清华大学控制工程课件

1、清华大学控制工程1 控制工程基础控制工程基础 （第一章）（第一章） 清华大学清华大学 清华大学控制工程2 控制工程基础控制工程基础 第一章第一章 概论概论 第二章第二章 控制系统的动态数学模型控制系统的动态数学模型 第三章第三章 时域瞬态响应分析时域瞬态响应分析 第四章第四章 控制系统的频率特性控制系统的频率特性 第五章第五章 控制系统的稳定性分析控制系统的稳定性分析 第六章第六章 控制系统的误差分析和计算控制系统的误差分析和计算 第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正 * * 第八章第八章 根轨迹法根轨迹法 * * 第九章第九章 控制系统的非线性问题控制系统的非线性问题 第十

2、章第十章 计算机控制系统计算机控制系统 第十一章第十一章 MATLABMATLAB软件工具在控制系统分析和软件工具在控制系统分析和 综合中的应用综合中的应用 清华大学控制工程3 第一章第一章 概述概述 1.1 1.1 控制工程的发展控制工程的发展 1.2 1.2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 1.3 1.3 控制理论在机械制造工业中的控制理论在机械制造工业中的 应用应用 1.41.4 课程主要内容及学时安排课程主要内容及学时安排 清华大学控制工程4 1.1 1.1 控制工程的发展控制工程的发展 公元前14001100年， 中国、埃及和巴比伦 相继出现自动计时漏 壶，人类产生了最

3、早 期的控制思想。 清华大学控制工程5 公元前公元前300300年秦昭王时，由李冰父年秦昭王时，由李冰父 子主持设计修筑的著名水利工程都江子主持设计修筑的著名水利工程都江 堰，是一种液面控制，是堰，是一种液面控制，是“系统系统”观观 念的杰出体现念的杰出体现。 清华大学控制工程6 公元公元100100年，亚历山大的希罗发明开年，亚历山大的希罗发明开 闭庙门和分发圣水的自动计时装置。闭庙门和分发圣水的自动计时装置。 清华大学控制工程7 公元公元132132年，中国科学家张衡（公年，中国科学家张衡（公 元元7878139139）发明水运浑象，研制出自）发明水运浑象，研制出自 动测量地震的候风地动仪

4、。动测量地震的候风地动仪。 清华大学控制工程8 公元公元235235年，年， 中国马钧研制中国马钧研制 出用齿轮传动出用齿轮传动 的自动指示方的自动指示方 向的指南车向的指南车( (司司 南车）南车） 另有发明击另有发明击 鼓记里鼓记里 清华大学控制工程9 公元公元16371637 年，中国明年，中国明 代宋应星所代宋应星所 著天工开著天工开 物记载有物记载有 程序控制思程序控制思 想的提花织想的提花织 机结构图。机结构图。 清华大学控制工程10 公元公元17881788年，英国人年，英国人J.WattJ.Watt用离心用离心 式调速器控制蒸汽机的速度，由此产式调速器控制蒸汽机的速度，由此产

5、生了第一次工业革命。生了第一次工业革命。 清华大学控制工程11 维纳，维纳，MITMIT教授，曾教授，曾 于于19361936年到清华大学任年到清华大学任 访问教授。早期进行模访问教授。早期进行模 拟计算机研究，二战期拟计算机研究，二战期 间参与火炮控制研究，间参与火炮控制研究， 提炼出负反馈概念。提炼出负反馈概念。 1948 1948年，维纳所著年，维纳所著 控制论的出版，标控制论的出版，标 志着这门学科的正式诞志着这门学科的正式诞 生。生。 控制论的奠基人控制论的奠基人 美国科学家维纳美国科学家维纳 （Wiener,N.， 18941964） 清华大学控制工程12 1954 1954年，我

6、国科学家钱学年，我国科学家钱学 森在美国运用控制论思想和森在美国运用控制论思想和 方法，用英文出版工程控方法，用英文出版工程控 制论，首先把控制论推广制论，首先把控制论推广 到工程技术领域。到工程技术领域。 “工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和 自动调节的理论。维纳博士自动调节的理论。维纳博士40年代提示了控制论的基本思年代提示了控制论的基本思 想后，不少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座理论顶想后，不少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座理论顶 峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，解决具体峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，

7、解决具体 问题，不善于上升到理论高度；数学家则擅长于理论分析问题，不善于上升到理论高度；数学家则擅长于理论分析 ，却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则集中，却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则集中 两者优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，碾两者优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，碾 出了工程控制论研究的一条新途径。出了工程控制论研究的一条新途径。” 清华大学控制工程13 接着短短的几十年里，在各国科学家接着短短的几十年里，在各国科学家 和科学技术人员的努力下，又相继出现了和科学技术人员的努力下，又相继出现了 生物控制论，经济控制论和社会控制论等，生物控制论，经济

8、控制论和社会控制论等， 控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着 其它科学技术的发展，极大地改变了整个其它科学技术的发展，极大地改变了整个 世界。控制理论自身也在创造人类文明中世界。控制理论自身也在创造人类文明中 不断向前发展。控制理论的中心思想是通不断向前发展。控制理论的中心思想是通 过信息的传递、加工处理并加以反馈来进过信息的传递、加工处理并加以反馈来进 行控制，控制理论是信息学科的重要组成行控制，控制理论是信息学科的重要组成 方面。方面。 清华大学控制工程14 根据自动控制理论的内容和发展的不根据自动控制理论的内容和发展的不 同阶段，控制理论可分为同阶段，

9、控制理论可分为“经典控制理论经典控制理论” 和和“现代控制理论现代控制理论”两大部分。两大部分。 “ “经典控制理论经典控制理论”的内容是以传递函数的内容是以传递函数 为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和 综合系统基本方法，主要研究单输入，单综合系统基本方法，主要研究单输入，单 输出这类控制系统的分析和设计问题。输出这类控制系统的分析和设计问题。 清华大学控制工程15 “ “现代控制理论现代控制理论”是在是在“经典控制理论经典控制理论” 的基础上，于的基础上，于6060年代以后发展起来的。它的年代以后发展起来的。它的 主要内容是以状态空间法为基础，研究多输主

10、要内容是以状态空间法为基础，研究多输 入，多输出、时变参数、分布参数、随机参入，多输出、时变参数、分布参数、随机参 数、非线性等控制系统的分析和设计问题。数、非线性等控制系统的分析和设计问题。 最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控 制等理论都是这一领域重要的研究课题，近制等理论都是这一领域重要的研究课题，近 年来计算机技术和现代应用数学的结合，又年来计算机技术和现代应用数学的结合，又 使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智 能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大 发展。发展。 清

11、华大学控制工程16 第一颗人造卫星（苏联，第一颗人造卫星（苏联，19571957年）年） 清华大学控制工程17 第一颗载人飞船（苏联，第一颗载人飞船（苏联，19611961年）年） 清华大学控制工程18 人类首次登上月球（美国，人类首次登上月球（美国，19691969年）年） 清华大学控制工程19 首架航天飞机（美国，首架航天飞机（美国，19811981年）年） 清华大学控制工程20 首次冲出太阳系（美国，首次冲出太阳系（美国，19891989年）年） 清华大学控制工程21 仿人机器人（日本，仿人机器人（日本，20012001年）年） 清华大学控制工程22 神州五号载人航天成功（中国，神州五号

12、载人航天成功（中国，20032003年）年） 清华大学控制工程23 勇气号、机遇号火星探测器（美国，勇气号、机遇号火星探测器（美国，20042004年）年） 清华大学控制工程24 “作为技术科学的控制论，对工程技作为技术科学的控制论，对工程技 术、生物和生命现象的研究和经济科学，术、生物和生命现象的研究和经济科学， 以及对社会研究都有深刻的意义，比起相以及对社会研究都有深刻的意义，比起相 对论和量子论对社会的作用有过之无不对论和量子论对社会的作用有过之无不 及我们可以毫不含糊地说从科学理论的及我们可以毫不含糊地说从科学理论的 角度来看，二十世纪上半叶的三大伟绩是角度来看，二十世纪上半叶的三大伟

13、绩是 相对论、量子论和控制论，也许可以称它相对论、量子论和控制论，也许可以称它 们为三项科学革命，是人类认识客观世界们为三项科学革命，是人类认识客观世界 的三大飞跃。的三大飞跃。” 钱学森钱学森 清华大学控制工程25 1.2 1.2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 见光盘课件（第一章第二节）见光盘课件（第一章第二节） 清华大学控制工程26 机电工业是我国最重要的支柱产业机电工业是我国最重要的支柱产业 之一之一 ，而传统的机电产品正在向机电一，而传统的机电产品正在向机电一 体化（体化（MechatronicsMechatronics）方向发展。机电一方向发展。机电一 体化产品或系统

14、的显著特点是控制自动化。体化产品或系统的显著特点是控制自动化。 机电控制型产品技术含量高，附加值大，机电控制型产品技术含量高，附加值大， 在国内外市场上具有很强的竞争优势，形在国内外市场上具有很强的竞争优势，形 成机电一体化产品发展的主流。当前国内成机电一体化产品发展的主流。当前国内 外机电结合型产品，诸如典型的工业机器外机电结合型产品，诸如典型的工业机器 人，数控机床，自动导引车等都广泛地应人，数控机床，自动导引车等都广泛地应 用了控制理论。用了控制理论。 1.3 1.3 控制理论在机械制造工业中的应用控制理论在机械制造工业中的应用 清华大学控制工程27 清华大学控制工程28 清华大学控制工

15、程29 清华大学控制工程30 清华大学控制工程31 清华大学控制工程32 1.41.4 课程主要内容及学时安排课程主要内容及学时安排 控制工程基础课程主要阐述的是有关控制工程基础课程主要阐述的是有关 反馈自动控制技术的基础理论。反馈自动控制技术的基础理论。 本课程是一门非常重要的技术基础本课程是一门非常重要的技术基础 课，是机械学院平台课程。它是适应机电课，是机械学院平台课程。它是适应机电 一体化的技术需要，针对机械对象的控制，一体化的技术需要，针对机械对象的控制， 结合经典控制理论形成的一门课程。本课结合经典控制理论形成的一门课程。本课 程主要涉及经典控制理论的主要内容及应程主要涉及经典控制

16、理论的主要内容及应 用用, , 更加突出了机电控制的特点。更加突出了机电控制的特点。 清华大学控制工程33 本课程在高等数学、理论力学、电工本课程在高等数学、理论力学、电工 电子学等知识的基础上，使学生掌握机电电子学等知识的基础上，使学生掌握机电 控制系统的基本原理及必要的实用知识。控制系统的基本原理及必要的实用知识。 值得指出的是，尽管经典控制理论在六十值得指出的是，尽管经典控制理论在六十 年代已完全发展成熟，但它并不过时，经年代已完全发展成熟，但它并不过时，经 典控制理论是整个自动控制理论（包括现典控制理论是整个自动控制理论（包括现 代控制理论）的基础。用一个不十分贴切代控制理论）的基础。

17、用一个不十分贴切 的比喻，尽管微积分的基本理论在几百年的比喻，尽管微积分的基本理论在几百年 前已经发展成熟，但在高等数学中至今仍前已经发展成熟，但在高等数学中至今仍 然起着重大作用。然起着重大作用。 清华大学控制工程34 本课程的基本要求包括：本课程的基本要求包括： (1) (1) 掌握机电反馈控制系统的基本概念，掌握机电反馈控制系统的基本概念， 其中包括机电反馈控制系统的基本原理、其中包括机电反馈控制系统的基本原理、 机电反馈控制系统基本组成、开环控制、机电反馈控制系统基本组成、开环控制、 闭环控制等；闭环控制等； (2) (2) 掌握建立机电系统动力学模型的方法；掌握建立机电系统动力学模型

18、的方法； (3) (3) 掌握机电系统的时域分析方法；掌握机电系统的时域分析方法； (4) (4) 掌握机电系统的频域分析方法；掌握机电系统的频域分析方法； (5) (5) 掌握模拟机电控制系统的分析及设计掌握模拟机电控制系统的分析及设计 综合方法。综合方法。 清华大学控制工程35 本课程讲授本课程讲授3939学时（包括课堂讨论），实学时（包括课堂讨论），实 验验9 9学时（另限人数开设后续实验课）学时（另限人数开设后续实验课） 本教材主要涉及经典控制理论部分，对现本教材主要涉及经典控制理论部分，对现 代控制理论只作简单涉及，现代控制理论代控制理论只作简单涉及，现代控制理论 的主要内容将在研究

19、生课程中讲授。的主要内容将在研究生课程中讲授。 作业作业 考试考试 清华大学控制工程36 主要教材主要教材 董景新、赵长德、熊沈蜀、郭美凤董景新、赵长德、熊沈蜀、郭美凤 控制工程基础控制工程基础( (第二版第二版) ) 清华大学出版社，清华大学出版社，20032003年年 清华大学控制工程37 主要参考文献主要参考文献 1 1 张伯鹏，控制工程基础，北京：机械工张伯鹏，控制工程基础，北京：机械工 业出版社，业出版社，19821982 2 2高钟毓，机电控制工程（第高钟毓，机电控制工程（第2 2版），北版），北 京：清华大学出版社，京：清华大学出版社，20022002 3 3 王显正，范崇托，控

20、制理论基础，北京王显正，范崇托，控制理论基础，北京 ：国防工业出版社，：国防工业出版社，19801980 4 4Katsuhiko OgataKatsuhiko Ogata（美），现代控制工美），现代控制工 程（第四版中译本），电子工业出版社，程（第四版中译本），电子工业出版社， 2002002 2 5 5 吴麒，自动控制原理，北京：清华大学吴麒，自动控制原理，北京：清华大学 出版社，出版社，19901990 清华大学控制工程38 6 6李友善，自动控制原理，北京：国防工李友善，自动控制原理，北京：国防工 业出版社，业出版社，19801980 7 7 杨叔子，杨克冲，机械工程控制基础，杨叔子，

21、杨克冲，机械工程控制基础， 武汉：华中工学院出版社，武汉：华中工学院出版社，19841984 8 8阳含和，机械控制工程（上册），北京阳含和，机械控制工程（上册），北京 ：机械工业出版社，：机械工业出版社，19861986 9 9 Morris Driels, Linear Control Morris Driels, Linear Control Systems Engineering,(Systems Engineering,(国际国际知名大学原版知名大学原版 教材），清华大学出版社，教材），清华大学出版社，2000.122000.12 清华大学控制工程39 10 10 Gene F.Franklin,J.David Powell,Emami Gene F.Franklin,J.David Powell,Emami NaeiniNaeini， Feedback Control of Dynamic Feedback Control of Dynamic Systems (4Systems (4rd rd ed) ed)， Addison-Wesley Publishing Addison-Wesley Publ