控制工程基礎(chǔ)清華大學(xué)PPT課件

1、控制工程基礎(chǔ)第一章 概論第二章 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型第三章 時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)分析第四章 控制系統(tǒng)的頻率特性第五章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第六章 控制系統(tǒng)的誤差分析和計(jì)算第七章 控制系統(tǒng)的綜合與校正* 第八章 根軌跡法* 第九章 控制系統(tǒng)的非線性問(wèn)題第十章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第十一章 MATLAB軟件工具在控制系統(tǒng)分析和 綜合中的應(yīng)用第1頁(yè)/共40頁(yè)第一章 概述1.1 1.1 控制工程的發(fā)展1.2 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1.3 1.3 控制理論在機(jī)械制造工業(yè)中的 應(yīng)用1.41.4 課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排第2頁(yè)/共40頁(yè) 1.1 1.1 控制工程的發(fā)展公元前1400140011001100年，中國(guó)

2、、埃及和巴比倫相繼出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺，人類產(chǎn)生了最早期的控制思想。第3頁(yè)/共40頁(yè) 公元前300300年秦昭王時(shí)，由李冰父子主持設(shè)計(jì)修筑的著名水利工程都江堰，是一種液面控制，是“系統(tǒng)”觀念的杰出體現(xiàn)。第4頁(yè)/共40頁(yè) 公元100100年，亞歷山大的希羅發(fā)明開(kāi)閉廟門和分發(fā)圣水的自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置。第5頁(yè)/共40頁(yè) 公元132132年，中國(guó)科學(xué)家張衡（公元7878139139）發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀。第6頁(yè)/共40頁(yè) 公元235235年，中國(guó)馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車( (司南車） 另有發(fā)明擊鼓記里第7頁(yè)/共40頁(yè) 公元16371637年，中國(guó)明代宋應(yīng)星所著天工開(kāi)物記

3、載有程序控制思想的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖。第8頁(yè)/共40頁(yè) 公元17881788年，英國(guó)人J.WattJ.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度，由此產(chǎn)生了第一次工業(yè)革命。第9頁(yè)/共40頁(yè) 維納，MITMIT教授，曾于19361936年到清華大學(xué)任訪問(wèn)教授。早期進(jìn)行模擬計(jì)算機(jī)研究，二戰(zhàn)期間參與火炮控制研究，提煉出負(fù)反饋概念。 1948 1948年，維納所著控制論的出版，標(biāo)志著這門學(xué)科的正式誕生?？刂普摰牡旎嗣绹?guó)科學(xué)家維納（Wiener,N.，18941964）第10頁(yè)/共40頁(yè) 1954 1954年，我國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森在美國(guó)運(yùn)用控制論思想和方法，用英文出版工程控制論，首先把控制論推廣到工程技術(shù)領(lǐng)域。

4、“工程控制論是關(guān)于工程技術(shù)領(lǐng)域各個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)的理論。維納博士40年代提示了控制論的基本思想后，不少工程師和數(shù)學(xué)博士曾努力尋找通往這座理論頂峰的道路，但均半途而廢。工程師偏重于實(shí)踐，解決具體問(wèn)題，不善于上升到理論高度；數(shù)學(xué)家則擅長(zhǎng)于理論分析，卻不善于從一般到個(gè)別去解決實(shí)際問(wèn)題。錢學(xué)森則集中兩者優(yōu)勢(shì)于一身，高超地將兩只輪子裝到一輛戰(zhàn)車上，碾出了工程控制論研究的一條新途徑。”第11頁(yè)/共40頁(yè) 接著短短的幾十年里，在各國(guó)科學(xué)家和科學(xué)技術(shù)人員的努力下，又相繼出現(xiàn)了生物控制論，經(jīng)濟(jì)控制論和社會(huì)控制論等，控制理論已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，并伴隨著其它科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，極大地改變了整個(gè)世界?？刂评碚撟陨?/p>

5、也在創(chuàng)造人類文明中不斷向前發(fā)展?？刂评碚摰闹行乃枷胧峭ㄟ^(guò)信息的傳遞、加工處理并加以反饋來(lái)進(jìn)行控制，控制理論是信息學(xué)科的重要組成方面。第12頁(yè)/共40頁(yè) 根據(jù)自動(dòng)控制理論的內(nèi)容和發(fā)展的不同階段，控制理論可分為“經(jīng)典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”兩大部分。 “經(jīng)典控制理論”的內(nèi)容是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，以頻率法和根軌跡法作為分析和綜合系統(tǒng)基本方法，主要研究單輸入，單輸出這類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。第13頁(yè)/共40頁(yè) “現(xiàn)代控制理論”是在“經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)上，于6060年代以后發(fā)展起來(lái)的。它的主要內(nèi)容是以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入，多輸出、時(shí)變參數(shù)、分布參數(shù)、隨機(jī)參數(shù)、非線性等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)

6、問(wèn)題。最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制等理論都是這一領(lǐng)域重要的研究課題，近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)的結(jié)合，又使現(xiàn)代控制理論在大系統(tǒng)理論和模仿人類智能活動(dòng)的人工智能控制等諸多領(lǐng)域有了重大發(fā)展。第14頁(yè)/共40頁(yè) 第一顆人造衛(wèi)星（蘇聯(lián)，19571957年）第15頁(yè)/共40頁(yè) 第一顆載人飛船（蘇聯(lián)，19611961年）第16頁(yè)/共40頁(yè) 人類首次登上月球（美國(guó)，19691969年）第17頁(yè)/共40頁(yè) 首架航天飛機(jī)（美國(guó)，19811981年）第18頁(yè)/共40頁(yè) 首次沖出太陽(yáng)系（美國(guó)，19891989年）第19頁(yè)/共40頁(yè) 仿人機(jī)器人（日本，20012001年）第20頁(yè)/共40頁(yè) 神州五號(hào)載

7、人航天成功（中國(guó)，20032003年）第21頁(yè)/共40頁(yè) 勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器（美國(guó)，20042004年）第22頁(yè)/共40頁(yè) “作為技術(shù)科學(xué)的控制論，對(duì)工程技術(shù)、生物和生命現(xiàn)象的研究和經(jīng)濟(jì)科學(xué)，以及對(duì)社會(huì)研究都有深刻的意義，比起相對(duì)論和量子論對(duì)社會(huì)的作用有過(guò)之無(wú)不及我們可以毫不含糊地說(shuō)從科學(xué)理論的角度來(lái)看，二十世紀(jì)上半葉的三大偉績(jī)是相對(duì)論、量子論和控制論，也許可以稱它們?yōu)槿?xiàng)科學(xué)革命，是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的三大飛躍。” 錢學(xué)森錢學(xué)森 第23頁(yè)/共40頁(yè)1.2 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念見(jiàn)光盤課件（第一章第二節(jié)）第24頁(yè)/共40頁(yè) 機(jī)電工業(yè)是我國(guó)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一 ，而傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品正在

8、向機(jī)電一體化（MechatronicsMechatronics）方向發(fā)展。機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是控制自動(dòng)化。機(jī)電控制型產(chǎn)品技術(shù)含量高，附加值大，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，形成機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展的主流。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外機(jī)電結(jié)合型產(chǎn)品，諸如典型的工業(yè)機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床，自動(dòng)導(dǎo)引車等都廣泛地應(yīng)用了控制理論。1.3 控制理論在機(jī)械制造工業(yè)中的應(yīng)用第25頁(yè)/共40頁(yè)第26頁(yè)/共40頁(yè)第27頁(yè)/共40頁(yè)第28頁(yè)/共40頁(yè)第29頁(yè)/共40頁(yè)第30頁(yè)/共40頁(yè)1.41.4 課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排 控制工程基礎(chǔ)課程主要闡述的是有關(guān)反饋?zhàn)詣?dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論。 本課程是一門非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是機(jī)械學(xué)

9、院平臺(tái)課程。它是適應(yīng)機(jī)電一體化的技術(shù)需要，針對(duì)機(jī)械對(duì)象的控制，結(jié)合經(jīng)典控制理論形成的一門課程。本課程主要涉及經(jīng)典控制理論的主要內(nèi)容及應(yīng)用, , 更加突出了機(jī)電控制的特點(diǎn)。第31頁(yè)/共40頁(yè) 本課程在高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、電工電子學(xué)等知識(shí)的基礎(chǔ)上，使學(xué)生掌握機(jī)電控制系統(tǒng)的基本原理及必要的實(shí)用知識(shí)。值得指出的是，盡管經(jīng)典控制理論在六十年代已完全發(fā)展成熟，但它并不過(guò)時(shí)，經(jīng)典控制理論是整個(gè)自動(dòng)控制理論（包括現(xiàn)代控制理論）的基礎(chǔ)。用一個(gè)不十分貼切的比喻，盡管微積分的基本理論在幾百年前已經(jīng)發(fā)展成熟，但在高等數(shù)學(xué)中至今仍然起著重大作用。 第32頁(yè)/共40頁(yè) 本課程的基本要求包括： (1) (1) 掌握機(jī)電反饋

10、控制系統(tǒng)的基本概念，其中包括機(jī)電反饋控制系統(tǒng)的基本原理、機(jī)電反饋控制系統(tǒng)基本組成、開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制等； (2) (2) 掌握建立機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的方法； (3) (3) 掌握機(jī)電系統(tǒng)的時(shí)域分析方法； (4) (4) 掌握機(jī)電系統(tǒng)的頻域分析方法； (5) (5) 掌握模擬機(jī)電控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計(jì)綜合方法。第33頁(yè)/共40頁(yè)本課程講授3939學(xué)時(shí)（包括課堂討論），實(shí)驗(yàn)9 9學(xué)時(shí)（另限人數(shù)開(kāi)設(shè)后續(xù)實(shí)驗(yàn)課）本教材主要涉及經(jīng)典控制理論部分，對(duì)現(xiàn)代控制理論只作簡(jiǎn)單涉及，現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容將在研究生課程中講授。作業(yè)考試第34頁(yè)/共40頁(yè)主要教材 董景新、趙長(zhǎng)德、熊沈蜀、郭美鳳 控制工程基礎(chǔ)(第二版)

11、 清華大學(xué)出版社，2003年第35頁(yè)/共40頁(yè)主要參考文獻(xiàn) 1 張伯鵬，控制工程基礎(chǔ)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19822高鐘毓，機(jī)電控制工程（第2版），北京：清華大學(xué)出版社，2002 3 王顯正，范崇托，控制理論基礎(chǔ)，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980 4Katsuhiko Ogata（美），現(xiàn)代控制工程（第四版中譯本），電子工業(yè)出版社，2002 5 吳麒，自動(dòng)控制原理，北京：清華大學(xué)出版社，1990 第36頁(yè)/共40頁(yè) 6李友善，自動(dòng)控制原理，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980 7 楊叔子，楊克沖，機(jī)械工程控制基礎(chǔ)，武漢：華中工學(xué)院出版社，1984 8陽(yáng)含和，機(jī)械控制工程（上冊(cè)），北京：機(jī)械工業(yè)出版社

12、，1986 9 Morris Driels, Linear Control Systems Engineering,(國(guó)際知名大學(xué)原版教材），清華大學(xué)出版社，2000.12第37頁(yè)/共40頁(yè) 10 Gene F.Franklin,J.David Powell,Emami Naeini， Feedback Control of Dynamic Systems (4rd ed)， Addison-Wesley Publishing Company， 2002 11 Richard C.Dorf,Robert H.Bishop， Modern Control System (7th ed)，Addison-Wesley Publishing Company， 1995 12 John Van De Vegte， Feedback Control System (3rd ed)， Prentice-Hall， Inc.， Englewood：C