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控制工程基础授课教师：杨海亮E-mail：yhailiang_2008@sina.com2009数控专业参考书：《自动控制原理》谢克明等，电子工业出版社《自动控制原理》胡寿松主编，科学出版社考核：考试70%平时10%40学时实验(8学时)20%本课程主讲内容：第一章：控制理论的基本概念开、闭环，分类，基本要求第二章：数学模型微分方程传递函数结构图信号流程图基础本课程主讲内容：第三章动态性能、静态性能、一二阶系统分析第四章根轨迹分析法常规根轨迹、特殊根轨迹第五章频域分析法频率特性、频域指标、频域分析三种基本分析方法设计方法：第六章系统综合与校正第一章绪论§1.2自动控制系统的基本概念§1.3控制工程基础的主要任务与研究内容§1.1概述§1.1概述通讯自然航空航天工业军事太空探索社会自动控制应用领域广泛将控制论同工程实践结合在一起形成了工程控制论，因此，控制工程是一门研究控制论在工程中应用的科学。控制工程基础主要阐述自动控制技术的基础理论。控制工程基础：也称控制理论基础，主要阐述的是自动控制技术的基础理论。控制论(Cybernetics)是研究生物体、机器及各种不同系统控制和调节规律的科学。它不仅是一门极为重要的科学，而且也是一门卓越的方法论，具有适用于各门科学的思想和方法。§1.1概述一、基本概念控制论生物控制论工程控制论经济控制论社会控制论控制论被广泛的应用到现实生活中的各个领域，是一门重要的方法论。§1.1概述§1.1概述公元前1400－1100年，中国、埃及和巴比伦相继出现自动计时漏壶，人类产生了最早期的控制思想。公元前300年秦昭王时，由李冰父子主持设计修筑的著名水利工程都江堰，是一种液面控制，是“系统”观念的杰出体现。公元100年，亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水的自动计时装置。二、控制论的发展历史自动计时漏壶公元132年，中国科学家张衡（公元78~139）发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪。公元235年，中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(司南车）公元1637年，中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想的提花织机结构图。公元1788年，英国人J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。维纳，MIT教授，曾于1936年到清华大学任访问教授。早期进行模拟计算机研究，二战期间参与火炮控制研究，提炼出负反馈概念。1948年，维纳所著《控制论》的出版，标志着这门学科的正式诞生。离心式调速器蒸汽机蒸汽蒸汽阀门n杠杆齿轮传动金属球飞球调节器的发明进一步推动了蒸汽机的应用，促进了工业生产的发展。但是，有时为了提高调速精度，蒸汽机速度反而出现大幅度振荡，其后相继出现的其它自动控制系统也有类似的现象。由于当时还没有自动控制理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，不少人为提高离心式调速机的控制精度进行了改进研究。有人认为系统振荡是因为调节器的制造精度不够，从而努力改进调节器的制造工艺，这种盲目的探索持续了大约一个世纪之久1868年，英国的麦克斯韦尔(J.C.Maxwell)发表“论调速器”论文，第一次指出不应该单独讨论一个离心锤，必须从整个控制系统出发推导出微分方程，然后讨论微分方程解的稳定性，从而分析实际控制系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端1954年，我国科学家钱学森在美国运用控制论思想和方法，用英文出版《工程控制论》，首先把控制论推广到工程技术领域。接着短短的几十年里，在各国科学家和科学技术人员的努力下，又相继出现了生物控制论，经济控制论和社会控制论等，控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着其它科学技术的发展，极大地改变了整个世界。控制理论自身也在创造人类文明中不断向前发展。控制理论的中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以反馈来进行控制，控制理论是信息学科的重要组成方面。根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。“经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，主要研究单输入，单输出这类控制系统的分析和设计问题。“现代控制理论”是在“经典控制理论”的基础上，于60年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础，研究多输入，多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课题，近代计算机技术和现代应用数学的结合，又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类智能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大发展。第一颗人造卫星（苏联，1957年）第一颗载人飞船（苏联，1961年）人类首次登上月球（美国，1969年）首架航天飞机（美国，1981年）首次冲出太阳系（美国，1989年）仿人机器人（日本，2001年）神州五号载人航天成功（中国，2003年）勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）土卫六探测器（欧盟，2005年）“作为技术科学的控制论，对工程技术、生物和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社会的作用有过之无不及．我们可以毫不含糊地说从科学理论的角度来看，二十世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃。”——钱学森§1.2自动控制系统的基本概念一、自动控制系统工作原理人工控制的恒温箱系统：1、观测由检测元件(温度计)测出的恒温箱的温度(被控制量)；2、与要求的温度值(给定值)进行比较，得出偏差的大小和方向；3、根据偏差的大小和方向再进行控制：当恒温箱温度高于所要求的给定温度值时，就移动调压器使电流减小，温度降低；若温度低于给定的值，则移动调压器，使电流增加，温度升高。图1-1人工控制的恒温箱“检测偏差用以纠正偏差”温度的偏差信号：图1-2恒温箱自动控制系统当温度偏高时，动触头向着减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止。即只有在偏差信号时电动机才停转。§1.2自动控制系统的基本概念§1.2自动控制系统的基本概念图1-3板厚控制简图板带出口厚度信息h由检测元件测出并反馈到电液伺服系统中，伺服系统发出控制信号以驱动液压缸，从而调节轧制辊缝，使得板带出口厚度h保持在要求的误差范围内。§1.2自动控制系统的基本概念自动控制：自动控制的过程与人工控制过程原理相同，即“检测偏差用以纠正偏差”。在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。人工控制：人工控制的过程就是测量、求偏差、再控制以纠正偏差的过程，即“检测偏差用以纠正偏差”。§1.2自动控制系统的基本概念反馈(Feedback)就是指输出量通过适当的检测装置将信号全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。反馈控制原理：基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理负反馈(NegativeFeedback)是指反馈信号与系统的输入信号的方向相反的反馈形式。在开车过程中，司机用眼睛观察转速表上的实际车速并由大脑将实际车速与希望车速进行比较，大脑根据比较后的偏差对脚发出指令，控制油门踏板，从而使实际车速与希望车速一致。在这里人与车构成了一个系统。在该系统中，眼睛将实际车速这一信息送入大脑并与大脑中储存的车速信息进行比较，这一过程就是信息反馈过程。例1：司机驾驶汽车过程。希望车速y(t)大脑偏差脚、油门踏板汽车实际车速x(t)眼睛、转速表b(t)e(t)输入量输出量通常，把输出量返回到输入端并与输入量比较的过程称为反馈，反馈包括正反馈和负反馈。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值愈采愈小，则称负反馈；反之，则称正反馈。显然如图所示系统中的反馈为负反馈。该系统的控制过程是利用输出量与输入量之间的偏差进行控制并最后消除这一偏差的过程。希望车速y(t)大脑偏差脚、油门踏板汽车实际车速x(t)眼睛、转速表b(t)e(t)输入量输出量在上述系统中，人直接参与了反馈控制过程，因此这是一个人工反馈控制系统。在自动控制系统中，反馈是用自动控制元件完成的。现以恒温箱温度自动控制为例，说明自动控制系统的控制过程。希望车速y(t)大脑偏差脚、油门踏板汽车实际车速x(t)眼睛、转速表b(t)e(t)输入量输出量例：恒温箱控制系统Tt二、开环控制与闭环控制若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，即无反馈作用，则系统称为开环系统。控制器被控对象输入量r输出量y控制量u扰动量n特点：在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用。对于每一个参考输入量就有一个与之对应的工作状态和输出量。系统精度取决于元器件的精度和特性。适用范围：系统内部扰动和外部扰动的影响不大、输出与输入关系确定，且控制精度要求不高的场合。优点：结构简单，容易设计与调整对扰动及内部参量变化的影响缺乏抑制能力，系统控制精度低。缺点：§1.2自动控制系统的基本概念如：电加热炉电加热炉炉温开环控制，如图输入信号：电流（时间的函数）控制装置：开关，电阻丝被控对象：炉子输出信号：炉温特点：控制装置只按照给定的输入信号对被控对象进行单向的控制，被控对象的输出不影响控制。若系统的输出量对系统的控制具有反馈作用，则系统称为闭环系统。特点：利用负反馈的作用来减小系统的误差，具有自动修正被控量偏离给定值的作用，因此可以抑制内扰和外扰所引起的误差，达到自动控制的目的。系统精度主要取决于检测元件的精度和系统的内部结构。可以利用精度不高、成本较低的元器件组成控制精度较高的闭环控制系统。优点：精度高。对扰动及内部参量变化的影响具有抑制能力。缺点：系统存在稳定性问题，干扰因素多。控制器被控对象输入量r输出量y控制量u扰动量n检测元件偏差e反馈量b§1.2自动控制系统的基本概念控制装置被控对象输入量r输出量y扰动量n反馈元件偏差e反馈量b给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号。反馈元件：它测量被控量或输出量，产生主反馈信号，该信号与输出量存在着确定的函数关系(通常为比例关系)。比较元件：用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差。可以是一个差接的电路，它往往不是一个专门的物理元件，有时也叫比较环节。控制装置：由校正装置、放大器、能量变换、执行等元件所组成。控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被控制量。放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件。执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。闭环控制系统的基本组成§1.2自动控制系统的基本概念正负反馈液位控制系统四、自动控制系统的基本类型§1.2自动控制系统的基本概念1．按给定量的运动规律分(1)恒值调节系统：输入量为常值，或者随时间缓慢变化。分析重点在克服扰动对输出量的影响。(2)程序控制系统：输入量为已知给定的时间函数，控制过程按预定程序进行。(3)随动(伺服)系统：输入量是时间的未知函数，即给定量的变化规律事先无法确定，要求输出量能够准确、快速地复现给定量，如火炮自动瞄准系统、轧机板厚自动控制系统。2．按系统线性特性分(1)线性系统：系统的元器件特性均为线性(或基本为线性)，能用线性常微分方程描述其输入与输出关系的系统。线性系统满足“叠加原理”，其时间响应的特征与初始状态无关。(2)非线性系统：只要有一个元器件特性不能用线性方程描述，即为非线性系统。不能应用叠加原理，其时间响应的特征与初始状态有很大关系。3．按参数是否为常数分(1)时变系统：当系统数学描述中显含时间t时，即数学描述中的系数是时间t的函数时，称相应的系统为时变系统。(2)定常系统：特点是系统数学描述中不显含时间t。定常系统在物理上代表了结构和参数都不随时间变化的一类系统。§1.2自动控制系统的基本概念五、控制系统的基本要求对控制系统性能的要求评价一个控制系统的好坏，指标是多种多样的，各系统依其使用目的的不同，对各项性