控制理论及自动控制技术 课件 1.绪论

Electromechanicalcontrol绪论机械工程控制基础任课教师：xxxx机械与动力工程学院PROPERTYSALESPLAN目录：PROPERTYSALESPLAN01课程安排02绪论1.课程安排总学时

28学时+实验6学时内容：１.绪论(2)２.系统的数学模型（补充内容）(6)３.时间响应分析(6)４.系统的频率特性(6)５.系统的稳定性(6)６.系统的性能分析与校正(2)实验（6学时）实验一：典型系统的阶跃响应实验二：典型系统的频率特性1.课程安排参考教材和参考书1.杨叔子等编著，机械工程控制基础(第7版).武汉：华中科技大学出版社，20172.李友善主编.自动控制原理.北京：国防工业出版社,1980.3.阳含和编著.机械控制工程(上册).北京：机械工业出版社,1986.4.夏德玪等.自动控制理论实验与习题集.北京：机械工业出版社，1993.5.董景新，赵长德，控制工程基础，北京：清华大学出版社，1992.6.王彤等，自动控制原理试题精选与答题技巧,哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2000.1.课程安排什么是控制？

控制－对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为

自动控制－控制操作由控制装置自动完成，没有人参与2.绪论1.1控制的研究对象与任务一、研究对象：

机械工程技术中广义系统的动力学问题

系统－相互联系，相互作用的各种部分组成的具有一定目的和运动规律的整体。

广义系统－具备系统要素的一切事物和对象(生命系统,机器系统，思维系统，经济社会系统等）

机械工程中的广义系统：元件、部件、仪器、设备、加工过程、操作设备、企业、工厂、部门等

动力学－系统有其固有特性，有初始状态，当它接受外界输入后，会产生一个动态历程，动力学就是研究其输入，系统，输出三者之间的动态关系。第1章绪论深入分析：对系统（a）用牛顿第二定律:同理,对系统（b），有：例1质量－阻尼－弹簧单自由度系统的分析系统（a）系统（b）初步分析：相同点：组成、结构相同（m,c,k）,输出y(t)

不同点：输入不同（1）（2）第1章绪论系统（b)系统（a)若令：则有系统（b)系统（a)(1)(2)(4)(3)第1章绪论系统（a）系统（b）1.系统2.输入3.输出第1章绪论一般线性系统的动力学方程：左端算子（反映系统固有特性）右端算子（反映外界输入）（系统初始状态）输入输出(5)(6)(7)(8)第1章绪论二、（工程控制论的）研究任务第1章绪论

一般地，就系统、输入、输出三者之间的动态关系而言，需研究的问题包括：系统分析问题：已知系统和输入，求系统的响应（或输出），并通过响应来研究系统本身的问题。最优控制问题：已知系统，确定输入，使系统的输出满足要求。最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求。滤波与预测问题：确定系统，以根据输出识别输入或输入中的有关信息。系统辩识问题：已知输入和输出，识别系统的结构和参数，建立系统的数学模型。1.2对控制系统的基本要求第1章绪论系统的稳定性：稳定性是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。这是系统正常工作的首要条件。系统的快速性：在系统稳定的前提下，当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。系统的准确性：调整过程结束后，输出量与给定的输入量之间的偏差。稳

快

准１.３基本控制方式核心观点：自动控制系统主要分为三大控制方式，各有特点与适用场景，现代技术衍生出更多新型控制方式三大基础控制方式：反馈控制（闭环）：应用最广、精度高开环控制：结构简单、成本低复合控制：结合前两种方式，优化控制效果现代新型控制方式：最优控制、自适应控制、模糊控制（基于现代数学与计算机技术）第1章绪论１.３基本控制方式1.3.1反馈控制方式核心定义：按偏差控制，通过“输入→偏差→控制→输出→反馈”形成闭环关键特点：优点：抑制内/外扰动、控制精度高、动态性能好缺点：元件多、结构复杂、性能分析与设计难度大适用场景：工业、国防等对控制精度要求高的领域（如精密机床、航空航天设备）第1章绪论１.３基本控制方式1.3.2开环控制方式核心定义：控制装置与被控对象仅顺向作用，无反向联系，输出不影响控制作用两种类型对比：第1章绪论类型控制逻辑优点缺点应用案例按给定量控制输入直接决定输出结构简单、调整方便、成本低无偏差修正能力、抗扰性差自动售货机、自动洗衣机、数控车床按扰动控制（顺馈控制）测量扰动→产生补偿作用抗扰性好、控制精度较高仅适用于可测量扰动，单补偿装置对应单扰动直流速度控制系统（补偿负载电流变化对转速的影响）１.３基本控制方式1.3.3复合控制方式核心逻辑：结合“按偏差控制（反馈）”与“按扰动控制（开环）”，兼顾抗扰性与精度控制策略：对主要扰动：用补偿装置实现按扰动控制，提前抵消影响对其余扰动：用反馈控制系统实现按偏差控制，消除剩余偏差优势：降低反馈系统设计难度，提升整体控制效果第1章绪论１.4建模方法1.4.1控制系统的时域建模核心概念：在时域中描述系统运动，分析输出随时间的变化规律（稳、准、快）常用模型：微分方程、差分方程、状态方程分析工具：拉普拉斯变换（终值定理可分析t→∞时的输出）时域分析法流程：已知输入→列写微分方程/传递函数→求时间响应→评价系统性能发展现状：早期限于低阶系统，现借助计算机可分析复杂系统，广泛应用于现代控制理论第1章绪论１.4建模方法1.4.2控制系统的频域建模核心概念：基于“频率特性”（频域数学模型）的图解分析法，间接评价系统性能分析优势：可通过开环频率特性分析闭环系统性能易分析参数对系统性能的影响，便于优化设计除超低频热工系统，频率特性可通过实验确定适用范围：主要适用于线性定常系统，可条件推广至非线性系统第1章绪论１.5发展历程一、发展脉络总览核心逻辑：从“单一场景适配”到“复杂场景覆盖”，再到“智能自主适应”。各阶段核心特征对比第1章绪论发展阶段数学基础控制对象范围核心分析/控制方法关键局限性经典控制传递函数单输入单输出（SISO）线性定常系统分析：频率特性法、根轨迹法、描述函数法控制：反馈控制、PID控制无法处理多输入多输出、时变、非线性系统；无最优控制能力现代控制状态空间理论（状态方程）全场景覆盖：1.SISO/多输入多输出（MIMO）2.线性/非线性、定常/时变3.连续/离散系统控制：极点配置、状态反馈、输出反馈依赖已知系统参数与状态；难应对未知系统及外界干扰智能控制自动控制理论+人工智能+运筹学已知/未知系统均可；复杂动态工况控制：最优控制、自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、模糊控制、仿人控制对硬件算力、数据质量要求较高（部分场景）１.5发展历程二

控制系统发展历程（未来趋势）未来核心目标技术目标：实现“高柔性（强适应性）+高水平自治+人工智能化”，满足复杂场景下的自主决策与动态调整需求应用目标：从“单一自动化”转向“柔性自动化”，