清华版控制工程基础第一章：概论

清华版控制工程基础第一章：概论目录contents控制工程基本概念与发展历程控制系统组成与分类信号与系统基本概念自动控制原理简介稳定性、准确性和快速性分析典型环节及其特性建模方法与步骤01控制工程基本概念与发展历程控制工程定义控制工程是研究控制系统设计、分析和优化的理论、方法和技术的一门工程学科。控制工程作用控制工程在现代化生产中发挥着重要作用，是实现自动化、智能化和高效化的关键技术之一。它广泛应用于航空航天、能源、交通、制造等领域，为提高生产效率、降低能耗、改善环境等做出了重要贡献。控制工程定义及作用古典控制理论阶段0120世纪40年代以前，控制工程主要基于经典力学和传递函数等理论，以频域分析方法为主，解决了大量单输入单输出系统的控制问题。现代控制理论阶段0220世纪50年代以后，随着计算机科学、系统论、信息论等学科的发展，控制工程开始采用状态空间描述和多变量控制方法，形成了现代控制理论。智能控制理论阶段0320世纪80年代以来，随着人工智能、机器学习等技术的快速发展，控制工程开始融入智能化元素，形成了智能控制理论。目前，控制工程正朝着更加智能化、自适应和鲁棒性的方向发展。发展历程及现状VS未来控制工程将更加注重智能化、网络化、集成化和绿色化。智能化将进一步提高控制系统的自主决策和自适应能力；网络化将实现控制系统的远程监控和协同控制；集成化将促进不同控制系统之间的信息共享和协同优化；绿色化将注重控制系统的能效和环保性能。挑战随着控制系统规模和复杂性的不断增加，控制工程面临着诸多挑战。例如，如何提高控制系统的稳定性、鲁棒性和安全性；如何处理大规模、高维度和不确定性问题；如何实现控制系统的快速响应和高效优化等。同时，新兴技术的发展也对控制工程提出了新的要求和挑战。未来趋势未来趋势与挑战02控制系统组成与分类控制系统基本结构根据设定值和反馈信号的偏差，按照一定的控制规律输出控制量。将控制器的输出信号转换为对被控对象的控制作用。需要控制的机器、设备或生产过程等。用于测量被控对象的输出信号，并将其反馈到控制器中。控制器执行器被控对象检测装置控制作用不受被控对象输出信号影响的系统，结构简单，但控制精度和稳定性较差。开环控制系统控制作用受到被控对象输出信号反馈影响的系统，具有较高的控制精度和稳定性，但结构相对复杂。闭环控制系统开环与闭环控制系统特点系统的输出与输入之间呈线性关系，满足叠加原理，易于分析和设计。线性控制系统系统的输出与输入之间呈非线性关系，不满足叠加原理，分析和设计相对复杂。在实际应用中，许多控制系统都包含一定程度的非线性因素，需要采用相应的非线性控制方法进行处理。非线性控制系统线性与非线性控制系统区别03信号与系统基本概念信号是传递信息的物理量，它可以是各种物理量随时间变化的函数，如电压、电流、温度、压力等。根据信号的特性，可以将其分为连续信号和离散信号；周期信号和非周期信号；能量信号和功率信号等。信号定义及分类信号分类信号定义系统响应系统对输入信号的反应，通常表现为输出信号与输入信号之间的关系。性能评价指标评价系统性能的指标包括稳定性、准确性、快速性等。稳定性指系统受到扰动后能否恢复到原平衡状态；准确性指系统输出与期望输出之间的偏差；快速性指系统响应输入信号的速度。系统响应与性能评价指标信号预处理信号变换信号分析与处理控制信号生成信号处理技术在控制系统中应用对输入信号进行滤波、放大、整形等处理，以提高信号的质量和可靠性。对系统输出信号进行分析和处理，以提取有用的信息和控制量，如对信号进行频谱分析、相关分析等。将输入信号转换为适合系统处理的信号形式，如将模拟信号转换为数字信号。根据系统控制策略和控制算法，生成相应的控制信号，以实现对被控对象的控制。04自动控制原理简介自动控制定义指在没有人为直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）的某个工作状态或参数（如速度、位置、温度、压力等）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统组成包括被控对象、测量元件、控制器和执行器等部分，其中控制器根据测量元件反馈的信号和设定值之间的差异，按照一定的控制规律产生控制信号，通过执行器作用于被控对象，实现自动控制。自动控制原理概述现代控制理论以状态空间为基础，研究多输入多输出、时变、非线性等复杂系统的分析和设计方法。现代控制理论包括状态空间法、最优控制、自适应控制等。经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出、线性定常系统的分析和设计方法。经典控制理论包括时域分析法、频域分析法和根轨迹法等。二者联系与区别经典控制理论是现代控制理论的基础，现代控制理论是经典控制理论的扩展和深化。在实际应用中，两者常常相互补充、相互渗透。经典控制理论与现代控制理论比较在工业生产过程中，自动控制技术广泛应用于生产线、机床、机器人等设备，实现自动化生产，提高生产效率和产品质量。工业自动化在航空航天领域，自动控制技术是实现飞行器自动驾驶、导航、制导等功能的关键技术之一。航空航天在交通运输领域，自动控制技术应用于汽车、火车、飞机等交通工具的驾驶辅助系统，提高交通安全性和运输效率。交通运输在智能家居领域，自动控制技术应用于智能家电、智能照明、智能安防等系统，实现家居环境的智能化管理和控制。智能家居自动控制在各领域应用举例05稳定性、准确性和快速性分析稳定性概念及判断方法稳定性概念系统受到扰动后，能够恢复到原来平衡状态的能力或属性。判断方法通过系统特征方程的根在复平面上的分布来判断，若所有根都位于左半平面，则系统稳定；若有根位于右半平面或虚轴上，则系统不稳定。系统达到稳态后，输出量与输入量之间的偏差。它是衡量系统准确性的重要指标。在特定输入信号下，系统稳态误差与输入信号幅值的比值。它反映了系统对不同输入信号的响应特性。稳态误差误差系数准确性评价指标通过观察系统单位阶跃响应曲线的超调量、调节时间等指标来评价系统的快速性。时域分析法通过分析系统开环频率特性曲线的形状和参数，如幅值穿越频率、相位穿越频率等，来预测系统的闭环动态性能，进而评价其快速性。频域分析法快速性分析方法06典型环节及其特性表示输入与输出之间的比例关系。比例系数输出与输入成正比，无失真、无延迟地传递信号。特点用于放大或缩小信号，实现信号的线性变换。应用比例环节对输入信号进行积分运算，输出为输入信号的积分值。积分环节微分环节特点应用对输入信号进行微分运算，输出为输入信号的微分值。积分环节具有记忆性，能积累误差；微分环节对突变信号敏感，能预测未来变化趋势。积分环节用于消除静差，提高系统无差度；微分环节用于改善系统动态性能，加快响应速度。积分环节和微分环节惯性环节振荡环节特点应用惯性环节和振荡环节具有二阶微分方程的环节，输出在平衡点附近做等幅或衰减振荡。惯性环节能平滑突变信号，减缓系统响应速度；振荡环节能产生周期性信号，增加系统复杂性。惯性环节用于改善系统稳定性，减小超调量；振荡环节用于产生或处理振荡信号，如正弦波、方波等。具有一阶微分方程的环节，输出变化滞后于输入变化，具有惯性。延迟环节：输出信号在时间上滞后于输入信号一定时间的环节。传输延迟：信号在传输过程中由于介质、设备等因素引起的延迟。特点：延迟环节和传输延迟都会使系统响应速度变慢，影响系统稳定性。应用：在控制系统中需要尽量减小延迟环节和传输延迟的影响，提高系统实时性和稳定性。例如，在工业自动化控制中，通过优化控制算法、提高设备性能等措施来减小延迟环节和传输延迟对系统性能的影响。延迟环节和传输延迟07建模方法与步骤建模是将实际系统抽象为数学模型的过程。目的是描述系统内在规律和本质特征，方便分析和设计。建模是控制工程的基础和关键。建模概念及目的明确系统输入输出及关键变量。确定系统边界和变量根据物理定律或经验公式，建立描述系统动态行为的方程。建立微分方程或差分方程对方程进行线性化或近似处理，方便求解和分析。线性化和近似处理如拉普