清華版控制工程基礎(chǔ)第一章：概論

清華版控制工程基礎(chǔ)第一章：概論目錄contents控制工程基本概念與發(fā)展歷程控制系統(tǒng)組成與分類信號與系統(tǒng)基本概念自動控制原理簡介穩(wěn)定性、準確性和快速性分析典型環(huán)節(jié)及其特性建模方法與步驟01控制工程基本概念與發(fā)展歷程控制工程定義控制工程是研究控制系統(tǒng)設(shè)計、分析和優(yōu)化的理論、方法和技術(shù)的一門工程學(xué)科。控制工程作用控制工程在現(xiàn)代化生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，是實現(xiàn)自動化、智能化和高效化的關(guān)鍵技術(shù)之一。它廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、交通、制造等領(lǐng)域，為提高生產(chǎn)效率、降低能耗、改善環(huán)境等做出了重要貢獻?？刂乒こ潭x及作用古典控制理論階段0120世紀40年代以前，控制工程主要基于經(jīng)典力學(xué)和傳遞函數(shù)等理論，以頻域分析方法為主，解決了大量單輸入單輸出系統(tǒng)的控制問題?，F(xiàn)代控制理論階段0220世紀50年代以后，隨著計算機科學(xué)、系統(tǒng)論、信息論等學(xué)科的發(fā)展，控制工程開始采用狀態(tài)空間描述和多變量控制方法，形成了現(xiàn)代控制理論。智能控制理論階段0320世紀80年代以來，隨著人工智能、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)的快速發(fā)展，控制工程開始融入智能化元素，形成了智能控制理論。目前，控制工程正朝著更加智能化、自適應(yīng)和魯棒性的方向發(fā)展。發(fā)展歷程及現(xiàn)狀VS未來控制工程將更加注重智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和綠色化。智能化將進一步提高控制系統(tǒng)的自主決策和自適應(yīng)能力；網(wǎng)絡(luò)化將實現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和協(xié)同控制；集成化將促進不同控制系統(tǒng)之間的信息共享和協(xié)同優(yōu)化；綠色化將注重控制系統(tǒng)的能效和環(huán)保性能。挑戰(zhàn)隨著控制系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性的不斷增加，控制工程面臨著諸多挑戰(zhàn)。例如，如何提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性和安全性；如何處理大規(guī)模、高維度和不確定性問題；如何實現(xiàn)控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)和高效優(yōu)化等。同時，新興技術(shù)的發(fā)展也對控制工程提出了新的要求和挑戰(zhàn)。未來趨勢未來趨勢與挑戰(zhàn)02控制系統(tǒng)組成與分類控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)定值和反饋信號的偏差，按照一定的控制規(guī)律輸出控制量。將控制器的輸出信號轉(zhuǎn)換為對被控對象的控制作用。需要控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程等。用于測量被控對象的輸出信號，并將其反饋到控制器中。控制器執(zhí)行器被控對象檢測裝置控制作用不受被控對象輸出信號影響的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，但控制精度和穩(wěn)定性較差。開環(huán)控制系統(tǒng)控制作用受到被控對象輸出信號反饋影響的系統(tǒng)，具有較高的控制精度和穩(wěn)定性，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)特點系統(tǒng)的輸出與輸入之間呈線性關(guān)系，滿足疊加原理，易于分析和設(shè)計。線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)的輸出與輸入之間呈非線性關(guān)系，不滿足疊加原理，分析和設(shè)計相對復(fù)雜。在實際應(yīng)用中，許多控制系統(tǒng)都包含一定程度的非線性因素，需要采用相應(yīng)的非線性控制方法進行處理。非線性控制系統(tǒng)線性與非線性控制系統(tǒng)區(qū)別03信號與系統(tǒng)基本概念信號是傳遞信息的物理量，它可以是各種物理量隨時間變化的函數(shù)，如電壓、電流、溫度、壓力等。根據(jù)信號的特性，可以將其分為連續(xù)信號和離散信號；周期信號和非周期信號；能量信號和功率信號等。信號定義及分類信號分類信號定義系統(tǒng)響應(yīng)系統(tǒng)對輸入信號的反應(yīng)，通常表現(xiàn)為輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系。性能評價指標評價系統(tǒng)性能的指標包括穩(wěn)定性、準確性、快速性等。穩(wěn)定性指系統(tǒng)受到擾動后能否恢復(fù)到原平衡狀態(tài)；準確性指系統(tǒng)輸出與期望輸出之間的偏差；快速性指系統(tǒng)響應(yīng)輸入信號的速度。系統(tǒng)響應(yīng)與性能評價指標信號預(yù)處理信號變換信號分析與處理控制信號生成信號處理技術(shù)在控制系統(tǒng)中應(yīng)用對輸入信號進行濾波、放大、整形等處理，以提高信號的質(zhì)量和可靠性。對系統(tǒng)輸出信號進行分析和處理，以提取有用的信息和控制量，如對信號進行頻譜分析、相關(guān)分析等。將輸入信號轉(zhuǎn)換為適合系統(tǒng)處理的信號形式，如將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。根據(jù)系統(tǒng)控制策略和控制算法，生成相應(yīng)的控制信號，以實現(xiàn)對被控對象的控制。04自動控制原理簡介自動控制定義指在沒有人為直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象（如機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（如速度、位置、溫度、壓力等）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng)組成包括被控對象、測量元件、控制器和執(zhí)行器等部分，其中控制器根據(jù)測量元件反饋的信號和設(shè)定值之間的差異，按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制信號，通過執(zhí)行器作用于被控對象，實現(xiàn)自動控制。自動控制原理概述現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出、時變、非線性等復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法?，F(xiàn)代控制理論包括狀態(tài)空間法、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法。經(jīng)典控制理論包括時域分析法、頻域分析法和根軌跡法等。二者聯(lián)系與區(qū)別經(jīng)典控制理論是現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)，現(xiàn)代控制理論是經(jīng)典控制理論的擴展和深化。在實際應(yīng)用中，兩者常常相互補充、相互滲透。經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較在工業(yè)生產(chǎn)過程中，自動控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)線、機床、機器人等設(shè)備，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)自動化在航空航天領(lǐng)域，自動控制技術(shù)是實現(xiàn)飛行器自動駕駛、導(dǎo)航、制導(dǎo)等功能的關(guān)鍵技術(shù)之一。航空航天在交通運輸領(lǐng)域，自動控制技術(shù)應(yīng)用于汽車、火車、飛機等交通工具的駕駛輔助系統(tǒng)，提高交通安全性和運輸效率。交通運輸在智能家居領(lǐng)域，自動控制技術(shù)應(yīng)用于智能家電、智能照明、智能安防等系統(tǒng)，實現(xiàn)家居環(huán)境的智能化管理和控制。智能家居自動控制在各領(lǐng)域應(yīng)用舉例05穩(wěn)定性、準確性和快速性分析穩(wěn)定性概念及判斷方法穩(wěn)定性概念系統(tǒng)受到擾動后，能夠恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力或?qū)傩浴Ｅ袛喾椒ㄍㄟ^系統(tǒng)特征方程的根在復(fù)平面上的分布來判斷，若所有根都位于左半平面，則系統(tǒng)穩(wěn)定；若有根位于右半平面或虛軸上，則系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，輸出量與輸入量之間的偏差。它是衡量系統(tǒng)準確性的重要指標。在特定輸入信號下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差與輸入信號幅值的比值。它反映了系統(tǒng)對不同輸入信號的響應(yīng)特性。穩(wěn)態(tài)誤差誤差系數(shù)準確性評價指標通過觀察系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等指標來評價系統(tǒng)的快速性。時域分析法通過分析系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線的形狀和參數(shù)，如幅值穿越頻率、相位穿越頻率等，來預(yù)測系統(tǒng)的閉環(huán)動態(tài)性能，進而評價其快速性。頻域分析法快速性分析方法06典型環(huán)節(jié)及其特性表示輸入與輸出之間的比例關(guān)系。比例系數(shù)輸出與輸入成正比，無失真、無延遲地傳遞信號。特點用于放大或縮小信號，實現(xiàn)信號的線性變換。應(yīng)用比例環(huán)節(jié)對輸入信號進行積分運算，輸出為輸入信號的積分值。積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)特點應(yīng)用對輸入信號進行微分運算，輸出為輸入信號的微分值。積分環(huán)節(jié)具有記憶性，能積累誤差；微分環(huán)節(jié)對突變信號敏感，能預(yù)測未來變化趨勢。積分環(huán)節(jié)用于消除靜差，提高系統(tǒng)無差度；微分環(huán)節(jié)用于改善系統(tǒng)動態(tài)性能，加快響應(yīng)速度。積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)振蕩環(huán)節(jié)特點應(yīng)用慣性環(huán)節(jié)和振蕩環(huán)節(jié)具有二階微分方程的環(huán)節(jié)，輸出在平衡點附近做等幅或衰減振蕩。慣性環(huán)節(jié)能平滑突變信號，減緩系統(tǒng)響應(yīng)速度；振蕩環(huán)節(jié)能產(chǎn)生周期性信號，增加系統(tǒng)復(fù)雜性。慣性環(huán)節(jié)用于改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小超調(diào)量；振蕩環(huán)節(jié)用于產(chǎn)生或處理振蕩信號，如正弦波、方波等。具有一階微分方程的環(huán)節(jié)，輸出變化滯后于輸入變化，具有慣性。延遲環(huán)節(jié)：輸出信號在時間上滯后于輸入信號一定時間的環(huán)節(jié)。傳輸延遲：信號在傳輸過程中由于介質(zhì)、設(shè)備等因素引起的延遲。特點：延遲環(huán)節(jié)和傳輸延遲都會使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。應(yīng)用：在控制系統(tǒng)中需要盡量減小延遲環(huán)節(jié)和傳輸延遲的影響，提高系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性。例如，在工業(yè)自動化控制中，通過優(yōu)化控制算法、提高設(shè)備性能等措施來減小延遲環(huán)節(jié)和傳輸延遲對系統(tǒng)性能的影響。延遲環(huán)節(jié)和傳輸延遲07建模方法與步驟建模是將實際系統(tǒng)抽象為數(shù)學(xué)模型的過程。目的是描述系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律和本質(zhì)特征，方便分析和設(shè)計。建模是控制工程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。建模概念及目的明確系統(tǒng)輸入輸出及關(guān)鍵變量。確定系統(tǒng)邊界和變量根據(jù)物理定律或經(jīng)驗公式，建立描述系統(tǒng)動態(tài)行為的方程。建立微分方程或差分方程對方程進行線性化或近似處理，方便求解和分析。線性化和近似處理如拉普