控制工程基礎(chǔ)(第一章

1、遼寧科技學(xué)院教案課程名稱：控制工程基礎(chǔ)任課教師：楊光開(kāi)課系部：機(jī)械學(xué)院開(kāi)課教研室：機(jī)制開(kāi)課學(xué)期：20122013學(xué)年度 第1學(xué)期遼寧科技學(xué)院教案（參考樣式）課題名稱第一章 緒論課次第（1）次課課時(shí)2課型理論（）；實(shí)驗(yàn)（）；實(shí)習(xí)（）；、實(shí)務(wù)（）；習(xí)題課（）；討論（）；其他（）教學(xué)目標(biāo)了解機(jī)械工程的發(fā)展與控制理論的應(yīng)用；理解機(jī)械工程自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及工作原理；掌握機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型及對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求。重點(diǎn)、難點(diǎn)及解決方法重點(diǎn)：機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型及對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求難點(diǎn)：無(wú)解決方法：通過(guò)具體講解相關(guān)例子使同學(xué)們明白有關(guān)自控系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)基本內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)本節(jié)主要內(nèi)容：

2、一、組織教學(xué)，包括自我介紹及學(xué)生考勤(5分鐘)二、機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù)(20分鐘)三、控制理論的發(fā)展與應(yīng)用(20分鐘)四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及工作原理 (20分鐘)1機(jī)械工程自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成2機(jī)械工程自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理五、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求(20分鐘)1自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求六、本節(jié)教學(xué)內(nèi)容小節(jié)及思考題的布置（5分鐘）教學(xué)方法講授法教學(xué)手段無(wú)課外學(xué)習(xí)安排思考題、預(yù)習(xí)、輔導(dǎo)答疑參考資料控制工程基礎(chǔ) 王積偉主編；機(jī)械控制工程基礎(chǔ)董玉紅主編；學(xué)習(xí)效果評(píng)測(cè)課外學(xué)習(xí)指導(dǎo)安排教學(xué)后記遼寧科技學(xué)院講稿（參考樣式）教學(xué)內(nèi)容備 注一、機(jī)械工程控制

3、論的研究對(duì)象與任務(wù) 機(jī)械工程控制論研究機(jī)械工程中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。1、 系統(tǒng)(廣義系統(tǒng)):按一定的規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。2、 動(dòng)力學(xué)問(wèn)題:系統(tǒng)在外界作用（輸入或激勵(lì)、包括外加控制與外界干擾）下，從一定初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷由其內(nèi)部的固有特性（由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定）所決定的動(dòng)態(tài)歷程（輸出或響應(yīng)）。這一過(guò)程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系即為系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。上式中y(t)為微分方程的解，顯然它是由系統(tǒng)的初始條件，系統(tǒng)的固有特性，系統(tǒng)的輸入及系統(tǒng)與輸入之間的關(guān)系決定。對(duì)上例，需要研究的問(wèn)題可歸納為以下三類：二、控制理論的發(fā)展與應(yīng)用控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。從186

4、8年馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論：控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。 1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù) 。 189

5、5年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。 二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論 1948年，伊萬(wàn)斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論的基本特征：(1)主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；(2)只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；(3)只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法?，F(xiàn)代控

6、制理論:由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來(lái)。1954年貝爾曼（R.Belman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無(wú)論對(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)

7、，定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。當(dāng)今世界，控制技術(shù)無(wú)處不在,世界隨處可見(jiàn)控制與反控制。控制技術(shù)融合了信息技術(shù)、工程技術(shù)，是多種技術(shù)的融合。三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及工作原理反饋：系統(tǒng)的輸出不斷地，直接或間接地、全部或部分地返回，并作用于系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)就是信息的傳遞與交互。人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過(guò)程：1.觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）。2.與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較，得到溫度偏差的大小和方向。3.根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。人工控制過(guò)程的實(shí)質(zhì)：檢測(cè)偏差再糾正偏差。恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理：1.恒溫箱實(shí)際溫度由熱

8、電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u22.恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號(hào)Duu1- u23.溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差Du0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見(jiàn)：1.給定量位于系統(tǒng)輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量或參考輸入量(信號(hào))。2.被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。3.輸出量（全部或一部分）通過(guò)測(cè)量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。輸出量的返回過(guò)程稱為反饋。返

9、回的全部或部分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)。綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：1.檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值2.將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；3.用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無(wú)法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測(cè)偏差再糾正偏差”。這種基于反饋原理，能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測(cè)量、比較和執(zhí)行三個(gè)基本功能。注意：這種基于

10、反饋原理，能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測(cè)量、比較和執(zhí)行三個(gè)基本功能。四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1.開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制實(shí)際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無(wú)反饋?zhàn)饔每煞譃槿悾篴.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)b.閉環(huán)控制系統(tǒng)c.半閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號(hào)獲得。）系統(tǒng)僅受輸入量和擾動(dòng)量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個(gè)控制過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。a. 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)僅受輸入量和擾動(dòng)量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個(gè)控制過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可

11、靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開(kāi)環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)：精度通常較低、無(wú)自動(dòng)糾偏能力b. 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過(guò)程有直接影響。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。優(yōu)點(diǎn)：精度高，對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感。 缺點(diǎn)：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問(wèn)題，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)麻煩閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成給定元件：產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。反饋元件：測(cè)量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號(hào)。為便于傳輸，反饋信號(hào)通常為電信號(hào)。比較元件：對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)。放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。

12、執(zhí)行元件：直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件；如電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等； 校正元件：用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種?？刂葡到y(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器。實(shí)際的控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的，擾動(dòng)分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)，但在控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動(dòng)等效為對(duì)控制對(duì)象的干擾。c.半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：反饋信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號(hào)獲得。如何選用開(kāi)環(huán)控制或閉環(huán)控制？應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)方面：當(dāng)系統(tǒng)的輸入量能預(yù)先知道，并且不存在任何擾動(dòng)時(shí)，采用開(kāi)環(huán)控制比較合適。當(dāng)輸出量難于測(cè)量，或者要測(cè)量輸出量在經(jīng)濟(jì)

13、上不允許時(shí)，采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)比較合適。 從成本、功率的角度出發(fā)，為了減少系統(tǒng)所需要的成本、功率，在可能情況下應(yīng)當(dāng)采用開(kāi)環(huán)控制。將開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合在一起，通常比較經(jīng)濟(jì)，并且能夠獲得滿意的綜合性能。2、輸出變化規(guī)律分類(1)恒值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。 (2)程序控制系統(tǒng)：輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對(duì)象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。如數(shù)控加工系統(tǒng)。(3)隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）：輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸

14、入信號(hào)的變化規(guī)律。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。3、按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類(1)連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。(2)離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。 4、按線性和非線性分類 線性系統(tǒng)：由線性元件組成，輸入輸出問(wèn)具有疊加性和均勻性性質(zhì)，以線性微分方程來(lái)表述。非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和均勻性性質(zhì)。用非線性微分方程來(lái)表述。5.按元件類型：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。6.按系統(tǒng)功能：溫度、壓力、位置、速度7.按輸入、輸出信號(hào)的數(shù)目：?jiǎn)屋斎?單輸出系統(tǒng)與多輸入-多輸出系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求：1、穩(wěn)定性：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí)，其輸出能隨時(shí)間的增長(zhǎng)收斂并回到初始平衡狀態(tài)。