间的关系5.2 非线性控制方法掌握非线性控制系统的分析和设计方法学习非线性控制器的设计和实现第六章：根轨迹法6.1 根轨迹的基本概念理解根轨迹的定义和作用学习根轨迹的绘制方法和规则6.2 根轨迹的设计与应用掌握根轨迹的设计原则和技巧学习根轨迹在控制系统分析和设计中的应用第七章：频率响应法7.1 频率响应的基本概念理解频率响应的定义和作用学习频率响应的测量和分析方法7.2 频率响应的设计与应用掌握频率响应的设计原则和技巧学习频率响应在控制系统分析和设计中的应用第八章：数字控制系统8.1 数字控制系统的概述理解数字控制系统的定义和特点学习数字控制系统的结构和原理8.2 数字控制器的设计掌握数字控制器的设计方法和算法学习数字控制器参数调整和优化第九章：状态空间法的应用9.1 线性时不变系统的状态观测器设计学习状态观测器的定义和作用掌握状态观测器的设计方法和算法9.2 线性时不变系统的状态反馈控制器设计理解状态反馈控制器的定义和作用学习状态反馈控制器的设计方法和算法第十章：控制系统的设计实践10.1 控制系统设计的一般流程掌握控制系统设计的基本步骤和方法学习控制系统设计的注意事项和经验10.2 控制系统设计案例分析分析典型控制系统的应用案例学习控制系统设计中的问题和解决方案重点解析一、绪论：理解控制系统的基本概念和重要性，掌握课程的主要内容。
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
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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]
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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
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开环例3:直流电机速度开环控制系统
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• 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PPT课件(王积伟)第一章控制系统的基本概念
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第一章 控制系统的基本概念
输入量 控制器
输出量 对象或过程
反馈量 测量元件
闭环控制系统框图
➢ 半闭环控制系统 特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。
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第一章 控制系统的基本概念 闭环控制系统的组成
比较
给定 元件
+ 元件
_
串联校正 元件
输入信号 偏差信号
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第一章 控制系统的基本概念
准确性 控制精度，以稳态误差来衡量。 稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋 于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量 之间的差值。
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第一章 控制系统的基本概念
快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏 差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。
注意：在机械、液压、气动、机电等系统中 存在着内在反馈，这种反馈无须专门 的反馈元件，是系统内部各参数相互 作用产生的，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。
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第一章 控制系统的基本概念
➢ 比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差 信号；
➢ 放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能。
系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分 地返回，并作用于系统，即输出量的返回过程称 为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
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第一章 控制系统的基本概念
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
控制工程基础第一章优选文档
等误差
例3：机器人足球
• 机器人足球控制 5 on 5 机器人足球队 完全自主 视觉系统 集中计算机 无线遥控机器人
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传感器：头部视觉系统，转 向轮传感器
控制工程基础第一章
（优选）控制工程基础第 一章
一. 自动控制理论的发展
在工程和科技发展过程中，自动控制担负着重要的角色。 除了在宇宙飞船系统、导弹制导系统和机器人系统等领域中 自动控制具有特别重要的作用之外，它已经成为现代机器制 造业和工业生产过程的重要不可缺少的组成部分。
从公元前的水利工程（李冰父子的都江堰工程）到中世 纪的钟摆，从工业革命的蒸汽机车轮船到近百年前的飞机、 汽车，从半个世纪前的电子放大器、模拟计算机到现在的无 线通讯、数字计算机，从二战的雷达、火炮到冷战时期的卫 星、导弹，再到现代的航天宇宙探测器。所有这些科技在发 明同时也直接催生和发展了自动控制技术。源于实践，服务 于实践，在实践中升华。技术如此，个人的创造才能价值也 如此。
历史发展
– 俄国数学家A.Lyapunov（1857～1918）（博士论文）系统 描述了稳分方程描述的一般运动系统的稳定性问题，建立了 著名的Lyapunov方法，为现代控制和非线性控制奠定了基础。
– 俄裔美国工程师N.Minorsky1922首先提出PID控制方法， 并成功应用于美国的海军军舰控制上。
执行机构：电动机力矩，踢 球的机构
计算部分：中心计算机，机 器人上的微型计算机
控制效果：动态场地的灵活 动作，赢得比赛
• 系统建模 系统分析 系统综合设计
控制工具
• MATLAB Toolboxes SIMULINK Control System Neural Network Data Acquisition Optimization Fuzzy Logic Robust Control Instrument Control Signal Processing LMI Control Statistics Model Predictive Control System Identification
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
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
《控制工程基础》第二版课后习题答案
第一章习题解笞U]>U2 U\ U2第二章习题解答2-1a) b)d)f)L^f| 忙d)f\ — fl =^2X O严(f)=$(M+E ⑴虑 如(f) =iQ)RRC^-u o (t)^u o (t) = RC^-u^t) at at fs (r)=B 低[xi (f) -曲(幼 j/B (t)=fK (t) = KXo(t) B dB d 『八10602斤不％()+%©二斤击可()占dR^c —% (0+ (*i + 心)％ ⑴=邛应 ~u i (0+ R 2u t (0 atati =i R +，C u o =IR?：R R 严冃3宙 % =gR\ +u oa)=K ］（旳一兀）+」:dx o ](J?l + J?2)C —«c (!)+ %("■ R Q C — Wj(O + tti (Oat at(K[ + K2)B — x o (t)+ K\K2X o (t)= K\R 〒曲(f)+ 琦心再(f)dt at10602a) b) c) Q © f)U Q —1/?2 + — j icit— Z/?| + iR-f H —J idte)dxK\% K i (兀 _ %) = K 》(兀)—x)=号二dtoB 2+ （®K° ++ B'B? + 场*3 + 水2〃?）& 2+ （K }B 2+K }B 3 + 心汝 + KM 巴2 + K }K 2X 2 dt3J S + 2用 + 8S-丘（$ + 2）（$戈+2$十4）广、■炉+ 5,2+9用+7E （$+恥 + 2）乡一rn\fU2K 2rdx { dx 2< dt dt ；/（O™-坷罕~_叭 dtdxj … 一 —- - K?x^ = m dtdx l dx 2dt dt护d 2x 2 2~d^ k,用典2+ （的+创坷+用2创+加2*3）；?7皿乔对）13173 G($)= --------------- —(£+。
控制工程基础(王积伟)课后答案
xi K1
f1
f1
=
K1 ( xi
−
xo ) +
B⎜⎛ ⎝
dxi dt
−
dxo dt
⎞ ⎟ ⎠
K2
⎪ ⎩
f1
=
f2
=
K2 xo
d)
d
d
B长江dt大x学o仪(t器)1+06(0K2班1 +贺K芸2整)x理o (t) = B dt xi (t) + K1xi (t)
第二章 习题解答
+ (K1B2
+
K1B3
+ K2B1
+ K2B3)
dx2 dt
+
K1K 2 x2
df (t) = B3 dt
长江大学仪器10602班 贺 芸 整理
第二章 习题解答
2-3 试用部分分式法求下列函数的拉氏反变换。
3）G
(s)
=
(s
+
s+c a)(s +
b)2
7）G(s)
=
s(s
s+2 +1)2 (s
+
长江大学仪器10602班 贺 芸 整理
第一章 习题解答
给定 液位
给定 液位
杠杆
阀门
水箱
浮子
a)
开关 电磁阀
水箱
浮子
长江大学仪器10602班 贺 芸 整理
b)
实际 液位
实际 液位
第二章 习题解答
2-1 试建立图示各系统的动态微分方程，并说明 这些动态方程之间有什么特点。
C ui
xi
R uo
B
xo 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_董景新_《控制工程基础》课程
第一章概论本章要求学生了解控制系统的基本概念、研究对象及任务，了解系统的信息传递、反馈和反馈控制的概念及控制系统的分类，开环控制与闭环控制的区别；闭环控制系统的基本原理和组成环节。
学会将简单系统原理图抽象成职能方块图。
例1 例图1-1a为晶体管直流稳压电源电路图。
试画出其系统方块图。
例图1-1a 晶体管稳压电源电路图解：在抽象出闭环系统方块图时，首先要抓住比较点，搞清比较的是什么量；对于恒值系统，要明确基准是什么量；还应当清楚输入和输出量是什么。
对于本题，可画出方块图如例图1-1b。
例图1-1b 晶体管稳压电源方块图本题直流稳压电源的基准是稳压管的电压，输出电压通过R和4R分压后与稳压管的电3压U比较，如果输出电压偏高，则经3R和4R分压后电压也偏高，使与之相连的晶体管基极w电流增大，集电极电流随之增大，降在R两端的电压也相应增加，于是输出电压相应减小。
c反之，如果输出电压偏低，则通过类似的过程使输出电压增大，以达到稳压的作用。
例2 例图1-2a为一种简单液压系统工作原理图。
其中，X为输入位移，Y为输出位移，试画出该系统的职能方块图。
解：该系统是一种阀控液压油缸。
当阀向左移动时，高压油从左端进入动力油缸，推动动力活塞向右移动；当阀向右移动时，高压油则从右端进入动力油缸，推动动力活塞向左移动；当阀的位置居中时，动力活塞也就停止移动。
因此，阀的位移，即B点的位移是该系统的比较点。
当X向左时,B点亦向左，而高压油使Y向右，将B点拉回到原来的中点，堵住了高压油，Y的运动也随之停下；当X向右时,其运动完全类似，只是运动方向相反。
由此可画出如例图1-2b的职能方块图。
例图1-2a 简单液压系统例图1-2b 职能方块图1．在给出的几种答案里，选择出正确的答案。
（1）以同等精度元件组成的开环系统和闭环系统，其精度比较为_______ （A ）开环高； （B ）闭环高； （C ）相差不多； （D ）一样高。
（2）系统的输出信号对控制作用的影响 （A ）开环有； （B ）闭环有； (C ）都没有； （D ）都有。
控制工程基础课后习题答案
详细描述
通过调整系统的传递函数，可以改变系统的 频率响应特性。在设计控制系统时，我们需 要根据实际需求，调整传递函数，使得系统 的频率响应满足要求。例如，如果需要提高 系统的动态性能，可以减小传递函数在高频 段的增益。
06 第五章 控制系统的稳定性 分析
习题答案5-
习题答案
• 习题1答案：该题考查了控制系统的基本概念和组成。控制系统的基本组成包 括被控对象、传感器、控制器和执行器等部分。被控对象是实际需要控制的物 理系统或设备；传感器用于检测被控对象的输出状态，并将检测到的信号转换 为可处理的电信号；控制器根据输入的指令信号和传感器的输出信号，按照一 定的控制规律进行运算处理，并输出控制信号给执行器；执行器根据控制信号 对被控对象进行控制操作，使其达到预定的状态或性能要求。
控制工程基础课后习题答案
目 录
• 引言 • 第一章 控制系统概述 • 第二章 控制系统的数学模型 • 第三章 控制系统的时域分析 • 第四章 控制系统的频域分析 • 第五章 控制系统的稳定性分析 • 第六章 控制系统的校正与设计
01 引言
课程简介
01
控制工程基础是自动化和电气工 程学科中的一门重要课程，主要 涉及控制系统的基本原理、分析 和设计方法。
总结词
控制系统校正的概念
详细描述
控制系统校正是指在系统原有基础上，通过加入适当的 装置或元件，改变系统的传递函数或动态特性，以满足 性能指标的要求。常见的校正方法有串联校正、并联校 正和反馈校正等。校正装置通常安装在系统的某一环节 ，以减小对系统其他部分的影响。
习题答案6-
总结词
控制系统设计的一般步骤
习题答案5-
总结词
控制工程基础第一章
1-1 自动控制的基本原理 1-2 自动控制系统的示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 自动控制系统的基本要求
第一章 控制系统导论
1-1 自动控制的基本原理
自动控制是指在没有人直接参与的情况下，
利用外加的设备和装置（称控制装置或控制 器），使机器、设备或生产过程（统称被控 对象）的某个工作状态或参数（即被控量） 自动地按照预定的规律运行。 自动控制系统＝被控对象＋控制装置 控制的本意：为了达到某种目的对事物进行 支配、管束、管制、管理、监督、镇压。
式中：c(t) 是被控量，r(t) 是输入量。 定常系统又称为时不变系统，其特点是：描述系统 运动的微分或差分方程的系数均为常数。 线性系统的叠加原理表明：两个外作用同时加于系 统所产生的总数出，等于各个外作用单独作用时分 别产生的输出之和，且外作用的数值增大若干倍时， 其输出亦增大同样的倍数。
第一章 控制系统导论
电炉
温度计 调压器 电阻丝
～220V
人工控制调节过程： 观测电炉内温度（被控量）； 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； 根据偏差大小和方向调节调压 器，控制加热电阻丝的电流以调 节温度回复到要求值。
人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。
期望温度 大脑 手 调压器 电炉 实际温度T
第一章 控制系统导论 开环控制方式
1、按给定值控制的开环控制
给定量 控制装置 （输入量）
干扰信号：不需要的输入 信号，它影响系统输出。
干扰 被控量 被控对象 （输出量）
2、按干扰补偿的开环控制
测量装置 控制装置 干扰 被控对象 被控量 （输出量）
开环控制方式特点： ⑴结构简单,成本低； ⑵精度不高，抗干扰能力差。 开环控制的应用：交通灯、洗衣机等
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控制工程基础(第一章)[2]
§1-3 自动控制系统的基本概念
二. 开环控制与闭环控制
1.开环控制系统：系统的输出端和输入端之间不存在反 馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。
北京工业大学机电学院 图5 电机转速控制系统 控制工程基础(第一章)[2]
§1-3 自动控制系统的基本概念
3．产品的优化设计
进行产品设计时，充分考虑产品与设备的动态特性，建 立数学模型，进行优化设计
4．动态过程或参数测试，向着动态测试方向发展。
比如动态精度，动态位移，振动，噪声，动态力与动态 温度等的测量，从基本概念，测试手段到测试数据的处理方 法都与控制理论相关。
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“检测偏差并用以纠Βιβλιοθήκη 偏差”。北京工业大学机电学院
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§1-3 自动控制系统的基本概念
（2）自动控制系统：如图，自动控制恒温箱。
北京工业大学机电学院 图3 自动控制恒温箱 控制工程基础(第一章)[2]
§1-3 自动控制系统的基本概念
由热电偶将测量到的恒温箱的温度转换成电压信号 u2，并与给定信号u1进行比较得到温度偏差Δu，Δu经 电压放大器和功率放大器放大后，改变执行电机的转速 和方向，并通过传动装置移动调压器的触头，使电阻丝 的电流改变，进而改变恒温箱的温度，直到温度偏差 Δu=0，电机停止。
放大变 换元件
执行 元件
控制 对象
并联校 正元件
反馈元件
局部反馈 主反馈
输出xo
图7 典型的反馈控制系统方块图
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§1-3 自动控制系统的基本概念
1. 给定元件：用于产生给定信号或输入信号，也就 是产生系统的输入。
2. 反馈元件：测量系统的输出，产生主反馈信号， 该信号与系统的输出之间存在确定的函数关系（通常为比 例关系）。
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§1-3 自动控制系统的基本概念
3. 比较元件：比较输入信号与主反馈信号之间的偏差。 可以是物理的比较元件，也可以是一个差接电路，此 时可称做比较环节。
4. 放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元 件
5. 执行元件：直接对控制对象进行操作。
6. 控制对象：控制系统所操纵的对象，其输出就是系统 的输出，或称为被调量，被控量。
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§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。
反馈控制是实现自动控制的最基本的方法。实现自 动控制的装置可能不同，但反馈控制的原理是相同的。
2. 闭环控制系统：系统的输出端和输入端之间存在反 馈回路，输出量对系统的控制作用有直接影响. 闭环的作用是应用反馈来减少偏差。
北京工业大学机电学院 图6 闭环调速系统
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§1-3 自动控制系统的基本概念
闭环系统的优点：精度高 缺点：稳定性差
开环系统的优点：稳定性好，结构简单，容易构建 缺点：精度低
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§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
控制理论在机械制造领域应用最为活跃的几个方面：
1．机械制造过程正在向“自动化”与“最优化”结合的 方向，以及机电一体化的方向发展。
2．制造和加工过程的动态研究。
由于制造和加工过程的高速、高精度要求，需要把整个 过程作为动态系统来研究。
控制工程基础(第一章)[2]
§1-3 自动控制系统的基本概念
五．对控制系统的基本要求
1．稳定性：指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡 状态的能力。
输出量偏离平衡状态后应该随着时间收敛并且最终回到 初始的平衡状态。
2．快速性：指当系统输出量与给定的输入量之间产生 偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。
2.最优控制——系统已确定，确定系统的输入，已使输 出尽可能符合给定的最佳要求；
3. 最优设计——输入已知，确定系统，以使输出尽可能 符合给定的最佳要求；
4. 滤波与预测——输出已知，确定系统，以识别输入或 输出中的有关信息；
5. 系统辨识——输入、输出均已知，求系统的结构和参 数，也即建立系统的数学模型
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/20
控制工程基础(第一章)[2]
“检测偏差并用以纠正偏差”，通过反馈实现。
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§1-3 自动控制系统的基本概念
给定信号
+ -
电压功率 控制电机 减速器 调压器 放大器
恒温箱
温度
（控制对象） （被调量）
热电偶
图4 自动控制恒温箱方块图
u1——系统输入 恒温箱温度——系统输出 热电偶——反馈元件
自动控制： 没有人直接参与的情况下，使生产过程或被控制
对象的某些物理量准确地按照预期规律变化。
例如：数控机床、焊接机器人、温度控制系统
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§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；
§1-3 自动控制系统的基本概念
一.自动控制系统工作原理
（1）人工控制系统：如图，人工控制恒温箱。
北京工业大学机电学院 图2 人工控制恒温箱 控制工程基础(第一章)[2]
§1-3 自动控制系统的基本概念
人工观察温度计测得的恒温箱温度，与要求的温度 进行比较，若恒温箱温度高于要求的温度，移动调压器 使电阻丝电流减小以降低恒温箱温度；若恒温箱温度低 于要求的温度，移动调压器使电阻丝电流增加以升高恒 温箱温度。
系统的稳定性、快速性和准确性是相互制约的。
如要求其快速性好，则系统可能会产生强烈的振荡；
如要求其稳定性好，则控制过程可能过于迟缓，快速 性变差，精度也可能变坏。
因此，对于一个控制系统，应综合考虑各方面，解 决稳定性、快速性和准确性之间的矛盾，获得最佳的、 满足需要的综合性能。
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3．准确性：消除偏差过程结束后，系统输出量与给定 的输入量之间残存的偏差，或称为静态精度。
例如，数控机床，其精度越高，加工精度也越高。而恒
值系统，如恒温系统、恒速系统，其精度都在给定值的
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控制工程基础(第一章)[2]
§1-3 自动控制系统的基本概念
不同的系统，其性能要求不一样，如随动系统对快速 性要求高，而调速系统则对稳定性要求高。
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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§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：
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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§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
例：质量—弹簧—阻尼系统
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§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
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。如火炮自动瞄准敌 机的控制系统，仿形加工中的液压仿形刀架随动系统。
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仿形机床：按照样板或靠模控制刀具或工件的运动轨迹 进行切削加工的半自动机床
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§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。
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广义地说，机械设备、加工过程都可看成是如图1 所示的动力系统
输入
系统
输出
图1 系统模型
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§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
从系统、输入、输出三者之间的动态关系而言，机械控 制工程的内容可归纳为5类：
1. 系统分析——系统已确定，已知输入，求系统的输出， 并通过输出研究系统本身的有关问题；
7. 校正元件：也称校正装置，用以稳定控制系统，提高 性能。
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§1-3 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来分： （1）恒值调节系统，如稳压电源，恒温箱。 （2）程序控制系统，输入量为已知给定的时间函数，如数
控机床。 （3）随动系统，系统的给定量（或输入量）是时间的未知
闭环系统的精度高、稳定性差是其主要矛盾，当控 制系统的性能要求较高时，可采用闭环与开环相结合的 复合控制。
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