控制工程基础ch1

1主讲张庆新沈阳航空航天大学自动化学院控制工程基础绪论控制工程基础3学习要点自动控制理论的产生和基本概念控制理论的发展及其在工程中的应用自动控制系统的基本类型本书的主要内容41868年麦克斯韦研究反馈系统的稳定性问题发表论文《论调速器》，是控制理论最早的成果论文。1.1自动控制理论的产生和基本概念

控制理论产生于军事上需求,后发展到民事领域（如冶金、数控、电力等）。同时也渗透到其他领域—生物控制论、经济控制论和社会控制论等。奠基人是美国科学家维纳5控制理论的形成过程1884年：E.J.Routh提出劳斯稳定性判据1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性理论1895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据61945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法1948年：N.Wiener发表《控制论》，标志这门学科的正式诞生。

按照书中描述，一切物质存在，不管是天体、生物、机器直到人类社会以至于人的思维过程，都构成一定的“系统"，具有不同形式的控制、反馈功能。1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，并应用于反馈控制系统的设计

1954年：钱学森发表《工程控制论》控制理论的形成过程71956年：蓬特里亚金提出极大值原理1957年：R.I.Bellman提出动态规划理论1960年：R.E.Kalman提出卡尔曼滤波理论1960～1980年：确定性系统的最优控制、随机系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制1980迄今：鲁棒控制、H∞控制、非线性控制、智能控制等控制理论的形成过程8控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。40~50年代形成适用于SISO（单输入－单输出）系统基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的稳定基础：传递函数基本方法：频率法，根轨迹法1.经典控制理论960~70年代形成适用于MIMO（多输入－多输出）系统基于：冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制，最优滤波，系统辨识基础：状态空间表达式进一步发展:自适应控制、智能控制等2.现代控制理论10研究对象数学工具常用分析方法局限性经典控制理论单输入-单输出线性定常系统微分方程，传递函数时域分析法，频域分析法,根轨迹分析法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数，非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的的迅速发展，这一局限性已克服)111.1.1开环控制与闭环控制几个概念1.被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过程2.被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量3.给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数值4.扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，称为系统的扰动。

给定值和扰动通称为输入量。5.控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称121、开环控制输入、输出之间无反馈回路输出对系统的控制作用无影响优点：结构简单、价格便宜、容易维修缺点：精度低，易受环境变化的干扰132、闭环控制输入、输出之间有反馈回路输出对系统的控制作用有影响14

人工控制过程：

1、观测温度（被控量）

2、与要求温度（给定量）比较，得出偏差的大小和方向

3、根据偏差进行控制控制过程：

测量，求偏差，控制以纠正偏差15自动控制恒温箱人工控制自动控制人眼测量装置人脑控制器人手执行机构闭环控制（反馈控制）：检测偏差并纠正偏差16优点：精度高、动态性能好、抗干扰能力强等缺点：由于元件或负载的惯性，易引起振荡，使系统不稳定；结构复杂、价格贵、维修人员要求文化素质高。自动控制恒温箱自动控制恒温箱职能框图181.1.2闭环控制系统的典型组成1.测量元件：检测被控量并将其转换成需要的物理量形式2.比较元件：将检测环节反馈回来的信号与给定量进行比较，得出二者的偏差3.放大元件：放大微弱信号4.执行元件：作用于被控对象，使被控量按照期望发生变化5.校正元件：是人为加入系统可直接调整结构或参数的元件自动控制恒温箱20抽水马桶示意图211.2控制理论的发展及其在工程中的应用一阶段----经典控制论的成熟和发展期

从1868年到20世纪50年代末二阶段----局部自动化时期20世纪60年，航空航天领域对运载火箭、人造卫星、导弹、飞机等各类飞行器进行精确控制的需求导致了现代控制论的形成和发展。三阶段----综合自动化时期20世纪70年代末至今，控制系统越来越复杂，控制要求也越来越高，促进了智能控制、复杂控制、大系统控制等先进控制理论的发展。22

1788年瓦特发明的蒸汽机离心调速器就是一个自动调节系统，是控制理论应用的典型代表。液位控制系统23职能框图24自动驾驶仪飞机俯仰角控制系统职能框图25261.3自动控制系统的基本类型1、按给定量的变化规律分：恒值调节系统如：稳压电源程序控制系统如：数控机床随动系统如：火炮自动系统机床随动系统2、系统参数是否随时间变化定常系统：所有参数恒定不变时变系统：参数有随时间变化271.3自动控制系统的基本类型3、按描述系统微分方程的形式分：线性控制系统：用线性微分方程描述非线性控制系统：用非线性微分方程描述4、按系统中传递的信号的连续性分：模拟控制系统：系统中传递的信号均为模拟信号，系统组成的各个环节均为模拟设备离散控制系统：系统中传递的信号有离散信号，系统组成环节中有计算机或数字电路等数字化设备28控制系统的基本要求稳定准确快速1、稳定性

是指系统动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应随着时间收敛并且回到初始的平衡状态。是系统工作的首要条件。29控制系统的基本要求2、快速性

这是在系统稳定的前提下提出的。指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。3、准确性指调整过程结束后，输出量与给定的输入量之间的偏差，即静态精度，这也是衡量系统工作性能的重要指标。30控制系统的基本要求

系统对稳、准、快的要求各有侧重，如:

随动系统--快速性调速系统--稳定性同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程又可能过于迟缓，精度也可能变坏。分析和解决这些矛盾，是本学科讨论的重要内容。311.4课程主要内容及课程的情况

控制工程基础课主要阐述的是有关反馈自动控制技术的基础理论。本课程是机械、航宇等专业本科必修的一门非常重要的专业基础课。

所需基础知识高等数学复变函数、积分变换理论力学、电工学32本书主要内容33教材及参考书：1席剑辉等《控制工程基础》国防工业出版社2012.52王划一《自动控制原理》国防工业