001-控制工程基础-绪论
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 第一章 绪论
机电系统的时域和频域分析
机电系统的稳定性分析
进水 阀门
+ 电位器 减速器 -
连杆
浮子 实际水位
水池 放大器 电动机
出水
本课程涉及到的相关知识
本课程涉及到高等数学、理论力学、电工电子
学等多门基础知识，特别是运用数学工具较多，内 容较抽象及概括。因此在学习本课程过程中应及时 复习相关基础知识，多参考有关控制理论方面的参 考书，以加深理解，同时还应重视实验及习题。
课程简介
《机械工程控制基础》课程主要阐述的是有关反 馈自动控制技术的基础理论以及在机电系统中的应用。
本课程是机械设计制造及其自动化专业的一门重
要的技术基础课。它是适应机电一体化的技术需要，
针对机械对象的控制，结合经典控制理论形成的一门
课程。本课程主要涉及经典控制理论的主要内容及应 用, 突出的是机电控制的特点。
《机械工程控制基础》
山东交通大学 机械工程学院 机械电子教研室 梁 杰
课程说明
使用专业：机械设计制造及其自动化
使用班级：机械101-104
总学时数：45学时，其中理论教学39学时，实验4学时， 机动2学时。
本课程为必修课，3学分，期末考试采用闭卷考核方式。 总成绩包括平时成绩和期末考试成绩，平时成绩占总评成 绩的20%，期末考试成绩占80%，其中平时成绩包括作业、 考勤和实验报告，作业、考勤和实验报告所占的比例分别 为40%、40%和20%。
选用教材： 王积伟、吴振顺主编《控制工程基础》（第二 版），高等教育出版社，2010年5月。 参考资料： 1、董景新等编著《控制工程基础》，清华大学 出版社。 2、杨叔之等编著《机械工程控制基础》（第 五版），华中科技大学出版社。 3、柳洪义等编著《机械工程控制基础》，科 学出版社。 4、董霞等编著《机械控制理论基础》，西安 交通大学出版社。
《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。
控制工程基础第一章绪论
第 15 页
第一章 结 束
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牛头刨床
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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。
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(第一章)
§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
§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。
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Fra bibliotek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
§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；
控制工程基础
第一章 绪论
控制理论 控制理论在机械制造中的作用 自动控制系统的工作原理 反馈控制系统的基本组成 自动控制系统的基本类型
北京工业大学机电学院
§1-1 概述
控制工程基础课程：阐述有关自动控制技术的基础理论
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
北京工业大学机电学院
第一章绪论
u
+ u2
功率 放大器
执行 电动机
热电偶 加热电阻丝
减速器 调压器
恒温箱自动控制系统
~220V
1.1 自动控制的基本概念
LOGO
恒温箱自动控制系统工作原理：
➢ 恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2
➢ 恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号 u＝u1 u2
➢ 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。
单输入单输出系统是经典控制理论的主要研 究对象，它以传递函数作为基本数学工具，讨论线性 定常系统的分析和设计问题，也是本课程讲述的主要 内容。
1.1 自动控制的基本概念
LOGO
➢ 多输入多输出系统
又称多变量系统，是指具有多个输入量和多个 输出量的系统。一般来说，当系统输入或输出多于一个 时，就成为多变量系统。
注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏 差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基 本的方法。
1.1 自动控制的基本概念
二、自动控制系统的分类 实际的控制系统根据有无反馈作用可分为： ➢ 开环控制系统 ➢ 闭环控制系统 根据输入与输出信号的数量可分为： ➢ 单输入单输出系统 ➢ 多输入多输出系统
缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力
1.1 自动控制的基本概念
LOGO
➢ 闭环控制系统
输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过 程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。
输入量
控制器
输出量 对象或过程
控制工程基础教案第一章绪论 ppt课件
3）基本要求：上课注意听讲，重视习题； 注意与其它课程的联系。
37
3. 对于确定的输入，系统应具有什么特性， 才能使系统实现预期的响应？ 基本的动力学问题！
16
一般地，就系统、输入、输出三者之间的动态关系而言，需研 究的问题包括：
1. 系统分析问题：已知系统和输入，求系统的响应（或输 出）， 并通过响应来研究系统本身的问题；
2. 最优控制问题：已知系统，确定输入，使系统的输出满足要求； 3. 最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求； 4. 滤波与预测问题：确定系统，以根据输出识别输入或输入中的
１，cp+k 系统对输入的响应（系统的输出）：y(t)
15
上例中，y(t)即微分方程的解，显然，它是由系统的初始条件、系统的固有 特性、系统的输入及系统与输入之间的关系所决定。 问题：
1. 系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)？ 三者之间表现为何种关系？
2. 系统确定并已知时，对系统施加何种输入， 使系统实现预期的响应（即y(t)）?
系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一 定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数决定）所 决定的动态历程（输出或响应）。
这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动 力学问题。
13
例1-1 弹簧——质量——阻尼单自由度系统 （书 p2）
同一系统、不同的外界作用 图1-3 m-c-k单自由度系统
35
系统的快速性： 在系统稳定的前提下，当系统的输出量与给定的输入量之间差生偏差时
，消除这种偏差的快速程度。 系统的准确性：
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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第一讲 绪论
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闭环控制系统的特点（2）
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。
电冰箱恒温控制：由于冰箱内储物量的增减，开启和关 闭冰箱门的次数不同，外界温度的变化等，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 有控制装置对冰箱内的温度进行控制。
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第一讲 绪论
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引言（2）
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。
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第一讲 绪论
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闭环控制系统的特点（1）
负反馈：
使偏差减小或消除的反馈作用。负反馈控制系统的 原理是根据所检测偏差进行控制，从而抑制或消除 偏差，即检测偏差，抑制或消除偏差。反馈控制是 自动控制的基本原理。
闭环控制系统的优点：
采用反馈控制提高了系统的精度。
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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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第一讲 绪论
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闭环控制系统
系统的输出量或状态变量对控制作用有 直接影响。
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
闭环与开环控制系统比较
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第一讲 绪论
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人工控制系统（1）
热电阻丝
调压器
～220V
恒温炉
恒温炉炉温人工控制系统－原理图
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第一讲 绪论
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人工控制系统（2）
脑
期望炉温＋ （输入）
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第一讲 绪论
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直流电机速度开环控制系统
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第一讲 绪论
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开环控制系统方块图
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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第一讲 绪论
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开环控制系统的特点
结构比较简单，调整比较方便。 当因扰动作用（如晶闸管整流装置特性的变化或负载
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 装置对电机的转速进行控制。
自动控制基础 （机械控制工程基础）
第一讲：绪论
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第一讲 绪论
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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
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第一讲 绪论
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引言（1）
自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装 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。
自动控制技术的广泛应用，极大地提高了劳动生产率， 提高了产品质量，改善了人们的生活水平和劳动条件。
随着生产和科学技术的发展，特别是数字计算机的迅速 发展和应用，自动控制技术更显示了越来越重要的作用 和广阔的前景。
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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
为解决上述矛盾，就要采用控制装置，对生产机械或生产过 程的这些物理量进行控制。被控制的生产机械或生产过程称 为被控对象。
研究自动控制系统的基本理论称为自动控制理论。
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第一讲 绪论
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引 言（5）
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。
直流电动机速度闭环控制系统 导弹发射和制导系统 闭环控制系统的方块图 闭环控制系统的特点
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直流电机速度闭环控制系统
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第一讲 绪论
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导弹发射和制导系统
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第一讲 绪论
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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。
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第一讲 绪论
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引言（4）
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）
现实世界中存在各种阻碍上述要求实现的因素（扰动）；凡 是由外部作用引起的扰动称为外扰（如外界温度、负载波动、 风向和风力的变化）；由于内部元器件特性变化引起的扰动 称为内扰。
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自动飞行。
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。
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第一讲 绪论
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引言（3）
化工生产中反应塔的温度和压力能够自动维持恒定不变。
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。
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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第一讲 绪论
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自动控制系统
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第一讲 绪论
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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 开环控制系统的方块图 开环控制系统的特点