现代控制工程原理华中科技大学易孟林.pptxVIP

现代控制工程原理华中科技大学易孟林汇报人：AA2024-01-22

目录控制工程概述控制系统建模与分析线性系统时域分析法频域分析法在控制系统中的应用非线性系统分析方法最优控制理论与方法现代控制工程应用实例与前景展望

控制工程概述01

控制工程是研究动态系统行为、建模、分析和设计的一门工程学科，旨在通过对系统的输入进行调节，使系统输出达到预期目标。控制工程在各个领域都有广泛应用，如航空航天、机器人、自动化生产线、智能家居等。通过控制工程的方法和技术，可以实现系统的稳定性、快速性、准确性和鲁棒性，提高生产效率和产品质量，降低能耗和成本，增强系统适应环境和抗干扰能力。控制工程定义重要性控制工程定义与重要性

古典控制理论阶段20世纪初至50年代，以传递函数为基础，主要研究单输入单输出线性定常系统的分析和设计，采用频率响应法和根轨迹法进行系统性能分析和控制器设计。现代控制理论阶段20世纪50年代至80年代，以状态空间法为基础，研究多输入多输出、非线性、时变系统的分析和设计，引入最优控制、自适应控制、鲁棒控制等先进控制方法。智能控制理论阶段20世纪80年代至今，随着计算机技术和人工智能的发展，控制工程进入智能控制时代。智能控制采用模糊逻辑、神经网络、遗传算法等智能算法和技术，实现对复杂系统和不确定系统的有效控制。控制工程发展历程

现代控制工程具有多学科交叉融合、系统复杂度高、算法和技术多样化等特点。现代控制工程不仅涉及传统控制理论和方法，还融合了计算机科学、数学、物理学、化学等多学科知识，形成了丰富的理论体系和技术手段。特点随着科技的不断进步和应用需求的不断提高，现代控制工程面临着诸多挑战。如复杂系统和不确定系统的建模与控制、高性能计算与实时控制的结合、多智能体系统的协同控制等。这些挑战需要不断创新和完善控制理论和方法，以适应未来科技发展的需要。挑战现代控制工程特点与挑战

控制系统建模与分析02

微分方程模型01通过物理定律建立系统动态行为的微分方程，描述系统输入与输出之间的关系。02传递函数模型在频域内描述系统动态行为，通过拉普拉斯变换将微分方程转换为传递函数。03状态空间模型用时域方法描述系统动态行为，通过状态变量和状态方程来表示系统的内部状态和输入/输出关系。控制系统数学模型建立

123表示系统输入与输出之间关系的数学表达式，通常由分子多项式和分母多项式组成。传递函数用图形符号表示系统的各个部分，包括输入、输出、控制器、被控对象等，并用箭头表示信号流向。方框图在方框图的基础上，进一步用箭头表示信号流向，并用节点表示信号相加或相减的点。信号流图传递函数与方框图表示法

稳定性定义系统受到扰动后，能够自动恢复到平衡状态的能力。稳定性是控制系统最重要的性能之一。劳斯判据判断线性定常系统稳定性的代数方法，通过系统特征方程的系数来判断系统是否稳定。奈奎斯特判据在复平面上分析系统稳定性的图形方法，通过绘制奈奎斯特图来判断系统是否稳定。李雅普诺夫稳定性理论适用于非线性、时变系统的稳定性分析方法，通过构造李雅普诺夫函数来判断系统的稳定性。控制系统稳定性分析

线性系统时域分析法03

线性叠加性时不变性系统特性不随时间变化，即系统对输入信号的响应与输入信号施加于系统的时间无关。微分性系统对输入信号的微分响应等于系统对该输入信号响应的微分。系统对多个输入信号的响应等于各输入信号单独作用时系统响应的线性叠加。积分性系统对输入信号的积分响应等于系统对该输入信号响应的积分。线性系统时域响应特性

一阶、二阶系统时域分析一阶系统时域分析一阶系统的输出响应与输入信号及系统参数（如时间常数）有关，其典型响应形式包括指数衰减、指数增长和稳态振荡等。二阶系统时域分析二阶系统的输出响应与输入信号、系统参数（如阻尼比、自然频率）以及初始条件有关，其典型响应形式包括过阻尼、欠阻尼和临界阻尼等。

高阶系统时域分析及简化方法高阶系统的输出响应更为复杂，涉及多个特征根和模态，需采用数值方法或近似方法进行求解。高阶系统时域分析对于高阶系统，可采用主导极点法、模态截断法等方法进行简化，以便进行更有效的分析和设计。这些方法基于系统特征根的性质和分布，通过保留主要模态或忽略次要模态来降低系统阶数。简化方法

频域分析法在控制系统中的应用04

0102频率特性描述系统对不同频率正弦输入信号的稳态响应特性，反映系统的动态性能。频域性能指标包括幅值裕度、相位裕度、谐振频率、谐振峰值等，用于评价系统的稳定性和性能。频率特性及频域性能指标

包括惯性环节、积分环节、微分环节等，其频率特性可通过传递函数求得。由系统开环传递函数的频率特性决定，反映系统对输入信号的放大和相位延迟特性。典型环节开环系统频率特性典型环节和开环系统频率特性

VS由系统闭环传递函数的频率特性决定，反映系统对输入信号的跟踪和抗干扰能力。性