[工学]东北大学 控制工程课件

东北大学控制工程课件欢迎来到东北大学控制工程课程学习本课程将全面介绍控制工程学科的理论基础与实践应用，涵盖自动控制原理、计算机控制系统、机械工程控制等核心内容控制工程作为东北大学的重点学科，具有深厚的学术传统和丰富的教学资源通过系统学习，您将掌握现代控制理论与工程实践相结合的核心技能概述控制工程学科在东北大学学术期刊主办重点学科建设东北大学主办《控制工程》学术期刊，为教育部科技司主控制工程为东北大学重点发展学科，在自动化、机器人等管的重要学术平台领域享有盛誉综合教学体系深厚历史底蕴涵盖机器人技术、自动化控制、机械工程控制等多个专业自年开始出版相关学术期刊，积累了近三十年的学1994方向的综合教学科建设经验课程体系结构自动控制原理经典控制理论基础，包括线性系统理论、稳定性分析和控制器设计方法计算机控制系统数字控制技术，涵盖离散系统分析、数字信号处理和实时控制算法机械工程控制基础机电一体化系统控制，融合机械结构、电气驱动和控制算法设计控制工程应用技术工程实践与综合应用，培养解决复杂工程问题的能力和创新思维《控制工程》期刊概况期刊基本信息标准编号体系教育部科技司主管，东北大国际标准刊号ISSN1671-学主办的专业学术期刊，双，国内统一刊号7848CN月刊形式发行，每月日定，规范的期刊编2021-1476/TP期出版号体系学术影响力指标复合影响因子达到，在控制工程领域具有重要的学术地位

0.781和影响力《控制工程》期刊历史1创刊阶段年正式创刊，初期刊名为《基础自动化》，奠定1994了期刊发展的基础2更名发展后期更名为《控制工程》，扩大了期刊的学术范围和影响力3发行体系建立完善的发行体系，邮发代号，国外邮发代号8-216BM8219第一部分自动控制原理基础控制系统设计与实现综合应用理论知识进行实际控制系统设计时域与频域分析掌握系统性能分析的核心方法数学模型与分析方法建立系统的数学描述和分析基础控制系统的基本概念理解控制理论的基本原理和概念控制系统基本概念开环与闭环控制系统稳定性与性能开环控制系统结构简单但精度有限，适用于扰动较小的场控制系统的稳定性是系统正常运行的基本要求，性能指标则合闭环控制系统通过反馈机制能够自动调节输出，具有更反映系统的动态和静态特性通过分析系统的稳定性条件和好的控制精度和抗干扰能力性能指标，可以评价和改进控制系统的设计开环控制特点与应用稳定性判据方法••闭环控制优势分析性能指标定义••反馈控制原理系统分类标准••控制系统数学模型微分方程表示法传递函数表示法状态空间表示法描述系统动态行为的基在复频域内描述系统特现代控制理论的基础数础数学工具，通过建立性的重要方法，便于系学工具，适用于多输入输入输出关系的微分方统分析和控制器设计多输出系统的分析与设程来表征系统特性计模型简化与变换通过数学变换简化复杂系统模型，保持系统主要特性的同时降低分析难度时域分析方法稳态误差分析暂态响应分析系统稳态时的输出误差特性系统动态过程的时域特征时域响应特性误差常数计算超调量计算••时域性能指标系统对典型输入信号的响应特系统型别影响调节时间确定••征评价系统时域性能的量化指标误差改善方法振荡频率分析••阶跃响应分析快速性指标••冲激响应特性稳定性指标••斜坡响应规律准确性指标••频域分析方法图分析技术Bode通过幅频特性和相频特性曲线分析系统频域性能，包括增益裕度和相角裕度的计算，为控制器设计提供重要依据图分析方法Nyquist在复平面内绘制系统开环频率特性，通过稳定性判据判Nyquist断闭环系统稳定性，适用于复杂系统的稳定性分析相角裕度与幅值裕度量化系统稳定性程度的重要指标，相角裕度反映相位稳定性，幅值裕度反映增益稳定性，两者共同决定系统的稳定裕度频域性能指标设计根据频域分析结果设计控制器参数，实现系统性能要求，包括带宽、谐振峰值等关键性能指标的控制和优化控制系统设计基础°3180控制参数根轨迹相角条件PID比例、积分、微分三个参数的协调配根轨迹法设计的基本约束条件置°45典型相角裕度频域补偿设计的目标相角裕度值控制系统设计是控制工程的核心内容，需要综合考虑系统的稳定性、快速性和准确性要求控制器作为最基本的控制器类型，通过合理调节三个参数PID可以满足大多数工程应用的控制要求根轨迹法提供了直观的参数设计方法，而频域补偿技术则适用于复杂系统的性能改善离散控制系统采样与保持变换基础Z将连续信号转换为离散信号的基础过离散系统分析的核心数学工具，类似程，采样频率的选择直接影响系统性于连续系统中的拉普拉斯变换能数字控制器设计数字控制系统分析PID将连续控制器离散化，适应计算运用域方法分析离散控制系统的稳PID Z机控制系统的实现要求定性和性能指标第二部分计算机控制系统计算机实现技术硬件平台与软件算法的综合实现数字控制算法适应数字化处理的控制算法设计信号转换与变换Z模拟与数字信号的相互转换计算机控制系统概述系统组成与基本工作原理计算机控制系统概述系统组成结构直接数字控制系统分散控制系统计算机控制系统由计算机、接口电系统采用计算机直接对被控对象系统将控制功能分散到多个控制DDC DCS路、执行机构、被控对象和传感器组进行数字控制，具有控制精度高、灵站，通过通信网络实现协调控制这成计算机作为控制核心，通过接口活性强的特点系统能够实现复杂的种结构提高了系统的可靠性和维护电路实现与外部设备的信息交换，形控制算法，适应多变量、非线性系统性，广泛应用于大型工业过程控制成完整的闭环控制系统的控制要求信号转换技术转换技术转换技术A/D D/A模数转换器将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，是计数模转换器将计算机输出的数字信号转换为模拟信号，驱动算机控制系统的关键接口器件转换精度、转换速度和输入执行机构动作转换精度、建立时间和输出驱动能力是D/A范围是选择转换器的主要指标转换器的重要性能指标A/D逐次逼近型权电阻网络•ADC•DAC积分型梯形网络•ADC•R-2R DAC闪速型电流舵型•ADC•DAC变换及其应用Z变换基本定义Z离散信号的复频域表示方法变换性质与定理Z线性性、时移性、终值定理等离散系统传递函数域内的系统特性描述Z域稳定性分析Z极点位置与系统稳定性关系变换是分析离散控制系统的基础数学工具，它将时域的差分方程转换为域的代数方Z Z程，大大简化了系统分析过程通过变换可以方便地研究离散系统的稳定性、暂态响Z应和稳态性能，为数字控制器的设计提供理论基础离散控制系统分析应用频度计算复杂度数字控制算法设计数字控制器状态反馈控制最优控制算法PID将连续控制器离散化，采用差分方基于状态空间模型的现代控制方法，通以某种性能指标为优化目标的控制方PID程实现包括位置式和增量式两过反馈所有状态变量实现系统性能的改法，如线性二次型最优控制，能够PID PIDLQR种形式，后者具有更好的抗积分饱和能善，具有很强的设计灵活性在多个性能要求间取得最佳平衡力计算机控制系统实现计算机控制系统的实现涉及硬件和软件的协同设计实时操作系统保证控制算法的及时执行，通信接口实现系统间的数据交换，人机界面提供友好的操作环境，故障诊断功能提高系统的可靠性和安全性这些技术的综合应用确保了控制系统的稳定运行第三部分机械工程控制基础1机械系统建模建立机械系统的数学模型，描述系统的动态特性和控制特性2执行机构与传感器机械控制系统的硬件基础，实现控制信号的执行和状态信息的反馈3机械控制系统设计综合考虑机械特性和控制要求，设计满足性能指标的控制系统4典型机械控制应用在具体机械设备中的控制系统应用实例和经验总结机械系统建模机械结构动力学模型电机与执行器模型摩擦与非线性因素建立描述机械系统运动规建立电机和执行器的数学考虑机械系统中的摩擦、律的微分方程，考虑质模型，包括电气特性和机间隙、饱和等非线性因量、阻尼、刚度等参数的械特性，分析转矩速度关素，建立更精确的系统模-影响，为控制系统设计提系和动态响应特性型，提高控制精度供被控对象模型机电耦合系统建模综合考虑机械和电气子系统的相互作用，建立机电一体化系统的统一数学模型执行机构基础电机控制技术液压气动执行机构直流电机具有调速性能好、控制简单的特点，适用于高精度液压系统具有功率密度大、响应速度快的优点，适用于大力位置控制步进电机能够实现精确的角度控制，无需反馈即矩、高精度的控制场合气动系统结构简单、维护方便，适可开环运行伺服电机结合编码器反馈，实现高精度、高响用于快速动作和定位控制两者都需要相应的控制阀件实现应的闭环控制精确控制直流电机调速液压伺服阀控制•PWM•步进电机细分驱动比例气动阀控制••伺服电机矢量控制电液位置控制••传感器技术位置与位移传感器速度与加速度传感器力与扭矩传感器编码器、解算器、等传感器用于测速发电机、磁电式传感器、加速度应变片式力传感器、扭矩传感器用于LVDT精确测量机械系统的位置和位移信计等用于测量机械系统的运动状态测量机械系统的受力状态在力控制息光电编码器提供高分辨率的角度速度传感器为速度控制环提供反馈信和力矩控制应用中发挥关键作用，实反馈，磁栅尺实现直线位移的精确测号，加速度传感器用于振动监测和动现恒力加工、力矩限制等功能，提高量，为闭环控制提供准确的位置信态性能分析，保证系统的稳定运行加工质量和设备安全性息机械控制系统设计控制系统需求分析控制器类型选择明确控制目标、性能指标和约束条根据系统特性和性能要求选择合适的件，分析被控对象的特性和环境因素控制器类型，如、状态反馈或智PID的影响能控制器参数整定方法系统性能评价采用理论计算、仿真优化或实验整定通过仿真验证和实际测试评价系统性等方法确定控制器参数，获得最佳控能，确保设计满足预期要求制性能典型机械控制应用案例数控机床控制系统机器人控制系统车辆控制系统集成位置控制、速度控制和主轴控制的多关节机器人的运动学和动力学控制，汽车动力系统、制动系统和转向系统的多轴协调控制系统，实现高精度零件加实现精确的末端执行器定位采用逆运电子控制，提高车辆的安全性、舒适性工采用插补算法实现复杂轨迹控制，动学算法进行轨迹规划，通过力控制实和燃油经济性包括发动机管理系统、通过自适应控制提高加工效率和质量现柔顺操作和安全人机交互防抱死制动系统和电子稳定程序等第四部分控制工程综合应用先进控制策略现代控制理论的工程应用网络控制系统基于网络通信的分布式控制智能控制方法人工智能在控制中的应用系统集成技术硬件软件的综合集成方案系统集成技术硬件集成方案控制器、传感器、执行器等硬件设备的选型配置和接口设计•设备选型与配置•接口设计与连接•电气安全与防护软件集成架构控制软件、监控软件、数据库系统的整体架构设计和功能分配•软件架构设计•模块化程序设计•实时性能优化数据采集与处理多通道数据采集、信号预处理、数据存储和历史数据管理•多通道同步采集•信号滤波与校准•数据库管理系统系统集成测试与验证集成测试方案制定、功能验证、性能测试和可靠性评估•功能测试验证•性能指标测试•可靠性评估智能控制方法模糊控制原理与应用神经网络控制基于模糊逻辑的控制方法人工神经网络在控制中的应用模糊集合理论神经网络结构••模糊推理机制学习算法设计••模糊控制器设计自适应控制实现••进化算法优化控制专家系统在控制中的应用遗传算法等进化计算方法基于知识的智能控制系统遗传算法原理知识表示方法••参数优化方法推理引擎设计••控制器进化设计专家控制策略••网络控制系统网络控制系统结构基于通信网络连接控制器、传感器和执行器的分布式控制系统网络拓扑结构包括总线型、星型和环型，每种结构都有其适用的场合和特点网络传输延迟与丢包网络通信中不可避免的延迟和数据包丢失问题对控制系统性能产生重要影响需要通过预测控制、缓冲机制和冗余传输等方法减小影响网络控制算法设计针对网络环境特点设计的控制算法，考虑时延补偿、丢包处理和网络调度等因素，保证网络控制系统的稳定性和性能网络控制系统稳定性分析分析网络延迟、丢包等因素对系统稳定性的影响，建立稳定性判据，为网络控制系统的设计和参数选择提供理论依据先进控制策略10∞预测控制时域控制性能H∞模型预测控制的典型预测时域长度鲁棒控制理论的性能指标符号

0.1自适应控制收敛率典型自适应控制系统的参数收敛速率先进控制策略代表了现代控制理论的发展方向模型预测控制通过预测未来状态优化当前控制输入，适用于多变量约束系统鲁棒控制处理模型不确定性问题，保证系统在参数变化时的稳定性自适应控制能够在线调整控制器参数，适应系统特性的变化控制理论提供了处理外部干扰和模型不确定性的统一框架H∞第五部分实验与实践工程实践案例真实工程项目的经验总结控制系统实验平台专业实验设备与测试环境计算机辅助控制系统设计工具与设计自动化CAD控制系统仿真技术理论验证与性能预测控制系统仿真技术仿真平台仿真建模与验证MATLAB/Simulink提供强大的数值计算和控制系统分析功能，建立被控对象的数学模型，设计控制器并进行仿真验证通MATLAB提供图形化建模环境通过丰富的工具箱支持线性过时域和频域分析验证控制系统的稳定性和性能指标，为实Simulink和非线性系统仿真，实现从建模到控制器设计的完整流程际系统设计提供理论依据和参数优化系统建模方法••Control SystemToolbox参数辨识技术••Simulink ControlDesign模型验证方法••Robust ControlToolbox计算机辅助控制系统设计控制系统工具控制器参数优化系统性能分析工具CAD专业的控制系统设计软利用优化算法自动调整控频域分析、时域分析、稳件，如LabVIEW、制器参数，实现多目标优定性分析等专业分析工SCADA系统、PLC编程化设计，平衡系统的稳定具，帮助工程师快速评估软件等，提供图形化设计性、快速性和准确性要求系统性能和设计质量界面和丰富的功能模块设计自动化与验证自动化设计流程和验证方法，提高设计效率，减少人为错误，确保设计方案的可靠性和正确性控制系统实验平台基础控制实验设备综合控制实验平台包括模拟控制实验箱、数字集成多种被控对象的综合实控制实验台、控制器调验平台，如温度控制、液位PID试装置等基础设备学生通控制、转速控制等平台支过这些设备学习控制理论的持多种控制算法的实现和比基本概念，掌握控制器设计较，培养学生的综合应用能和调试的基本方法，建立理力和创新思维论与实践的联系专业控制实验系统面向特定应用领域的专业实验系统，如机器人控制实验台、数控机床仿真平台、过程控制实验装置等这些系统接近工业实际，培养学生的工程实践能力工程实践案例分析工程实践案例涵盖了控制工程在各个领域的应用工业过程控制关注大型生产过程的自动化，运动控制系统实现精密机械的准确定位，嵌入式控制系统广泛应用于消费电子和汽车工业，多变量控制系统处理复杂的多输入多输出问题这些案例为学生提供了宝贵的工程经验和实践指导第六部分前沿研究方向1智能控制与人工智能人工智能技术在控制系统中的深度融合应用2多智能体控制系统分布式智能系统的协同控制理论与方法3复杂系统建模与控制非线性、时变、不确定复杂系统的建模与控制4控制理论新进展量子控制、随机控制等新兴控制理论智能控制与人工智能深度强化学习控制结合深度神经网络和强化学习的智能控制方法•Q学习与策略梯度•深度确定性策略梯度•演员-评论家算法数据驱动控制方法基于大数据和机器学习的控制器设计方法•无模型控制算法•在线学习与自适应•预测控制优化智能控制器设计集成人工智能算法的新型控制器架构•神经网络控制器•模糊神经网络•进化控制算法认知控制系统具有学习、推理和决策能力的智能控制系统•认知架构设计•知识表示与推理•自主决策机制多智能体控制系统分布式协同控制无人系统集群控制多个智能体之间的协调与合作，实现无人机、无人车等无人系统的集群协集体目标的分布式控制算法设计同控制，实现复杂任务的协作完成分布式优化与控制多智能体一致性在网络约束下的分布式优化算法，实研究多智能体系统达成状态一致的条现全局最优的控制策略件和算法，保证系统的协调性复杂系统建模与控制非线性系统时滞系统不确定系统混杂系统其他系统控制理论新进展随机控制理论处理随机干扰和不确定性的控制理论，包括随机最优控制、马尔可夫决策过程等方法，为复杂随机环境下的控制系统设计提供理论支撑量子控制系统基于量子力学原理的控制系统，研究量子态的操控和量子信息处理，在量子计算和量子通信领域具有重要应用前景生物启发控制方法模仿生物系统的控制机制，如神经网络、免疫系统、群体智能等，开发新的控制算法和优化方法，提高控制系统的适应性和鲁棒性第七部分培养方案与教学科研与创新能力培养实验教学与工程训练鼓励学生参与科研项目和学科竞教学资源与课程体系强化实践教学环节，通过基础实赛，培养创新思维和科研能力，提东北大学控制工程专业培丰富的教学资源配置，包括核心课验、综合实验和工程训练培养学生升综合素质和竞争力养程设置、实验教学平台、在线学习的动手能力和工程素养系统化的专业人才培养体系，涵盖资源等，构建完善的知识传授体控制理论、工程实践和创新能力培系养的完整方案，注重理论与实践相结合东北大学控制工程专业培养学院专业设置培养方案特色东北大学控制工程学院设有自动化、电气工程及其自动化、以工程应用为导向，强调理论与实践相结合的培养模式课机械工程等多个相关专业各专业相互支撑，形成完整的控程设置覆盖控制理论基础、工程技术应用和前沿研究方向，制工程学科群，为学生提供广阔的学习和发展空间培养具有创新精神和实践能力的高级工程技术人才理论基础扎实•自动化专业方向•实践能力突出•电气工程自动化•创新意识强烈•机械工程控制•。