《控制工程基础》课件第一章绪论.ppt

1、第一章第一章 绪论绪论第三章第三章 控制系统的时域响应分析方法控制系统的时域响应分析方法第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型第四章第四章 控制系统的根轨迹法控制系统的根轨迹法第五章第五章 控制系统的频域分析方法控制系统的频域分析方法第六章第六章 控制系统的综合与校正方法控制系统的综合与校正方法第七章第七章 线性离散系统分析方法线性离散系统分析方法1.1 1.1 自动控制的基本概念自动控制的基本概念1.2 1.2 控制理论的发展及其在机械制造控制理论的发展及其在机械制造 业中的应用业中的应用1.31.3 自动控制的基本要求及课程任务自动控制的基本要求及课程任务1.1 自动控制的基本

2、概念自动控制的基本概念一、自动控制系统及其组成一、自动控制系统及其组成二、自动控制系统的分类二、自动控制系统的分类一、一、自动控制系统及其组成自动控制系统及其组成 自动控制自动控制是指在没有人直接参与的情况是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为下，利用外加的设备或装置（称为控制装置控制装置或或控制器控制器），使机器、设备或生产过程（统），使机器、设备或生产过程（统称称被控对象被控对象）的某个工作状态或参数（即）的某个工作状态或参数（即被被控量控量）自动地按照预定的规律运行。）自动地按照预定的规律运行。如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶

3、 及飞机自动驾驶、导弹制导等。及飞机自动驾驶、导弹制导等。l 恒温箱工作原理恒温箱工作原理加热电阻丝加热电阻丝220V调压器调压器人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱 温度计温度计人工控制恒温箱调节过程：人工控制恒温箱调节过程：观测恒温箱内的温度（被控制量）观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度 偏差的大小和方向偏差的大小和方向 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度回复到要求值。阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。人工控制过

4、程的实质：检测偏差再纠正偏差。大脑大脑手手调压器调压器恒温箱恒温箱眼睛眼睛实际实际温度温度期望期望温度温度人工控制恒温箱系统功能框图人工控制恒温箱系统功能框图温度计温度计加热电阻丝加热电阻丝220V调压器调压器热电偶热电偶给定信号给定信号比较比较电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器执行执行电动机电动机减速器减速器u2u1+u恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电压恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度给定，并与实际温度 u2比较得到温

5、度偏差信号比较得到温度偏差信号 uu1 u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差止，此时，偏差 u0，电机停止转动。，电机停止转动。给定给定信号信号电压电压功率功率放大器放大器控制控制电机电机减减速速器器调调压压器器恒温箱恒温箱(控制控制对象对象)热电偶热电偶 u1u2 uuanvu温度温度t(被控量

6、被控量)扰动扰动恒温箱自动控制系统功能框图恒温箱自动控制系统功能框图从恒温箱控制系统功能框图可见：从恒温箱控制系统功能框图可见：给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。（给定信号与返回的输出信号之差）信号。用偏差信号产生

7、控制调节作用去消除偏差，使用偏差信号产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。得输出量维持期望的输出。由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差的偏差反馈控制系统反馈控制系统。反馈控制系统具备测反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。其控制方式称之量、比较和执行三个基本功能。其控制方式称之为为反馈控制反馈控制“检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差”。注意：反馈控制系统中，

8、反馈信号是与给定信号注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为相减，使偏差越来越小，称为负反馈负反馈。负反馈控。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。制是实现自动控制最基本的方法。二、自动控制系统的分类二、自动控制系统的分类实际的控制系统根据有无反馈作用可分为：实际的控制系统根据有无反馈作用可分为：开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统根据输入与输出信号的数量可分为：根据输入与输出信号的数量可分为：单输入单输出单输入单输出系统系统 多输入多输出多输入多输出系统系统 开环控制系统开环控制系统 系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和系统仅受输入量和扰动量控制；输

9、出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。制过程中对系统的控制不产生任何影响。控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量开环控制系统框图开环控制系统框图优点优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件简单、稳定、可靠。若组成系统的元件 特性和参数值比较稳定，且外界干扰较特性和参数值比较稳定，且外界干扰较 小，开环控制能够保持一定的精度。小，开环控制能够保持一定的精度。缺点：缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力精度通常较低、无自动纠偏能力 闭环控制系统闭环控制系统 输出端和输入端之间存在反馈回路，输出输出端和

10、输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。反馈，减少偏差。控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量测量元件测量元件闭环控制系统框图闭环控制系统框图反馈量反馈量优点：优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不精度高，对外部扰动和系统参数变化不 敏感。敏感。缺点：缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。能分析和设计麻烦。闭环控制系统的基本组成闭环控制系统的基本组成控制工程主要研究闭环控制系统，其组成：控制工程主要研究闭环控制系统，其组成：给定元件：产生

11、给定信号或输入信号。给定元件：产生给定信号或输入信号。反馈元件：测量被控量，产生主反馈信号。反馈元件：测量被控量，产生主反馈信号。被控对象：控制系统所要操纵的对象。被控对象：控制系统所要操纵的对象。闭环控制系统的基本组成闭环控制系统的基本组成 比较比较元件：用来比较输入信号和反馈信号的偏差。元件：用来比较输入信号和反馈信号的偏差。放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大。放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大。执行元件：直接对被控对象进行操作的元件。执行元件：直接对被控对象进行操作的元件。反馈校正元件：用以稳定控制系统，提高性能。反馈校正元件：用以稳定控制系统，提高性能。又称单变量系统，

12、是指从系统外部变量来又称单变量系统，是指从系统外部变量来描述，系统只有一个输入量和一个输出量，而描述，系统只有一个输入量和一个输出量，而不考虑系统内部的通道与结构。不考虑系统内部的通道与结构。单输入单输出系统是经典控制理论的主单输入单输出系统是经典控制理论的主要研究对象，它以传递函数作为基本数学工要研究对象，它以传递函数作为基本数学工具，讨论线性定常系统的分析和设计问题，具，讨论线性定常系统的分析和设计问题，也是本课程讲述的主要内容。也是本课程讲述的主要内容。单输入单输出单输入单输出系统系统 又称多变量系统，是指具有多个输入量和又称多变量系统，是指具有多个输入量和多个输出量的系统。一般来说，当

13、系统输入或多个输出量的系统。一般来说，当系统输入或输出多于一个时，就成为多变量系统。输出多于一个时，就成为多变量系统。多变量系统是现代控制理论主要研究的多变量系统是现代控制理论主要研究的对象。在数学上以状态空间法为基础，讨论对象。在数学上以状态空间法为基础，讨论多变量、变参数、非线性、高精度、高效能多变量、变参数、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计。等控制系统的分析和设计。多输入多输出多输入多输出系统系统l 时时间间刻刻度度浮子浮子铜壶滴漏铜壶滴漏 l 公元公元1788年，英国人年，英国人J.Watt用用离心式调速器离心式调速器 控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。控制蒸汽机

14、的速度，由此产生了第一次工业革命。l 18841884年：年：E.J.Routh提出劳斯稳定性判据。提出劳斯稳定性判据。l 18951895年：年：A.Hurwitz提出赫尔维茨稳定性判据。提出赫尔维茨稳定性判据。l 19321932年：年：H.Nyquist提出乃奎斯特稳定性判据。提出乃奎斯特稳定性判据。l 18921892年：年：A.M.Lyapunov提出李雅普诺夫稳定提出李雅普诺夫稳定 性理论。性理论。l 19451945年：年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设提出反馈放大器的一般设计方法计方法l 18681868年：年：J.C.Maxwell发表发表调速器调速器，提出反馈控制的

15、概念及稳定性条件。提出反馈控制的概念及稳定性条件。l 19481948年：年：N.Wiener发表发表控制论控制论，标志经典，标志经典 控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数 为基础，主要研究单输入为基础，主要研究单输入单输出（单输出（SISO）系）系 统的分析和控制问题；统的分析和控制问题；维纳维纳（Wiener,N.Wiener,N.，18941894 19641964），MIT教授，教授，控制控制论的奠基人，美国科学家论的奠基人，美国科学家曾于曾于1936年到清华大学任年到清华大学任访问教授。控制论之父。访问教授。控制论之父。l 19501950

16、年：年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充提出根轨迹法，进一步充 实了经典控制论；实了经典控制论；l 19541954年：年：钱学森钱学森 “工程控制论是关于工程技术领工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和自动调节的域各个系统自动控制和自动调节的理论。维纳博士理论。维纳博士4040年代提示了控制年代提示了控制论的基本思想后，不少工程师和数论的基本思想后，不少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座理论学博士曾努力寻找通往这座理论顶峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，顶峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，解决具体问题，不善于上升到理论高度；数学家解决具体问题，不善于上升到理论

17、高度；数学家则擅长于理论分析，却不善于从一般到个别去解则擅长于理论分析，却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则集中两者优势于一身，高决实际问题。钱学森则集中两者优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，碾出了工程控超地将两只轮子装到一辆战车上，碾出了工程控制论研究的一条新途径。制论研究的一条新途径。”l 5050年代末年代末6060年代初：现代控制年代初：现代控制理论形成；现代控制理论以状态理论形成；现代控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研究空间法为基础，主要分析和研究多输入多输入-多输出多输出(MIMO)、时变、时变、非线性等系统的最优控制、最优非线性等系统的最优控制、最优滤波、

18、系统辨识、自适应控制、滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等问题；控制理论研究智能控制等问题；控制理论研究的重点开始由频域移到从本质上的重点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空间方法。说是时域的状态空间方法。l 1956年：年：庞特里亚金（庞特里亚金（，.）提出极大值原理提出极大值原理l 1957年：年：R.I.Bellman提出动态规划理论提出动态规划理论l 1960年：年：R.E.Kalman提出卡尔曼滤波理论提出卡尔曼滤波理论l 19601980年：确定性系统的最优控制、随机年：确定性系统的最优控制、随机 系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习

19、 控制控制l 1980迄今迄今：鲁棒控制、：鲁棒控制、H 控制、非线性控制、控制、非线性控制、智能控制等智能控制等 接着短短的几十年里，在各国科学家接着短短的几十年里，在各国科学家和科学技术人员的努力下，又相继出现了和科学技术人员的努力下，又相继出现了生物控制论，经济控制论和社会控制论等，生物控制论，经济控制论和社会控制论等，控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着其它科学技术的发展，极大地改变了整个其它科学技术的发展，极大地改变了整个世界。控制理论自身也在创造人类文明中世界。控制理论自身也在创造人类文明中不断向前发展。不断向前发展。神 州 五 号、六 号、七

20、号、八 号 载 人 航 天 成 功神 州 五 号、六 号、七 号、八 号 载 人 航 天 成 功（中国，（中国，20032003年年）勇气号、机遇号火星探测器（美国，勇气号、机遇号火星探测器（美国，20042004年）年）坦普尔坦普尔1 1号彗星深度撞击（美国，号彗星深度撞击（美国，20052005年）年）嫦娥一号（嫦娥一号（2007年，中国）年，中国）导弹击中卫星（中国，导弹击中卫星（中国，2007年；年；美国，美国，2008年）年）好奇者号好奇者号Curiosity（美国，美国，2012年）年）天鹅号航天飞机天鹅号航天飞机Cygnus（美国，美国，2014年）年）“作为技术科学的控制论，对

21、工程作为技术科学的控制论，对工程技术、生物和生命现象的研究和经济科学，技术、生物和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研究都有深刻的意义，比起相以及对社会研究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社会的作用有过之无不对论和量子论对社会的作用有过之无不及我们可以毫不含糊地说从科学理论的及我们可以毫不含糊地说从科学理论的角度来看，二十世纪上半叶的三大伟绩是角度来看，二十世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也许可以称它相对论、量子论和控制论，也许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃。的三大飞跃。”钱学森钱学森 机电工业是我国最重要的支柱产

22、业之一机电工业是我国最重要的支柱产业之一 ，而，而传统的机电产品正在向机电一体化（传统的机电产品正在向机电一体化（MechatronicsMechatronics）方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化。制自动化。机电控制型产品技术含量高，附加值大，在国机电控制型产品技术含量高，附加值大，在国内外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化内外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化产品发展的主流。当前国内外机电结合型产品，诸产品发展的主流。当前国内外机电结合型产品，诸如典型的工业机器人，数控机床，自动导引车等都如典型的工业机器人，数控机床

23、，自动导引车等都广泛地应用了控制理论。广泛地应用了控制理论。机器人关节伺服系统机器人关节伺服系统工业机器人工业机器人奇瑞汽车生产线奇瑞汽车生产线6262台工业焊接机器人台工业焊接机器人数控机床数控机床自动导引车（自动导引车（AGVAGV）柔性制造系统（柔性制造系统（FMSFMS）对控制系统的基本要求：稳、准、快。对控制系统的基本要求：稳、准、快。l 稳定性稳定性 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。输出能随时间的增长收敛并回到

24、初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。这里讨论的控制系统稳定性由系统结构所这里讨论的控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。决定，与外界因素无关。l 精（准）确性精（准）确性 控制精度，主要以稳态误差来衡量。控制精度，主要以稳态误差来衡量。稳态误差稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋：系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的差值。之间的差值。l 快速性快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表

25、征系统的动态性能。差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。注意：注意：不同性质的控制系统，对稳定性、精确性不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。和快速性要求各有侧重。系统的稳定性、精确性、快速性相互制系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。约，应根据实际需求合理选择。本课程的学习任务：本课程的学习任务：(1)(1)掌握机电反馈控制系统的基本概念，其中包掌握机电反馈控制系统的基本概念，其中包括机电反馈控制系统的基本原理、机电反馈控括机电反馈控制系统的基本原理、机电反馈控制系统基本组成、开环控制、闭环控制等；制系统基本组成、开环控制、闭环控制等；(2)(2

26、)掌握建立机电系统动力学模型的方法；掌握建立机电系统动力学模型的方法；(3)(3)掌握机电系统的时域分析方法；掌握机电系统的时域分析方法；(4)(4)掌握机电系统的频域分析方法；掌握机电系统的频域分析方法；(5)(5)掌握模拟机电控制系统的分析及设计综合方掌握模拟机电控制系统的分析及设计综合方法。法。主要教材：主要教材：控制工程基础控制工程基础张磊、王荣林、张磊、王荣林、冯钧、张建化、肖理庆编著冯钧、张建化、肖理庆编著西安电子科技大学出版社，西安电子科技大学出版社，20162016年年主要教材：主要教材：控制工程基础控制工程基础(第三版第三版)董景新、赵长德、董景新、赵长德、郭美凤、陈志勇、李冬梅编著郭美凤、陈志勇、李冬梅编著清华大学出版社，清华大学出版社，20092009年年主要参考文献：主要参考文献：主要参考文献：主要参考文献：主要教材：主要教材：机械工程控制基础机械工程控制基础(第第六版六版)杨叔子、杨克冲、编著杨叔子、杨克冲、编著华中科技大学出版社，华中科技大学出版社，20112011年年谢谢谢谢！