控制工程基礎(chǔ)第一章

控制工程基礎(chǔ)

清華大學(xué)郭美鳳

2007年

我的聯(lián)系方式：EMAIL：

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辦公室：精儀系館2206室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)用第一章概論1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1.2控制工程的發(fā)展1.3控制理論在機(jī)械制造工業(yè)中的應(yīng)用1.4 課程主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排第一章

概論1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

自動(dòng)控制在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱(chēng)為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（通稱(chēng)被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。如：數(shù)控機(jī)床、室內(nèi)溫度控制、機(jī)車(chē)、船舶

及飛機(jī)自動(dòng)駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等。第一章

概論

工作原理加熱電阻絲~220V調(diào)壓器人工控制的恒溫箱

溫度計(jì)第一章

概論人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過(guò)程：

觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）

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

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。第一章

概論大腦手調(diào)壓器恒溫箱眼睛實(shí)際溫度期望溫度人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計(jì)第一章

概論加熱電阻絲~220V調(diào)壓器熱電偶給定信號(hào)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恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)第一章

概論恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理：恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u2

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)u＝u1

u2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u＝0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。第一章

概論給定信號(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)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)功能框圖第一章

概論從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見(jiàn)：

給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱(chēng)為系統(tǒng)輸入量。

也稱(chēng)為參考輸入量（信號(hào)）。

被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱(chēng)為系統(tǒng)輸出量。

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(chēng)為反饋。返回的全部或部

分輸出信號(hào)稱(chēng)為反饋信號(hào)。第一章

概論綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比

較得出偏差；

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。第一章

概論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(chēng)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”。第一章

概論這種基于反饋原理，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(chēng)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：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(lái)越小，稱(chēng)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。第一章

概論

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?lèi)：

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

半閉環(huán)控制系統(tǒng)第一章

概論

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：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。

輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置伺服驅(qū)動(dòng)裝置工作臺(tái)工作臺(tái)

位置系統(tǒng)輸出數(shù)控機(jī)床的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一章

概論優(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(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)糾偏能力控制器對(duì)象或過(guò)程輸入量輸出量開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一章

概論

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。第一章

概論控制器對(duì)象或過(guò)程輸入量輸出量測(cè)量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量

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。第一章

概論

閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成給定元件+串聯(lián)校正元件放大變換元件執(zhí)行元件控制對(duì)象_+_并聯(lián)校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號(hào)

xi偏差信號(hào)

e主反饋信號(hào)

xb擾動(dòng)信號(hào)輸出

xo閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成第一章

概論

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)。

注意：在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)電等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋，這種反饋無(wú)須專(zhuān)門(mén)的反饋元件，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互作用產(chǎn)生的，如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。第一章

概論

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。

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；第一章

概論

校正元件用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置?？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(chēng)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。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。第一章

概論二、控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型

按輸入量的特征分類(lèi)

恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量為恒定值。控制任務(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。

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)。第一章

概論

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。第一章

概論

按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi)

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。

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。第一章

概論

其它分類(lèi)方法

線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)

定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)

機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、氣動(dòng)、熱力等控

制系統(tǒng)

溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)第一章

概論三、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

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)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。

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)。穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件的能量不可能突變所產(chǎn)生的慣性滯后作用所導(dǎo)致。第一章

概論

精確性

控制精度，以穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量。穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)的調(diào)整（過(guò)渡）過(guò)程結(jié)束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與給定量之間的差值。第一章

概論

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?？焖傩员碚飨到y(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。第一章

概論1.2控制工程的發(fā)展

公元前1400－1100年，中國(guó)、埃及和巴比倫相繼出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺，人類(lèi)產(chǎn)生了最早期的控制思想。

時(shí)間刻度浮子銅壺滴漏第一章

概論

公元100年，亞歷山大的希羅發(fā)明開(kāi)閉廟門(mén)和分發(fā)圣水的自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置。第一章

概論

第一章

概論

公元1788年，英國(guó)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。

1884年：E.J.Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)。

1895年：A.Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。

1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。

1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定

性理論。

1945年：H.W.Bode提出反饋放大器的一般設(shè)

計(jì)方法

1868年：J.C.Maxwell發(fā)表《調(diào)速器》，提出反饋控制的概念及穩(wěn)定性條件。第一章

概論

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(wèn)題；維納，MIT教授，曾于1936年到清華大學(xué)任訪問(wèn)教授?？刂普摰牡旎嗣绹?guó)科學(xué)家（Wiener,N.，1894~1964）第一章

概論

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(qián)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術(shù)領(lǐng)域第一章

概論

“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(qián)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(chē)上，碾出了工程控制論研究的一條新途徑?！钡谝徽?/p>

概論

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(wèn)題；控制理論研究的重點(diǎn)開(kāi)始由頻域移到從本質(zhì)上說(shuō)是時(shí)域的狀態(tài)空間方法。第一章

概論1956年：蓬特里亞金（Pontryagin）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1960～1980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、智能控制等第一章

概論

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。控制理論自身也在創(chuàng)造人類(lèi)文明中不斷向前發(fā)展。

控制理論的中心思想是通過(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。

第一章

概論

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(lèi)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。

第一章

概論

第一章

概論第一顆人造衛(wèi)星（蘇聯(lián)，1957年）第一章

概論第一顆載人飛船（蘇聯(lián)，1961年）第一章

概論人類(lèi)首次登上月球（美國(guó)，1969年）第一章

概論首架航天飛機(jī)（美國(guó)，1981年）第一章

概論首次沖出太陽(yáng)系（美國(guó)，1989年）第一章

概論仿人機(jī)器人（日本，2001年）

神州五號(hào)載人航天成功（中國(guó)，2003年）第一章

概論

勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器（美國(guó)，2004年）第一章

概論第一章

概論土衛(wèi)六探測(cè)器（歐盟，2005年）

坦普爾1號(hào)彗星深度撞擊（美國(guó)，2005年）第一章

概論第一章

概論神州六號(hào)載人航天成功（中國(guó)，2005年）

“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(chēng)它們?yōu)槿?xiàng)科學(xué)革命，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)客觀世界的三大飛躍。”

——錢(qián)學(xué)森

第一章

概論

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(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(chē)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)用第一章

概論第一章

概論第一章

概論第一章

概論第一章

概論第一章

概論柔性制造系統(tǒng)第一章

概論鏈接21.4 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(mén)非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是機(jī)械學(xué)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(mén)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)。第一章

概論

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