1、控制工程控制工程主讲：郑雪飞主讲：郑雪飞、朱慧玲、谢静、郭剑朱慧玲、谢静、郭剑机械工程学院机械设计制造及其自动化教研室机械工程学院机械设计制造及其自动化教研室 课程性质课程性质 控制工程控制工程是本学科的技术基础课，理论知识较复杂，是本学科的技术基础课，理论知识较复杂，需要扎实多学科的基础知识做铺垫，学习中存在大量的数需要扎实多学科的基础知识做铺垫，学习中存在大量的数学计算和推导，是一门理论性很强的综合性科学技术。学计算和推导，是一门理论性很强的综合性科学技术。大学物理大学物理理论力学理论力学控制工程控制工程电机与拖动电机与拖动模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数高等数学高等数学复变函数、
2、复变函数、拉普拉斯变换拉普拉斯变换电路理论电路理论信号与系统信号与系统主要教学环节主要教学环节课堂课堂教学教学课外课外补充补充软件软件辅助辅助实验实验加强加强习题习题训练训练课程课程内容内容主要知识结构主要知识结构 时域分析时域分析系统稳定性判据系统稳定性判据基础基础知识知识 分析分析方法方法 基本概念基本概念控制系统结构体系控制系统结构体系控制系统数学模型控制系统数学模型自自动动控控制制技技术术频域分析频域分析工程工程应用应用 系统性能指标系统性能指标系统校正系统校正控制的基本概念控制的基本概念系统性能校正系统性能校正数学模型数学模型时域分析时域分析频域分析频域分析稳定性分析稳定性分析知识结
3、构（经典控制理论）知识结构（经典控制理论）第一章第一章 绪论绪论 主要主要内容内容1控制系统的工作原理和分类控制系统的工作原理和分类2控制系统的基本组成控制系统的基本组成3控制系统的基本要求控制系统的基本要求第一章第一章 绪绪 论论 水位控制水位控制杠杆杠杆浮子浮子进水进水阀门阀门出水出水 阀门阀门储水池储水池h0hh0h浮子浮子、杠杆杠杆、阀门阀门、水池水池e 水位自动控制系统水位自动控制系统控制控制人工控制人工控制自动控制自动控制目标：使被控对象按指定规律变化目标：使被控对象按指定规律变化第一章第一章 绪绪 论论 控制理论的发展控制理论的发展（一）（一）“控制控制”问题的提出问题的提出1.
4、1.蒸汽机转速的人工控制蒸汽机转速的人工控制眼、转速表眼、转速表 蒸汽机蒸汽机手、阀门手、阀门大脑大脑希望恒定转速希望恒定转速M M实际实际n n蒸汽机蒸汽机负载负载M Mn n进汽量进汽量Q Q阀阀门门眼眼 脑脑手手测速表测速表希望恒希望恒定转速定转速（1 1）原理图）原理图控制控制某个主体使其他对象按照某个主体使其他对象按照 一定的目的来动作；一定的目的来动作；反馈反馈将输出反回输入端的过程；将输出反回输入端的过程；偏差偏差输入信号与反馈信号之差。输入信号与反馈信号之差。控制的基本过程就是控制的基本过程就是“检测偏差用以纠正偏差检测偏差用以纠正偏差”的过程的过程（2 2）控制系统方框图控制
5、系统方框图第一章第一章 绪绪 论论 2.2.蒸汽机转速的自动控制蒸汽机转速的自动控制（1 1）原理图）原理图 两者的基本原理相同，两者的基本原理相同，都是建立在都是建立在“检测偏差用检测偏差用以纠正偏差以纠正偏差”的基础之上。的基础之上。（2 2）控制系统方框图控制系统方框图离心离心机构机构蒸汽机蒸汽机负载负载M Mn nA AB B进汽量进汽量Q Q阀门阀门滑套滑套n n1 1被控对象被控对象检测、比较机构检测、比较机构执行机构执行机构离心机构离心机构 蒸汽机蒸汽机阀门阀门比较机构比较机构给定给定N Ng gM M实际实际n nQ Q第一章第一章 绪绪 论论 （二）（二）控制理论的发展简史控
6、制理论的发展简史17651765年年 瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制蒸汽机瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制蒸汽机19481948年年 维纳维纳控制论或关于在动物和机器中控制和通信控制论或关于在动物和机器中控制和通信 的科学的科学产生产生 形成完整的经典控制理论形成完整的经典控制理论40406060年代年代 经典控制理论经典控制理论（频域法为主）（频域法为主）60607070年代年代 现代控制理论现代控制理论（时域法为主（时域法为主)7070年代以后年代以后 大系统控制理论大系统控制理论1经典控制理论经典控制理论 出现时间出现时间:4050年代年代研究对象研究对象:单输入、单输出系统（单输
7、入、单输出系统（SISO系统）系统）研究背景研究背景:二战军工技术二战军工技术研究目标研究目标:反馈控制系统的整定反馈控制系统的整定基本方法基本方法:传递函数，频率法、传递函数，频率法、PID第一章第一章 绪绪 论论 研研究究复域内复域内(频域频域)单输入单输入/出、线出、线性非时变系统性非时变系统传递函数传递函数(频率响应函数频率响应函数)稳定性稳定性快速性快速性准确性准确性2现代控制理论现代控制理论 出现时间：出现时间：6070年代年代研究对象：多输入、多输出系统（研究对象：多输入、多输出系统（MIMO系统）系统）研究背景：冷战时期空间技术，计算机技术研究背景：冷战时期空间技术，计算机技术
8、研究目标：最优控制研究目标：最优控制基本方法：状态方程基本方法：状态方程第一章第一章 绪绪 论论 时域时域内、利用内、利用状态空间分析状态空间分析，研究，研究多输入、多输出、多输入、多输出、非线性、时变非线性、时变系统的最优控制、系统识别等问题。系统的最优控制、系统识别等问题。关键关键问题问题能否建立反映过程或系统的能否建立反映过程或系统的动态数学模型动态数学模型能否对此模型提供有效的能否对此模型提供有效的算法与程序算法与程序第一章第一章 绪绪 论论 成品成品人的感觉器官人的感觉器官加工对象加工对象人体、手人体、手需求需求干扰干扰人脑人脑人的感觉器官人的感觉器官加工对象加工对象机器机构机器机构
9、需求需求干扰干扰人脑人脑体力体力成品成品需求需求干扰干扰干扰干扰检测装置检测装置加工对象加工对象加工设备加工设备人脑人脑成品成品干扰干扰干扰干扰检测系统检测系统加工对象加工对象加工设备加工设备计算机计算机需求需求成品成品机械制造的发展和机械制造的发展和控制理论的应用控制理论的应用 特点：特点：人逐步从制造过程人逐步从制造过程诸环节的诸环节的直接参与直接参与中中解脱出来；首先从解脱出来；首先从加加工工(执行）执行）检测检测控控制制中解脱出来中解脱出来第一章第一章 绪绪 论论 第一章第一章 绪绪 论论 1-1 1-1 控制工程的研究对象和任务控制工程的研究对象和任务一、系统一、系统定义：定义：由相
10、互联系和制约的环节组成具有特定功能的整体。由相互联系和制约的环节组成具有特定功能的整体。工程系统：控制电气、机械、机电、化工、热力等工程系统：控制电气、机械、机电、化工、热力等非工程系统：经济、交通、管理、社会、生态等非工程系统：经济、交通、管理、社会、生态等 分分类类 第一章第一章 绪绪 论论 实质：实质：研究工程技术中广义系统的研究工程技术中广义系统的动力学问题动力学问题，即系统即系统在外界输入作用下（包括干扰输入），在外界输入作用下（包括干扰输入），从一定的初始条件从一定的初始条件（状态）出发，所经历的整个（状态）出发，所经历的整个动态过程动态过程，亦即系统及其输入、，亦即系统及其输入、
11、输出三者之间的关系。输出三者之间的关系。二、研究对象和任务二、研究对象和任务控制系统一般都有输入量和输出量。控制系统一般都有输入量和输出量。输入输入 输出输出系统系统三要素三要素动态关系动态关系第一章第一章 绪绪 论论 y(t)f(t)mkc令p=d/dt(mp2+cp+k)y(t)=f(t)y(t)x(t)y(t)mkc(mp2+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)分析：这是同一个系统，不同的外界作用分析：这是同一个系统，不同的外界作用质量质量弹簧弹簧阻尼系统阻尼系统系统的输出响应取决系统的输出响应取决:1）输入信号）输入信号 2）系统结构参数）系统结构参数3）初始条件）初始条件 4）输
12、入与系统的关系）输入与系统的关系系统系统输入输入输出输出第一章第一章 绪绪 论论 机械工程控制的研究任务：机械工程控制的研究任务：控制系统建模、分析和综合（设计）。控制系统建模、分析和综合（设计）。运用经典控制理论进行运用经典控制理论进行（系统、输入、输出三者的关系）（系统、输入、输出三者的关系）系统分析问题系统分析问题当系统已定、输入当系统已定、输入(或激励或激励)已知时已知时,求出系统的输出求出系统的输出（或响应）（或响应）,并通过输出来研究系统本身的有关问题。并通过输出来研究系统本身的有关问题。最优控制问题最优控制问题当系统已定时当系统已定时,确定输入确定输入,且所确定的输入应使得输出尽且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求。可能符合给定的最佳要求。最优设计问题最优设计问题当输入已知时当输入已知时,确定系统确定系统,且所确定的系统应使得输出尽且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求。可能符合给定的最佳要求。滤波与预测问题滤波与预测问题当输入已知时当输入已知时,输出可以测量，确定系统输出可以测量，确定系统,以识别输入或以识别输入或输人中的有关信息。输人中的有关信息。系统识别或系统系统识别或系统辨识问题辨识问题当输入与输出均已知时当输入与输出均已知时,求出系统的结构与参数求出系统的结构与参数,即建立即建立系统的数学模型。系统的数学模型。
