控制工程基礎(chǔ) 第1章學(xué)習(xí)課件

控制工程基礎(chǔ)INTRODUCYIONTOCONTROLENGINEERING主講：洪曉華11.1

控制理論在工程中的應(yīng)用發(fā)展

應(yīng)用

最早用于軍工生產(chǎn)，如火炮的自動控制，現(xiàn)在滲透各行各業(yè)，如生物控制論、經(jīng)濟控制論和社會控制論，控制理論的發(fā)展促進了火炮、導(dǎo)彈控制技術(shù)的極大發(fā)展；也極大促進了數(shù)控、電力、冶金自動化技術(shù)的極大發(fā)展在機電工業(yè)的應(yīng)用：工業(yè)機器人、數(shù)控機床、自動導(dǎo)引車等。2

1.直接制作無理論(1868年以前）公元前300年：古希臘有了浮子控制的水鐘和油燈

1000多年前：中國發(fā)明了銅壺滴漏計時器等

1769年：瓦特第一次將飛球控制轉(zhuǎn)速器用于蒸汽機此階段尚不能解決控制的精度和穩(wěn)定性的問題1.1控制理論在工程中的應(yīng)用發(fā)展

發(fā)展

(大致分三個階段)3

2.經(jīng)典控制產(chǎn)生、發(fā)展階段（上世紀(jì)60年代前）

1868年：麥克斯威爾建立了飛球控制器的數(shù)學(xué)模型

1877年：勞斯提出了穩(wěn)定的代數(shù)判據(jù)

1895年：霍爾維茨提出了穩(wěn)定性的類似判據(jù)

1932年：乃奎斯特和伯德提出了穩(wěn)定性的幾何判據(jù)

1948年：維納出版了《控制論》（Cybernetics)1948年：伊文思提出了根軌跡法。

1954年：錢學(xué)森發(fā)表了《工程控制論》此階段解決了穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度的問題經(jīng)典控制理論研究對象：單輸入、單輸出和線性系統(tǒng)研究方法：傳遞函數(shù)、頻率法和根軌跡數(shù)學(xué)工具：拉氏變換1.1控制理論在工程中的應(yīng)用發(fā)展4

3.現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生（上世紀(jì)60年代后）主要研究內(nèi)容：最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論、人工智能控制。現(xiàn)代控制理論研究對象：多輸入、多輸出、時變參數(shù)、分布參數(shù)、隨機參數(shù)和非線性系統(tǒng)研究方法：狀態(tài)空間法數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)、矩陣論和描述函數(shù)法1.1控制理論在工程中的應(yīng)用發(fā)展5例：恒溫箱的自動控制系統(tǒng)（P4Fig1-2，F(xiàn)ig1-3）1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念

自動控制在無人直接參與的情況下，用一組裝置使被控對象自動地按照給定的規(guī)律運行，使被控對象的一個或幾個物理量在一定的范圍內(nèi)準(zhǔn)確地按照給定的規(guī)律變化。1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念6減速器執(zhí)行電機功率放大器電壓放大器調(diào)壓器比較u1

u~220V給定信號熱電偶加熱電阻絲1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念恒溫箱溫度自動控制系統(tǒng)7電壓功率放大器恒溫箱（控制對象）熱電偶給定信號減速器控制電機調(diào)壓器u1u2溫度u0nau

ut

+-

u=u1-u21.2自動控制系統(tǒng)的基本概念恒溫箱溫度自動控制系統(tǒng)職能方塊圖

8調(diào)壓器~220V溫度計加熱電阻絲1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念恒溫箱溫度手動控制系統(tǒng)9人眼觀察(溫度計)恒溫箱（控制對象）人工調(diào)節(jié)(調(diào)壓器)1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念恒溫箱溫度手動控制系統(tǒng)職能方塊圖

給定信號10閉環(huán)控制：反饋控制（正、負）、偏差（誤差）控制系統(tǒng)框圖擾動：干擾或破壞系統(tǒng)預(yù)定性能的輸入信號控制量：輸入信號，作用在系統(tǒng)的激勵信號被控量：輸出信號，表征控制對象或過程的狀態(tài)和性能主反饋：從輸出端反饋至輸入端的信號術(shù)語和定義1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念反饋控制系統(tǒng)中的基本組成11水位控制系統(tǒng)工作原理目的:水位不變擾動:出水變化、進水壓力變化等執(zhí)行:控制閥門(調(diào)節(jié)進水量)人工調(diào)節(jié)過程:

檢測水位與希望高度比較確定閥門開度與方向執(zhí)行

自動控制:

1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念開環(huán)控制和閉環(huán)控制12控制過程：假設(shè)Hc↓→浮子↓（測量出Hc，和整定的位置Hg作比較）→閥門↑→Q1↑→Hc↑

閉環(huán)控制（反饋控制）系統(tǒng)的輸出被檢測出來并反饋送到輸入端和給定信號比較，影響控制作用。由功能框圖可見，系統(tǒng)信號流動形成一個閉環(huán)。

開環(huán)控制：系統(tǒng)只有正向控制作用，信號流動不形成閉環(huán)。1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念抽象：系統(tǒng)職能框圖描述13本系統(tǒng)中,只要浮子不在給定位置上,電機就要工作,就是說,系統(tǒng)最終不會存在誤差(嚴(yán)格說，誤差很小，可忽略不計）;前面介紹的自動控制系統(tǒng)中，如果用水量增加(減少)，必須開大(關(guān)小)閥門,則浮子一定要偏離給定位置，就是說，系統(tǒng)存在有誤差；更復(fù)雜的系統(tǒng)：能不能做到使系統(tǒng)穩(wěn)定后不存在誤差（誤差小到忽略）

？原理…...1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念進一步分析(提高精度）14閉環(huán)控制的優(yōu)點：

1、自動調(diào)節(jié)、控制精度高

2、對器件精度要求較低

3、系統(tǒng)的抗干擾能力強閉環(huán)控制的問題：

穩(wěn)定性問題，有可能出現(xiàn)振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念15按采用的信號處理技術(shù)分：按數(shù)學(xué)分析方法分：

線性/非線性連續(xù)/離散按系統(tǒng)信號形式分：恒值/隨動/程序按給定量的運動規(guī)律分：模擬/數(shù)字1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的類型（P7）16穩(wěn)定性

是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。快速性

是指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差的快速程度。

準(zhǔn)確性

指在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差，與稱為靜態(tài)精度。

其中，穩(wěn)定性是第一位的，如果系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，談快準(zhǔn)就毫無意義，此外，快和準(zhǔn)經(jīng)常是矛盾的，需要根據(jù)具體情況考慮。1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念對控制系統(tǒng)的基本要求17調(diào)速系統(tǒng)：蒸汽機離心調(diào)速器和電動機調(diào)速系統(tǒng)伺服系統(tǒng)：飛機和船舶的舵角操縱、數(shù)控機床、機器人和自動導(dǎo)引車柔性制造系統(tǒng)：FMS+CAD+CAPP=CIMS(計算機集成制造系統(tǒng)，是機械制造領(lǐng)域的前沿）1.3控制理論在機械制造工業(yè)中的應(yīng)用18

1)掌握控制工程基本概念、基礎(chǔ)理論知識和基本分析方法。

2)利用基本知識解決實際問題。

3)為進一步學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1.4學(xué)習(xí)本課程的目的意義191．系統(tǒng)分析：系統(tǒng)確定、輸入已知，求輸出和分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。2．最優(yōu)控制：系統(tǒng)已定、確定輸入，且使輸出符合最佳要求。3．最優(yōu)設(shè)計：輸入已知，確定系統(tǒng)，且使輸出符合最佳要求。4．濾波與預(yù)測輸出已知，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸出的有關(guān)信息。5．系統(tǒng)辨識：輸入、輸出均已知，確定系統(tǒng)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)?？刂乒こ萄芯康闹饕獌?nèi)容20蒸汽機離心機構(gòu)比較機構(gòu)轉(zhuǎn)換機構(gòu)負載干擾Q

蒸汽量閥門nMO用于蒸汽機的飛球控制轉(zhuǎn)速器21轉(zhuǎn)換機構(gòu)蒸汽機離心機構(gòu)實際轉(zhuǎn)速理想轉(zhuǎn)速干擾閥門例1：飛球控制轉(zhuǎn)速器職能方塊圖

職能方塊圖22放大器傳動機構(gòu)電位計電動機-uruanLup+

u例2：函數(shù)記錄儀職能方塊圖（P15Fig1-4)

職能方塊圖23杠桿水箱浮子實際水位設(shè)定水位進水閥門

職能方塊圖例3：水位自動控制系統(tǒng)職能方塊圖（P15Fig1-5a)24水箱浮子實際水位設(shè)定水位進水閥門電位計電動機

職能方塊圖例4：水位自動控制系統(tǒng)職能方塊圖（P15Fig1-5b)杠桿25杠桿機構(gòu)發(fā)動機離心機構(gòu)實際轉(zhuǎn)速理想轉(zhuǎn)速油門液壓比例控制器活塞油缸干擾

職能方塊圖例5：離心調(diào)速器職能方塊圖（P8Fig1-8)26第一個水鐘是一個底部有小洞的水盆，水由小洞慢慢流出；流出的水量代表消逝的時間，而水量多寡則可從盆內(nèi)下降水位的刻度得知。在地中海地區(qū)，這些計時裝置相當(dāng)適用，不過對多云又嚴(yán)寒的北歐地區(qū)來說，就不那么可靠了。

水鐘27銅壺滴漏計元延祐三年（公元1316年）造，整件由日壺、月壺、星壺、受水壺組成。日壺高75.5厘米、口徑68.2厘米、底徑60厘米，月壺高58.5厘米、口徑54.5厘術(shù)、底徑53厘米，星壺高55.4厘米、口徑44厘米、底徑39厘米，受水壺高75厘米、口徑32厘米、底徑31厘米。四壺自上而下依次安放，通高264.4厘米。日壺的水以恒定的流量滴入下層的月壺，月壺之水滴入星壺，星壺之水滴入受水壺。受水壺壺蓋正中立一銅表尺，上有時辰刻度。銅尺前放一木制浮箭，木箭下端是一塊木板，叫浮舟。受水壺中的水隨時間的推移而逐漸增加，浮舟托起木箭緩緩上升。將木箭的頂端與銅表尺上的刻度對照，就可知道當(dāng)時的時間。28指南車設(shè)計的關(guān)鍵在于對自動離合的齒輪系統(tǒng)的應(yīng)用，這種輪系結(jié)構(gòu)相當(dāng)于現(xiàn)代機械結(jié)構(gòu)中的差動齒輪系統(tǒng)。漢代發(fā)明，指南車又名司南車，是一種雙輪獨轅車。車上立有一個木人，一手伸臂直指，只要在車開始移動前，根據(jù)天象將木人的手指向南方，以后不管車向東還是向西轉(zhuǎn)，由于車內(nèi)有一種能夠自動離合的齒輪系定向裝置，木人的手