控制工程基礎(chǔ)教案第一章

1、控制工程基礎(chǔ)教案第一章控制工程基礎(chǔ)教案第一章控制工程基礎(chǔ)教案第一章控制工程基礎(chǔ) 教 案 年至 年 第 學(xué)期 第 周 星期 課題名稱（含教材章節(jié)）： 第一章 緒論 教學(xué)目的和要求：1.了解控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史； 2.熟悉控制系統(tǒng)概念及組成、分類，掌握對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求。 教學(xué)重點(diǎn)： 開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的基本原理及組成，閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本分析。 教學(xué)難點(diǎn)： 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本概念和性能指標(biāo)的理解。 教 學(xué) 內(nèi) 容 （ 要 點(diǎn) ）1.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、分類及性能要求；2.控制理論的發(fā)展；3.控制理論在機(jī)械制造工業(yè)中的應(yīng)用；4.課程主要學(xué)習(xí)內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排。X X X X 學(xué) 院 教 案 紙第一章 緒

2、 論1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念一、自動(dòng)控制自動(dòng)控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制器或控制裝置），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（統(tǒng)稱被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)，是指能夠?qū)Ρ豢刂茖?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。如：數(shù)控機(jī)床、室內(nèi)溫度控制、機(jī)車、船舶及飛機(jī)自動(dòng)駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等。舉例：恒溫箱的人工控制與自動(dòng)控制。人工控制的恒溫箱如圖1-1所示。加熱電阻絲220V調(diào)壓器圖1-1 人工控制的恒溫箱 溫度計(jì)人工控制恒溫箱的調(diào)節(jié)過程：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

3、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。人工控制過程的實(shí)質(zhì)：檢測(cè)偏差再糾正偏差。人工控制恒溫箱系統(tǒng)的功能框圖如圖1-2所示。大腦手調(diào)壓器恒溫箱眼睛實(shí)際溫度圖1-2 人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計(jì)期望溫度加熱電阻絲220V調(diào)壓器熱電偶比較電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動(dòng)機(jī)減速器u2u1+u圖1-3 恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)給定信號(hào)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1-3所示。恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理：1.恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u2；2.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)uu1-u2；3.溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用

4、以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(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u0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能框圖如圖1-4所示。給定信號(hào)電壓功率放大器控制電機(jī)減速器調(diào)壓器恒溫箱(控制對(duì)象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動(dòng)圖1-4 恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)功能框圖從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見：1.給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量（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

5、信號(hào)之差）信號(hào)。4.用偏差信號(hào)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。其控制方式稱之為反饋控制“檢測(cè)偏差再糾正偏差”。注意：反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號(hào)是與給定信號(hào)相減，使偏差越來越小，稱為負(fù)反饋。負(fù)反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制最基本的方法。二、控制系統(tǒng)的分類實(shí)際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋?zhàn)饔每煞譃椋洪_環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋信號(hào)通過系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號(hào)獲得）。1. 開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)僅受輸

6、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)控制過程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。開環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1-5所示?？刂破鲗?duì)象或過程輸入量輸出量圖1-5 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。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，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)：精度通常較低、無自動(dòng)糾偏能力。舉例如圖1-6開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)所示。圖1-6 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過程有直接影響。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1-7所示?？刂破鲗?duì)象或過程輸入量輸出量測(cè)量元件圖1-7 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量?jī)?yōu)點(diǎn)：

7、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)等問題，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)麻煩。舉例如圖1-8全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)所示。圖1-8 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)3. 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成圖1-9 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成控制工程主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)，其組成如圖1-9所示，主要包括以下七類元件：(1)給定元件：產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。(2)反饋元件：測(cè)量被控量，產(chǎn)生主反饋信號(hào)。(3)被控對(duì)象：控制系統(tǒng)所要操縱的對(duì)象。(4)比較元件：用來比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的偏差。(5)放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大和功率放大。(6)執(zhí)行元件：直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操作的元件。(7)反饋校正元件：用以穩(wěn)定控制系統(tǒng)，提高性

8、能?？刂葡到y(tǒng)的其他分類方法：按照系統(tǒng)輸入量是否為恒值可分為：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。 如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。2.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。 按照系統(tǒng)傳遞信號(hào)是否為連續(xù)信號(hào)可分為：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)。

9、離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。此外按系統(tǒng)是否為線性可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；系統(tǒng)參量變化是否為常數(shù)分為定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)；按控制方法分為機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、氣動(dòng)、熱力等控制系統(tǒng)；按控制被控量的性質(zhì)可分為溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)等等。三、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)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。這里討論的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界因素?zé)o關(guān)。2. 精（準(zhǔn)）確性控制精度，主要以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)的調(diào)整（過渡）過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)

10、，系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與給定量之間的差值。3. 快速性輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。快速性表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。注意：不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側(cè)重。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理選擇。1.2 控制工程的發(fā)展公元前14001100年，中國、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。 公元100年，亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水的自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置。公元1788年，英國人J.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。 1868年：J. C. Maxwell發(fā)表調(diào)速器，提出反饋控制的

11、概念及穩(wěn)定性條件。1884年：E. J. Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)。1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定性理論。1895年：A. Hurwitz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。1932年：H. Nyquist提出乃奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。1945年：H. W. Bode提出反饋放大器的一般設(shè)計(jì)方法1948年：N. Wiener發(fā)表控制論，標(biāo)志經(jīng)典控制理論基本形成；經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入單輸出（SISO）系 統(tǒng)的分析和控制問題。1950年：W. R. Evans提出根軌跡法，進(jìn)一步充實(shí)了經(jīng)典控制論。1954年：錢學(xué)森用英文出版工程控制論，首先把控制論推廣到工程技

12、術(shù)領(lǐng)域50年代末60年代初：現(xiàn)代控制理論形成；現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，主要分析和研究多輸入-多輸出(MIMO)、時(shí)變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、智能控制等問題；控制理論研究的重點(diǎn)開始由頻域移到從本質(zhì)上說是時(shí)域的狀態(tài)空間方法。 1956年：龐特里亞金（，.）提出極大值原理。1957年：R. I. Bellman提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論。1960年：R. E. Kalman提出卡爾曼濾波理論19601980年：確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí) 控制1980迄今：魯棒控制、H控制、非線性控制、智能控制等。接著短短的幾十年里，在各國科學(xué)家

13、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?？刂评碚撟陨硪苍趧?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^信息的傳遞、加工處理并加以反饋來進(jìn)行控制，控制理論是信息學(xué)科的重要組成方面。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)問題。1.3 控制理論在機(jī)械制造工業(yè)中的應(yīng)用機(jī)電工業(yè)是我國最重要的支柱產(chǎn)

14、業(yè)之一 ，而傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品正在向機(jī)電一體化（Mechatronics）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。舉例：機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)（圖1-10）；數(shù)控機(jī)床（圖1-11）；自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV）（圖1-12）。圖1-10 機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)圖1-11 數(shù)控機(jī)床圖1-12 自動(dòng)導(dǎo)引小車1.4 課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排一、本課程的基本要求包括： (1) 掌握機(jī)電反饋控制系統(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