控制工程基础ch1
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
控制工程基础控制工程基础控制工程是应用数理科学、工程科学和计算机科学等，对动态系统进行建模、分析、设计和实现的一门学科。
它的基础知识包括：系统理论、信号与系统、自动控制理论、数字信号处理、电子电路、计算机科学基础等，是自动化技术、机械工程、电子工程、信息工程、材料科学、冶金工程、化工工程、生物工程以及安全工程等众多工程领域的基础学科。
下面将对控制工程的基础知识进行简要介绍。
一、系统理论系统理论是控制工程的基石，它研究如何将物理、力学、电子学等各种不同类型的系统用一种公共的方式表示，以便于对系统进行分析和设计。
它包括了系统的三个基本部分：输入、输出和系统本身。
系统理论还涉及到系统的稳定性、响应特性、频率特性、自由度、模态等方面的概念和方法。
以温度调节器为例，它的输入和输出分别是设定的温度值和实际的温度值。
它所调节的系统就是温度系统，该系统可以被看作是一个变量到变量的映射函数。
系统理论的目的就是找到如何调整该映射函数的方法，从而让实际的温度值无限趋近于设定值，即实现对于温度的精确控制。
二、信号与系统信号与系统是控制工程中另一个基础概念，它是指在时间或空间上变化的各种信号，并且它们可以用某种系统进行处理。
信号可以是电压、电流、温度、光等，而系统可以是传感器、运算放大器、放大器、滤波器、元件等。
例如，温度调节器的信号就是温度值的变化，系统就是温度调节器本身。
这个系统可以通过控制电路来实现对于温度的控制。
信号与系统理论主要研究信号的特征、传输及处理系统的处理特性，以及信号和系统之间互相作用的规律等。
三、自动控制理论自动控制理论是指通过一定的算法和控制策略来实现目标的自动控制系统。
当系统出现误差时，自动控制系统会自动地对系统进行反馈调整。
该理论是实现各种控制系统的核心。
它不仅涉及到系统的稳定性分析、响应特性、控制系统的设计方法以及控制策略的选择等基本问题，还包括控制器设计、检测和分析等方面。
四、数字信号处理数字信号处理（DSP）是将模拟信号转化为数字信号，并对这些数字信号进行处理的技术。
机械工程控制基础(第一章)
形式也不同，下面分三种情况讨论：
•F(s)只含有不相同的极点
•F(s)包含共轭复数极点
•F(s)中包含有多重极点
6. Laplace变换的应用：解微分方程
用拉氏变换求解微分方程的一般步骤是： •对线性微分方程的每一项进行拉氏变换，使微分方程
变成以s变量的代数方程； •求解代数方程，得到输出变量象函数的表达式； •将象函数展开成部分分式； •对部分分式进行拉氏反变换，得到微分方程的解。
• 1948年：N. Wiener发表《控制论》，标志经 典控制理论基本形成。
• 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》。
在频域内，用传递函数分析单输入单输出系统 的稳定性和校正问题。
现代控制理论的发展（1954---至今）
1）脉冲信号
2）阶跃信号
3）斜坡信号------也称速度信号
4）抛物线信号----也称加速度信号
5）正弦信号
6）余弦信号
3. Laplace变换的基本定理
（一）线性定理 设F1(s)= L[f1(t)],F2(s)= L[f2(t)],a和b为常数，
则有：
L[af1(t)+bf2(t)]=aL[f1(t)]+bL[f2(t)] =aF1(s)+bF2(s)
1. laplace变换的定义
常称F(s)为f(t) 的变换函数或象函数，而f(t)为F(s) 的原函数。 在上式中，其积分下限为零，但严格说有0-和0+之分 。 对于在t=0处连续或只有第一类间断点的函数，0-和0+型的拉 氏变换是相同的，但对于在t=0处有无穷跳跃的函数，两种拉氏 变换的结果是不一致的。 为反映这些函数在[0-，0+]区间的表现，我们约定式中的积分 下限为0-。
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
燕山大学控制工程基础实验报告(带数据)
自动控制理论实验报告实验一典型环节的时域响应院系：班级：学号：姓名：实验一 典型环节的时域响应一、 实验目的1．掌握典型环节模拟电路的构成方法，传递函数及输出时域函数的表达式。
2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。
3．了解各项参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、 实验设备PC 机一台，TD-ACC+教学实验系统一套。
三、 实验步骤1、按图1-2比例环节的模拟电路图将线接好。
检查无误后开启设备电源。
注：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100k 电阻。
不需再接。
2、将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用“短路块”接好。
将信号形式开关设为“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值为1V ，周期为10s 左右。
3、将方波信号加至比例环节的输入端R(t)， 用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入R(t)端和输出C(t)端。
记录实验波形及结果。
4、用同样的方法分别得出积分环节、比例积分环节、惯性环节对阶跃信号的实际响应曲线。
5、再将各环节实验数据改为如下：比例环节：；，k R k R 20020010== 积分环节：；，u C k R 22000==比例环节：；，，u C k R k R 220010010=== 惯性环节：。
，u C k R R 220010=== 用同样的步骤方法重复一遍。
四、 实验原理、内容、记录曲线及分析下面列出了各典型环节的结构框图、传递函数、阶跃响应、模拟电路、记录曲线及理论分析。
1．比例环节 (1) 结构框图：图1－1 比例环节的结构框图(2) 传递函数：K S R S C =)()( KR(S)C(S)(3) 阶跃响应：C(t = K ( t ≥0 ) 其中K = R 1 / R 0 (4) 模拟电路：图1－2 比例环节的模拟电路图(5)记录曲线：(6)k R k R 20020010==，时的记录曲线：_R0=200kR1=100k_ 10K10KC(t)反相器 比例环节 R(t)(7)曲线分析：比例放大倍数K 与1R 的阻值成正比。
控制工程实验报告
Hefei University of Technology《控制工程基础》实验报告学院机械与汽车工程学院姓名学号专业班级机械设计制造及其自动化13-7班2015年12月15日自动控制原理实验• 1、线性系统的时域分析• 1.1典型环节的模拟研究一、实验要求1、掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式。
2、观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。
二、实验原理(典型环节的方块图及传递函数)三、实验内容及步骤在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。
如果选用虚拟示波器，只要运行LABACT 程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。
具体用法参见用户手册中的示波器部分。
1) 观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示。
该环节在A1单元中分别选取反馈电阻R1=100K 、200K 来改变比例参数。
图3-1-1 典型比例环节模拟电路实验步骤： 注：“SST ”不能用“短路套”短接！（1）将信号发生器（B1）中的阶跃输出0/+5V 作为系统的信号输入（Ui ） （2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a（b（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT （Uo ）。
注：CH1选“X1”档。
时间量程选“x4”档。
（4）运行、观察、记录：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0→+5V 阶跃），用示波器观测A6输出端（Uo ）的实际响应曲线Uo （t ），且将结果记下。
改变比例参数（改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1），重新观测结果,其实际阶跃响应曲线见表3-1-1。
2) 观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路如图3-1-2所示。
控制工程基础课程提纲
三. 线性系统和非线性系统 1. 线性控制系统; 2. 非线性控制系统
3. Ch1.3对控制系统的基本要求 4. 1.稳定性; 5. 2.精确性; 6. 3.快速性（动态性能）.
Ch2.3 控制系统的结构图与信号流图
一.结构图的组成与绘制 二.结构图的等效变换和简化 1.串联方框的简化; 2.并联方框的简化; 3.反馈方框的简化; 4.基于比较点的简化; 5.基于引出点的简化.
三.信号图的组成及性质
1.组成: (1)节点:输入节点;输出节点;混合节点. (2)支路. (3)通路. (4)回路. (5)不接触回路.
二.闭环特征方程根（闭环极点）
三.四种阻尼 欠阻尼： 0< <1；临界阻尼：=1 过阻尼： >1； 零阻尼： =0
四. 二阶系统的单位阶跃响应 1.欠阻尼
ct 1
ent
1 2
sin dt
2. 零阻尼
tg 1
1 2
c(t) 1 cosnt
3.临界阻尼
c t 1 ent ntent 1 1 nt ent
起点： 0, A0, 0 终点： , A,
与实轴的交点：
ImG j H j 0, 0
Im
G
j
H
j
0
,
与虚轴的交点：
ReG j H j 0,
Re
G
j
H
j
0
,
3
2
2
考虑到在闭环系统稳定性判别中的应用， Nyquist曲线与负实轴的交点位置尤其重要。
吉林大学“控制工程基础”_Ch101
被控对象上存在干扰 或者由于控制器元器件老化 控制对象结构或参数因工作环境而发
生变化 均会导致系统输出的不稳定 使输出值偏离预期值 正因为如此 开环控制系统
一般适用于干扰不强 或干扰可预测的 控制精度要求不高的场合
图 １．２．２ 所示为一简单的贮槽液面控制系统 这是一个典型的开环控制系统 要求
控制器和被控对象间只有正向控制作用 系
统的输出量不会对控制器产生任何影响 如
图 １．２．１ 所示
图 １．２．１ 开环控制系统
在该类系统中 对于每一个输入量 就有一个与之对应的工作状态和输出量 系统
的精度仅取决于元器件的精度和执行机构调整的精度
这类系统结构简单 成本低 容易控制 但是控制精度低 因为 如果在控制器或
1
于是 维纳等在１９４３年发表了 行为 目的和目的论 同时火炮自动控制的研制也 获得了成功 这些是控制论萌芽的重要实物标志 １９４８年 维纳所著 控制论 的出 版 标志着这门学科的正式诞生
２０ 世纪 ５０ 年代以后 一方面在控制理论的指导下 火炮及导弹控制技术极大地发展 数控 电力 冶金自动化技术突飞猛进 另一方面在自动控制装备的需求和发展的基础上 控制理论也不断向纵深发展 １９５４ 年 我国科学家钱学森在美国运用控制论的思想和方 法 用英文出版了 工程控制论 首先把控制论推广到工程技术领域 接着在短短的几 十年里 在各国科学家和科学技术人员的努力下 又相继出现了生物控制论 经济控制论 和社会控制论等 控制理论已经渗透到各个领域 并伴随着其他科学技术的发展 极大地 改变了整个世界 控制理论自身也在创造人类文明中不断向前发展 控制理论的中心思想 是通过信息的传递 加工处理并加以反馈来进行控制 控制理论也是信息学科的重要组成 方面 机电工业是我国最重要的支柱产业之一 而传统的机电产品正在向机电一体化 （ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ）方向发展 机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化 机电控制型 产品技术含量高 附加值大 在国内外市场上具有很强的竞争优势 形成机电一体化产品 发展的主流 当前国内外机电结合型产品 诸如典型的工业机器人 数控机床 自动导引 车等都广泛地应用了控制理论 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 以时域分析法 频率分析法和根轨 迹分析法作为分析和综合系统基本方法 主要研究单输人 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 ２０ 世纪 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 研究多输人 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 预测控制等理论都是这一领域重要的分支 特别是近年来由于电子计算机技术和 现代应用数学研究的迅速发展 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 半个世纪以来 控制理论从主要依靠手工计算的经典控制理论发展到依赖电脑的现代
《控制工程基础》课件
控制器
控制器是控制系统的核心，用 于接收输入信号，并根据控制 算法产生输出信号，以控制执
行器的动作。
控制器的种类繁多，常见的 有比例控制器、积分控制器
、微分控制器等。
控制器的设计需根据被控对象 的特性和控制要求进行选择和
调整。Leabharlann 执行器01执行器是控制系统的输出环节，用于将控制器的输出信号转换 为实际的控制动作。
《控制工程基础》ppt 课件
CONTENTS 目录
• 控制工程基础概述 • 控制系统的基本组成 • 控制系统的基本性能 • 控制系统的分析与设计 • 控制系统的实现与应用 • 控制工程的前沿技术与发展趋势
CHAPTER 01
控制工程基础概述
定义与特点
定义
控制工程基础是一门研究控制系统的学科，主要涉及控制系 统的基本原理、设计方法、分析技术以及实际应用。
现代控制理论
20世纪60年代末至70年代，现代控制理论开始兴起，它不仅研究 线性系统，还扩展到非线性系统、最优控制、自适应控制等领域。
智能控制
20世纪80年代以来，随着人工智能技术的发展，智能控制在控制工程 领域的应用越来越广泛，涉及模糊控制、神经网络控制等多个方面。
CHAPTER 02
控制系统的基本组成
时间常数以及优化控制算法来减小动态响应时间。
CHAPTER 04
控制系统的分析与设计
数学模型的建立
总结词
描述数学模型在控制系统分析与设计中的重要性。
详细描述
数学模型是描述系统输入与输出之间关系的数学表达式，是控制系统分析与设计的基石。通过建立数学模型，可 以深入了解系统的动态行为，为后续的分析和设计提供依据。
传感器的种类繁多，常见的有热电阻 、热电偶、压力传感器、流量传感器 等。
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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1、开环控制
输入、输出之间无反馈回路 输出对系统的控制作用无影响
变压器 加热电阻丝 恒 温 箱
给定量 变压器 恒温箱 被控量
~220V
优点：结构简单、价格便宜、容易维修 缺点：精度低，易受环境变化的干扰
12
2、闭环ห้องสมุดไป่ตู้制
输入、输出之间有反馈回路 输出对系统的控制作用有影响
参考 输入 + 反馈信号 控制 指令 输出
Qi 浮子
水箱
给定hi
职 能 框 图
+
放大
-
电动 机
减速 器
Qi
阀门 水箱
液位高度h
浮子
23
自动驾驶仪飞机俯仰角控制系统
给定qi
+
职 能 框 图
-
-
放大 器
舵机
飞机
俯仰角qo
反馈 电位器 垂直 陀螺仪
24
25
1.3 自动控制系统的基本类型
1、按给定量的变化规律分： • 恒值调节系统 如：稳压电源 • 程序控制系统 如：数控机床 • 随动系统 如：火炮自动系统 机床随动系统 2、系统参数是否随时间变化 • 定常系统：所有参数恒定不变 • 时变系统：参数有随时间变化
6
控制理论的形成过程
• 1956年：蓬特里亚金提出极大值原理 • 1957年：R. I. Bellman提出动态规划理论
• 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
控制器
受控 对象
传感器
13
人工控制过程：
1、观测温度（被控量）
2、与要求温度（给定
量）比较，得出偏差的
大小和方向
3、根据偏差进行控制
控制过程：
测量，求偏差，控制以纠正偏差
14
+ 减速器
给定量ug
自 动 控 制 恒 温 箱
M 变压器
~220V
Du +
执行电机 放大装置 uc
+ 反馈量uf
热电偶 恒 温 箱
1.1.1开环控制与闭环控制
几个概念 1.被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过 程 2.被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，一般 指系统的输出量 3.给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数值 4.扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的 因素，称为系统的扰动。 给定值和扰动通称为输入量。 5.控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称
系统的综合与校正
32
教材及参考书： • 1 席剑辉等《控制工程基础》 国防工业出版社 2012.5 • 2 王划一 《自动控制原理》 国防工业出版 社 2000.8 • 3董景新 《控制工程基础》（第3版） 清华大学出 版社 2003.8
33
本课程的基本要求
1. 掌握反馈控制系统的基本概念，包括基本原 理、基本组成等； 2. 掌握建立系统数学模型的方法； 3. 掌握统的时域分析方法； 4. 掌握系统的频域分析方法； 5. 掌握系统的根轨迹分析方法； 6. 掌握模拟控制系统的校正方法；
34
-
偏差e 串联校正 元件
-
放大 元件
执行 元件
被控 被控输出xo 对象
局部反馈 校正元件 测量元件
1.测量元件：检测被控量并将其转换成需要的物理量形式 2.比较元件：将检测环节反馈回来的信号与给定量进行比较，得 出二者的偏差
3.放大元件：放大微弱信号
4.执行元件：作用于被控对象，使被控量按照期望发生变化 5. 校正元件：是人为加入系统可直接调整结构或参数的元件
主讲 张庆新
沈阳航空航天大学自动化学院
1
绪
论
学习要点
•自动控制理论的产生和基本概念
•控制理论的发展及其在工程中的应用
•自动控制系统的基本类型 •本书的主要内容
3
1.1 自动控制理论的产生和基本概念 控制理论产生于军事上需求,后发展到民事 领域（如冶金、数控、电力等）。同时也渗透 到其他领域—生物控制论、经济控制论和社会 控制论等。 1868年麦克斯韦研究反馈系统的稳定性问题 发表论文《论调速器》，是控制理论最早的 成果论文。
目标：最优控制，最优滤波，系统辨识
基础：状态空间表达式
进一步发展:自适应控制、智能控制等
9
研究对象
数学 工具
常用分 析方法
局限性 对复杂多变量 系统、时变和 非线性系统无 能为力 比较繁琐（但 由于计算机技 术的的迅速发 展，这一局限 性已克服)
10
时域分析 单输入经典 微分方 法，频域 单输出线 控制 程，传 分析法, 性定常系 理论 递函数 根轨迹分 统 析法 多输入现代 多输出变 线性代 状态空间 控制 系数，非 数、矩 法 理论 线性等系 阵理论 统
26
1.3 自动控制系统的基本类型
3、按描述系统微分方程的形式分： • 线性控制系统：用线性微分方程描述 • 非线性控制系统：用非线性微分方程描述
4、按系统中传递的信号的连续性分： • 模拟控制系统：系统中传递的信号均为模拟信号， 系统组成的各个环节均为模拟设备 • 离散控制系统：系统中传递的信号有离散信号，系 统组成环节中有计算机或数字电路等数字化设备
16
+
给定量ug
自 动 控 制 恒 温 箱
减速器 M 变压器
Du +
执行电机 放大装置
+ 反馈量uf
热电偶 恒 温 箱
~220V
uc
加热电阻丝
给定量ug
Du
+
-
放大 装置
执行 电机
减速器
变压器
uc
恒温箱
温度to 被控量
uf 热电偶
自动控制恒温箱职能框图
1.1.2闭环控制系统的典型组成
给定量xi
+
27
控制系统的基本要求
稳定
准确
快速
1、稳定性 是指系统动态过程的振荡倾向和系 统恢复平衡状态的能力。输出量偏离平 衡状态后应随着时间收敛并且回到初始 的平衡状态。 是系统工作的首要条件。
28
控制系统的基本要求
2、快速性 这是在系统稳定的前提下提出的。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。 3、准确性 指调整过程结束后，输出量与给定的输 入量之间的偏差，即静态精度，这也是衡量 系统工作性能的重要指标。
20世纪70年代末至今，控制系统越来越复杂，控制 要求也越来越高，促进了智能控制、复杂控制、大系统 21 控制等先进控制理论的发展。
1788年瓦 特发明的蒸汽 机离心调速器 就是一个自动 调节系统，是 控制理论应用 的典型代表。
22
液位控制系统
阀门 + 电位器 减速器 h 电动机 M If + -
18
+
给定量ug
自 动 控 制 恒 温 箱
减速器 M 变压器
~220V
Du +
执行电机 放大装置 uc
+ 反馈量uf
热电偶 恒 温 箱
加热电阻丝
给定量xi
+
-
偏差e 串联校正 元件
-
放大 元件
执行 元件
被控 被控输出xo 对象
局部反馈 校正元件 测量元件
水 浮子 h(t)
q1(t)
活塞
抽水马桶示意图
29
控制系统的基本要求
系统对稳、准、快的要求各有侧重，如: 随动系统--快速性 调速系统--稳定性 同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性 好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制 过程又可能过于迟缓，精度也可能变坏。 分析和解决这些矛盾，是本学科讨论的 重要内容。
30
1.4
课程主要内容及课程的情况
阀门 q2(t)
调节器 h0 比较器 机械杠杆
-
执行机构 活塞 检测机构 浮子
被控对象 q1(t) 水箱
h(t)
20
1.2 控制理论的发展及其在工程中的应用
一阶段----经典控制论的成熟和发展期 从1868年到20世纪50年代末 二阶段----局部自动化时期 20世纪60年，航空航天领域对运载火箭、人造卫星、 导弹、飞机等各类飞行器进行精确控制的需求导致了现 代控制论的形成和发展。 三阶段----综合自动化时期
控制工程基础课主要阐述的是有关反馈自动 控制技术的基础理论。 本课程是机械、航宇等专业本科必修的一门 非常重要的专业基础课。
所需基础知识
高等数学 复变函数、积分变换
理论力学、电工学
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本书主要内容
线性系统 系统的数学模型 非线性系统
时域分析 方法
频域分析 方法
根轨迹分 析方法
描述 函数 法
相平 面法
7
控制理论可分为“经典控制理论”和“现 代控制理论”两大部分。 1.经典控制理论
40~50年代形成
适用于SISO（单输入－单输出）系统
基于：二战军工技术
目标：反馈控制系统的稳定
基础：传递函数
基本方法：频率法，根轨迹法
8
2.现代控制理论
60~70年代形成 适用于MIMO （多输入－多输出）系统
基于： 冷战时期空间技术，计算机技术
加热电阻丝
人工控制
ug u f 时 Du 0 调压器不动
自动控制 测量装置 控制器 执行机构
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人 眼 人 脑 人 手
uf
Du 0 调压器上移
u f Du 0 调压器下移
闭环控制（反馈控制）：检测偏差并纠正偏差