第1讲控制系统导论1

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695824279三江学院机械工程学院0.2课程性质、地位和任务

《控制工程基础》是与所有工程技术相关的技术基础课—工程中的数学。基础课技术基础课未来工作知识学习能力培养工作能力三江学院机械工程学院课程性质、地位和任务

任务：掌握控制系统的

基本理论2.掌握控制系统的

分析和设计方法三江学院机械工程学院0.3课程主要内容第一章控制系统导论第二章控制系统数学模型第五章反馈控制系统的性能第六章反馈控制系统的稳定性第七章根轨迹法介绍第八章频率响应法第九章频域稳定性第十章反馈控制系统设计第十三章数字控制系统简介三江学院机械工程学院教学内容随着科技的发展，无论工业领域，还是农业、军事国防等领域的自动化的程度不断提高，作为自动控制的入门课程，《控制工程基础》已成为机械设计制造及其自动化专业、车辆工程专业、材料成型及控制工程专业、热能与动力工程专业等机械类，甚至几乎是所有的工科和政治、经济、管理学科类的一门很重要的专业基础课。三江学院机械工程学院教学内容本课程主要讲授有关经典控制理论的一些基本概念、基本理论、基本分析和设计知识，包括时域分析、频域分析和根轨迹分析方法，了解离散系统的分析方法，使学生掌握控制理论的工程应用，提高分析问题和解决问题的能力。三江学院机械工程学院知识模块顺序及对应的学时

一、理论教学内容（42学时）（经典控制理论）1.基本知识（3学时）：控制理论在工程中的应用发展；控制系统基本概念；本课程主要内容。2.系统动态数学模型（6学时）：控制系统时域数学模型—微分方程及非线性微分方程的线性化；控制理论中的一种很重要的数学变换—拉氏变换及反变换；传递函数的定义、物理意义及求取方法；输入输出信号与传递函数的关系；系统函数方块图及其简化；绘制实际物理系统的函数方块图。三江学院机械工程学院3.系统的时间响应分析（9学时）：典型输入信号，一阶、二阶系统的瞬态响应及其性能指标，高阶系统的瞬态响应分析。4.系统的频率特性分析（6学时）：频率特性与系统传递函数间的关系，频率特性的表示方法，频率特性的图示（Nyquist图和Bode图）方法，对最小相位系统由频率特性曲线求系统的传递函数。三江学院机械工程学院5.系统的稳定性（6学时）：系统稳定性的基本概念，判别线性定常系统稳定性的充要条件，Routh稳定性判据、Nyquist稳定性判据和Bode稳定性判据的基本原理和使用方法，系统的相对稳定性,相位储备和幅值储备。6.系统的误差分析和计算（3学时）:稳态误差的基本概念；输入引起的稳态误差和静态误差系数；干扰引起的稳态误差和减小系统误差的途径。三江学院机械工程学院7.控制系统的综合与校正（3学时）：系统校正的基本概念、目的与实质，控制系统的串联校正（包括超前校正，滞后校正，滞后-超前校正），PID校正，反馈校正，顺馈校正等的基本特性。8.根轨迹分析（3学时）：根轨迹与根轨迹方程；绘制根轨迹的基本法则；利用根轨迹法对控制系统进行分析；系统闭环零点、极点的分布与性能指标的关系。三江学院机械工程学院计算机控制系统简介及复习串讲（3学时）三江学院机械工程学院二、实验教学内容（6学时）

1、实验一控制系统的时间响应分析

2、实验二控制系统的频域响应分析三江学院机械工程学院课程的重点、难点及解决办法课程的重点：1.系统的数学模型：主要介绍数学模型的建立方法、拉氏变换、传递函数的定义、简单系统传递函数的求法、系统方块图及其简化；2.系统的时间响应：主要研究一阶、二阶系统的时域特性及稳态误差；3.系统的频率特性：主要包括系统频率特性的概念及求法、系统的Bode图,Nyquist图；三江学院机械工程学院4.系统的稳定性：主要研究线性定常系统的稳定性条件、劳斯判据和乃奎斯特判据在系统稳定性判断方面的应用。5.系统的校正：主要讨论相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后-超前校正和并联校正的原因和使用场合。6.根轨迹分析法：根轨迹绘制法则及应用、采用根轨迹进行控制系统的稳定性分析和快速性分析。三江学院机械工程学院课程的难点：1.系统的数学模型方面的难点：拉氏变换和反拉氏变换、系统方块图的简化2.系统频率特性方面的难点：Bode图和Nyquist图的基本作法。3.系统的时域性能方面的难点：时域性能指标和稳态误差系数的理解及求取.三江学院机械工程学院4.系统稳定性方面的难点：乃奎斯特稳定性判据的综合应用。5.根轨迹分析方面的难点：根轨迹的绘制方法及根据根轨迹判断系统的稳定性和响应的快速性问题。由于本课程需要掌握的公式、结论比较多，涉及的数学知识比较多，因此在教学过程中注意与数学物理概念的紧密结合，使学生真正掌握分析问题和解决问题的方法。三江学院机械工程学院解决课程的重点和难点的方法：1.合理规划课程内容，注重知识的前后衔接和连贯性，介绍新的分析方法时注重讲解原因及此方法与其他方法的区别，注意回顾、复习。对重点难点内容采用讲一遍、归纳一遍、复习一遍的反复讲授形式以加深学生印象。2.启发式教学，采用提出问题、分析问题、解决方法的连续过程引导学生思考和总结。三江学院机械工程学院3.突出重点、强调难点，引起学生的注意，提醒紧跟讲授思路，增强学习效果。4.开设习题课和辅导答疑，习题课的重点是针对普遍掌握不好的问题，辅导答疑可以选择课间休息或单独设立的答疑时间。5.利用现代化的教学手段，采用多媒体教学，可以提高教学质量。三江学院机械工程学院参考书目1.《现代控制工程》第四版。美KatsuhikoOgata著，卢伯英、于海勋等译，电子工业出版社，2003.72.《自动控制原理》，吴麒主编，清华大学出版社，2004.6。3.《自动控制原理》刘明俊于明祁杨泉林编著，国防科技大学出版社，2000.2三江学院机械工程学院4、董景新，赵长德等，控制工程基础（第3版），北京：清华大学出版社，2009.5、

王显正，陈正航,王旭永，控制理论基础，北京：科学出版社,2000．6、杨叔子，杨克冲，机械工程控制基础（第4版）武汉：华中科技大学出版社，2002．

三江学院机械工程学院参考书目(1)(2)(3)三江学院机械工程学院第一章控制系统导论教学要求：（教材第一章）主要内容：什么是控制？控制系统基本结构，控制理论发展历史基本要求：掌握控制系统基本结构。预期收获：（见教材第1页）三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义一、控制通俗地说，控制就是使被控对象按照我们预定的方式工作三江学院机械工程学院三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义被控对象亦称为控制对象或受控对象

被控对象控制量u(t)输出y(t)1）被控对象三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义2）被控对象举例：三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义3）被控对象的区别：自行高炮： 速度 方向火控： 火炮方位角 火炮高低角三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义被控对象控制量u(t)输出y(t)被控变量4）被控对象的描述——被控变量三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义

二、自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量（被控量）自动地按照预定的规律运行。三江学院机械工程学院例如：火炮根据雷达指挥仪传来的信息，能够自动地改变方位角和俯仰角，随时跟踪目标，瞄准弹着点；程序控制机床能够按预先排定的工艺程序自动地进刀切削，加工出预期的几何形状；电弧炼钢炉的电极能自动地跟随钢水的液面作上下移动，以便与液面保持一定距离；导弹、飞机的自动驾驶仪等。1.0控制系统相关概念定义三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义自动控制对于工农业生产和科学技术的发展具有越来越重要的作用。不仅在宇宙航行、导弹制导、核技术以及兵器控制等新兴学科领域中是必不可少的，而且在国民经济建设的各个领域中都得到了广泛应用。比如，发电站电压、频率的自动控制，机床的自动控制，锅炉设备中蒸汽压力的自动调节，炼钢炉温度的自动控制等等都是自动控制技术的应用。三江学院机械工程学院

所有这些自动控制系统的例子，尽管它们的结构和功能各不同，但我们可以发现它们有共同的规律，即它们都是一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量，即控制量的变化而变化，或保持恒定。

1.0控制系统相关概念定义三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义一般地说如何使被控制量按照给定量的变化规律变化，这就是一个自动控制系统所要解决的最基本的问题。三江学院机械工程学院三、根据对被控对象控制方式（结构）的不同，自动控制系统的基本控制方式可以分为三种：开环控制方式闭环（反馈）控制方式复合控制方式1.0控制系统相关概念定义三江学院机械工程学院1）开环控制在没有反馈的情况下，利用控制装置直接控制被控对象。2）闭环控制根据预期输出的指令（即输入指令），由控制器控制被控对象，同时对被控量进行测量，并将此测量值反馈到输入端与预期输出值（即输入值）进行比较，由此所得偏差，通过控制器来控制被控对象。

1.0控制系统相关概念定义三江学院机械工程学院3）复合控制方式由于反馈控制只有在偏差出现后才产生控制作用，因此系统在强干扰作用下，控制过程中被控量可能有较大的波动。同时，为了提高系统的快速性及稳态精度，除了在主反馈回路内部进行串联或局部反馈补偿之外，宜采用设置在回路以外的前置滤波或干扰补偿装置，这种开环和闭环的组合称为复合控制。1.0控制系统相关概念定义三江学院机械工程学院开环控制系统(无反馈)1.0控制系统相关概念定义执行机构控制对象预期输出实际输出4）开环控制系统控制器三江学院机械工程学院电风扇的控制系统1.0控制系统相关概念定义电机（执行机构）风扇叶片

（控制对象）开关或程序控制器开环例1：控制电压三江学院机械工程学院控制对象开环控制特点：信息的单向流动1.0控制系统相关概念定义执行机构控制对象预期输出实际输出控制器三江学院机械工程学院开环控制特点：信息的单向流动1.0控制系统相关概念定义控制对象预期输出实际输出控制器控制量三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义5）闭环控制系统闭环反馈控制系统(有反馈)控制器被控

对象预期输出r(t)实际输出y(t)比较器测量

装置误差

e(t)控制量

u(t)被测变量测量值三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义反馈：是控制的核心思想闭环控制特点：信息的双向流动控制器被控

对象预期输出r(t)实际输出y(t)比较器测量

装置误差

e(t)控制量

u(t)被测变量测量值三江学院机械工程学院反馈控制是自动控制系统中最基本的控制方式，在工程中获得了广泛的应用。1.0控制系统相关概念定义反馈是控制的精髓三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义控制器设定温度Td(t)室内温度T(t)比较器室内温度

测量空调压缩机闭环例1：空调控制系统三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义闭环例1：制冷原理三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义闭环例2：汽车方向控制系统三江学院机械工程学院控制器1.0控制系统相关概念定义驾车人汽车预期方向实际方向比较器视觉测量偏差方向盘闭环例2：汽车方向控制系统三江学院机械工程学院控制器1.0控制系统相关概念定义驾车人汽车预期速度实际速度比较器速度仪测量偏差油门刹车闭环例3：汽车速度控制系统三江学院机械工程学院1.0控制系统相关概念定义按控制方式可分为：开环控制、闭环控制、复合控制；

按执行器类型可分为：电气控制系统、液压控制系统、气动控制系统；按系统功用可分为：速度控制系统、温度控制系统、位置控制系统；四、自动控制系统的分类三江学院机械工程学院按参变量变化规律可分为恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统等；按信号的属性可分为模拟控制系统、数字控制系统或计算机控制系统等，1.0控制系统相关概念定义三江学院机械工程学院根据不同的控制理论又可分为经典控制系统、现代控制系统（如最优控制系统、自适应控制系统、随机控制系统等）和智能控制系统（如专家系统、模糊控制系统、神经元网络控制系统等）。1.0控制系统相关概念定义三江学院机械工程学院1.1控制系统的定性研究一、控制的目的：使被控对象按照我们预定的方式工作。预期输出r(t)误差e(t)控制器被控对象实际输出y(t)比较器测量实际输出y(t)预期输出r(t)三江学院机械工程学院1.1控制系统的定性研究二、控制的要求：快、准、稳稳：指稳定性，是系统完成任务的必要条件三江学院机械工程学院1.1控制系统的定性研究快、准：指快速性、准确性，完成任务的性能三江学院机械工程学院1.1控制系统的定性研究三、反馈的多样性：

负反馈、正反馈例：已知铀235原子核在一个中子的撞击下，可发生核裂变反应，放出大量的能量，同时释放大约2.5个中子，放出的中子有可能再与铀235原子核发生核反应，这就是所谓核裂变的链式反应。三江学院机械工程学院1.1控制系统的定性研究核裂变反应式初始中子实际中子数有效中子率++有效中子数正反馈例1：核爆能量三江学院机械工程学院1.1控制系统的定性研究负反馈例子1：P1.4核电站控制电流i石墨棒电离室反应堆石墨反应堆示意图三江学院机械工程学院1.1控制系统的定性研究功率测量值功率控制器反应堆设定功率输出功率传感器+-偏差E(t)输入变量r(t)输出变量y(t)被测变量=反应堆中子数负反馈例子1：P1.4核电站控制三江学院机械工程学院1.2自动控制发展简史

一、自动控制溯源古希腊水钟原理图（公元前300年-公元前1年）

浮塞V1V2V3三江学院机械工程学院V1V2进水量V2设定液面V2实际液面比较器V2液面测量+-水钟希腊水钟的液面控制浮塞液面控制三江学院机械工程学院1.2自动控制发展简史

瓦特蒸汽机转速调节器（1769年）V1V2三江学院机械工程学院

V1V2进汽量设定转速Vd实际转速比较器转速测量蒸汽机+-飞球调节阀蒸汽机转速控制三江学院机械工程学院1.2自动控制发展简史高炮的控制系统（1945年）三江学院机械工程学院1.2自动控制发展简史Parkinson高炮自动射击系统原理图飞机位置控制器比较器电机方位角

测量值雷达电位计数学解算控制器比较器电机高低角测量值电位计预期方位角预期高低角高炮实际方位角高炮实际高低角三江学院机械工程学院1.2自动控制发展简史

二、自动控制理论的发展JamesWatt1766年蒸汽机飞球控制器J.CMaxwell1868年控制理论的数学基础： 微分方程模型Laplace（1749-1827年）Laplace变换：

线性微分方程的解Routh（1892）、Hurwitz（1895年）

微分方程的稳定性判据三江学院机械工程学院1.2自动控制发展简史

Wiener(1948年) 《控制论》：反馈Nyquist（1932年）频率法稳定性判据Bode（1927年Bode图控制器设计法）Evans（1948年根轨迹控制器设计法）20世纪60-70年代现代控制理论三江学院机械工程学院

1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制论；

1954年：钱学森用英文出版《工程控制论》，首先把控制论推广到工程技术领域三江学院机械工程学院根轨迹设计1.2自动控制发展简史

微分方程传递函数状态方程时域设计方法拉普拉斯变换Bode图设计非线性、MIMO三、控制理论基本框架控制系统三江学院机械工程学院1.3本课程教学安排课本结构第1章状态反馈时域设计方法第2章第11章第4章第5章第8章第9章第6章第7章第10章频域设计方法第3章Bode图法根轨迹法三江学院机械工程学院第一章小结1、控制和控制对象2、控制的两种基本方式： (1)开环控制 (2)闭环控制（负反馈控制）3、控制的基本要求：快、准、稳控制器被控

对象预期输出r(t)实际输出y(t)比较器测量

装置误差

e(t)控制量

u(t)被测变量测量值三江学院机械工程学院第一次课作业E1.1、E1.2、E1.4、E1.6、P1.1、P1.5、P1.15、P1.19、P1.20、AP1.3

思考讨论题：CDP1.1,DP1.2,DP1.4阅读教材：29作业要求：(1)独立完成(2)完成控制系统框图的绘制(3)明晰控制系统各部分工作原理三江学院机械工程学院1.6控制系统举例1）转盘速度的开环控制

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