控制工程基础PPT课件(王积伟)前言
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控制工程基础王积伟
6/28/2020
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1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）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
1954年：钱学森发表《工程控制论》；
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50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代 控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研 究多输入-多输出( MIMO )、时变、非线性等 系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适 应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重 点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空 间方法。
0 前言
一、控制工程发展概况 二、控制工程基础的研究对象与任务 三、本课程的主要内容 四、本课程的学习方法
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一、控制工程发展概况
一千多年前：铜壶滴漏计时
时
器、指南针、各种天文仪器
间 刻
1788年：J. Watt 发明蒸汽机
度
调速器
浮子
1868年：J. C. Maxwell发表
2、学会分析一个控制系统的性能——稳、准、快 包括控制系统数学模型的建立、时域分析、频域分析
3、学会改进一个控制系统性能的基本方法——控制 系统的设计与校正
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四、本课程的学习方法
1、不苛求严格的数学推证，但应注意数学结 论的准确性和物理概念的明晰性
2、重视实验、习题，有助于基本概念的理解 和基本方法的应用
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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
控制工程基础课件 第一章 绪论
3. 人工控制与自动控制的比较
① 测量：前者靠观测者的眼睛，自动控制由元器 件实现（热电偶） ② 比较：前者人的大脑，而后者靠自动控制器 ③ 执行：前者靠操纵者的手实现，后者由执行电 机完成。
总结：人工控制和自动控制的原理是相同的，只 是
执行机构不同而已，在自动控制过程中，偏差是通过 反馈建立起来。
（a）液位控制系统原理图
（b）控制系统方框图
控制器：比较、放大的作用 浮子：液面高度的反馈元件
Q2为系统的干扰量 气动阀门：执行机构 被控对象：水箱
相对应的人工操纵系统方框图
眼睛－测量装置（浮子） 手 －气动阀门 头脑－控制器，比较、计算
1. 水箱水位高度控制
（1）人工控制
图1－1 人工控制水箱水位高度
• 控制系统的共同要求（稳、准、快）
①系统能正常工作，是控制系统的首要条件。
②准确性：是指在调整过程结束后输出量和给定量之 间的偏差，即指的是控制系统的控制精度。
③快速性：是指当系统输出量与给定量产生偏差时， 消除这种偏差的快速程度。
• 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。
三．控制理论的组成
• 根据控制论对生产的发展和社会进步的影 响分为经典控制论和现代控制论.
• 1．经典控制论：以传递函数为基础，对单 输入单输出的控制系统进行分析和设计。
• 偏差信号：输入信号与主反馈信号之差。 • 误差信号：指实际输出值与希望值之差。通常希望
值是系统的输入量。 注意：只有在单位反馈系统中，即反馈信号等于输 出信号的情况下，偏差与误差相同，否则不等。
控制工程基础王积伟
《调速器》，提出反馈控制
铜壶滴漏
的概念及稳定性条件。
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1884年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据。 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定
性理论。
1895年：A. Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。 1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。
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2、学会分析一个控制系统的性能——稳、准、快 包括控制系统数学模型的建立、时域分析、频域分析
3、学会改进一个控制系统性能的基本方法——控制 系统的设计与校正
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四、本课程的学习方法
1、不苛求严格的数学推证，但应注意数学结 论的准确性和物理概念的明晰性
2、重视实验、习题，有助于基本概念的理解 和基本方法的应用
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第一阶段：
20世纪40~50年代，以反馈控制为中心的理论体系， 形成了经典控制理论。在复数域中以传递函数为基础， 主要研究单输入—单输出（SISO）系统的分析和段：
20世纪60~70年代，为现代控制理论发展时期。 现代控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研
机械工程
机械工程控制论
共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈进
行控制。
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二、控制工程基础的研究对象与任务
控制工程基础的研究对象
机械工程控制论研究机械工程中广义系统的 动力学问题，即系统与输入、输出三者之间的动 态关系。
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一、控制工程发展概况 二、控制工程基础的研究对象与任务 三、本课程的主要内容 四、本课程的学习方法
《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。
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第一阶段：
20世纪40~50年代，以反馈控制为中心的理论体系， 形成了经典控制理论。在复数域中以传递函数为基础， 主要研究单输入—单输出（SISO）系统的分析和控制 问题，特别是线性定常系统。
第二阶段：
20世纪60~70年代，为现代控制理论发展时期。 20 60~70 现代控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研 究多输入-多输出( MIMO )、时变、非线性等系统的 最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能 控制等问题； 控制理论研究的重点开始由频域移到从本质上说 是时域的状态空间方法。
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控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。 控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。
经济学 社会学 控制论 生物学 工程技术 生物控制论 工程控制论 经济控制论 社会控制论
机械工程
机械工程控制论
共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈进 行控制。
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二、控制工程基础的研究对象与任务 控制工程基础的研究对象 控制工程基础的研究对象 机械工程控制论研究机械工程中广义系统的 动力学问题，即系统与输入、输出三者之间的动 态关系。
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时 间 刻 度
浮子
铜壶滴漏
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1884年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据。 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定 性理论。 1895年：A. Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。 1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。 1945年：H. W. Bode提出反馈放大器的一般设 计方法
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Байду номын сангаас 6/22/2011
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控制工程基础的研究任务 控制工程基础的研究任务
系统分析 最优控制 最优设计 系统辨识 滤波与预测
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三、本课程的主要内容 介绍经典控制理论的基础知识，包括： 1、控制系统的基本概念——反馈控制系统的基本原理 及构成 2、学会分析一个控制系统的性能——稳、准、快 包括控制系统数学模型的建立、时域分析、频域分析 3、学会改进一个控制系统性能的基本方法——控制 系统的设计与校正
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1948年：N. Wiener发表《控制论》，标志经典 控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数 为基础，主要研究单输入—单输出（SISO）系 统的分析和控制问题； 1950年：W. R. Evans提出根轨迹法，进一步充 实了经典控制论； 1954年：钱学森发表《工程控制论》；
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一、控制工程发展概况 二、控制工程基础的研究对象与任务 三、本课程的主要内容 四、本课程的学习方法
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一、控制工程发展概况 一千多年前：铜壶滴漏计时 器、指南针、各种天文仪器 1788年：J. Watt 发明蒸汽机 调速器 1868年：J. C. Maxwell发表 《调速器》，提出反馈控制 的概念及稳定性条件。
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1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）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
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四、本课程的学习方法 1、不苛求严格的数学推证，但应注意数学结 论的准确性和物理概念的明晰性 2、重视实验、习题，有助于基本概念的理解 和基本方法的应用
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50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代 控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研 究多输入-多输出( MIMO )、时变、非线性等 系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适 应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重 点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空 间方法。
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第一阶段：
20世纪40~50年代，以反馈控制为中心的理论体系， 形成了经典控制理论。在复数域中以传递函数为基础， 主要研究单输入—单输出（SISO）系统的分析和控制 问题，特别是线性定常系统。
第二阶段：
20世纪60~70年代，为现代控制理论发展时期。 20 60~70 现代控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研 究多输入-多输出( MIMO )、时变、非线性等系统的 最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能 控制等问题； 控制理论研究的重点开始由频域移到从本质上说 是时域的状态空间方法。
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控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。 控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。
经济学 社会学 控制论 生物学 工程技术 生物控制论 工程控制论 经济控制论 社会控制论
机械工程
机械工程控制论
共同的本质特点：通过信息的传递、处理与反馈进 行控制。
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二、控制工程基础的研究对象与任务 控制工程基础的研究对象 控制工程基础的研究对象 机械工程控制论研究机械工程中广义系统的 动力学问题，即系统与输入、输出三者之间的动 态关系。
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时 间 刻 度
浮子
铜壶滴漏
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1884年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据。 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定 性理论。 1895年：A. Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。 1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。 1945年：H. W. Bode提出反馈放大器的一般设 计方法
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Байду номын сангаас 6/22/2011
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控制工程基础的研究任务 控制工程基础的研究任务
系统分析 最优控制 最优设计 系统辨识 滤波与预测
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三、本课程的主要内容 介绍经典控制理论的基础知识，包括： 1、控制系统的基本概念——反馈控制系统的基本原理 及构成 2、学会分析一个控制系统的性能——稳、准、快 包括控制系统数学模型的建立、时域分析、频域分析 3、学会改进一个控制系统性能的基本方法——控制 系统的设计与校正
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1948年：N. Wiener发表《控制论》，标志经典 控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数 为基础，主要研究单输入—单输出（SISO）系 统的分析和控制问题； 1950年：W. R. Evans提出根轨迹法，进一步充 实了经典控制论； 1954年：钱学森发表《工程控制论》；
0 前言
一、控制工程发展概况 二、控制工程基础的研究对象与任务 三、本课程的主要内容 四、本课程的学习方法
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一、控制工程发展概况 一千多年前：铜壶滴漏计时 器、指南针、各种天文仪器 1788年：J. Watt 发明蒸汽机 调速器 1868年：J. C. Maxwell发表 《调速器》，提出反馈控制 的概念及稳定性条件。
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1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）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
6/22/2011 17
四、本课程的学习方法 1、不苛求严格的数学推证，但应注意数学结 论的准确性和物理概念的明晰性 2、重视实验、习题，有助于基本概念的理解 和基本方法的应用
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50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代 控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研 究多输入-多输出( MIMO )、时变、非线性等 系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适 应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重 点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空 间方法。
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