【正文】 第一講 緒 論 控 制 工 程 基 礎(chǔ) 教 案 （一） 一、課程的地位與作用 隨著科學(xué)技術(shù)、特別是信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，自動(dòng)控制技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防、宇航及日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。掌握和了解自動(dòng)控制的基本理論和方法，對(duì)從事工程技術(shù)類各專業(yè)的科學(xué)技術(shù)人員是十分必要的。本課程具有科學(xué)方法論的鮮明特點(diǎn)，研究的問題帶有普遍性，是廣泛意義上的方法論。這將對(duì)學(xué)生提高分析問題和解決問題的能力，奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 控制工程基礎(chǔ)是工科許多專業(yè)一門學(xué)科基礎(chǔ)課。目前在我校有六個(gè)專業(yè)大類中的 12個(gè)專業(yè)將該課程設(shè)置成學(xué)科基礎(chǔ)課，有三個(gè)專業(yè)大類中的 4 個(gè)專業(yè)將該課程設(shè)置為學(xué)科選修課，電氣信息類及機(jī)械類培優(yōu)班均將該課程設(shè)置成學(xué)科基礎(chǔ)課。 該課程在各專業(yè)的學(xué)習(xí)過程中起著非常重要的作用。它既是前期基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課的轉(zhuǎn)折，又是后續(xù)專業(yè)課的一個(gè)重要基礎(chǔ)課。作為培養(yǎng)工程技術(shù)人員的學(xué)科基礎(chǔ)課，該課程使學(xué)生首次學(xué)習(xí)控制和控制系統(tǒng)的概念，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)控制理論的經(jīng)典方法。該課程的學(xué)習(xí)是專業(yè)學(xué)習(xí)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 二、課程簡(jiǎn)介 控制工程基礎(chǔ)是研究各類控制系統(tǒng)共性的一門技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)。教學(xué)內(nèi)容以反饋控制理論為核心，介紹控制系 統(tǒng)建模方法，介紹線性系統(tǒng)的時(shí)域、頻域和根軌跡的分析與設(shè)計(jì)方法。本課程具有科學(xué)方法論的鮮明特點(diǎn)，研究的問題帶有普遍性，對(duì)工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。教學(xué)方式以講授為主，輔以多媒體 CAI及課堂討論。課程的教學(xué)目標(biāo)是，使學(xué)生掌握有關(guān)自動(dòng)控制的基本概念、基本理論和基本方法，能夠自覺運(yùn)用反饋原理解決實(shí)際工程中的相關(guān)問題，進(jìn)一步提高分析問題和解決問題的能力。 三、課程的教學(xué)目標(biāo)與基本要求 通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握有關(guān)自動(dòng)控制、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念，掌握有關(guān)經(jīng)典控制理論的基本概念、基本理論和基本方法，能夠運(yùn)用反饋原 理解決實(shí)際中的相關(guān)問題，提高分析問題和解決問題的能力。 要求掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成、線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模以及系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本方法，能進(jìn)行典型控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。考核采用閉卷筆試形式，學(xué)習(xí)成績(jī)將根據(jù)平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)課成績(jī)及考試成績(jī)綜合評(píng)定。 該課程在教學(xué)組織時(shí)應(yīng)根據(jù)不同專業(yè)的特點(diǎn)，不同專業(yè)的要求，具有針對(duì)性的教學(xué)。在教材的選用、教學(xué)方式的組織、實(shí)驗(yàn)的開設(shè)以及課內(nèi)課外時(shí)數(shù)的分配上有所區(qū)別。 考核方式為閉卷筆試加平時(shí)作業(yè)。本課程將為培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用控制原理的方法，分析和解決各種工程問題奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。 四、主 要教材、參考書（作者、教材名稱、出版社） Richard C. Drof amp。 Robert H. Bishop, Modern Control System(第八版 )高等教育出版社 ,2020年 Katsuhiko Ogata 現(xiàn)代控制理論（第三版），電子工業(yè)出版社， 2020年 胡壽松，自動(dòng)控制原理（第四版），科學(xué)出版社， 2020年 劉明俊，自動(dòng)控制原理 .國防科技大學(xué)出版社， 2020年 董景新趙長(zhǎng)德，控制工程基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社， 1992年 李友善主編，自動(dòng)控制原理 (修訂版 )，北京 :國際工業(yè)出版社， 1989 吳 麒主編，自動(dòng)控制原理，北京：清華大學(xué)出版社， 1990 緒方勝彥著，現(xiàn)代控制工程 ,盧伯英等譯，北京：科學(xué)出版社， 1976 黃家英，自動(dòng)控制原理，高等教育出版社， 2020年 7 月 五、本課程中各章節(jié)之間的關(guān)系： 第二講 控制系統(tǒng)的基本概念 本章主要內(nèi)容： 引言 自動(dòng)控制的基本原理及基本控制方式 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例及基本組成 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 控制系統(tǒng)示例 引言 以 “ 三論 ” （系統(tǒng)論、信息論、控制論）為代表的科學(xué)方法論，是一門新興的學(xué)科，是二十實(shí)際以來最偉大的成果。它的崛起為人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界提供了新的有力的武器。 近幾年，自然科學(xué)的高速發(fā)展一方面使得科學(xué)不斷分化，分支科學(xué)越來越多，各種新的學(xué)科如雨后春筍般地相繼出現(xiàn)；另一方面，各學(xué)科之間又不斷的相互滲透，呈交叉的 趨勢(shì)，由分化走向統(tǒng)一的趨勢(shì)?？陀^上要求有共同的方法論，為各學(xué)科的彼此溝通，發(fā)揮橋梁作用。 “ 三論 ” 的出現(xiàn)正是這種時(shí)代要求的結(jié)果。 “ 三論 ” 是從自然科學(xué)研究中總結(jié)出來的一種科學(xué)方法，但它不限于自然科學(xué)，具有一般的方法論意義。它不是某一具體科學(xué)的方法論，而是包括自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和思維科學(xué)在內(nèi)的共同的方法論，是認(rèn)識(shí)世界和改造世界的統(tǒng)一的方法。被稱為 “ 橫向科學(xué) ” 或 “ 橫斷科學(xué) ” 。這種方法具有嚴(yán)格的程序和精確的形式，是一種更科學(xué)、更規(guī)范的方法，對(duì)科學(xué)研究、領(lǐng)導(dǎo)決策和各項(xiàng)工作都具有很強(qiáng)的指導(dǎo)性，在一定意義上可以說 “ 三論 ” 是哲學(xué)范疇的具體化、規(guī)范化、模型化。 “ 三論 ” 的出現(xiàn)是有深刻意義和歷史背景的。作為 “ 三論 ” 之一的 “ 控制論 ” 中的 “ 控制 ” 的概念，人們并不陌生。 什么是控制？ 控制論是一種現(xiàn)代科學(xué)的方法論，它所提供的科學(xué)方法，對(duì)我們分析問題忽然解決問題是十分重要的，它還算一門新興學(xué)科，正在不斷地發(fā)展和完善，其定義和規(guī)定的研究?jī)?nèi)容也眾說不一，主要有以下幾種說法： 說法一： “ 控制論 ” 是關(guān)于機(jī)器的理論 說法二： “ 控制論 ” 是電子計(jì)算機(jī)和電子學(xué)的理論 說法三： “ 控制論 ” 就是類似于數(shù)學(xué)的一門 學(xué)科 說法四： “ 控制論 ” 是關(guān)于動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)（維納定義） 維納其人： 1893 年生 美國人 數(shù)學(xué)家 哲學(xué)家 《控制論》 。 根據(jù)維納的定義人們關(guān)于 “ 控制論 ” 的較公認(rèn)的說法是：“ 控制論 ” 是以研究各種系統(tǒng)共同存在的控制規(guī)律為對(duì)象的一門科學(xué)。 “ 控制論 ” 就是要揭示包括機(jī)器、生物、社會(huì)在內(nèi)的各種不同的控制系統(tǒng)的共同規(guī)律。 是研究各種系統(tǒng)共同控制規(guī)律的科學(xué)，是方法論。 控制論產(chǎn)生的基礎(chǔ)：來源于人們的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，有它產(chǎn)生的實(shí)踐基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)。例如：人類很早以前就利用水的勢(shì)差和風(fēng)的流動(dòng)作為能源的各種裝 置，像 “ 風(fēng)磨漏斗 ” 、 “ 蒸汽機(jī)的調(diào)節(jié)器 ” 。 19 世紀(jì)以來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以電信號(hào)傳遞信息為主的控制過程，如：數(shù)控機(jī) 床、控制煉鋼等等。 第二次世界大戰(zhàn)以前，在美國，一些不同學(xué)科的科學(xué)家自發(fā)地建立組織討論會(huì)，研究他們共同感興趣的問題，更多的是各學(xué)科之間的交叉問題。維納參加了這樣的討論，得到了啟迪，形成了控制論的思想基礎(chǔ) ? 信息在控制中的作用 要使控制行為得以實(shí)現(xiàn)，就要求控制部分以某種方式給予受控部分以影響，受控部分就按照影響變化自己的行為，這種聯(lián)系和影響是什么？如：電、力、風(fēng)、生物電脈沖 ?? 等等。共同點(diǎn)：控制內(nèi)容的消息 信息，正是控制部分和受控部分之間發(fā)生了這種信息的聯(lián)系、信息的運(yùn)動(dòng)，控制過程才得以實(shí)現(xiàn)?？刂七^程就是系統(tǒng)中信息運(yùn)動(dòng)的過程。 反饋是如何調(diào)節(jié)控制行為的呢？ 反饋調(diào)節(jié)完全可以看成是一種原因與結(jié)果不斷相互作用的關(guān)系。反饋的兩種作用方式是控制論中要研究的主要問題。反饋有兩種方式：正反饋、負(fù)反饋。 定義： 正反饋：凡是后輸出的信息與原輸出的信息起著相同的作用，使總的輸出增大的反饋調(diào)節(jié)。 負(fù)反饋：凡是后輸出的信息與原輸出的信息起著相反的作用，使總的輸出減小的反饋調(diào)節(jié)。 ? 自動(dòng)控制的發(fā) 展及現(xiàn)狀 以維納的《控制論》為標(biāo)志， 1948 年正式形成。 三個(gè)時(shí)期： 第一個(gè)時(shí)期 經(jīng)典控制理論時(shí)期 40 年代末到 50年代 單機(jī)自動(dòng)化 局部自動(dòng)化 單變量控制 自動(dòng)調(diào)節(jié)器 伺服系統(tǒng) 第二個(gè)時(shí)期 現(xiàn)代控制理論時(shí)期 60 年代 多變量控制 最優(yōu)控制 多種變化因素 航天系統(tǒng) 導(dǎo)彈系統(tǒng) 人造衛(wèi)星 第三個(gè)時(shí)期 大系統(tǒng)理論時(shí)期 70年代 規(guī)模龐大 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 變量參數(shù)多 目標(biāo)不單一 生物系統(tǒng) 社會(huì)系統(tǒng) 機(jī)器人 發(fā)展前景： 向大系統(tǒng)理論發(fā)展 規(guī)模龐大 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 功能綜合 因數(shù)眾多 ?? 向 智能控制系統(tǒng)發(fā)展 自組織 自學(xué)習(xí) 自修復(fù) 自繁殖 ?? 控制理論已形成了以理論控制論為中心的四大分支（也有不同分法）： 工程控制論 技術(shù)系統(tǒng) 工程系統(tǒng)生物控制論 生物系統(tǒng) 社會(huì)控制論 社會(huì)系統(tǒng) 智能控制論 思維系統(tǒng) 控制論的基本概念和方法是人類認(rèn)識(shí)史上的一個(gè)飛躍，開辟了認(rèn)識(shí)世界的新途徑。 自動(dòng)控制的基本原理及基本控制方式 ① 自動(dòng)控制 自動(dòng)控制指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象（如：機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某一物理量（或工作狀態(tài)）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律 運(yùn)行（或變化）。 例：化工過程的反應(yīng)塔 數(shù)控機(jī)床 雷達(dá)、指揮儀、火炮控制系統(tǒng) 人造地球衛(wèi)星 ?? ② 自動(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢刂茖?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。 組成：控制裝置 對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備的總體。 被控對(duì)象 要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備和生產(chǎn)過程 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本方式：開環(huán)控制 和 閉環(huán)控制 ③ 開環(huán)控制 開環(huán)控制是指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。 特點(diǎn)：信 號(hào)流動(dòng)的單向性 無反饋 開環(huán)系統(tǒng)是指具有開環(huán)控制方式的控制系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)的輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制發(fā)生作用。 例 1：電加熱爐 輸入信號(hào)：電流 i(t) （時(shí)間的函數(shù)） 控制裝置：開關(guān) k，電阻絲 被控對(duì)象：爐子 輸出信號(hào)：爐溫 T 分析：工作原理 抗干擾能力 各個(gè)量之間的關(guān)系 特點(diǎn)：控制裝置只按照給定的輸入信號(hào)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行單向的控制，被控對(duì)象的輸出不影響控制。 例 2：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的開環(huán)控制 輸入信號(hào)：電壓 v 控制裝置：電位器、功放、電動(dòng)機(jī) 被控對(duì)象：負(fù)載 輸出信號(hào)：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 分析：工作原理 抗干擾能力 各個(gè)量之間的關(guān)系 特點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由電位器控制 轉(zhuǎn)速對(duì)電位器上電壓的大小沒有影響 開環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)： a. 簡(jiǎn)單，給定一個(gè)輸入量，便對(duì)應(yīng)有一個(gè)輸出量。 b. 精度由元器件的精度和干擾決定。不具備修正由于干擾而引起的系 統(tǒng)的偏差。因而使用受到限制。 ④ 閉環(huán)控制 閉環(huán)控制是指控制裝置與被控對(duì)象之間既有順向作用，又有反向聯(lián)系的控制。 特點(diǎn)：信號(hào)流動(dòng)的雙向性 有反饋 閉環(huán)系統(tǒng)是指具有閉環(huán)控制方式的控制系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制發(fā)生作用，它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而又準(zhǔn)確的控制。 例 1：電 加熱爐的閉環(huán)控制方式 例 2：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制 開環(huán)控制與閉環(huán)控制的比較： 、功率 ⑤復(fù)合控制 復(fù)合控制是指將開環(huán)控制方式和閉環(huán)控制方式組合在一起的控制方式。實(shí)質(zhì)上，它是在閉環(huán)回路的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)作用的順饋信號(hào)，以提高系統(tǒng)的精度。 復(fù)合控制 =開環(huán)控制 +閉環(huán)控制 常用的兩種復(fù)合控制形式：按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制 按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制 ⑥直接控制與間接控制 ⑦最優(yōu)控制 ⑧自適應(yīng)控制 ⑨智能控制 ⑩魯棒控制 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例及基本組成 ①被控對(duì)象 ②執(zhí)行機(jī)構(gòu) ③放大裝置 ④檢測(cè)裝置 ⑤比較裝置 ⑥反饋裝置 ⑦校正裝置 ⑧輸入信號(hào) ⑨輸出信號(hào) ⑩擾動(dòng)信號(hào) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 常用的分 類： ①按數(shù)學(xué)模型分 線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng) ②按控制方式分 開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng) ③按時(shí)間概念分 定常系統(tǒng) 時(shí)變系統(tǒng) ④按信號(hào)的性質(zhì)分 連續(xù)系統(tǒng) 離散系統(tǒng) ⑤按輸入輸出信號(hào)的數(shù)量分 單輸入單輸出系統(tǒng) 多輸入多輸出系統(tǒng) ⑥按系統(tǒng)參數(shù)分布特征分 集中參數(shù)系統(tǒng) 分布參數(shù)系統(tǒng) ⑦按元件類型分類 機(jī)電系統(tǒng) 氣動(dòng)系統(tǒng) 液壓系統(tǒng) 生物系統(tǒng)?? ⑧按系統(tǒng)功用分類 溫度控制系統(tǒng) 位置控制系統(tǒng)?? 一般地，為了全面的反映自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，常常將上述各類分類方法組合應(yīng)用。 在工程控制系統(tǒng)中以下幾點(diǎn)要注意： ? 嚴(yán)格地講，任何 的實(shí)際系統(tǒng)都是非線性的，只是形式不同、程度不同。 非線性系統(tǒng)分為：本質(zhì)非線性 不能線性化處理，用特殊的研究方法 非本質(zhì)非線性 線性化處理后，用線性系統(tǒng)的理論研究 ? 嚴(yán)格地講，任何實(shí)際系統(tǒng)都是時(shí)變的，系統(tǒng)的參數(shù)總會(huì)隨時(shí)間的變化。 ? 嚴(yán)格地講，任何實(shí)際系統(tǒng)都存在隨機(jī)性。 對(duì)控