控制工程基础(第一章)[2]

第一篇控制工程基础第一章机械系统控制工程的一般概念1948年，维纳的《控制论》的出版，标志着控制理论作为一门学科正式诞生。

二战后，控制理论在化工、电力、冶金等部门得到了广泛的应用，解决了压力、温度、流量、化学成分的各种控制问题、形成了以反馈为中心的经典控制理论体系，其主要研究基于单输入－单输出的定常系统。

上个世纪50年代末，随着计算机技术的发展，控制理论发展到了一个新的阶段、即出现了现代控制理论。

控制对象发展为导弹制导、航天、航海、航空等领域中的多输入-多输出系统。

这些系统可以是定常的或时变的、离散的或连续的、确定的或随机的。

八十年代佾以来，控制理论正向大系统理论和智能控制理论等方面深入发展。

本课程主要讲述经典控制理论的基本概念、基本理论和方法。

研究对象限于线性定常系统。

§1-1自动控制理论及系统的基本概念一、实例首先，根据实例向同学们介绍自动控制理论及系统的基本概念。

实例1.（图1-1）上例的控制过程为：（1）根据图纸设定x方向加工尺寸；（2）把此数据输入机床控制器中；在控制器中把工作台行程换算成当量脉冲，即总脉冲数/脉冲当量；（3）按计算所得脉冲数（电压信号）输给步进电机；（4）步进电机输出转角通过减速齿轮传给丝杠；（5）丝杠输出，通过螺母传给工作台，工作台输出直线运动；上述过程可以用框图表示如下:实例2（图1-3）（图见教材）控制过程：（1）指令电位器W1的滑动触点确定给工作台的位置指令，即输入指令，输出电压；（2）当最初给出位置指令时；在工作台改变位置之前的瞬间，则电桥输出为偏差电压；（3）经放大器放大后，放大器输出电压；（4）输入到直流伺服电机，输出；（5）经齿轮减速器，传给丝杠，丝杠输出转角；（6）丝杠通过螺母收运动传给工作台，工作台输出直线运动；（7）工作台运动量为，使（反馈）电位器的滑动触点移动，而使于触点端输出（反馈）电压；（8）当时，，工作台停止运动，整个机械系统控制过程完毕；如果，即可知，工作台继续向前运动；反之，工作台向后运动，直到，运动停止；用框图表示：通过以上二例介绍一下控制系统的基本概念二、基本概念（1）被控对象：指人们要求实现某种确定的运动、生产过程、状态以及特定要求的机器设备；如机器人；称为对系统的输入量，也是系统输出量的希望值；如例1、2中工作台即被控对象，要求的运动是（或可把伺服电机也放在被控对象中）；（2）控制装置：指对被控对象起控制作用，使之实现所要求动作的机械-电子系统总体；例子中除被控对象以外的装置。

《控制工程基础》电子教案第一章：绪论1.1 课程介绍了解《控制工程基础》的课程目标和重要性掌握课程的主要内容和预期学习成果1.2 控制系统的基本概念解释控制系统的定义和作用了解控制系统的分类和基本组成第二章：数学基础2.1 线性代数基础复习向量、矩阵和行列式的基本运算掌握线性方程组的求解方法2.2 微积分基础复习函数、极限和导数的基本概念学习微分和积分在控制系统中的应用第三章：线性时不变系统3.1 系统的描述学习系统的状态空间表示和传递函数理解系统输入、输出和状态之间的关系3.2 系统的性质掌握系统的稳定性、可观性和可控性学习系统矩阵的特征值和特征向量第四章：反馈控制系统4.1 反馈控制原理理解反馈控制系统的结构和原理学习闭环系统的传递函数和稳定性分析4.2 控制器设计掌握PID控制器和比例积分微分控制器的设计方法学习控制器参数调整和优化第五章：非线性控制系统5.1 非线性系统的描述学习非线性系统的状态空间表示和传递函数理解非线性系统输入、输出和状态之间的关系5.2 非线性控制方法掌握非线性控制系统的分析和设计方法学习非线性控制器的设计和实现第六章：根轨迹法6.1 根轨迹的基本概念理解根轨迹的定义和作用学习根轨迹的绘制方法和规则6.2 根轨迹的设计与应用掌握根轨迹的设计原则和技巧学习根轨迹在控制系统分析和设计中的应用第七章：频率响应法7.1 频率响应的基本概念理解频率响应的定义和作用学习频率响应的测量和分析方法7.2 频率响应的设计与应用掌握频率响应的设计原则和技巧学习频率响应在控制系统分析和设计中的应用第八章：数字控制系统8.1 数字控制系统的概述理解数字控制系统的定义和特点学习数字控制系统的结构和原理8.2 数字控制器的设计掌握数字控制器的设计方法和算法学习数字控制器参数调整和优化第九章：状态空间法的应用9.1 线性时不变系统的状态观测器设计学习状态观测器的定义和作用掌握状态观测器的设计方法和算法9.2 线性时不变系统的状态反馈控制器设计理解状态反馈控制器的定义和作用学习状态反馈控制器的设计方法和算法第十章：控制系统的设计实践10.1 控制系统设计的一般流程掌握控制系统设计的基本步骤和方法学习控制系统设计的注意事项和经验10.2 控制系统设计案例分析分析典型控制系统的应用案例学习控制系统设计中的问题和解决方案重点解析一、绪论：理解控制系统的基本概念和重要性，掌握课程的主要内容。

《控制工程基础》电子教案第一章：绪论1.1 课程介绍了解控制工程的概念、内容和研究方法理解控制工程在工程实践中的应用和重要性1.2 控制系统的基本概念定义系统、输入、输出和反馈区分开环系统和闭环系统1.3 控制工程的目标掌握稳定性、线性、非线性和时变性等控制系统的特性学习控制系统的设计方法和步骤第二章：数学基础2.1 线性代数基础掌握向量、矩阵和行列式的基本运算学习线性方程组和特征值、特征向量的求解方法2.2 微积分基础复习极限、连续性和微分、积分的基本概念和方法应用微积分解决实际问题2.3 复数基础了解复数的概念、代数表示法和几何表示法学习复数的运算规则和复数函数的性质第三章：控制系统分析3.1 传递函数定义传递函数的概念和性质学习传递函数的绘制和解析方法3.2 频率响应分析理解频率响应的概念和特点应用频率响应分析方法评估系统的性能3.3 根轨迹分析掌握根轨迹的概念和绘制方法分析根轨迹对系统稳定性的影响第四章：控制系统设计4.1 控制器设计方法学习PID控制器的设计原理和方法了解模糊控制器和神经网络控制器的设计方法4.2 控制器参数调整掌握控制器参数调整的目标和方法应用Ziegler-Nichols方法和频域方法进行参数调整4.3 系统校正和优化理解系统校正的概念和目的学习常用校正方法和优化技术第五章：现代控制理论5.1 状态空间描述了解状态空间的概念和表示方法学习状态空间方程的求解和状态反馈控制5.2 状态估计和最优控制掌握状态估计的概念和方法学习最优控制的目标和求解方法5.3 鲁棒控制和自适应控制理解鲁棒控制的概念和特点了解自适应控制的设计方法和应用场景第六章：线性系统的稳定性分析6.1 稳定性的定义和性质理解系统稳定性的概念和重要性学习稳定性分析的基本方法6.2 劳斯-赫尔维茨准则掌握劳斯-赫尔维茨准则的原理和应用应用劳斯-赫尔维茨准则判断系统的稳定性6.3 李雅普诺夫方法了解李雅普诺夫方法的原理和分类学习李雅普诺夫第一和第二方法判断系统的稳定性第七章：线性系统的控制器设计7.1 控制器设计概述理解控制器设计的目标和重要性学习控制器设计的基本方法7.2 PID控制器设计掌握PID控制器的设计原理和方法应用PID控制器进行系统控制7.3 状态反馈控制器设计了解状态反馈控制器的设计原理和方法学习状态反馈控制器的设计和应用第八章：非线性控制系统分析8.1 非线性系统概述理解非线性系统的概念和特点学习非线性系统分析的基本方法8.2 非线性系统的描述方法学习非线性系统的数学模型和描述方法应用非线性系统分析方法研究系统的性质8.3 非线性控制系统的应用了解非线性控制系统在工程实践中的应用学习非线性控制系统的设计和优化方法第九章：鲁棒控制理论9.1 鲁棒控制概述理解鲁棒控制的概念和重要性学习鲁棒控制的基本方法9.2 鲁棒控制设计方法掌握鲁棒控制设计的原则和方法应用鲁棒控制设计方法设计控制器9.3 鲁棒控制在控制系统中的应用了解鲁棒控制在实际控制系统中的应用学习鲁棒控制在控制系统中的设计和优化方法第十章：控制系统仿真与实验10.1 控制系统仿真概述理解控制系统仿真的概念和重要性学习控制系统仿真的基本方法10.2 MATLAB控制系统仿真掌握MATLAB控制系统仿真工具的使用应用MATLAB进行控制系统仿真和分析10.3 控制系统实验了解控制系统实验的目的和重要性学习控制系统实验的方法和技巧重点和难点解析重点环节1：控制系统的基本概念和特性控制系统的基本概念，包括系统、输入、输出和反馈区分开环系统和闭环系统掌握稳定性、线性、非线性和时变性等控制系统的特性重点环节2：传递函数和频率响应分析传递函数的概念和性质，传递函数的绘制和解析方法频率响应的概念和特点，频率响应分析方法分析根轨迹对系统稳定性的影响重点环节3：控制器设计方法和参数调整控制器设计方法，包括PID控制器、模糊控制器和神经网络控制器的设计原理和方法控制器参数调整的目标和方法，应用Ziegler-Nichols方法和频域方法进行参数调整重点环节4：状态空间描述和最优控制状态空间的概念和表示方法，状态空间方程的求解和状态反馈控制状态估计和最优控制的目标和求解方法重点环节5：非线性控制系统分析和鲁棒控制理论非线性系统的概念和特点，非线性系统分析的基本方法鲁棒控制的概念和重要性，鲁棒控制的基本方法重点环节6：控制系统仿真与实验控制系统仿真的概念和重要性，控制系统仿真的基本方法MATLAB控制系统仿真工具的使用，应用MATLAB进行控制系统仿真和分析控制系统实验的目的和重要性，控制系统实验的方法和技巧全文总结和概括：本教案涵盖了控制工程基础的十个章节，主要包括控制系统的基本概念和特性、传递函数和频率响应分析、控制器设计方法和参数调整、状态空间描述和最优控制、非线性控制系统分析和鲁棒控制理论以及控制系统仿真与实验。

第一章 绪论内容提要一、基本概念1.控制：由人或用控制装置使受控对象按照一定目的来动作所进行的操作。

2.输入信号：人为给定的，又称给定量。

3.输出信号：就是被控制量。

它表征对象或过程的状态和性能。

4.反馈信号：从输出端或中间环节引出来并直接或经过变换以后传输到输入端比较元件中去的信号，或者是从输出端引出来并直接或经过变换以后传输到中间环节比较元件中去的信号。

5.偏差信号：比较元件的输出，等于输入信号与主反馈信号之差。

6.误差信号：输出信号的期望值与实际值之差。

7.扰动信号：来自系统内部或外部的、干扰和破坏系统具有预定性能和预定输出的信号。

二、控制的基本方式1.开环控制：系统的输出量对系统无控制作用，或者说系统中无反馈回路的系统，称为开环控制系统。

2.闭环控制：系统的输出量对系统有控制作用，或者说系统中存在反馈回路的系统，称为闭环控制系统。

三、反馈控制系统的基本组成1.给定元件：用于给出输入信号的环节，以确定被控对象的目标值（或称给定值）。

2.测量元件：用于检测被控量，通常出现在反馈回路中。

3.比较元件：用于把测量元件检测到的实际输出值经过变换与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。

4.放大元件：用于将比较元件给出的偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控对象。

5.执行元件：用于直接驱动被控对象，使被控量发生变化。

6.校正元件：亦称补偿元件，它是在系统基本结构基础上附加的元部件，其参数可灵活调整，以改善系统的性能。

四、控制系统的分类（一）按给定信号的特征分类1. 恒值控制系统2. 随动控制系统3. 程序控制系统（二）按系统的数学描述分类1. 线性系统2. 非线性系统（三）按系统传递信号的性质分类1. 连续系统2. 离散系统（四）按系统的输入与输出信号的数量分类1. 单输入单输出系统2. 多输入多输出系统（五）按微分方程的性质分类1. 集中参数系统2. 分布参数系统五、对控制系统的性能要求1. 稳定性：指系统重新恢复稳态的能力。

第一章习题解笞U]>U2 U\ U2第二章习题解答2-1a) b)d)f)L^f| 忙d)f\ — fl =^2X O严(f)=$(M+E ⑴虑 如(f) =iQ)RRC^-u o (t)^u o (t) = RC^-u^t) at at fs (r)=B 低[xi (f) -曲(幼 j/B (t)=fK (t) = KXo(t) B dB d 『八10602斤不％()+%©二斤击可()占dR^c —% (0+ (*i + 心)％ ⑴=邛应 ~u i (0+ R 2u t (0 atati =i R +，C u o =IR?：R R 严冃3宙 % =gR\ +u oa)=K ］（旳一兀）+」:dx o ](J?l + J?2)C —«c (!)+ %("■ R Q C — Wj(O + tti (Oat at(K[ + K2)B — x o (t)+ K\K2X o (t)= K\R 〒曲(f)+ 琦心再(f)dt at10602a) b) c) Q © f)U Q —1/?2 + — j icit— Z/?| + iR-f H —J idte)dxK\% K i (兀 _ %) = K 》(兀)—x)=号二dtoB 2+ （®K° ++ B'B? + 场*3 + 水2〃?）& 2+ （K }B 2+K }B 3 + 心汝 + KM 巴2 + K }K 2X 2 dt3J S + 2用 + 8S-丘（$ + 2）（$戈+2$十4）广、■炉+ 5,2+9用+7E （$+恥 + 2）乡一rn\fU2K 2rdx { dx 2< dt dt ；/（O™-坷罕~_叭 dtdxj … 一 —- - K?x^ = m dtdx l dx 2dt dt护d 2x 2 2~d^ k,用典2+ （的+创坷+用2创+加2*3）；?7皿乔对）13173 G($)= --------------- —(£+。

第一章概论本章要求学生了解控制系统的基本概念、研究对象及任务，了解系统的信息传递、反馈和反馈控制的概念及控制系统的分类，开环控制与闭环控制的区别；闭环控制系统的基本原理和组成环节。

学会将简单系统原理图抽象成职能方块图。

例1 例图1-1a为晶体管直流稳压电源电路图。

试画出其系统方块图。

例图1-1a 晶体管稳压电源电路图解：在抽象出闭环系统方块图时，首先要抓住比较点，搞清比较的是什么量；对于恒值系统，要明确基准是什么量；还应当清楚输入和输出量是什么。

对于本题，可画出方块图如例图1-1b。

例图1-1b 晶体管稳压电源方块图本题直流稳压电源的基准是稳压管的电压，输出电压通过R和4R分压后与稳压管的电3压U比较，如果输出电压偏高，则经3R和4R分压后电压也偏高，使与之相连的晶体管基极w电流增大，集电极电流随之增大，降在R两端的电压也相应增加，于是输出电压相应减小。

c反之，如果输出电压偏低，则通过类似的过程使输出电压增大，以达到稳压的作用。

例2 例图1-2a为一种简单液压系统工作原理图。

其中，X为输入位移，Y为输出位移，试画出该系统的职能方块图。

解：该系统是一种阀控液压油缸。

当阀向左移动时，高压油从左端进入动力油缸，推动动力活塞向右移动；当阀向右移动时，高压油则从右端进入动力油缸，推动动力活塞向左移动；当阀的位置居中时，动力活塞也就停止移动。

因此，阀的位移，即B点的位移是该系统的比较点。

当X向左时,B点亦向左，而高压油使Y向右，将B点拉回到原来的中点，堵住了高压油，Y的运动也随之停下；当X向右时,其运动完全类似，只是运动方向相反。

由此可画出如例图1-2b的职能方块图。

例图1-2a 简单液压系统例图1-2b 职能方块图1．在给出的几种答案里，选择出正确的答案。

（1）以同等精度元件组成的开环系统和闭环系统，其精度比较为_______ （A ）开环高； （B ）闭环高； （C ）相差不多； （D ）一样高。

（2）系统的输出信号对控制作用的影响 （A ）开环有； （B ）闭环有； (C ）都没有； （D ）都有。