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第一章：绪论 控制科学与工程是一门研究自动控制的理论、方法、技术及其工程应用的学科。它是20世纪最重要的科学理论和成就之一。 在机器系统、生命系统甚至社会与经济系统中，都存在一个共同的本质的特点：它们都通过信息的传递、变换、处理与交换（反馈）来进行控制的。 控制工程是一门方法论学科，交叉学科。 1.1系统的基本概念 系统的概念 什么是系统(system)？广义地说，系统是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。在工程领域，系统可以是电的、机械的、液压的、气动的、热的、生物医学的，或者这些系统的某种组合。 对于实际工程应用来说，系统一般可以定义为任何一组存在某种因果关系的物理元件。原因称为激励或输入；效果叫做响应或输出。通常，输入和输出都是物理变量，例如，温度、压力、液位、电压、位移、速度等等。 一 系统要素：物质、能量和信息 从信息论的观点出发，任何系统的组成都包括物质、能量、信息三个要素。物质构成系统的形体，系统的运动离不开能量，而信息则是系统的灵魂，因为信息反映了系统运动的状态和特征。 物质 构成系统 的形体 系统的运动 离不开能量 信息则是 系统的灵魂 能量 信息 系统构成三要素 二 信息的概念与信号 控制工程就是从信息的角度，研究不同物理本质 的控制系统所具有的共同的控制规律的学科。 信息既 不是物质 也不具有 能量 信息是 事物客观 存在或 运动状态 的特征 信息寓于 信号之中 信号是 传输信息 的载体 信号是 含有能量 的物质， 具有 可观测性 工程领域 中使用的 物理变量 就是信号 信息的概念与信号（Information/ Signal） 三 输入（激励）和输出（响应） 动态系统 输入 输出 任何一组存在某种因果关系的物理元件的集合 效果将叫做响应或输出 原因将称为激励或输入 通常将施加于系统的作用称为系统的输入（激励）；而将要求系统完成的功能称为系统的输出（响应）。 四 动态系统和动态响应 阶跃输入响应与时间常数 电 容 充 电 动 态 过 程 五 控制和控制系统 控制就是按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的方法学。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器)，使机器、设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量、输出)自动地按照预定的规律运行。 无论何种类型的控制系统都由三个基本部分组成 Control/Manipulate/Regulate/Constraint 1.2 控制系统的组成和工作原理 控制器 执行器 受控对象 检测器 输入 输出 反馈信号 干扰信号 能量流 物质流 信息流 控制规律 偏差信号 控制器：现代控制系统一般采用计算机，完成比较、放大、变换等信号处理工作；输出控制规律；比较器就是最简单的控制器。执行器和受控对象合称受控系统，它一般是一个能量传动系统，一个动态系统。 现代控制系统的基本组成 一 控制系统的基本组成 (6)被控对象：控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出量就是被控制量 (1)给定环节：根据系统输出量的期望值，产生系统的给定输入信号 (2)反馈环节：对系统的实际输出量进行测量，将它转换成反馈信号并使反馈信号成为与给定输入信号同类型、同数量级的物理量 (3)比较器：将给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号 (4)控制器：根据输入的偏差信号，按一定的控制规律，产生相应的控制信号 (5)执行环节：用控制信号控制传动功率的转移过程，直接推动被控对象，使被控制量发生变化 前向通道 反馈通道 二 控制系统的基本工作原理 基于负反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的控制原理称为反馈控制或闭环控制原理。 控制的目的？——输入是什么？ 受控对象是谁？ 输出？描述对象特征的某个物理量 输出如何检测？ 例1 汽车的控制 大脑 脚踏油门 汽车 车速表 期望车速 实际车速 反馈信号 偏差 汽车的恒速控制 驱动系 能量流 道路坡度等的影响 大脑 方向盘 汽车 眼睛 期望轨线 实际轨线 反馈信号 偏差 汽车的路线控制 转向系 能量流 横风等的影响 自动控制装置示例 1、蒸汽机转速控制装置 自动控制装置示例 三 控制过程的物理本质 从物理本质上看，控制过程是一种信息处理及控制能量（物质、信息）转移的过程。 控制过程 的 物理本质 控制器 执行器 受控对象 检测器 输入 输出 反馈信号 干扰信号 能量流 物质流 信息流 控制 规律 偏差信号 四 控制的核心问题:最优控制 提高信息处理能力，以最短的时间和（或）最小的代价，实现系统按预定