1、自动控制技术自动控制技术任课教师：谭彧任课教师：谭彧 毛恩荣毛恩荣u本课程安排本课程安排u参考教材参考教材u机械工程控制基础机械工程控制基础 杨叔子等编著杨叔子等编著 u自动控制理论自动控制理论 胡寿松等胡寿松等编著编著学时液压控制技术学时经典控制理论学时84223嫦娥三号近月轨道示意图嫦娥三号近月轨道示意图1.0 控制理论控制理论应用应用(Application of Control Theofy)1.0.1 应用实例应用实例1、嫦娥嫦娥三三号号嫦娥三号软着陆过程示意图嫦娥三号软着陆过程示意图6个阶段的最优控制策略个阶段的最优控制策略？（1 1）着陆准备轨道：）着陆准备轨道：着陆准备轨道的近
2、月点是15KM，远月点是100KM。近月点在月心坐标系的位置和软着陆轨道形态共同决定了着陆点的位置。（2 2）主减速段：）主减速段：主减速段的区间是距离月面15km到3km。该阶段的主要是减速，实现到距离月面3公里处嫦娥三号的速度降到57m/s。（3 3）快速调整段：）快速调整段：快速调整段的主要是调整探测器姿态，需要从距离月面3km到 2.4km处将水平速度减为0m/s，即使主减速发动机的推力竖直向下，之后进入粗避障阶段。（4）粗避障段：）粗避障段：粗避障段的范围是距离月面2.4km到100m区间，其主要是要求避开大的陨石坑，实现在设计着陆点上方100m处悬停，并初步确定落月地点。 （5）精
3、避障段：）精避障段：精细避障段的区间是距离月面100m到30m。（6）缓速下降阶段：）缓速下降阶段：缓速下降阶段的区间是距离月面30m到4m。该阶段的主要任务控制着陆器在距离月面4m处的速度为0m/s，即实现在距离月面4m处相对月面静止，之后关闭发动机，使嫦娥三号自由落体到精确有落月点。距离月面距离月面100m处的数字高程图处的数字高程图距月面距月面2400m处的数字高程图处的数字高程图2、航空喷药、航空喷药Automatic spraying aircraft飞行路径如何控制？喷药量如何控制？飞行路径如何控制？喷药量如何控制？3、汽车巡航定速、汽车巡航定速车速如何保持不变？车速如何保持不变？
4、4、拖拉机导航控制、拖拉机导航控制拖拉机如何按照直拖拉机如何按照直线行驶，实现耕作？线行驶，实现耕作？1 1、军事、航天、军事、航天领域领域 火炮跟踪系统火炮跟踪系统我国神舟载人宇宙飞船我国神舟载人宇宙飞船人造卫星人造卫星雷达跟踪系统雷达跟踪系统2、工业、工业领域领域 产品加工和物流调配的自动控制；石油化工生产过程、产品加工和物流调配的自动控制；石油化工生产过程、造纸、工业窑炉、轧钢过程的自动控制等。造纸、工业窑炉、轧钢过程的自动控制等。 宝钢冷轧带钢监测系统宝钢冷轧带钢监测系统机械手机械手3 3、农业生产、农业生产领域领域自动灌溉系统自动灌溉系统植物温室温度和湿度自动控制系统植物温室温度和湿
5、度自动控制系统4、商业、商业领域领域商业商业设备、仓储自动化设备与系统、物流监控设备、仓储自动化设备与系统、物流监控管理。管理。自动送货车自动送货车 5、日常生活日常生活机器狗机器狗电冰箱电冰箱空调空调u人工控制方式人工控制方式测量实际液面的测量实际液面的高度高度-用眼用眼实际液面高度与希望液面高度实际液面高度与希望液面高度相比较相比较-用脑用脑按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作动作-用手用手1 1、液位控制系统液位控制系统手动控制靠人的观测与操作手动控制靠人的观测与操作1.0.3 应用实例分析应用实例分析人工人工控制中有三种职能作用：
6、测量、比较和执行，而在自动控制中有三种职能作用：测量、比较和执行，而在自动控制系统中也必须有这三控制系统中也必须有这三种。种。自动控制系统自动检测水位与控制阀门自动控制系统自动检测水位与控制阀门2. 工作机构位置自动控制系统工作机构位置自动控制系统 3.汽车控制系统汽车控制系统驾车人驾车人驾驶机构驾驶机构汽车汽车实际速度实际速度预期速度预期速度（电压）（电压）视觉视觉触觉触觉_+预期行驶方向预期行驶方向实际行驶方向实际行驶方向4.转台控制系统转台控制系统放大器放大器直流电机直流电机转台转台实际速度实际速度预期速度预期速度（电压）（电压）放大器放大器直流电机直流电机转台转台实际速度实际速度预期速
7、度预期速度（电压）（电压）转速计转速计_+蒸汽机蒸汽机Mn离心机构离心机构比较机构比较机构转换机构转换机构阀门阀门蒸汽量蒸汽量5.蒸汽机转速控制系统蒸汽机转速控制系统 自动控制理论研究的是工程技术中的广义系统自动控制理论研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件（即输入或激励，包括外加控制在一定的外界条件（即输入或激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定初始的状态出与外加干扰）作用下，从系统的一定初始的状态出发，所经历的由其内部的固有特性（即由系统的结发，所经历的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程。构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程。
8、系统、输入、输出三者之间的关系。系统、输入、输出三者之间的关系。1.1课程课程研究对象与任务研究对象与任务例例 小车运动系统小车运动系统以以f(t)作为输入作为输入 00)0(,)0()()()()(yyyytftkytyctym 00)0(,)0()()()()()(yyyytkxtxctkytyctym 以以x(t)作为输入作为输入ump2+cp+k 为方程左边的算子，它由系统本为方程左边的算子，它由系统本身的结构与参数所决定，反映了与外界无关的系统身的结构与参数所决定，反映了与外界无关的系统本身的固有特性。本身的固有特性。u1和和cp+k 分别为两个方程的右边的算子，反映分别为两个方程的
9、右边的算子，反映了系统与外界的关系。了系统与外界的关系。 )()()()()()()(22txkcptykcpmptftykcpmp令令p=d/dt 则则一般线性系统，可用高阶微分方程表示：一般线性系统，可用高阶微分方程表示： ) 1(0) 1(001) 1(1)(01) 1(1)() 0(,.,) 0(, 0) 0(.nnmmmmnnnnyyyyyyxbxbxbxbyayayaya左边算子反映了系统本身的固有特性；左边算子反映了系统本身的固有特性；右边算子反映了系统与外界之间的关系；右边算子反映了系统与外界之间的关系；y(t)为系统的输出；为系统的输出；x(t)为系统的输入。为系统的输入。特
10、别指出特别指出u系统的初始状态也可视为一种特殊的输入，系统的初始状态也可视为一种特殊的输入，即即“初始输初始输入入”或或“初始激励初始激励”。u输入的结果就是改变系统的状态，并使系统的状态不断输入的结果就是改变系统的状态，并使系统的状态不断改变，这是力学中所讲的改变，这是力学中所讲的强迫运动强迫运动；u当系统的初始状态不为零时，即使无输入，系统的状态当系统的初始状态不为零时，即使无输入，系统的状态也会不断改变，这是力学中所讲的也会不断改变，这是力学中所讲的自由运动自由运动。u所谓系统的状态为零，就是指系统处于所谓系统的状态为零，就是指系统处于平衡位置平衡位置。 系统及其输入、输出三者之间的动态
11、关系，归纳系统及其输入、输出三者之间的动态关系，归纳有五个方面：有五个方面：1 已知系统已知系统,输入输入,求系统的输出求系统的输出,即系统分析问题。即系统分析问题。2 已知系统已知系统,确定输入确定输入,即最优控制问题。即最优控制问题。3 已知输入已知输入,确定系统确定系统,即最优设计问题。即最优设计问题。4 已知输出已知输出,确定系统确定系统,即滤波与预测问题。即滤波与预测问题。5 已知输入和输出已知输入和输出,求出系统的结构与参数，即系求出系统的结构与参数，即系统识别或系统辨识问题。统识别或系统辨识问题。1.2 系统及其模型系统及其模型1、系统系统 将有关的部分联系起来，作为一个有机的整
12、体加以考察、将有关的部分联系起来，作为一个有机的整体加以考察、分析与处理，这个有机的整体称为分析与处理，这个有机的整体称为“系统系统”。 组成系统的各个部分，可以是元件，也可以是下一级的系组成系统的各个部分，可以是元件，也可以是下一级的系统，后者称为统，后者称为“子系统子系统”；而整个系统又可以是上一层系统；而整个系统又可以是上一层系统的子系统。的子系统。必须注意，一个系统的特性并不能看成是组成它的元件或子必须注意，一个系统的特性并不能看成是组成它的元件或子系统的特性的简单的总和。系统的特性的简单的总和。2、机械系统、机械系统u以以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一实现一定的机械
13、运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。u机械系统输入机械系统输入与输出，又分别称为与输出，又分别称为“激励激励”与与“响应响应”。 u模型使人们研究系统、认识系统与描述系统的一种工具。模型使人们研究系统、认识系统与描述系统的一种工具。u这里所说的这里所说的“模型模型”是指一种用数学方法描述的抽象的理是指一种用数学方法描述的抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其外论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其外部环境之间的关系，故又称为部环境之间的关系，故又称为“数学模型数学模型”。 3、 静态模
14、型和动态模型静态模型和动态模型)()()()()0 , 0(,|)0 , 0(,|)0 , 0(.|),(|),()0 , 0(),()()()()(00000000tFtkxtxctxmxckxNfcxfkxfxxxxfxxxxffNxxftNtNtFtxmxxxxxxxx 为恒力记以以地基振动位移地基振动位移y(t)为激励，以机器振动位移为激励，以机器振动位移x(t)为响应，得为响应，得)()()()()()()()()()(tkytyctkxtxctxmtxmtxtyktxtyc n上述都是动态模型，当系统运动很慢时，有上述都是动态模型，当系统运动很慢时，有 于是于是, 0, 0 xx
15、ktFtx/ )()(n静态模型静态模型反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统反映系统在恒定载荷或缓变载荷作用下或在系统平衡状态下的特性；平衡状态下的特性；n动态模型则是用于研究系统在迅速变载荷作用下或在系统动态模型则是用于研究系统在迅速变载荷作用下或在系统不平衡状态下的特性。不平衡状态下的特性。1.3 1.3 反馈反馈( (Feedback) )u将系统的输出，部分或全部地返回到输入，称为系统反馈。将系统的输出，部分或全部地返回到输入，称为系统反馈。u系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之所以系统之所以有动态历程，系统及其输入、输出之间之所以有动态关系，就是由于系统本身有着信息的
16、反馈。有动态关系，就是由于系统本身有着信息的反馈。反馈反馈:将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入 信号信号比较的过程，称为反馈。比较的过程，称为反馈。 内内反馈反馈:在系统中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。在系统中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。外外反馈反馈:在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加 入入的反馈，称为外反馈。的反馈，称为外反馈。正反馈正反馈:反馈信号与输入信号相加，使偏差信号增大的反馈。反馈信号与输入信号相加，使偏差信号增大的反馈。负反馈负反馈:反馈信号与输入信号
17、相减，使偏差信号减小的反馈。反馈信号与输入信号相减，使偏差信号减小的反馈。工作台工作台步进电机步进电机驱动电路驱动电路控制命令控制命令移动量移动量（输入）（输入）（输（输出）出）丝杠丝杠工作台工作台步进电机步进电机驱动电路驱动电路控制命令控制命令移动量移动量（输入）（输入）（输（输出）出）丝杠丝杠放大器放大器工作台无反馈控制原理图工作台无反馈控制原理图工作台有反馈控制原理图工作台有反馈控制原理图1、机械工程中的反馈控制、机械工程中的反馈控制2、机械系统的内在反馈、机械系统的内在反馈u系统就是元素按一定规律的集合。即要有元素，而且元系统就是元素按一定规律的集合。即要有元素，而且元素之间按一定规律
18、的联系。素之间按一定规律的联系。u联系的实质就是信息的传输和交换。联系的实质就是信息的传输和交换。u系统之所以表现出处于运动状态之中，就是因为元素之系统之所以表现出处于运动状态之中，就是因为元素之间有着联系，有着信息传输与交换；就是因为反映系统间有着联系，有着信息传输与交换；就是因为反映系统情况的状态变量之间有着联系，有着信息传输与交换。情况的状态变量之间有着联系，有着信息传输与交换。u系统本身信息的反馈就是系统处于运动状态的内因。系统本身信息的反馈就是系统处于运动状态的内因。km1dtdc+)(tf)(tyk22dtdmc1+)(tf)(tyk / 122dtdmdtdc+)(tf)(ty)
19、()()()()()()()()()()()(tkytcytftymtyktymtftyctyctymtftky yyyyy 12,1令令BfAYYmBmcmkAyyYyyYfmyymcmkyy10,10,21,2110211021mfymcymkyyy21221l矩阵矩阵A：表达了系统的结：表达了系统的结构与参数，代表了系统的固构与参数，代表了系统的固有特性。有特性。l矩阵矩阵A的的主对角主对角元素：反元素：反映了状态变量本身的交互作映了状态变量本身的交互作用情况。用情况。l非主对角元素：反映了状非主对角元素：反映了状态变量之间的交互作用情况。态变量之间的交互作用情况。l控制论的中心思想就是
20、反控制论的中心思想就是反馈控制。馈控制。 mc+f2ymk1y2y 1y 系统状态方程框图系统状态方程框图1.4.1、系统的几种分类系统的几种分类1、对、对广义系统可按反馈情况分广义系统可按反馈情况分开环系统开环系统(Open-loop system)：一个系统以所需要：一个系统以所需要的方框图表示而没有反馈回路。的方框图表示而没有反馈回路。1.4 系统分类及基本要求系统分类及基本要求(Classification and basic requirements of Control Theory)电机开环控制系统电机开环控制系统闭环系统闭环系统(Closed-loop system )：一个系
21、统：一个系统以所需要的方框图表示而存在反馈回路。以所需要的方框图表示而存在反馈回路。闭环系统的输出可作为反馈信息来改变有关环节的闭环系统的输出可作为反馈信息来改变有关环节的输入，进而改变输出的本身，以获得高精度的输出，输入，进而改变输出的本身，以获得高精度的输出，所以大量的自动控制系统都采用闭环系统。所以大量的自动控制系统都采用闭环系统。 电机闭环控制系统电机闭环控制系统3、闭环控制系统组成、闭环控制系统组成 u输入环节：它是给出输入信号输入环节：它是给出输入信号 的环节，用于确定被控对象的的环节，用于确定被控对象的“目标值目标值”。u反馈环节：将被控量转换为反馈信号的装置，一般为检测元件。反
22、馈环节：将被控量转换为反馈信号的装置，一般为检测元件。 u比较环节：输入信号与反馈信号进行比较，得到偏差信号比较环节：输入信号与反馈信号进行比较，得到偏差信号， u控制环节：将偏差信号作必要的处理，按照一定的规律放大后，控制环节：将偏差信号作必要的处理，按照一定的规律放大后，给出控制信号。给出控制信号。 u执行环节：接受控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。执行环节：接受控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行。 ixibxxu闭环控制系统的特点闭环控制系统的特点:u利用输入信号与反馈信号的偏差对系统的输出进行控制利用输入信号与反馈信号的偏差对系统的输出进行控制，使被控对象按一定的规律运行
23、。，使被控对象按一定的规律运行。u抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。u由此带来的问题：由此带来的问题：u设计不合理时，将出现设计不合理时，将出现不稳定不稳定。在开环控制系统中不存。在开环控制系统中不存在同样的问题。在同样的问题。u闭环控制系统的工作过程：闭环控制系统的工作过程：u测量被控制量的实际值；测量被控制量的实际值；u将实际值与给定值进行比较，求出偏差的大小与将实际值与给定值进行比较，求出偏差的大小与方向；方向；u根据偏差的大小与方向进行控制以纠正偏差。根据偏差的大小与方向进行控制以纠正偏差。3 对自动控制系统还可按输出变化规律分对自动控制系
24、统还可按输出变化规律分自动调节系统自动调节系统：在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本：在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持为常量的系统。保持为常量的系统。随动（伺服）系统随动（伺服）系统：在外界条件作用下，系统的输出能相：在外界条件作用下，系统的输出能相应于输入在广阔范围内按任意规律变化的系统。应于输入在广阔范围内按任意规律变化的系统。程序控制系统程序控制系统：在外界条件作用下，系统的输出按预定的：在外界条件作用下，系统的输出按预定的程序变化的系统。（数控机床）程序变化的系统。（数控机床） 1.4.2 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求u1、系统的、系统的稳定性稳定性：是控制系统正常
25、工作的首要条：是控制系统正常工作的首要条件，且是重要条件。稳定性是指动态过程的振荡件，且是重要条件。稳定性是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。系统在输入作用系统在输入作用下下，期望期望输出与输入一致。输出与输入一致。曲线曲线逐渐接近逐渐接近输入，输入，系统系统是稳定是稳定的；反之的；反之如如曲线曲线，系统系统是不稳定的。是不稳定的。u2、响应的、响应的快速性快速性：当系统的输出量与给定的输入：当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。快速性即动态过程进行的快速性即动态过程进行的
26、时间长短时间长短。过程时间越短，说明系统。过程时间越短，说明系统快速性越好快速性越好，如曲线如曲线 ；反之反之说明系统响应迟钝，如曲线说明系统响应迟钝，如曲线。u3、响应的、响应的准确性准确性：在过渡过程结束后输出量与给：在过渡过程结束后输出量与给定的输入量的偏差，称为静态偏差或稳定精度定的输入量的偏差，称为静态偏差或稳定精度 。以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。系统的稳、快、准的要求是相互制约
27、的。稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。系统的动态精度高。1.5 机械制造的发展与控制理论的应用机械制造的发展与控制理论的应用1.6 自动控制自动控制理论的发展历程理论的发展历程1 、 经典控制理论（经典控制理论（ 4050年代形成）年代形成）主要研究对象：主要研究对象：单输入单输入单输出线性定常系统单输出线性定常系统主要分析方法主要分析方法: 传递函数，频率法，传递函数，频率法，PID调节器调节器 (频域频域)主要主要数学工具数学工具常微分方程和复变函数。常微分方程和复变函数。经典控制理论经典控制理论现代控制理
28、论现代控制理论智能智能控制理论控制理论2 、现代控制理论（、现代控制理论（ 6070年代形成年代形成）主要主要研究对象：多输入研究对象：多输入多输出系统、时变系统多输出系统、时变系统主要主要分析方法分析方法:3 、智能控制、智能控制技术（技术（ 90年代开始发展年代开始发展） 智能控制智能控制方法在较深层次上模拟人类大脑的思维判断过程方法在较深层次上模拟人类大脑的思维判断过程，通过通过模拟人类思维判断的各种算法实现控制模拟人类思维判断的各种算法实现控制。主要主要有模糊控制、人工神经网络控制、专家控制等。有模糊控制、人工神经网络控制、专家控制等。三种理论应用情况三种理论应用情况由此可见，经典控制
29、理论是基础，它非常有成效地解决单由此可见，经典控制理论是基础，它非常有成效地解决单输入输入单输出线性定常系统的分析与设计，是解决一般工单输出线性定常系统的分析与设计，是解决一般工程问题的基本方法。程问题的基本方法。1.7 “自控原理自控原理”课程的特点和要求课程的特点和要求 u本课程是一门比较抽象的技术基础课。它既不能陷于专本课程是一门比较抽象的技术基础课。它既不能陷于专业技术中，仅研究专业技术问题，但又必须紧密结合专业技术中，仅研究专业技术问题，但又必须紧密结合专业实际，概括工程实践。业实际，概括工程实践。u本课程以数学、物理及有关科学为其理论基础，以机械本课程以数学、物理及有关科学为其理论基础，以机械工程中有关系统动力学为其抽象、概括与研究的对象，工程中有关系统动力学为其抽象、概括与研究的对象，运用信息的传输、处理与反馈进行控制这一正确的思维运用信息的传输、处理与反馈进行控制这一正确的思维方法与观点，在数理基础与专业课程之间架起一道桥梁，方法与观点，在数理基础与专业课程之间架起一道桥梁，将两者紧密结合起来。将两者紧密结合起来。Matlab知识体系知识体系
