控制工程基础精品课程
控制工程基础课件-王益群-孔祥东-第三版第六章PPT学习教案
般采用无源网络。
R(s)
第六章 控制系统的综合与校正
原有部分Go(s) C(s) 校正装置Gc(s)
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§6.1 概 述
校正方式
根据校正装置在系统中的位置，可分为三种。
➢
复合校正 包括按给定量顺馈补偿的复合校正(图a) 和按扰
动量前馈补偿的复合校正(图b)。这种 复合校 正
控制既能改善系统的稳态性能，又能改 善系统
zc pc
2.伯德图
由于 1 ，所以校正网络输出 L() / dB
1
信号的相位迟后于输入信号。
0
m
最大滞后角m 位于1/( ) 与1 /
10 20
的几何中心m 1/ 处。
c
该网络实际是一低通滤波器，
0
20
它对低频信号基本没有衰减作
40
m
用，但能削弱高频噪声， 愈
60
大，抑制噪声能力愈强。通常
s(s 1)
函数为 K 12 ，要 求4设0 计串c 联4校正装置，
解使系统K具有12
1) 当
时，未校正系统的伯德图如图6-11中 的曲
线 ，由图可以计算出剪切频率 。由于伯德曲线
自
开始以-40dB/dec的频率与零分贝线相
交于 ，故存在关系：
，可得
，于是未校正系统的
相角裕度为
，
不满足设计要求。
Go
控制系统的性能指标
静态指标
用系统的稳态误差或开环放大倍数 来描述。 K
动态指标
一种是时域指标，通常用调节时间ts 和超调量 M p (或 p % )来描述
；
另切剪一频种率是)频c b、域幅指值标裕，度一般K用gr来开表环示系，统或的用相闭角环裕系度统的和谐幅振值峰穿值越频M率r (、
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
清华控制工程基础课件
应用场景
广泛应用于控制系统的分析和设 计，如温度控制系统、液位控制 系统等。
描述函数分析法
定义
描述函数分析法是一种通过分析系统非线性特性的频 率响应来分析系统性能的方法。
优点
适用于分析非线性系统的频率响应特性，尤其适用于 分析非线性系统的稳定性。
应用场景
常用于分析非线性控制系统，如音频处理系统、图像 处理系统等。
控制系统的性能和稳定性决定了其能否在各种环境和条件下稳
03
定运行。
控制系统的分类
开环控制系统
输出信号只受输入信号的控制，不受受控对 象输出的影响。
线性控制系统
系统的输出与输入成正比关系，具有线性特 性。
闭环控制系统
输出信号通过反馈回路影响输入信号，形成 一个闭环。
非线性控制系统
系统的输出与输入不成正比关系，具有非线 性特性。
控制系统的性能指标
稳定性
系统在受到扰动后能否恢复到 原始状态的性能指标。
快速性
系统达到设定值的速度快慢的 性能指标。
准确性
系统达到设定值的精确度性能 指标。
抗干扰性
系统在受到外部干扰时能否保 持稳定运行的能力。
02 线性时不变系统
线性时不变系统的定义与性质
线性
系统的输出与输入成正比，比例系数为常数。
极大值原理
极大值原理是求解最优控制问题的另 一种方法，它基于微分方程和变分法 的理论。
05 控制工程应用案例
控制系统在机器人中的应用
机器人定位与导航
利用控制系统实现机器人的精确移动和避障功能， 使其能够在复杂环境中自主导航。
机械臂控制
通过控制系统对机器人机械臂进行精确控制，实 现抓取、搬运、装配等复杂操作。
控制工程基础课件PPT学习教案
解 根据电路理论中的基尔霍夫定律，可以写出
图2-2 两级RC滤波网络
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控制工程基础 高职高专 ppt 课件
解 根据电路理论中的基尔霍夫定律，可以写出
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控制工程基础 高职高专 ppt 课件
解 根据基尔霍夫定律，可以写出下列方程组
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例3〕
2 3所示，当外力作用于系统
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3)按信号流向依此连接，就得到图2-22c所示的系统结构图。
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2)根据上述四式，作出它们对应的框图，如图2-23a所示。
图2-22 图2-1所示系统的结构图
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2.3.3 系统结构图的等效变换 1.串联等效变换 2.并联等效变换 当系统中有两个或两个以上环节并联时，其等 效传递函数为各环节传递函数的代数和。 3.反馈联结等效变换 图2-26a所示为反馈联结的一般形式，其等 效变换的结构如图2-26b所示。 4.引出点和比较点的移动 引出点和比较点的等效移动见表2-1所 示。
图说
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解 输入ω或dθ/dt，输出是u，在零初始条件下对上式进行拉氏变 换，得
图2-12 积分环节
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4.惯性环节 式中 T——
解 由电压关系知
惯性环节框图如图2 13
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图2-13 惯性环节框图 图2-14 比例微分环节框图
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2.2.3 典型环节的传递函数
1.比例环节 2.积分环节 3.理想微分环节 4.惯性环节 5.比例微分环节 6.振荡环节 7.延迟环节 延迟环节又称纯滞后环节，其输出量与输入量变化 形式相同，但要延迟一段时间。 8.运算放大器 图2-18为运算放大器的线路图。
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》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。
控工第1节2015
2
KT i t D
d t dt
u t Ri t L
J i t KT di t J dt KT
di t dt
Ke
d t dt
dt
D 2 dt KT d 3 t D 3 dt KT
输出信号 被控对象
输入信号 参考信号
控制器
热电偶
反馈信号 反馈元件 恒温箱功能框图
1.1 自动控制系统的基本概念
反馈控制系统的组成与原理
• 偏差信号与反馈信号的变化方向相反，负反馈 • 系统通过负反馈控制，能够自动减小偏差
1.1 自动控制系统的基本概念 1.1.2 自动控制系统的分类
(1) 根据有无反馈作用分类 开环控制系统 闭环控制系统 半闭环控制系统
第1章 概论 1.1 自动控制系统的基本概念
1.1.1 组成和原理 空调系统，电冰箱，热水器... 数控机床、机器人、速率转台、温度试验箱... 船舶及飞机自动驾驶、导弹制导... 在没有人直接参与的情况下， 用控制装置（机械、电路、算法）， 使机器、设备或生产过程的某个物理量 自动地按照预定的规律变化
v2(t) x2(t)
摩擦力？
fD(t)
d fD t D v1 t v2 t D dt x1 t x2 t
D——阻尼系数
2.2 控制系统运动微分方程的建立
f t
x t
分析质量块受力， 对质量块列微分方程 力的正负号
f t
x t
d d m 2 x f kx D x dt dt d d m 2 x D x kx f dt dt
控制工程基础第3版 教学课件 ppt 作者 孔祥东 王益群 第三章
图3-5a 一阶系统的时间响应 第三章 控制系统的时域分析
§3-2 一阶系统的时间响应
把t = T代入式(3-3)可得 c(T) =1−e−1 =0.632
故时间常数T可定义为系统的时间响应达到稳态值的63.2%所需要 的时间。
从图3-5a可以看出，经过三倍的时间常数，响应曲线上升到稳 态值的95%，经过四倍的时间常数，响应曲线达到稳态值的98.2%。 如果要求响应曲线保持在稳态值的5%～2%的允许误差范围内，那么 系统的调整时间ts =(3～4)T，以此作为评价响应时间长短的标准。
(3-9)
第三章 控制系统的时域分析
§3-3 二阶系统的时间响应
典型二阶系统的方块图及其简化形式示于图3-6a，图3-6b。
a)
b)
图3-6 二阶系统框图
第三章 控制系统的时域分析
§3-3 二阶系统的时间响应
二、二阶系统的单位阶跃响应
对单位阶跃输入r(t) = 1(t) ，R(s) = 1 ，从式(3-9)可以求出系统单
取上式的拉氏反变换，可得
c(t) = t − T + T e−t T (t ≥ 0) (3-4)
系统对单位斜坡输入的时间响应和输 入信号表示于图3-5b中。
图3-5b 一阶系统的时间响应
第三章 控制系统的时域分析
§3-2 一阶系统的时间响应
误差信号为
( ) ( ) e(t) = r(t) − c(t) = t − t − T + T e−t T = T 1 − e−t T
时间响应从零值到终值呈指
数曲线上升 。曲线在t = 0的初始 斜率为
c′(0) = d c(t)
=
1
−t
eT
=1
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控制工程基础精品课程
《控制工程基础》课程是一门非常重要的课程，也是工程类学生
必修的一门课程。
在这门课程中，学生将学习到控制系统的基本概念、控制方式、传感器、执行器、控制算法等内容，从而为以后的工程实
践奠定坚实的基础。
本课程的教学目标是：让学生深入了解控制系统的原理及其各个
组成部分的性能指标，并能够灵活运用所学知识，设计各种类型的控
制系统，具备一定的实际操作经验。
本课程的教学内容包括：
1. 控制系统的基础知识，包括控制系统的定义、目的和分类等。
2. 传感器和执行器的基本原理和性能指标，以及它们在控制系
统中的作用和应用。
3. 控制系统的动态特性，包括系统的时域响应和频域响应等。
4. 控制算法的基本原理和常用的控制方法，如比例控制、积分
控制、比例积分控制、PID控制等。
5. 控制系统的稳定性、鲁棒性和性能指标的分析与设计。
6. 控制系统的修正和优化方法，在实际操作中灵活应用。
教学方法上，本课程采用讲授和实验相结合的方式，注重理论与
实践相结合，通过实验操作让学生更好地理解系统原理和掌握实际操
作技能。
教师可以借助仿真软件进行教学，在课堂上对仿真结果进行
分析和讲解，让学生更好地理解各种控制算法的应用范围和优化方法。
此外，本课程还注重学生的自主学习和实践能力的培养，课程设
计中设置了一些自主学习环节，让学生通过学习文献、自主设计实验
等方式掌握知识点，提高了学生的学习兴趣和研究能力。
总之，《控制工程基础》课程为学生提供了系统的控制工程知识
和实践技能，培养了学生的研究能力、创新能力和解决实际问题能力，为将来从事控制工程相关的工作奠定了坚实的基础。