(完整版)控制工程基础(第一章)
辽宁科技学院教案课程名称：控制工程基础****：**开课系部：机械学院开课教研室：机制开课学期：2012～2013学年度第1学期教学内容备注一、机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论研究机械工程中广义系统的动力学问题。
1、系统(广义系统):按一定的规律联系在一起的元素的集合。
2、动力学问题: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所决定）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。
上式中y(t)为微分方程的解，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决定。
对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：二、控制理论的发展与应用控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。
从1868年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。
经典控制理论：控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。
第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。
➢1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据。
➢1895年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。
➢二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论 1948年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。
至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。
经典控制理论的基本特征：(1)主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；(2)只用于单输入，单输出的反馈控制系统；(3)只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。
现代控制理论:由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。
因而在实际应用中有很大局限性。
随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。
1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。
它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。
当今世界，控制技术无处不在,世界随处可见控制与反控制。
控制技术融合了信息技术、工程技术，是多种技术的融合。
三、自动控制系统的基本组成及工作原理反馈：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，其实质就是信息的传递与交互。
人工控制恒温箱调节过程：1.观测恒温箱内的温度（被控制量）。
2.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。
3.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。
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u22.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-u23.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。
从恒温箱控制系统功能框图可见：1.给定量位于系统输入端，称为系统输入量或参考输入量(信号)。
2.被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。
3.输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。
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。
综上所述，控制系统的工作原理：1.检测输出量（被控制量）的实际值2.将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；3.用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。
由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。
显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。
这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。
称为反馈控制系统。
反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。
注意：这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。
称为反馈控制系统。
反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。
四、自动控制系统的分类及对控制系统的基本要求1.开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：a.开环控制系统b.闭环控制系统c.半闭环控制系统（反馈信号通过系统内部的中间信号获得。
）系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。
a. 开环控制系统系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。
优点：简单、稳定、可靠。
若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。
缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力b. 闭环控制系统特点：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。
优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感。
缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦闭环控制系统的组成①给定元件：产生给定信号或输入信号。
②反馈元件：测量被控制量（输出量），产生反馈信号。
为便于传输，反馈信号通常为电信号。
③比较元件：对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。
④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。
⑤执行元件：直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、液压马达等；⑥校正元件：用以改善系统控制质量的装置。
校正元件分为串联和并联两种。
控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。
实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。
c.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。
如何选用开环控制或闭环控制？应当注意以下几个方面：当系统的输入量能预先知道，并且不存在任何扰动时，采用开环控制比较合适。
当输出量难于测量，或者要测量输出量在经济上不允许时，采用开环系统比较合适。
从成本、功率的角度出发，为了减少系统所需要的成本、功率，在可能情况下应当采用开环控制。
将开环控制与闭环控制适当地结合在一起，通常比较经济，并且能够获得满意的综合性能。
2、输出变化规律分类(1)恒值控制系统：系统输入量为恒定值。
控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。
(2)程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。
如数控加工系统。
(3)随动系统（伺服系统）：输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。
如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。
3、按系统中传递信号的性质分类(1)连续控制系统：系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。
连续控制系统通常采用微分方程描述。
(2)离散（数字）控制系统：系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。
离散控制系统通常采用差分方程描述。
4、按线性和非线性分类线性系统：由线性元件组成，输入输出问具有叠加性和均匀性性质，以线性微分方程来表述。
非线性系统：系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。
用非线性微分方程来表述。
5.按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。
6.按系统功能：温度、压力、位置、速度7.按输入、输出信号的数目：单输入-单输出系统与多输入-多输出系统对控制系统的基本要求：1、稳定性：系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。
稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。
稳定性是控制系统正常工作的先决条件。
控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。
稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。
稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过程2、精确性：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。
控制系统的稳态精度3、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。
控制系统的快速性。
控制工程基础(第一章)
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。
•北京工业大学机电学
•
§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
•北京工业大学机电学
•
§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。
•北京工业大学机电学
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§1-2 控制理论在机械制造中的 应用
•
•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
•
§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；
被控量：系统的输出量。
若被控量是恒定的，为恒值调节系统，如稳压电源， 恒温控制系统；
若被控量随给定量的变化而变化，则为调节系统或随 动系统，如转速调节系统，位置随动系统等。
•北京工业大学机电学
•
§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；
•北京工业大学机电学
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：第一章 控制系统的基本概念
实际上真实的物理系统大都是非线性系统，但因非线 性系统的数学描述及求解非常复杂，所以在工程允许 的情况下，可将非线性系统化为线性系统。
本课程研究的控制系统： 线性、连续、闭环
五、按构成系统的部件的物理性质来分 机械、电气、机电、液压、气动、热力等。
温度计
加热电阻丝
3
调压器
3. 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。
[实质] 检测偏差再纠正偏差。
§1.2 控制系统的工作原理及其组成
☆ 恒温箱人工控制系统的框图表示
（1）眼睛观测温度； （2）大脑比较； （3）手操作调压器。
温度计
加热电阻丝
希望 温度 大脑
手
调压器
恒温箱
调压器
～220V
实际 温度
眼睛
温度计
如果将该系统改用自动控制，需如何改变？
二、恒温箱的自动控制
§1.2 控制系统的工作原理及其组成
（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
u1
比较 u
比较
环节 校正 环节
放大 环节
执行 环节
校正 环节
被控 输出 对象
反馈 环节
1. 给定环节
根据系统输出量的期望值，产生系统的给定输入信号。 如：将期望恒定的温度转换为相应电压。
2. 反馈环节
量测并转换输出信号。主要是各种传感器。
3. 比 较 环 节 （ 器 ）
将参考输入信号和反馈信号进
行比较，产生偏差信号。如：电
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。
控制工程基础第一章绪论
第 15 页
第一章 结 束
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牛头刨床
返回
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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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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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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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。
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A t0
0
t0
t
0
t
4、正弦函数 数学表达式：
f ( t ) A sin( t )
图 例 说 明
系统的元件 信息的流向
• 例2：人如何控制设备：温箱的温度控制
• 被控对象：温 箱； • 被控量：温箱 的温度； • 测量元件：温 度计
期望 温度
大脑
手 眼睛
调压器
恒温箱
实际 温度
温度计
关键： 利用温度偏差， 减小偏差制系统
电炉 给定电压
-
控制工程基础
第一章 自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理
• 自动控制（Automatic Control）定义
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（controller）），使机器、 设备或生产过程（统称被控对象（plant））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。
1、负反馈：输入信号与反馈信号相减，使系统输出的误 差逐渐减小，则称为负反馈(利用偏差消除偏差) ； 2、正反馈：反馈信息不是制约控制部分的活动，而是促 进与加强控制部分的活动。正反馈的意义在于使过程不 断加强。
3. 反馈控制系统组成
扰动信号 输入量 比较元件 串联补偿元件 反馈补偿元件 局部反馈 比较元件 放大元件 执行元件 被控对象 输出量
5 自动控制系统基本控制方式
(1) 闭环控制（Closed Loop Control） ——反馈控制方式 定义：将输出量的测量值与期望的输出值相比较，产 生偏差信号并将偏差信号作用于执行机构的控制过程。
干扰 给定量 控制装置 （输入量） 测量元件 被控对象 被控量
干扰信号： （输出量） 不需要的输 入信号，它 影响系统输 出。
控制工程基础(第一章)
辽宁科技学院教案课程名称：控制工程基础任课教师：杨光开课系部：机械学院开课教研室：机制开课学期：2012～2013学年度第1学期2上式中y(t)为微分方程的解，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决定。
对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：控制技术融合了信息技术、工程技术，是多种技术的融合。
人工控制恒温箱调节过程：1.观测恒温箱内的温度（被控制量）2.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。
3.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从恒温箱控制系统功能框图可见：1.给定量位于系统输入端，称为系统输入量或参考输入量2.被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。
3.输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。
输出量的返优点：简单、稳定、可靠。
若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。
b. 闭环控制系统特点：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。
闭环控制系统的组成稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过程2、精确性：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。
控制系统的稳态精度、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。
控制系统的快速性。