控制工程基础 课件 1绪论

第一章绪论《控制工程基础》课程概况第一章绪论第二章控制系统数学建模第三章控制系统频域建模第四章控制系统稳定性分析第五章控制系统瞬态质量分析第六章控制系统稳态精度分析第七章控制系统频域校正方法*第八章控制系统实例（自学）2第一章绪论

1.1控制理论及其发展1.2系统及其术语

1.3控制系统分类1.4控制系统分析与设计3公元前14~11世纪，“自动计时漏壶”出现在中国、埃及和巴比伦。春秋战国时期（公元235年），马钧发明齿轮传动的指南车。北宋，水运仪像台里的天衡装置是一个负反馈的闭环控制系统。（宋朝的苏颂和韩公廉建造）公元4世纪，希腊柏拉图(Platon)首先使用了“控制论”（Cybernetics）一词。

1788年，英-瓦特(J.watt)运用反馈原理设计出来并成功应用的装置--蒸汽机用的离心式飞锤调速器1.1控制理论及其发展水运仪象台是北宋时期苏颂、韩公廉等人发明制造的以漏刻水力驱动的，集天文观测、天文演示和报时系统为一体的大型自动化天文仪器。5

1868年，英-麦克斯韦(J.C.Maxwell)发表了“论调速器”一文，进行了稳定性分析，指出控制系统的品质可用微分方程来描述，系统的稳定性可用特征方程根的位置和形式来研究--最早的理论工作。

1877和1896年，英-劳斯(E.J.Routh)和德-赫尔维茨(A.Hurwitz)先后提出了根据代数方程系数判别系统稳定性的准则。

1892年，俄-李雅普诺夫出版了专著“论运动稳定性的一般问题”，提出了用李雅普诺夫函数的正定性及其导数的负定性判别系统稳定性的准则，从而建立了动力学系统的一般稳定性理论。

1932年，美籍瑞典-奈奎斯特(H.Nyquist)提出了根据频率响应判别反馈系统稳定性的准则。61938年前苏联米哈依洛夫提出了图解分析方法判别系统稳定性的准则，把奈氏判据推广到条件稳定和条件不稳定系统的一般情况；

1948年伊文斯（W.R.Evans）发表了根轨迹法，标志着控制理论发展的第一阶段完成；

1948年美国维纳(N.wiener)出版了专著《控制论—关于在动物和机器中控制和通信的科学》。该书的出版标志控制学科的诞生。

1954年我国-钱学森在美出版了《工程控制论》一书，开辟了经典控制理论向现代控制理论发展的道路。控制理论发展的四个阶段（1）初期萌芽及发展阶段（2）经典控制理论（3）现代控制理论（4）智能控制理论7

（1）初期发展阶段时间：18世纪末至19世纪末对象：SISO线性定常系统数学工具：拉普拉斯变换（拉氏变换）数模：微分方程、代数方程、传递函数方法：时域法8

（2）经典控制理论时间：20世纪30~50年代对象：SISO线性定常系统数学工具：拉普拉斯变换数模：传递函数方法：时域法、频域法、根轨迹法9（3）现代控制理论时间：20世纪50~70年代对象：MIMO非线性系统时变系统数学工具：线性代数矩阵数模：状态空间表达式方法：状态空间法10（4）智能控制理论多样化发展的时期时间：

20世纪60年代末~现在理论方法：自动控制理论，人工智能，模糊数学，神经网络，运筹学等。代表人物：美-扎德(L.A.Zadel)美籍华人傅京生(J.S.Fu)和桑托斯(E.S.Saridis)111.2系统及其术语12车辆跟驰系统人工驾驶无人驾驶13自动控制，实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。如下图所示：人工控制与自动控制的对照。

眼睛

测距雷达大脑

自动控制器肌肉、手

执行元件14

比较两方框图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：气动阀门希望车头距实际车头距雷达控制器汽车肌肉和阀门希望车头距实际车头距大脑汽车眼睛15执行元件参考输入输出测量变送元件控制器对象扰动输入系统方框图将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节之间的相互影响，便于定性和定量分析。术语控制对象：被控设备或物体，也可以是被控过程，化学、经济、生物学过程等控制器：使被控对象具有所要求的性能或状态的控制设备。它接收输入的控制信号，按控制算法计算出操作量，送到被控对象或执行元件。系统：能够完成某种功能或实现某些任务的多个部件的组合，称为系统。（一个整体）系统输出：就是被控制的量。对输入的响应，它表征对象或过程的状态或性能。操作量:是一种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值，也称控制量。1617参考输入：人为给定的，使系统具有预定性能和预定输出的激发信号。扰动：干扰或破坏系统具有预定输出或预定性能的干扰信号。分内部和外部扰动两种。特性：系统输入和输出之间的关系，可分为动态特性和静态特性。动态特性：输入输出在变化过程中，未到达稳态时表现出来的特性。动态特性一般表现为过渡过程，即从一个平衡状态到另一个平衡状态的过程。静态特性：在系统稳定后，到达稳态时表现出来的输入输出之间的关系。在控制系统中，静态是指各参数或信号的变化率为零。静态特性表现出来的一般是放大倍数。1.3控制系统分类181.3.1开环控制开环控制是最简单的一种控制方式，开环控制的一般定义：控制量与被控量之间只有顺向作用而没有反向联系。开环控制系统的典型方框图如图所示。控制器被控对象控制量被控量

交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动生产线，数控车床等等。开环控制方式的分类按照输入信号的不同可以分为两种控制方式1、按给定控制：

控制的作用由系统的输入量产生，给定一个输入量就有一个输出量与之对应。2、按扰动控制：

是指把外界扰动看作输入的情况。在扰动可测的场合，可根据测得扰动量的大小，对系统产生一种补偿或修正，从而减小或抵消扰动对输出的影响。通俗地讲就是系统“抗干扰”1920M功率放大器电动机负载电位器电动机转速滑臂位置功率放大器电位器1.按给定控制

下图是一个直流电动机转速控制系统。

当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，从而改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。

212.按扰动控制

图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。电压放大器M功率放大器负载++-Ri+控制过程可用方框图表示成如图示的形式。22电动机转速给定不变功率放大器电位器++负载变化电压放大器检测电阻

把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生的影响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。有时我们称按扰动控制为顺馈控制。23

（1）结构简单、调整方便、成本低。（2）给定一个输入，有相应的一个输出。（3）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形成开环。（4）输出不影响输入。（5）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差。开环控制的特点24

1.3.2闭环控制

定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控制系统。反馈控制原理：在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作用是取自被控量的反馈信息，即根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务。闭环控制系统：按反馈原理建立起来的控制系统。例：人是一个闭环控制系统；直流电动机转速闭环控制系统，见下图。25电动机转速给定位置功率放大器电位器+-负载扰动测速发电机ufureuaM功率放大器电动机负载电位器F测速发电机26①偏差控制：控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏差信号（实际输出信号与参考输入的比较值），由偏差产生对系统被控量的控制。②闭环控制：系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号，即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用，使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。③控制精度高控制器被控对象反馈元件输入输出+-偏差闭环控制系统的典型方框图

闭环控制的特点：27闭环系统：采用了反馈。使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统。

开环系统：不可能做到这一点。

闭环系统：稳定性则始终是一个重要问题。因为闭环系统可能会由于干扰作用引起过调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。

开环系统：比较容易建造，不存在稳定性的问题。

开环与闭环控制系统比较281.3.3复合控制：工程上常采用的就是把闭环控制和开环控制结合起来的控制方式。复合控制实质上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果，常见的方式有以下两种：

1、附加给定输入补偿控制器被控对象补偿装置输入输出+-

通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。292、附加扰动输入补偿

该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起到对扰动影响“防患未然”的效果。控制器被控对象补偿装置输入输出+-+扰动1.3.4按给定信号的特征划分30给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望的输出值，反映了控制系统要完成的基本任务和职能。

1.恒值控制系统：给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定值上。

液位控制系统，直流电动机调速系统等等。

2.随动控制系统：给定信号是预先不知道的且随时间任意变化的函数。控制系统能够使被控量以尽可能小的误差跟随给定值的变化。

跟踪卫星的雷达天线系统、自动导航系统、自动驾驶系统、自动炮火系统

3.程序控制系统：给定值按预先给定的规律变化的控制系统。机械加工中的程序控制机床、加热炉温度自动变化控制系统等等。311.3.5按系统的数学描述划分

1.线性系统

当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时，则称这种系统为线性系统。所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的直线，也称其为线性元件。因此，由线性元件组成的系统则必是线性系统。线性系统的一个突出特点就是满足叠加原理，可运用叠加原理的两个性质，作为鉴别系统是否为线性系统的依据。2.非线性系统系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。321.3.6按信号传递的连续性划分

r(t)

t

0c(t)

t

01.连续系统

连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的连续函数。这类系统的运动状态是用微分方程来描述。连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用r(t)和c(t)表示。332.离散系统

控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程来描述。实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要，人为地将连续信号离散化，称为采样。c(t)

t

0c(t)c*(t)c*(t)

t

0341.3.7按系统的输入与输出信号的数量划分

1.单变量系统（SISO）输入与输出之间是一对一的关系

2.多变量系统（MIMO）输入与输出之间是多对多的关系控制系统输入输出控制系统输入输出1.4控制系统分析与设计351.4.1对系统的要求各类控制系统为达到理想的控制目的，必须具备以下两个方面的性能(基本要求)：

（a）使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期望输出值变化。

（b）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指标：

（