1、2023-5-161控制工程基础控制工程基础李艳李艳机械学院机械学院40794079办公室办公室2023-5-1621 1 概述概述l什么是控制，自动控制什么是控制，自动控制l控制理论与应用的发展控制理论与应用的发展l控制系统的基本概念及工作原理控制系统的基本概念及工作原理l控制系统的基本类型及基本组成控制系统的基本类型及基本组成l控制系统的基本要求控制系统的基本要求l本课程主要内容及安排本课程主要内容及安排2023-5-1631 1 概述概述l什么是控制？什么是控制？l一般意义下，一般意义下，控制，控制，control，动词，动词：是掌握住对象是掌握住对象,不使任意活动或超出范围；不使任意活
2、动或超出范围；使其按控制者的意愿活动；使其按控制者的意愿活动；必要的时候及时采取矫正措施。必要的时候及时采取矫正措施。2023-5-1641 1 概述概述l什么是控制？什么是控制？l 控制理论意义下，控制理论意义下，控制，控制，cybernetics：为改善对象的性能，要通过获得信息，并使为改善对象的性能，要通过获得信息，并使用信息，对受控对象产生的作用，叫做控制。用信息，对受控对象产生的作用，叫做控制。控制的基础是控制的基础是信息信息和和信息传递信息传递；控制依赖于控制依赖于信息反馈信息反馈来实现。来实现。2023-5-1651 1 概述概述l什么是控制？什么是控制？l信息反馈信息反馈是控制
3、论的一个极其重要的概念；是控制论的一个极其重要的概念；将信息作用到对象系统中，又把其作用将信息作用到对象系统中，又把其作用结果返送结果返送回来；回来；并对信息进行修正，再对对象发生影响，起到控并对信息进行修正，再对对象发生影响，起到控制的作用，以达到预定的目的；制的作用，以达到预定的目的；控制的本质是控制的本质是反馈反馈。反馈，以提高性能。反馈，以提高性能。2023-5-1661 1 概述概述l什么是自动控制？什么是自动控制？在没有人直接参与的情况下；在没有人直接参与的情况下；利用外加的设备或装置利用外加的设备或装置控制装置，控制器控制装置，控制器；使机器，设备或生产过程使机器，设备或生产过程
4、（被控对象被控对象）的的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。行。举例：举例：v化学反应炉的温度或压力自动维持恒定；化学反应炉的温度或压力自动维持恒定；v数控车床按照预定程序自动切削工件；数控车床按照预定程序自动切削工件；v无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行；无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行；v人造卫星准确进入预定轨道运行并回收。人造卫星准确进入预定轨道运行并回收。2023-5-1671 1 概述概述l控制理论与应用的发展控制理论与应用的发展控制论的奠基人，维纳发表控制论的奠基人，维纳发表控制论控制论，并发明名词，并发明名词控制论，控制论
5、，英文英文cybernetics。国际著名学术杂志国际著名学术杂志System,Man and Cybernetics (系统，人与控制论系统，人与控制论)战争战争中自动控制技术的发展；中自动控制技术的发展；20世纪世纪50年代开始，在控制理论的指导下，火炮及年代开始，在控制理论的指导下，火炮及导弹控制技术导弹控制技术极大地发展，数控、电力、冶金自动化极大地发展，数控、电力、冶金自动化技术突飞猛进；技术突飞猛进；在自动控制装备的需求和发展基础上，控制理论在自动控制装备的需求和发展基础上，控制理论不断发展。不断发展。理论与实际应用相互促进。理论与实际应用相互促进。2023-5-1681 1 概述
6、概述l控制理论与应用的发展控制理论与应用的发展l 自动控制理论根据内容和发展的不同阶段，分为自动控制理论根据内容和发展的不同阶段，分为经经典控制理论和现代控制理论典控制理论和现代控制理论。l 经典控制理论研究单输入单输出系统；经典控制理论研究单输入单输出系统；l 现代控制理论研究多输入、多输出、时变参数、分现代控制理论研究多输入、多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等系统。布参数、随机参数、非线性等系统。l 现代控制理论的发展：现代控制理论的发展：最优控制、最优滤波、系统最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制，人工智能控制辨识、自适应控制，人工智能控制等。等。l 智能控制又发展了神经
7、网络，模糊逻辑，进化算法，智能控制又发展了神经网络，模糊逻辑，进化算法，专家系统，鲁棒控制与专家系统，鲁棒控制与 控制等技术。控制等技术。l无论任何一种控制理论或方法，（经典的，现代的，无论任何一种控制理论或方法，（经典的，现代的，传统的，智能的），最基本的还是传统的，智能的），最基本的还是信息反馈信息反馈。2023-5-1691 1 概述概述l控制理论与应用的发展控制理论与应用的发展l 控制理论渗透到各个领域：工程控制论、控制理论渗透到各个领域：工程控制论、生物控制论、经济控制论、社会控制论，并伴生物控制论、经济控制论、社会控制论，并伴随其他科学技术的发展，极大地改变了世界。随其他科学技术的
8、发展，极大地改变了世界。2023-5-1610l控制系统的基本概念及工作原理控制系统的基本概念及工作原理1 1 概述概述l举例举例1 1：人取桌上的书。：人取桌上的书。人用眼睛目测与书的距离；人用眼睛目测与书的距离；人向着书走过去；人向着书走过去；重复上述动作，直到手能碰到书；重复上述动作，直到手能碰到书；人用手将书拿起。人用手将书拿起。2023-5-16111 1 概述概述l控制系统的基本概念及工作原理控制系统的基本概念及工作原理l人取书的控制描述：人取书的控制描述：首先首先测量测量人与书的人与书的初始距离初始距离；根据距离，人根据距离，人决定决定采用的动作是：走近书，减小采用的动作是：走近
9、书，减小人与书的距离；人与书的距离；再测量人与书的距离，再测量人与书的距离，决定决定如何动作：继续走还如何动作：继续走还是用手拿；是用手拿；重复上步，直到手能拿到书；重复上步，直到手能拿到书；拿书。拿书。l这是一个反馈控制系统；这是一个反馈控制系统；2023-5-16121 1 概述概述l控制系统的基本概念及工作原理控制系统的基本概念及工作原理l人取书的反馈控制系统方块图人取书的反馈控制系统方块图2023-5-16131 1 概述概述l控制系统的基本概念及工作原理控制系统的基本概念及工作原理l人取书的反馈控制系统人取书的反馈控制系统1.1.输入量输入量为书的位置为书的位置；2.2.测量元件测量
10、元件是眼睛，测量人与书的距离；是眼睛，测量人与书的距离；3.3.控制器控制器为大脑，决定人的动作；为大脑，决定人的动作；4.4.执行元件执行元件为腿，手臂和手，以完成控制任务；为腿，手臂和手，以完成控制任务；5.5.输出输出（动作结果）为手的位置；（动作结果）为手的位置；6.6.反馈元件反馈元件是眼睛，再次测量人与书的距离；是眼睛，再次测量人与书的距离；7.7.重复重复3-63-6，直到书与手的，直到书与手的距离为零距离为零，即能拿到书；，即能拿到书；8.8.拿书。拿书。2023-5-16141 1 概述概述l控制系统的基本概念及工作原理控制系统的基本概念及工作原理l举例举例2 2：恒温控制系
11、统：恒温控制系统图图1-11-1人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱 通过通过输入电压输入电压，对电，对电阻丝进行加热；阻丝进行加热；通过通过温度计温度计测量箱内测量箱内温度；温度；通过通过人眼观察人眼观察，比较比较测量温度与给定温度；测量温度与给定温度；根据温度根据温度偏差偏差，手动手动调节调压器，使偏差减小，调节调压器，使偏差减小，重复上步，直至偏差为零。重复上步，直至偏差为零。l人工控制恒温箱缺点：系统响应慢，动作误差大，人工控制恒温箱缺点：系统响应慢，动作误差大，过渡时间长。过渡时间长。2023-5-16151 1 概述概述l控制系统的基本概念及工作原理控制系统的基本概念及工作原理l举例举
12、例2 2：恒温自动控制系统图：恒温自动控制系统图1-21-2输入输入测量测量元件元件比较比较电路电路放大放大电路电路执行执行元件元件输出输出电压电压反馈反馈元件元件2023-5-16161 1 概述概述l控制系统的基本概念及工作原理控制系统的基本概念及工作原理l举例举例2 2：恒温自动控制系统：恒温自动控制系统输入输入：给定电压：给定电压u1u1；测量元件测量元件：热点偶：热点偶将温度信号转换为电压信号；将温度信号转换为电压信号；放大元件放大元件：电压、功率放大；：电压、功率放大；执行元件执行元件：执行电机、减速器和调压器；：执行电机、减速器和调压器；输出输出：电压信号，提供给电阻丝。：电压信
13、号，提供给电阻丝。反馈元件反馈元件：热电偶：热电偶将转换后的电压信号通过将转换后的电压信号通过比较比较电路电路与给定电压进行比较与给定电压进行比较；比较元件比较元件：比较电路。：比较电路。2023-5-16171 1 概述概述l控制系统的基本概念及工作原理控制系统的基本概念及工作原理l举例举例2 2：恒温自动控制系统方块图：恒温自动控制系统方块图1-31-32023-5-16181 1 概述概述l控制系统的基本概念及工作原理控制系统的基本概念及工作原理l控制系统是按控制系统是按偏差偏差进行控制的；进行控制的；l使被控量按照给定量的变化规律进行变化；使被控量按照给定量的变化规律进行变化；l控制系
14、统要解决的两个问题：控制系统要解决的两个问题：分析给定系统的工作原理、动态特性；分析给定系统的工作原理、动态特性；分析其稳定性，准确性和快速性；分析其稳定性，准确性和快速性；根据实际需要进行控制系统的设计。根据实际需要进行控制系统的设计。2023-5-16191 1 概述概述l控制系统的基本类型及基本组成控制系统的基本类型及基本组成l按有无反馈：按有无反馈：开环控制：没有输出反馈的一类控制系统。开环控制：没有输出反馈的一类控制系统。控制器只根据输入指令工作，对控制对象产生控控制器只根据输入指令工作，对控制对象产生控制作用；没有反馈，是制作用；没有反馈，是开路开路。特点：结构简单；精度低，易受干
15、扰。特点：结构简单；精度低，易受干扰。闭环控制：采用反馈原理，输出反馈到输入端，根据闭环控制：采用反馈原理，输出反馈到输入端，根据偏差向控制器发指令，以控制受控对象。形成偏差向控制器发指令，以控制受控对象。形成闭环回闭环回路。路。特点：结构复杂，特点：结构复杂，精度高精度高，抗干扰能力强。，抗干扰能力强。需设计适当的控制器，需设计适当的控制器，否则系统易不稳定否则系统易不稳定。2023-5-16201 1 概述概述l控制系统的基本类型及基本组成控制系统的基本类型及基本组成l按采用信号处理技术的不同按采用信号处理技术的不同模拟控制系统模拟控制系统和数字控和数字控制系统；制系统；l按给定量是否变化
16、按给定量是否变化恒值系统恒值系统和随动系统；和随动系统；l变量是否连续变量是否连续连续控制系统连续控制系统和离散控制系统；和离散控制系统；l是否线形方程描述是否线形方程描述线形控制系统线形控制系统和非线性控制系统。和非线性控制系统。2023-5-16211 1 概述概述l控制系统的基本类型及基本组成控制系统的基本类型及基本组成l基本组成：基本组成：产生输入信产生输入信号，给定信号，给定信号号测量输出量，测量输出量，并将其反馈并将其反馈到输入到输入比较输入比较输入和反馈，和反馈，产生偏差产生偏差信号信号对偏差信号对偏差信号进行放大，进行放大，以匹配执行以匹配执行机构机构直接对受控直接对受控对象进
17、行操对象进行操作的元件作的元件控制信号控制信号施加的对施加的对象象校正装置，校正装置，以稳定系统，以稳定系统，提高性能提高性能2023-5-16221 1 概述概述l控制系统的基本要求控制系统的基本要求l稳定性：稳定性：系统在动态过程中的振荡倾向，以及系统能系统在动态过程中的振荡倾向，以及系统能够恢复平衡的能力。够恢复平衡的能力。即初始偏差应随时间逐渐减小或趋即初始偏差应随时间逐渐减小或趋于于0 0。l快速性：快速性：当系统出现偏差，或偏差超出要求范围时，当系统出现偏差，或偏差超出要求范围时，消除偏差的时间长短，速度快慢。消除偏差的时间长短，速度快慢。l准确性：准确性：对系统输出进行调整后，系
18、统达到稳定时的对系统输出进行调整后，系统达到稳定时的偏差值。即偏差值。即稳态误差稳态误差，衡量系统的控制精度。，衡量系统的控制精度。2023-5-16231 1 概述概述l本课程主要内容及学时安排本课程主要内容及学时安排l建立系统数学模型；建立系统数学模型；l时间域下系统性能的分析；时间域下系统性能的分析；l频率域下性能指标的分析；频率域下性能指标的分析；l系统稳定性的分析；系统稳定性的分析；l系统误差的分析；系统误差的分析；l系统校正的设计与分析；系统校正的设计与分析；2023-5-16241 1 概述概述l本课程主要内容及教学安排本课程主要内容及教学安排l以课堂笔记为主；以课堂笔记为主；l认真完成课后作业；认真完成课后作业；l考试考试=卷面分（卷面分（70%70%）+平时分（平时分（30%30%）；l平时分由课堂表现获得；平时分由课堂表现获得；
