控制工程基础课件

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1、控制工程基础工作地点：信息楼工作地点：信息楼8037/22/20241控制工程基础课件控制工程基础课件教材与主要参考书1、胡寿松、胡寿松.自动控制原理简明教程自动控制原理简明教程(第一版），第一版），北京：科学出版社，北京：科学出版社，20052、刘豹、刘豹.现代控制理论（第三版），北京：机现代控制理论（第三版），北京：机械工业出版社，械工业出版社，20063、吴麒、吴麒.自动控制原理自动控制原理上上,下册（第二版），下册（第二版），北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，20064、董景新、董景新.控制工程基础，北京：清华大学出控制工程基础，北京：清华大学出版社，版社，20067/22/

2、20242控制工程基础课件控制工程基础课件综合考核要求出勤率出勤率课堂回答问题课堂回答问题独立完成作业情况独立完成作业情况期中考试（期中考试（7周末）周末）实验效果及报告实验效果及报告期末考试成绩期末考试成绩30%70%7/22/20243控制工程基础课件控制工程基础课件1、绪论1.1 课程介绍课程介绍1.2 自动控制理论与技术的产生与发展自动控制理论与技术的产生与发展1.3 控制系统的基本概念控制系统的基本概念 1.4 控制系统的组成和基本环节控制系统的组成和基本环节1.5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.6 自动控制系统基本要求自动控制系统基本要求7/22/20244控制工程基础课

3、件控制工程基础课件本章学习要点了解自动控制的起源和发展；了解自动控制的起源和发展；了解闭环控制系统的组成和基本环节；了解闭环控制系统的组成和基本环节；了解反馈控制的工作原理；了解反馈控制的工作原理；掌握反馈控制系统的基本要求；掌握反馈控制系统的基本要求；学会分析自动控制系统的类型及本质特征。学会分析自动控制系统的类型及本质特征。7/22/20245控制工程基础课件控制工程基础课件课程介绍控制工程基础是一门技术学科，研究控制工程基础是一门技术学科，研究系统的建立系统的建立、分析分析与与设计设计； 是本学科的是本学科的技术基础课技术基础课。自动控制自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中是人类在

4、认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重、重复性的劳动中解放出来，从事更可以从笨重、重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。富创造性的工作。自动化技术自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。产业革命的关键技术。7/22/20246控制工程基础课件控制工程基础课件课程介绍过程控制过程控制电机与拖动电机与拖动线性代数线性代数微积分微积分控制理论控制理论自动控自动控制原理制原理现

5、代控现代控制理论制理论计算机技术计算机技术通讯技术通讯技术积分变换积分变换复变函数复变函数7/22/20247控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展自动控制理论的发展大致经历了以下几个过程：自动控制理论的发展大致经历了以下几个过程：一、一、 萌芽阶段：萌芽阶段：如果要追朔自动控制技术的发展历史如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。2. 公元公元1086108610891089年年 （北宋哲宗元祐初年），（北宋哲宗元祐初年）， 我国发明的我国发明的水运仪象台水运仪象台， 就是一种闭环自动调节就是一种

6、闭环自动调节系系 统。统。水运仪象台1. 两千年前我国发明的两千年前我国发明的 指南车指南车，就是一种开，就是一种开 环自动调节系统。环自动调节系统。指南车7/22/20248控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展二、二、 起步阶段起步阶段 随着科学技术与工随着科学技术与工业生产的发展，到十八世业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最用到现代工业中。其中最卓越的代表是卓越的代表是瓦特瓦特（J.WattJ.Watt）发明的蒸汽机）发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。次工业革命的步伐。7/22/

7、20249控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展 18951895年劳斯（年劳斯（RouthRouth）与赫尔）与赫尔维茨（维茨（HurwitzHurwitz）针对高阶微分）针对高阶微分方程描述的更复杂的系统方程描述的更复杂的系统, ,各自各自提出了两个著名的稳定性判据提出了两个著名的稳定性判据劳斯判据劳斯判据和和赫尔维茨判据赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。制工程师的需要。 赫尔维茨（赫尔维茨（HurwitzHurwitz）7/22/202410控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展美国福特美国福特(Ford

8、 Motor)(Ford Motor)汽车公司建成最汽车公司建成最早的汽车装配流水线早的汽车装配流水线(1913)(1913)美国美国N. MinorskyN. Minorsky研制出用于船舶驾驶的研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出伺服结构，提出PIDPID控制方法控制方法(1922)(1922)美国美国MITMIT的的Vannevar BushVannevar Bush研制成第一台大型模拟计算研制成第一台大型模拟计算机机(Differential Analyzer)(Differential Analyzer)(1928)(1928)7/22/202411控制工程基础课件控制工程基础课件自动

9、控制技术的产生与发展美国美国H.S. BlackH.S. Black提出放大器性能的负反馈方法提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) (1927)(Negative Feedback Amplifier) (1927)H.S.Black7/22/202412控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展 由于第二次世界大战由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，与补偿能力，19321932年年奈奎斯奈奎斯特特（H.NyquistH.Nyquist）提出了频）提出了频域内研究系统的频率响应法，域内研究系

10、统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具提供了所需的分析工具。 奈奎斯特奈奎斯特三三 经典控制理论阶段经典控制理论阶段7/22/202413控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展 1948年伊万斯（年伊万斯（W.R.Evans）提出了复数域内）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。研究系统的根轨迹法。 建立在奈奎斯特的建立在奈奎斯特的频率响应法频率响应法和伊万斯的和伊万斯的根轨根轨迹法迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制原理）。（或自

11、动控制原理）。7/22/202414控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展美国贝尔实验室的美国贝尔实验室的H. BodeH. Bode(1938)(1938)提出提出频率响应法频率响应法。美国美国TaylorTaylor仪器公司的仪器公司的J. G. ZieglerJ. G. Ziegler和和N. B. NicholsN. B. Nichols提出提出PIDPID参数的最佳调参数的最佳调整法整法(1942)(1942)(1942)(1942)美国美国MITMIT的的N. WienerN. Wiener研究随机过程的预测研究随机过程的预测(1942)(1942)，提出，提出W

12、ienerWiener滤波理论滤波理论(1942)(1942)，发表，发表控制论控制论(Cybernetics)(Cybernetics)一书一书(1948)(1948)，标志着控制论学科的诞生。，标志着控制论学科的诞生。N.B.NicholsN.WienerN.Wiener,shownherein1954withYukWingLee(left)andAmarG.Bose,discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheory7/22/202415控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展 1.19471.1947年控制论的奠基人美年

13、控制论的奠基人美国数学家国数学家维纳维纳（N.WeinerN.Weiner）把控）把控制论引起的自动化同第二次产业制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与革命联系起来，并与19481948年出版年出版了控制论了控制论关于在动物和机器关于在动物和机器中控制与通讯的科学，书中论中控制与通讯的科学，书中论述了控制理论的一般方法，推广述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。学科奠定了基础。控制论之父控制论之父维纳维纳标志性的成果标志性的成果7/22/202416控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展自动控制的基础为闭环

14、控制。控制论的奠基人自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.WienerN.Wiener 给出的定义为：给出的定义为：“Feedback is a method of controlling a system by “Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past inserting into it the result of its past performance” performance” 闭环控制系统的结构框图：闭环控制系统的结构框图：7/22/2024

15、17控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展我国著名科学家我国著名科学家钱学森钱学森将控制理论应用于工程实践，将控制理论应用于工程实践，并与并与19541954年出版了工程控制论。年出版了工程控制论。钱学森钱学森7/22/202418控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展四、现代控制理论阶段四、现代控制理论阶段二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹代控制起源于冷战时期的军

16、备竞赛，如导弹(发射，操发射，操纵，指导及跟踪纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现。算机技术的出现。7/22/202419控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展美国美国R. BellmanR. Bellman在在RAND CoporationRAND Coporation数学部的支持下，发表著名的数学部的支持下，发表著名的Dynamic Dynamic ProgrammingProgramming，建立最优控制的基础，建立最优控制的基础(1957)(1957)苏联苏联L.S. PontryaginL.S. Pontry

17、agin发发表表“最优过程数学理论最优过程数学理论”，提出，提出极大值原理极大值原理(Maximum Principle) (Maximum Principle) (1956)(1956)L.S. Pontryagin7/22/202420控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展美籍匈牙利人美籍匈牙利人R. E. KalmanR. E. Kalman发表发表“On the “On the General Theory of Control Systems”General Theory of Control Systems”等论文，等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观

18、测引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和性，最佳调节器和kalman kalman 滤波等概念，奠定了滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础现代控制理论的基础(1960)(1960)。R.E. Kalman国际自动控制联合会国际自动控制联合会(IFAC)(IFAC)成立成立(1957)(1957)，中国为发起国之一，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开第一届学术会议于莫斯科召开(1960)(1960)。7/22/202421控制工程基础课件控制工程基础课件19631963年年, , 美国的美国的Lofti ZadehLofti Zadeh与与C. DesoerC. D

19、esoer发表发表Linear Systems Linear Systems - A State Space Approach- A State Space Approach。19651965年年，ZadehZadeh提出模糊集合和模提出模糊集合和模糊控制概念糊控制概念美国的美国的E.I. JuryE.I. Jury 发表发表“数字控制系统数字控制系统” ” (Sampled-Data (Sampled-Data Control System)Control System) ，建立了数字控制及数字信号处理的基础，建立了数字控制及数字信号处理的基础(1958)(1958) 自动控制技术的产生与发

20、展E.I. Jury7/22/202422控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制技术的产生与发展瑞典瑞典Karl J. AstromKarl J. Astrom提出最小二乘辩识，解决了线性定常提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法系统参数估计问题和定阶方法(1967)(1967)，六年后，提出了自，六年后，提出了自启调节器，建立启调节器，建立自适应控制自适应控制的基础。的基础。AstromAstrom于于19931993年获得年获得IEEE Medal of HonorIEEE Medal of Honor。英国英国H.H RosenbrockH.H Rosenbrock

21、 发表发表State Space and Multivariable State Space and Multivariable TheoryTheory(1970)(1970)。加拿大。加拿大W.M WonhamW.M Wonham 发表发表Linear Linear Multivariable Control: A Geometric ApproachMultivariable Control: A Geometric Approach(1974) (1974) 。Karl J. AstromH.H Rosenbrock7/22/202423控制工程基础课件控制工程基础课件美国美国R. B

22、rockettR. Brockett提出用微分几何研究非线性控制系统提出用微分几何研究非线性控制系统(1976)(1976)，意大利，意大利A. IsidoriA. Isidori出版出版(Nonlinear Control (Nonlinear Control Systems)Systems) (1985) (1985)。A.IsidoriR.Brockett自动控制技术的产生与发展7/22/202424控制工程基础课件控制工程基础课件加拿大加拿大G. ZamesG. Zames提出提出H H鲁棒控制鲁棒控制设计方法设计方法(1981(1981年年) )GorgeZames自动控制技术的产生

23、与发展美国美国A. BrysonA. Bryson 和和Y.C HoY.C Ho 发表发表Applied Optimal ControlApplied Optimal Control(1969)(1969)。Y.C HoY.C Ho 和和X.R CaoX.R Cao等提出等提出离散事件系统理论离散事件系统理论(1983)(1983)A.BrysonYuC.Ho7/22/202425控制工程基础课件控制工程基础课件IEEE Control Systems Award IEEE Control Systems Award 获得者。获得者。自动控制技术的产生与发展7/22/202426控制工程基础课

24、件控制工程基础课件中国批准中国批准863863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题造系统和智能机器人两个主题(1986)(1986)自动控制技术的产生与发展7/22/202427控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制的典型应用美国美国MITMIT的的Servomechanism LaboratoryServomechanism Laboratory研制出第一台数控研制出第一台数控机床机床(1952)(1952)7/22/202428控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制的典型应用美国美国George DevolGeorg

25、e Devol研制出第一台工业机器人样机研制出第一台工业机器人样机(1954)(1954)，两年后，被称为机器人之父的，两年后，被称为机器人之父的Joseph EngelbergerJoseph Engelberger创创立了第一家机器人公司，立了第一家机器人公司，UnimationUnimation7/22/202429控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制的典型应用世界第一颗人造地球卫星世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)(Sputnik)由苏联发射成功由苏联发射成功(1957)(1957)Oct.4,1957:LaunchoftherocketcarryingSputnik,the

26、firstman-madesatellite.Photosofthelaunchwerenotinitiallyreleased.Thisphotoisastillfroma1967Sovietdocumentaryfilm.K.S.Pavlovitch(1906-1966),RussianspacecraftdesignerandheaderoftheVostokandVoskhodprojects.7/22/202430控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制的典型应用美国的美国的M. E. MerchantM. E. Merchant提出计算机集成制造的概念提出计算机集成制造的概念(19

27、69)(1969)7/22/202431控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制的典型应用美国美国ARPAARPA计算机网络初步建成计算机网络初步建成(1971)(1971)日本日本FanucFanuc公司研制出由加工中公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制心和工业机器人组成的柔性制造单元造单元(1976)(1976)7/22/202432控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制的典型应用美国美国“哥伦比亚哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功号航天飞机首次发射成功(1981(1981年年) )7/22/202433控制工程基础课件控制工程基础课件控制技术的应用控制技术的应用军事领域军事领域民

28、用领域民用领域控制理论研究问题控制理论研究问题讨论控制系统的一般规律讨论控制系统的一般规律分析分析设计合理的自动控制系统设计合理的自动控制系统综合综合7/22/202434控制工程基础课件控制工程基础课件 数学工具：数学工具： 经典控制理论经典控制理论 研究对象：研究对象： 频率分析法频率分析法 图图表表根轨迹分析法根轨迹分析法 分析分析时域分析法（传递函数）时域分析法（传递函数） SISOSISO系统系统现代控制理论现代控制理论研究对象：研究对象： MIMO MIMO系统系统 非线性系统非线性系统 数学工具：数学工具： 状态空间法状态空间法智能控制理论智能控制理论研究对象：研究对象： 大系统

29、大系统 复杂系统复杂系统数学工具：数学工具： 推理决推理决策策7/22/202435控制工程基础课件控制工程基础课件控制系统的基本概念和原理系统系统由内部互相联系的部件按照一定规律组成，能由内部互相联系的部件按照一定规律组成，能够完成一定功能的有机整体。够完成一定功能的有机整体。控制控制使某些物理量按指定的规律变化使某些物理量按指定的规律变化(包括保持恒定包括保持恒定)，以保证生产的安全性，经济性及产品质量等要求的，以保证生产的安全性，经济性及产品质量等要求的技术手段。技术手段。自动控制自动控制在没有人的直接干预下，利用物理装置对在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的

30、控制，使被控制的物生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。例如矿井理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制。提升机的速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制。自动控制系统自动控制系统为实现某一控制目标所需要的所有物为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。一般由控制器，控制对象，测理部件的有机组合体。一般由控制器，控制对象，测量元件等组成。量元件等组成。7/22/202436控制工程基础课件控制工程基础课件控制系统的基本概念和原理12扰动量扰动量给定量给定量输出量输出量 1 - 1 - 控制器控制器(

31、(自耦变压器自耦变压器) ) 2 - 2 - 被控对象被控对象( (电阻炉电阻炉) )图中：图中：温度控制系统温度控制系统 性能指标性能指标 工作过程工作过程7/22/202437控制工程基础课件控制工程基础课件适用范围适用范围：输入量已知、控制精度要求不高、扰：输入量已知、控制精度要求不高、扰动作用不大。动作用不大。控制系统的基本概念和原理（1）开环控制开环控制：只有输入量对输出量产生控制作：只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。用，输出量不参与对系统的控制。（2）开环控制）开环控制特点特点结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题

32、性问题输入控制输出输入控制输出输出不参与控制输出不参与控制系统没有抗干扰能力系统没有抗干扰能力7/22/202438控制工程基础课件控制工程基础课件控制系统的基本概念和原理温度闭环控制系统温度闭环控制系统220V12uc从受控对象（电加热炉）获取输出量（实际炉温），从受控对象（电加热炉）获取输出量（实际炉温），并回送到输入端（即反馈），与输入量（给定炉温）并回送到输入端（即反馈），与输入量（给定炉温）进行比较产生偏差信号（温度差），利用偏差信号经进行比较产生偏差信号（温度差），利用偏差信号经过控制器（手臂）产生控制量（电阻丝两端的电压），过控制器（手臂）产生控制量（电阻丝两端的电压），从而跟踪

33、输入量，减小跟踪误差。从而跟踪输入量，减小跟踪误差。7/22/202439控制工程基础课件控制工程基础课件控制系统的基本概念和原理自动闭环控制自动闭环控制：该系统中，炉温通过热电耦测量，并将：该系统中，炉温通过热电耦测量，并将温度值转换为一个电压值温度值转换为一个电压值U Uf f。给定炉温通过一个电位器。给定炉温通过一个电位器的电压值的电压值U Ug g反映。通过反映。通过U Ug g与与U Uf f的反向串接，就可以实现的反向串接，就可以实现人脑中的比较算法人脑中的比较算法U Ug gU Uf f U U。U U的大小反映了实的大小反映了实测炉温与给定炉测炉温与给定炉温的差别，而且温的差别

34、，而且它的正负决定了它的正负决定了执行机构执行机构电电机的转向。执行机的转向。执行电机代替了人的电机代替了人的手臂。手臂。7/22/202440控制工程基础课件控制工程基础课件控制系统的基本概念和原理闭环控制结构图闭环控制结构图 1 1控制器控制器 2 2执行机构执行机构 3 3控制对象控制对象 4 4检测装置检测装置 反馈工作原理反馈工作原理：发现偏差：发现偏差消除偏差。消除偏差。7/22/202441控制工程基础课件控制工程基础课件控制系统的基本概念和原理 反馈控制反馈控制把输出量的一部分检测出来把输出量的一部分检测出来, ,反馈到输入端反馈到输入端, ,与给与给定信号进行比较，产生偏差定

35、信号进行比较，产生偏差, ,此偏差经过控制器产生此偏差经过控制器产生控制作用控制作用, ,使输出量按照要求的规律变化；使输出量按照要求的规律变化；反馈信号与给定信号极性相反为反馈信号与给定信号极性相反为负反馈负反馈, ,反之为反之为正反馈正反馈。 反馈控制反馈控制特点特点输入控制输出，输出参与控制输入控制输出，输出参与控制检测偏差、纠正偏差检测偏差、纠正偏差具有抗干扰能力具有抗干扰能力结构复杂结构复杂7/22/202442控制工程基础课件控制工程基础课件控制系统的基本概念和原理闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输基于输出信号的负反馈作用出信号的

36、负反馈作用而产生的，而产生的，所以经典控制理论的主要所以经典控制理论的主要研究对象研究对象是负反馈的闭环控是负反馈的闭环控制系统，制系统，研究目的研究目的是得到它的一般规律，从而可以设计出符合是得到它的一般规律，从而可以设计出符合设计要求的，满足实际需要的，性能指标优良的控制设计要求的，满足实际需要的，性能指标优良的控制系统。系统。7/22/202443控制工程基础课件控制工程基础课件控制系统的组成和基本环节控制系统的组成和基本环节11给定环节；给定环节；22比较环节；比较环节；33校正环节；校正环节；44放大环节；放大环节；55执行机构；执行机构；66被控对象；被控对象；77检测装置检测装置

37、1.1.闭环控制系统的结构及基本环节闭环控制系统的结构及基本环节设定被控制设定被控制量的给定值量的给定值的装置的装置将所检测的被控制量将所检测的被控制量与给定量进行比较，与给定量进行比较，确定两者之间的偏差确定两者之间的偏差量，多用差动放大器量，多用差动放大器实现负反馈实现负反馈一般由传动装置和调一般由传动装置和调节机构组成。执行机节机构组成。执行机构直接作用于控制对构直接作用于控制对象，使被控制量达到象，使被控制量达到所要求的数值所要求的数值要进行控要进行控制的设备制的设备或过程或过程控制系统所控制系统所控制的物理控制的物理量（被控量）量（被控量） 检测被控制量，检测被控制量，并将其转换为与

38、并将其转换为与给定量相同的物给定量相同的物理量理量用来实现调节作用来实现调节作用，如放大、整用，如放大、整流，也称为调节流，也称为调节器或调节环节器或调节环节7/22/202444控制工程基础课件控制工程基础课件控制系统的组成和基本环节控制系统的组成和基本环节(1) (1) 被控对象被控对象(2) (2) 被控量或输出量被控量或输出量(3) (3) 控制量控制量(4) (4) 设定量或输入量设定量或输入量(5) (5) 扰动量扰动量(6) (6) 反馈量反馈量2.2.闭环控制系统中的基本术语闭环控制系统中的基本术语(7) (7) 偏差量偏差量(8) (8) 前向通道或正向通道前向通道或正向通道

39、(9) (9) 反馈通道或反向通道反馈通道或反向通道(10) (10) 理想输出理想输出(11) (11) 实际输出实际输出(12)(12)检测量检测量7/22/202445控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.按照按照主要元件的特性方程的输入输出特征主要元件的特性方程的输入输出特征划分划分线性系统：线性系统：由线性元件组成的系统，由线性元件组成的系统，主要特征是满足主要特征是满足叠加原理叠加原理和和齐次定理齐次定理，即当系统在输入信号，即当系统在输入信号u1(t)的的作用下产生系统的输出作用下产生系统的输出y1(t)，当系统在输入信号，当系统在输入信号u2(

40、t)的作用下产生系统的输出的作用下产生系统的输出y2(t)。如果系统的输。如果系统的输入信号为入信号为au1(t)+bu2(t)时，系统的输出满足时，系统的输出满足ay1(t)+by2(t)，系数，系数a,b可以是常数，也可以是时变可以是常数，也可以是时变参数。参数。非线性系统：非线性系统：由非线性元件组成的系统，不由非线性元件组成的系统，不满足满足叠加叠加原理原理和和齐次定理齐次定理。7/22/202446控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制系统的分类自动控制系统的分类2.2.按照按照信号传递方式信号传递方式划分划分连续控制系统：连续控制系统：系统各部分的信号都是时间的连续函数。系统各部

41、分的信号都是时间的连续函数。 离散控制系统：离散控制系统：系统的一处或几处信号是以脉冲系列或系统的一处或几处信号是以脉冲系列或数码的形式传递。数码的形式传递。 3.3.按照按照输入量的变化规律输入量的变化规律划分划分恒值系统：恒值系统：给定量是恒定不变的。给定量是恒定不变的。随动系统：随动系统：给定量是按照事先未知的时间函数变化的。给定量是按照事先未知的时间函数变化的。 程序控制系统：程序控制系统：给定量按照给定量按照一定的时间函数一定的时间函数变化。变化。7/22/202447控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制系统的分类自动控制系统的分类4. 4. 按照按照端口关系端口关系划分划分SI

42、SOSISO系统系统MIMOMIMO系统系统7/22/202448控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制系统基本要求自动控制系统基本要求1. 1. 对自动控制系统基本要求对自动控制系统基本要求稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）“稳稳”是指系统的是指系统的稳定性稳定性。 稳定性稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件。是保证控制系统正常工作的先决条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关

43、。决定的，与外部条件和初始状态无关。“快快”是说明系统是说明系统动态（过渡过程）品质动态（过渡过程）品质。 系统的过渡过程产生的原因系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中储能元系统中储能元件的能量不可能突变。件的能量不可能突变。“准准”是说明系统的是说明系统的静态品质静态品质。 表明了系统的精确性和准确性。表明了系统的精确性和准确性。7/22/202449控制工程基础课件控制工程基础课件2. 2. 稳态性能指标稳态性能指标稳态误差稳态误差 当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种

44、偏差称为出现偏差，这种偏差称为稳态误差稳态误差。 系统稳态误差的大小反映了系统的稳态系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度，它表明了系统控制的准确程度。稳态精度，它表明了系统控制的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。误差越小，则系统的稳态精度越高。 7/22/202450控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制系统基本要求自动控制系统基本要求有差系统有差系统（图（图a a）：若稳态误差不为零，则系）：若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。统称为有差系统。 无差系统无差系统（图（图b b）：若稳态误差为零，则系统）：若稳态误差为零，则系统称为无差系统。称为无差系统。7/22/20245

45、1控制工程基础课件控制工程基础课件自动控制的基本概念自动控制的基本概念开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制负反馈的闭环控制系统的工作原理负反馈的闭环控制系统的工作原理专用术语及控制系统的组成专用术语及控制系统的组成小小 结结7/22/202452控制工程基础课件控制工程基础课件1. 开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。2. 闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制极大地提高了系

46、统的精度。但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。7/22/202453控制工程基础课件控制工程基础课件3.自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较环节、放大元件、被控对象、和反馈环节等部件组成。系统的作用量和被控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。 4.结构图（又简称框图）可直观地表达系统各环节（或各部件）间因果关系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和信号传递情况以及它们对输出量的影响。7/22/202454控制工程基础课件控制工程基础课件5.在不同输入量作用下，对系统的输出量的要求，揭示出反馈控制系统的本质特征：输出跟随输入。 6.对自动控制系统的性能指标要求有

47、： 稳定性系统能工作的首要条件； 快速性用系统在暂态过程中的响应速度和被控量的波动程度描述； 准确性用稳态误差来衡量。 7/22/202455控制工程基础课件控制工程基础课件指南车 指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它的车箱指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它的车箱里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独辕车。它的中央有一个大里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独辕车。它的中央有一个大平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮两旁，装着很多小齿轮。如果车平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮两旁，装着很多小齿轮。如果车子向左转，右边的车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带动大平轮

48、，使大平子向左转，右边的车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平轮相反地向右转。如果车子向右转，同样地，大平轮则向左转。因此，轮相反地向右转。如果车子向右转，同样地，大平轮则向左转。因此，只要指南车开动以前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向只要指南车开动以前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向左转还是向右转，木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的左转还是向右转，木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的原理造成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车中原理造成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车中差动齿轮的逆向使用原理。这种指南车

49、，可以说是世界上最早的自动化差动齿轮的逆向使用原理。这种指南车，可以说是世界上最早的自动化设备。设备。 指南车是我国古代伟大的发明之指南车是我国古代伟大的发明之一，也是世界上最早的控制论机械之一，也是世界上最早的控制论机械之一。用英国著名科学史专家李约瑟的一。用英国著名科学史专家李约瑟的话说，中国古代的指南车话说，中国古代的指南车“可以说是可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人类，是人类“第一架体内稳定机第一架体内稳定机”。7/22/202456控制工程基础课件控制工程基础课件水运仪象台 整个水运仪象台高整个水运仪象台高1212米，宽米，宽7 7米，共

50、分米，共分3 3层，相当于一幢四层楼的建层，相当于一幢四层楼的建筑物。最上层的板屋内放置着筑物。最上层的板屋内放置着1 1台浑仪，台浑仪， 屋的顶板可以自由开启，平时关屋的顶板可以自由开启，平时关闭屋顶，以防雨淋，这已经具有现代天文观测室的雏型了；中层放置着一闭屋顶，以防雨淋，这已经具有现代天文观测室的雏型了；中层放置着一架浑象；下层又可分成五小层木阁，每小层木阁内均安排了若干个木人，架浑象；下层又可分成五小层木阁，每小层木阁内均安排了若干个木人，5 5层共有层共有162162个木人，它们各司其职：每到一定的时刻，就会有木人自行出来个木人，它们各司其职：每到一定的时刻，就会有木人自行出来打钟、

51、击鼓或敲打乐器、报告时刻、指示时辰等。在木阁的后面放置着精打钟、击鼓或敲打乐器、报告时刻、指示时辰等。在木阁的后面放置着精度很高的两级漏刻和一套机械传动装置，可以说这里是整个水运仪象台的度很高的两级漏刻和一套机械传动装置，可以说这里是整个水运仪象台的“心脏心脏”部分，用漏壶的水冲动机轮，驱动传动装置，浑仪、浑象和报时部分，用漏壶的水冲动机轮，驱动传动装置，浑仪、浑象和报时装置便会按部就班地动作起来。装置便会按部就班地动作起来。 这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明才智和富于创造的精神。才智和富于创造的精神。 水运仪象台

52、是我国古代一种大型的天文仪器，水运仪象台是我国古代一种大型的天文仪器，由宋朝天文学家苏颂等人创建。它是集观测天象的浑由宋朝天文学家苏颂等人创建。它是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器，实际上是一座小机械装置于一体的综合性观测仪器，实际上是一座小型的天文台。型的天文台。 7/22/202457控制工程基础课件控制工程基础课件瓦特James Watt（17361819） 到此为止，瓦特完成了对蒸汽机的整套发明过程。经过他的一系列重大的发明和到此为止，瓦特完成了对蒸汽机的整套发明过程。经过他的一系列

53、重大的发明和改进，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的改进，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3 3倍多，而且配套齐全、性能优良、切倍多，而且配套齐全、性能优良、切合实用。瓦特由此博得了第一部现代蒸汽机合实用。瓦特由此博得了第一部现代蒸汽机高效率瓦特蒸汽机的发明者称号。高效率瓦特蒸汽机的发明者称号。 英国发明家、工程师。英国发明家、工程师。17361736年年1 1月月1919日生于苏格兰的一个小镇格里诺克。日生于苏格兰的一个小镇格里诺克。1515岁学完岁学完了物理学原理并获得了丰富的木工、金属冶炼和加工等工艺技术。了物理学原理并获得了丰富的木工、金属冶炼和加工等工艺技术。17531753年在一

54、家钟表店学手艺，跟有名的机械师摩尔根当学徒。经过刻苦学习，努力实年在一家钟表店学手艺，跟有名的机械师摩尔根当学徒。经过刻苦学习，努力实践，他已能制造难度较高的象限仪、罗盘、经纬仪等。践，他已能制造难度较高的象限仪、罗盘、经纬仪等。17561756年在格拉斯哥大学当了仪器修理员。年在格拉斯哥大学当了仪器修理员。17651765年发明了把冷凝过程从汽缸中分离出来的分离式冷凝器。冷凝器的发明在蒸汽机年发明了把冷凝过程从汽缸中分离出来的分离式冷凝器。冷凝器的发明在蒸汽机的发展中起了关键性的作用。的发展中起了关键性的作用。17681768年制成了一台单动作蒸汽机年制成了一台单动作蒸汽机 。1781178

55、1年，发明了行星式齿轮，将蒸汽机活塞的往复运动变为旋转运动。年，发明了行星式齿轮，将蒸汽机活塞的往复运动变为旋转运动。17821782年发明了大动力的年发明了大动力的“双动作蒸汽机双动作蒸汽机”并获得专利。并获得专利。 17841784年他发明了平行运动连杆机构，解决了双动作蒸汽机的结构问题。年他发明了平行运动连杆机构，解决了双动作蒸汽机的结构问题。17881788年他发明了离心式调速器和节气阀，用来自动控制蒸汽机的运转速度。年他发明了离心式调速器和节气阀，用来自动控制蒸汽机的运转速度。17901790年发明了蒸汽机配套用压力计。年发明了蒸汽机配套用压力计。 7/22/202458控制工程基础

56、课件控制工程基础课件 作为贝尔电话实验室的工程师，在热噪声作为贝尔电话实验室的工程师，在热噪声(Johnson- (Johnson- Nyquist noise)Nyquist noise)和反馈放大器稳定性方面做出了很大的贡献。他早期的和反馈放大器稳定性方面做出了很大的贡献。他早期的理论性工作关于确定传输信息需满足的带宽要求，在贝尔系统技术理论性工作关于确定传输信息需满足的带宽要求，在贝尔系统技术期刊上发表了影响电报速度传输速度的因素文章，为后来香农的信期刊上发表了影响电报速度传输速度的因素文章，为后来香农的信息论奠定了基础。息论奠定了基础。 1927 1927年，奈奎斯特确定了如果对某一带

57、宽的有限时间连续信号（模年，奈奎斯特确定了如果对某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且在抽样率达到一定数值时，根据这些抽样值可以拟信号）进行抽样，且在抽样率达到一定数值时，根据这些抽样值可以在接收端准确地恢复原信号。为不使原波形产生在接收端准确地恢复原信号。为不使原波形产生“半波损失半波损失”，采样率，采样率至少应为信号最高频率的两倍，这就是著名的奈奎斯特采样定理。奈奎至少应为信号最高频率的两倍，这就是著名的奈奎斯特采样定理。奈奎斯特斯特19281928年发表了电报传输理论的一定论题。年发表了电报传输理论的一定论题。 1954 1954年，他从贝尔实验室退休。年，他从贝尔实验室退休

58、。 美国物理学家，美国物理学家，18891889年出生在瑞典。年出生在瑞典。19761976年在德克年在德克萨斯逝世。奈奎斯特对信息论做出了重大的贡献。奈奎萨斯逝世。奈奎斯特对信息论做出了重大的贡献。奈奎斯特斯特19071907年移民到美国并于年移民到美国并于19121912年进入北达克塔大学学年进入北达克塔大学学习。习。19171917年在耶鲁大学获得物理学博士学位。年在耶鲁大学获得物理学博士学位。19171917年年19341934年在年在AT&TAT&T公司工作，后转入贝尔电话实验室工作。公司工作，后转入贝尔电话实验室工作。 奈奎斯特奈奎斯特7/22/202459控制工程基础课件控制工程

59、基础课件 维纳已是一个很有名的数学家了，但他对其他学科也很有兴趣。维纳已是一个很有名的数学家了，但他对其他学科也很有兴趣。在第二次世界大战末期，有两个大问题特别引起了他的兴趣，一个是电子计在第二次世界大战末期，有两个大问题特别引起了他的兴趣，一个是电子计算机，另一个是火炮命中率问题。算机，另一个是火炮命中率问题。 维纳和一位年轻工程师合作，从驾驶汽车这种简单的动作中发现，人是维纳和一位年轻工程师合作，从驾驶汽车这种简单的动作中发现，人是采用了一种叫采用了一种叫“反馈反馈”的控制方法，使汽车按要求行驶。维纳又请来了神经的控制方法，使汽车按要求行驶。维纳又请来了神经专家进行共同研究，发现机器和人的

60、控制机能有相似之处。后来，维纳又和专家进行共同研究，发现机器和人的控制机能有相似之处。后来，维纳又和许多有名科学家进行讨论，听取对方的批评意见，甚至是许多有名科学家进行讨论，听取对方的批评意见，甚至是“攻击攻击”意见，终意见，终于于于于19481948年把自己的研究成果发表了出来年把自己的研究成果发表了出来控制论。控制论。维纳维纳 维纳生于哥伦比亚市一个犹太人家里。维纳维纳生于哥伦比亚市一个犹太人家里。维纳4 4岁岁开始读书。开始读书。9 9岁时读中学，岁时读中学，1111岁进入大学学习。他的岁进入大学学习。他的数学知识已超过大学一年级学生的水平，所以转而数学知识已超过大学一年级学生的水平，所

61、以转而热衷于研究化学、物理、电学。他热衷于研究化学、物理、电学。他1818岁时取得了哈岁时取得了哈佛大学数学和哲学两个博士学位，后来又到德国、佛大学数学和哲学两个博士学位，后来又到德国、英国学习，拜著名哲学家罗素、数学家希尔伯特为英国学习，拜著名哲学家罗素、数学家希尔伯特为师，进一步深造。师，进一步深造。7/22/202460控制工程基础课件控制工程基础课件 1955 1955年回国。年回国。19551955年至年至19661966年任中国科学院力学研究所所长、研究员，国防年任中国科学院力学研究所所长、研究员，国防部第五研究院院长。部第五研究院院长。19651965年至年至19701970年任

62、第七机械工业部副部长。年任第七机械工业部副部长。19701970年至年至19821982年任国年任国防科工委科学技术委员会副主任，中国科协副主席。还历任中国自动化学会第一、二防科工委科学技术委员会副主任，中国科协副主席。还历任中国自动化学会第一、二届理事长，中国宇航学会、中国力学学会、中国系统工程学会名誉会长，中科院主席届理事长，中国宇航学会、中国力学学会、中国系统工程学会名誉会长，中科院主席团执行主任、数学物理学部委员。团执行主任、数学物理学部委员。19861986年至年至19911991年年5 5月任中国科协第三届全委会主席。月任中国科协第三届全委会主席。19911991年年5 5月在中国

63、科协第四次全国代表大会上当选为科协名誉主席。月在中国科协第四次全国代表大会上当选为科协名誉主席。19921992年年4 4月被聘为月被聘为中科院学部主席团名誉主席。中科院学部主席团名誉主席。19941994年年6 6月当选为中国工程院院士。月当选为中国工程院院士。 钱学森钱学森 19111911年年1212月月1111日生，浙江杭州人，日生，浙江杭州人，19591959年年8 8月加入月加入中国共产党，博士学位。中国共产党，博士学位。 1929 1929年至年至19341934年在上海交通大学机械工程系年在上海交通大学机械工程系学习。学习。19351935年至年至19391939年在美国麻省理

64、工学院航空工程系学年在美国麻省理工学院航空工程系学习，获硕士学位。习，获硕士学位。19361936年至年至19391939年在美国加州理工学院航年在美国加州理工学院航空与数学系学习，获博士学位。空与数学系学习，获博士学位。19391939年至年至19431943年任美国加年任美国加州理工学院航空系研究员。州理工学院航空系研究员。19431943年至年至19451945年任美国加州理年任美国加州理工学院航空系助理教授（其间：工学院航空系助理教授（其间：19401940年至年至19451945年为四川成年为四川成都航空研究所通信研究员）。都航空研究所通信研究员）。19451945年至年至19461

65、946年任美国加州年任美国加州理工学院航空系副教授。理工学院航空系副教授。19461946年至年至19491949年任美国麻省理工年任美国麻省理工学院航空系副教授、空气动力学教授。学院航空系副教授、空气动力学教授。19491949年至年至19551955年任年任美国加州理工学院喷气推进中心主任、教授。美国加州理工学院喷气推进中心主任、教授。 7/22/202461控制工程基础课件控制工程基础课件1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。在现代控制理论年于哥伦比亚大学获得博士学位。在现代控制理论中的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和中的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的年发表的论文论文ANewApproachtoLinearFilteringandPredictionProblems（线性滤波与预测问题的新方法）。（线性滤波与预测问题的新方法）。卡尔曼 RudolfEmilKalman，匈牙利数学，匈牙利数学家，家，1930年出生于匈牙利首都布达佩斯。年出生于匈牙利首都布达佩斯。1953、1954年于麻省理工学院分别获得年于麻省理工学院分别获得电机工程学士及硕士学位。电机工程学士及硕士学位。7/22/202462控制工程基础课件控制工程基础课件