控制系统导论
控制系统导论-PPT
经典控制理论与现代控制理论比较:
• 经典控制理论
研究对象:单输入、单输出系统 数学模型与工具:微分方程→传递函数 研究内容:确定模型,系统分析,系统设计
• 现代控制理论
研究对象:多输入、多输出系统 数学模型与工具:状态方程→传递矩阵 研究内容:最优控制,系统辨识,自适应类
线1、性线系性统系—统可与用非线线性性微系分统方程或差分方程描述。
2、定线常性系系统统与重时要变系特统性—叠加性,均匀性 非定时非线常 变方线线性系 系程性性系统 统或系系:;统差统统参 参分—特中数 数方y描点各不就程述元随是—。系件时时统特间间得系性变t 运数均化得动为函随方直数变程线量为，大非y如小线性而微变分化
r 电位计式桥路 us
给定值
〉 ua 电动机构 工作机械
（执行、对象）
被控量 c
(三)液位自动控制系统
液位控制系统
控制器
Q1
浮子
c
用水开关
Q2
电位器
减速器
电动机
SM
if
§1-3 自动控制系统中得常用术语
扰动
比较环节
n
参考输入
偏差 控制环节 控制量 被控对象
e
Gc
u
G0
输出 c
主反馈 b
反馈环节 H
一、自动控制系统组成
热力系统自动控制流程图
人工控制
自动控制系统方框图
系统组成:
• 被控对象 • 测量元件 • 控制装置 • 执行机构
二 、控制得基本方式 1、开环控制
开环控制之一:按给定值操作
给定值 计算
执行
干扰 被控量
被控对象
• 信号由给定值至被控量单向传递; • 抗干扰能力差,不能保证控制精度。
系统工程导论 第二章系统工程的基础理论与方法论 第一节系统最优化理论
n 。最后，也要考虑到xij
的产品数量属性，即 xij 0,i 1, 2, m, j 1, 2, n ，因此，该运
输方案可由以下模型求解得到：
2.1 系统最优化理论
mn
min
cij xij
i 1 j 1
（2-3）
n
s.t. xij ai ,i 1, 2, m j 1 m xij bj , j 1, 2, n i 1 xij 0,i 1, 2, m, j 1, 2, n
2.1 系统最优化理论
mn
解
首先，在假设运输量为
xij
的条件下其总的运费为 i 1
j 1
cij
xij
。
其次，要考虑到从任意产地运出的量要等于该产地的产量，即
n
xij ai ,i 1, 2,
j 1
m 。第三，还要考虑到运到任意销地的量要等
m
于该销地能销出的量，即 xij bi , j 1, 2, i 1
不同的方案、设计、措施以达到最优目的。（2）目标函数，如例
2-1
中的 max
, 10x1 18x2
例
2-2
中的min
mn
cij xij
。目标函数通常是决策变
i 1 j 1
量的函数，表达了“何为最优”的准则和目标，规定了优化问题
的实际意义。
2.1 系统最优化理论
（3）约束条件，如例 2-1 和例 2-2 中由“s.t”规定的部分。 约束条件指决策变量取值时受到的各种资源和条件的限制，表 达了一种“有条件优化”的概念，通常为决策变量的等式或不 等式方程。如果决策变量的取值是连续的，且目标函数和约束 条件都是决策变量的线性函数，则称为线性规划问题。如果决 策变量的取值为整数点，则称为整数规划问题；如果部分决策 变量取值连续而其余取值为整数，则称为混合整数规划问题； 如果目标函数和约束条件中存在任何的非线性因子，则称为非 线性规划问题。
飞行器自动控制导论_第一章飞行控制系统概述
第一章飞行控制系统概述1.1飞行器自动控制1.1.1飞行控制系统的功能随着飞行任务的不断复杂化，对飞机性能的要求越来越高，不仅要求飞行距离远（例如运输机），高度高（高空侦察机），而且还要求飞机有良好的机动性（例如战斗机）。
为了减轻驾驶员在长途飞行中的疲劳，或使驾驶员集中精力战斗，希望用自动控制系统代替驾驶员控制飞行，并能改善飞机的飞行性能。
这种系统就是现代飞机上安装的飞行自动控制系统。
飞行控制系统的功能归结起来有两点：1）实现飞机的自动飞行；2）改善飞机的飞行性能。
飞机的自动飞行控制系统在无人参与的情况下，自动操纵飞机按规定的姿态和航迹飞行，通常可实现对飞机的三轴姿态角和飞机三个方向的空间位置的自动控制与稳定。
例如，无人驾驶飞行器（如无人机或导弹等），实现完全的飞行自动控制；对于有人驾驶的飞机（如民用客机或军用飞机），虽然有人参与驾驶，但某些飞行阶段（如巡航段），驾驶员可以不直接参与操纵，而由飞行控制系统实现对飞机飞行的自动控制，但驾驶员应完成对自动飞行指令的设置和监督自动飞行的情况，并可以随时切断自动控制而实现人工驾驶。
采用自动飞行具有以下优点：1）长距离飞行时解除驾驶员的疲劳，减轻驾驶员的工作负担；2）在一些恶劣天气或复杂的环境下，驾驶员难于精确控制飞机的姿态和航迹，自动飞行控制系统可以精确对飞机姿态和航迹的精确控制；3）有一些飞行操纵任务，驾驶员难于精确完成，如进场着陆，采用自动飞行控制则可以较好地完成任务。
一般来说，飞机的性能和飞行品质是由飞机本身气动特性和发动机特性决定的，但随着飞机飞行高度及飞行速度的增加，飞机的自身特性将会变坏。
如飞机在高空飞行时，由于空气稀薄，飞机的阻尼特性变坏，致使飞机角运动产生严重的摆动，靠驾驶员人工操纵将会很困难。
此外，设计飞机时，为了减小质量和阻力，提高有用升力，将飞机设计成静不稳定的。
对于这种静不稳定的飞机，驾驶员是难于操纵的。
在飞机上采用增稳系统或阻尼系统可以很好地解决这些问题。
控制科学与工程专业介绍
控制科学与工程专业介绍控制科学与工程是一门研究控制的理论、方法、技术及其工程应用的学科。
它是20世纪最重要的科学理论和成就之一，它的各阶段的理论发展及技术进步都与生产和社会实践需求密切相关。
11世纪我国北宋时代发明的水运仪象台就体现了闭环控制的思想。
到18世纪，近代工业采用了蒸汽机调速器。
但直到20世纪20年代逐步建立了以频域法为主的经典控制理论并在工业中获得成功应用，才开始形成一门新兴的学科——控制科学与工程。
此后，经典控制理论继续发展并在工业中获得了广泛的应用。
在空间技术发展的推动下，50年代又出现了以状态空间法为主的现代控制理论，并相继发展了若干相对独立的学科分支，使本学科的理论和研究方法更加丰富。
60年代以来，随着计算机技术的发展，许多新方法和技术进入工程化、产品化阶段，显著加快了工业技术更新的步伐。
在控制科学发展的过程中，模式识别和人工智能与控制相结合的研究变得更加活跃；由于对大系统的研究和控制学科向社会、经济系统的渗透，形成了系统工程学科。
特别是近20年来，非线性及具有不确定性的复杂系统向“控制科学与工程”提出了新的挑战，进一步促进了本学科的迅速发展。
目前，本学科的应用已经遍及工业、农业。
交通、环境、军事、生物、医学、经济、金融、人口和社会各个领域，从日常生活到社会经济无不体现本学科的作用。
控制科学以控制论、信息论、系统论为基础，研究各领域内独立于具体对象的共性问题，即为了实现某些目标，应该如何描述与分析对象与环境信息，采取何种控制与决策行为。
它对于各具体应用领域具有一般方法论的意义，而与各领域具体问题的结合，又形成了控制工程丰富多样的内容。
本学科的这一特点，使它对相关学科的发展起到了有力的推动作用，并在学科交叉与渗透中表现出突出的活力。
例如：它与信息科学和计算机科学的结合开拓了知识工程和智能机器人领域。
与社会学、经济学的结合使研究的对象进入到社会系统和经济系统的范畴中。
与生物学、医学的结合更有力地推动了生物控制论的发展。
自动化专业导论
自动化专业导论认知学校：专业年级：姓名：摘要：随着21世纪经济的快速发展，科学技术的革新也日新月异，自动化技术也日趋成熟，应用领域也更加广泛，应用前景大好。
人们也力求使生产发展变得更加快捷准确，处理过程更加自动一体化，减少人力劳动。
本文主要介绍进行了自动化专业导论学习后对本专业的认识和感悟和发展。
关键字：快捷准确、自动、认知、发展自动化介绍：自动化(Automation)，是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动的进行操作或运行。
广义地讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。
机器或装备在无人干预的情况下按照规定的程序或指令制动进行操作或控制的过程。
自动化技术广泛运用于工业、农业、军事、科学研究、商业、医疗、服务和家庭等方面。
采用自动化技术不仅可以让人从繁重的体力、部分脑力劳动和恶劣、危险的工作环境中解放出来，还可以提高工作的准确性与连贯性，更能提高工作效率，提高生产力。
自动化技术的覆盖程度也是衡量一个企业发展能力的一项重要指标。
自动化发展简介：自动化技术的发展历史，大致可以划分为自动化的形成、局部自动化和综合自动化三个时期。
自动化技术形成时期(18世纪末～20世纪30年代)1788年英国机械师J.瓦特发明离心式调速器(又称飞球调速器)﹐并把它与蒸汽机的阀门连接起来﹐构成蒸汽机转速的闭环自动控制系统。
瓦特的这项发明开创了近代自动调节装置应用的新纪元﹐对第一次工业革命及后来控制理论的发展有重要影响。
局部自动化时期(20世纪40～50年代)第二次世界大战时期形成的经典控制理论对战后发展局部自动化起了重要的促进作用。
在第二次世界大战期间，每一项新科技的产生都将最先服务于军事，在敌我双方的科技较量中，不断促进科技的发展。
即使是现如今，越来越多得国家都希望军队更加自动化，如无人机的发展，按照预设指令进行目标打击，本方还不存在伤亡问题。
综合自动化时期(20世纪50年代末起至今)20世纪50年代末空间技术迅速发展﹐迫切需要解决多变量系统的最优控制问题。
《智能控制导论》课件
02
CATALOGUE
智能控制系统的基本组成
传感器
传感器是智能控制系统的首要环节，负责采集各种物理量、化学量、生物量等原始 数据，并将其转换为可处理的电信号或数字信号。
传感器的性能指标包括精度、稳定性、灵敏度、响应速度等，直接影响智能控制系 统的性能。
常见的传感器类型包括温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等，可 根据具体应用需求进行选择。
详细描述
智能控制的主要特点包括自主学习、自适应、自组织、自决策和自修复等，它 能够根据环境变化和系统状态，自主地调整控制策略，实现最优的控制效果。
智能控制的历史与发展
总结词
智能控制的历史可以追溯到20世纪50年代，随着人工智能和 计算机技术的不断发展，智能控制得到了广泛的应用和发展 。
详细描述
智能控制的发展经历了三个阶段，分别是萌芽阶段、形成阶 段和成熟阶段。目前，智能控制已经广泛应用于工业、农业 、军事、医疗等领域，成为现代控制技术的重要组成部分。
模糊控制器结构
模糊控制器通常包括模糊化、模 糊推理、反模糊化三个主要部分 。其中，模糊推理是核心，基于 模糊规则库和模糊集合运算进行 推理。
应用领域
模糊控制在工业控制、智能家居 、智能交通等领域有广泛应用， 尤其在处理不确定性和非线性问 题时表现出色。
神经网络控制
神经元模型与网络结构
神经网络控制基于神经元模型和网络结构，通过模拟人脑 神经元之间的连接和信息传递机制进行学习、记忆和决策 。
《智能控制导论》 ppt课件
contents
目录
• 智能控制概述 • 智能控制系统的基本组成 • 智能控制的主要技术 • 智能控制在工业自动化中的应用 • 智能控制面临的挑战与未来发展
控制系统导论.答案
自动控制系统的基本控制方式
反馈控制（闭环控制） 开环控制 复合控制
1. 反馈控制——闭环控制
➢反馈控制又称为闭环控制，是最基本、也是应 用最广泛的一种控制方式。
➢反馈控制是指：在系统输出端与输入端之间， 不但有顺向作用，而且还有反馈回路，或者说输 出量直接或间接地参与了控制作用。
➢另一方面，对于一些复杂系统，难于建立数学 模型，难于用常规控制理论定量计算分析，必须 采用定量、定性相结合的控制方式，于是提出了 智能控制理论——模拟人的控制技术，虽然不能 实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比 较满意的控制。
课程学习要面临
• 数学基础宽而深 • 控制原理抽象 • 计算复杂且繁琐 • 绘图困难
少或消除扰动对被调量的影响，使它按一定的 规律变化。
控制器：指对被控对象起控制作用的控 制装置的总体。
自动控制系统：指控制装置和被控对象 的总称。
自动控制系统的原理方框图
自动控制装置 广义对象
偏差
控制作用
扰动输入 控制量
给定输入
控制器
比较环节 测量值
执行机构 测量装置
控制 对象
被控量 输出量
➢所谓反馈是指：通过测量装置将系统的输出信号 反馈到系统的输入端。
➢原理框图如图所示。
给定 输入
Байду номын сангаас偏差
控制器
扰动输入
输出量 被控对象
前/正向通道
反/负向通道
检测装置
➢反馈控制是根据负反馈原理，按偏差量进 行控制的。
负反馈原理：
是指将系统的输出反馈到系统的输入端，与 给定值进行比较产生一个偏差信号，并根据输入 量与输出量的偏差信号进行控制。
《控制工程导论》课件
小和变化速率。
被控对象
定义
被控对象是指需要实现某种控制目标的物理系统或设备。
特性
被控对象的特性决定了控制系统的性能和稳定性。了解被控对象的 动态特性和静态特性对于控制系统设计至关重要。
建模
被控对象通常通过数学模型进行描述，以便于分析和设计控制系统 。
传感器
功能
传感器负责检测被控对象 的输出信号，并将其转换 为可处理的电信号或数字 信号。
稳态性能的指标
包括稳态误差、静态误差系数等，用于描述系统在 稳态条件下输出的准确度和稳定性。
稳态性能的改善方法
通过调整系统参数、优化控制算法等手段， 减小系统的稳态误差，提高系统的稳态性能 。
04
控制系统的分析与设计
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
数学模型的建立
数学模型是描述系统输入、输出变量以及内部状态变量之间关系的数学表达式。
在控制系统的分析与设计中，数学模型的建立是至关重要的第一步。通过数学模型，可以定量地描述 系统的动态行为，为后续的分析和设计提供基础。常见的数学模型有微分方程、传递函数、状态方程 等。
控制系统分析
控制系统分析是评估系统性能的过 程，包括稳定性、动态响应和稳态误 差等。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
工业控制系统
总结词
工业控制系统广泛应用于制造业、电力、水处理等领域，通 过自动化控制技术实现生产过程的优化和效率提升。
详细描述
工业控制系统通过各种传感器、控制器和执行器等设备，实 时监测和控制生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量 、液位等，确保生产过程的稳定、高效和安全。
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• 主讲：电信学部控制科学与控制工程学院
•
潘学军
• 课时：64学时
• 课程性质：必修课
• 助课
• 参考书：自动控制原理 孟华
•
机械工业出版社
精品课件
第一章 控制系统导论
§1-1 概述 §1-2 自动控制的基本方式 §1-3 自动控制系统中的常用术语 §1-4 自动控制系统的分类 §1-5 对控制系统的基本要求 §1-6 本门课程的主要内容
• 经典控制理论
研究对象：单输入、单输出系统 数学模型与工具：微分方程→传递函数 研究内容：确定模型，系统分析，系统设计
• 现代控制理论
研究对象：多输入、多输出系统 数学模型与工具：状态方程→传递矩阵 研究内容：最优控制，系统辨识，自适应控制
精品课件
§1-2 自动控制的基本方式
一、自动控制系统组成
精品课件
§1-1 概述
机器、设备 或生产过程
• 自动控制---在没有人直接参与的情况下，
通过控制器使被控对象的某 一
物理量（或工作状态）自动 地 • 自动控制原理按--照-自预动定控的制规技律术运的行基。础理论。
• 自动控制系统--- 为实现控制目的，由相互制
约的各部分按一定规律组成 的
具精品有课件 特定功能的整体。
精品课件
闭环控制的缺点：
1）结构复杂、成本高； 2）由于反馈的存在，使控制系统可能出现“振
荡”。
精品课件
3.复合控制
补偿装置
干扰
给定值 比较、计算 执行
受控对象
被控量
测量
闭环控制与补偿控制相结合 在闭环基础上增加一个干扰的补偿控制， 提高系统抗干扰能力。
精品课件
人反 测工馈量职控能制图应具备三条观察基本功能：干扰
预比期较目标分分析析决策
执行 工作对象
执行
参与控制的信号来自观察三条通道：
实际结果
给定值，干扰和被控量
自动控制方框图
干扰
测量
给定值 比较、计算
执行
被控对象 被控量
测量
精品课件
三、自动控制系统示例
（一）温度控制系统
热电偶
指定电位计 u r
uT
<
T
工件
u
V
u0
煤气
电动机 阀门
烘炉
混 合 器
精品课件
空气
r 电位计式桥路 u s
给定值
〉 u a 电动机构 工作机械
（执行、对象）
被控量 c
精品课件
（三）液位自动控制系统
液位控制系统
控制器
Q1
浮子
c
用水开关
Q2
电位器
减速器
精品课件
电动机
SM
if
§1-3 自动控制系统中的常用术语
扰动
比较环节
n
参考输入
偏差 控制环节 控制量 被控对象
e
Gc
u
G0
输出 c
主反馈 b
反馈环节 H
精品课件
§1-4 自动控制系统的分类
一、按输入信号特征分类 （1）恒值控制系统（或定值控制系统） （2）程序输控入制信系号统是一个恒定的数值。 （3何）克主随服要动输这研入系些究信统干各号（扰种是伺，干一使服扰个输对系已出系统知量统的）尽输时量出间保的函持影数在响，所以系设及定如
烘炉温度控制系统功能方框图
（计算）
ur
比较线路
（给定指令）
uT
u 放大器 u a
放大器
工件 环温
电动机
烘炉 T（被控量）
（对象）
热电偶
精品课件
（二）位置随动系统
原理图：
r电位计ur源自uc工作机械c
〉 u s
ua
m
ia
电动机
方框图控：制任务步：转使动工，作即机θc构(t跟)=随θ指r(t令)干机扰构力同矩
• 按I/O信号数量分：SI/SO , MI/MO • 按控制系统功能分：温度控制系统，速度控
制系统，位置控制系统
• 按系统元件组成分：机电系统，生物系统
，液压系统
• 按不同的控制理论分支设计的新型 控制系统分：最优控制系统，自适应控制系
热力系统自动控制流程图
人工控制
自动控制系统方框图
精品课件
系统组成：
• 被控对象 • 测量元件 • 控制装置 • 执行机构
二 、控制的基本方式 1.开环控制
开环控制之一：按给定值操作
干扰
给定值 计算
执行
被控量 被控对象
• 信号由给定值至被控量单向传递； • 抗干扰能力差，不能保证控制精度。
用于自动化流水线控制，如包装机等
统量的输的 能给出控 迅定量制 速值跟过 准上随输程 确。给入按地定信预复量号定现变是的给化一程定。个序量未进。知行函，数要，求要被求控
精品课件
二、按描述系统的数学模型不同分类
线1性.线系性统系—统可和用非线线性性微系分统方程或差分方程描述。
2.定线常性系统系和统时重变要系特统性—叠加性,均匀性 非定时非线常 变方线线性系 系程性性统 统系或系系： ；统差统统参 参分—特中数数方y描点各不是程述元—随时。系件时间统特间t的系性的变运数均函化动为随数方直变程线量为，大非y如小线性而微变分化
现代控制理论
20世纪60年代现代控制理论Modern control theory”以状 态空间法为基础，主要研究多输入多输出、时变、非线性控 制系统的分析和设计问题。
大系统理论
20世纪70年代, 自适应控制理论、鲁棒控制；主要处 理动态、多输入多输出、结精构品课复件 杂的系统
经典控制理论与现代控制理论比较：
精品课件
开环控制之二：按干扰补偿
测量
计算
执行
干扰 被控量
被控对象
干扰经测量、计算、执行至被控量单向传递 测量的是干扰，利用干扰产生控制作用，以补偿干
扰的影响
用于机械加工的恒速控制等
精品课件
2.闭环控制
闭环控制也称反馈控制，或按偏差调节。
干扰
给定值 比较、计算 执行
被控对象 被控量
测量
系统输出对控制作用 • 测量的是被控量；有直接影响--闭环系 • 只要被控量出现偏差统，系统就自动纠偏； • 控制精度高。
不满足叠加原理
o
x
ox
精品课件
三、按系统传输信号的性质分类
1、连续系统
▪系统中各元件x的(t) 输入量和输出量均为时间t
的连续函数；
tn
▪运动规律可用微o分方t1 t程2 t描3 t述4 。
t
2、离散系统
▪系统中只要有一个地方的信号是脉冲序列 或数字编码；
▪运动规律可用差分方程描述。
精品课件
其它分类方法
自动控制的发展简史
经典控制理论
20世纪40年代“经典控制理论(Classical control theory)” 正式诞生，代表作是维纳（Wiener）1948年发表的《控制 论》（Cybernetics or Control and Communication in the Animal and Machine）。经典控制理论以传递函数为 数学工具，研究对象主要是单输入单输出线性的一类自动控 制系统