控制工程基础.

控制工程基础南京理工大学紫金学院机械工程系主讲：张翠平Tel:13851644069NJUSTZJ不抛弃，不放弃教材及参考书教材：董景新等编.控制工程基础（第3版）.北京：清华大学出版社，2009参考书：董玉红等编.机械控制工程基础.北京：机械工业出版社，2006NJUSTZJ不抛弃，不放弃“控制工程基础”是一门理论性较强的课程。作为机械类、仪器类及信息类各专业的学科基础课，它既是基础课程向专业课程的深入，又是专业课程的理论基础，是新知识的增长点。1、抓住重点——掌握基本概念2、认真思考——提高抽象思维能力3、抓住主线——建立不同方法间的联系4、提高综合分析能力5、学会自学——培养阅读能力6、重视掌握实验技术7、注重理论和实践相结合课程及学习方法介绍NJUSTZJ不抛弃，不放弃成绩评定百分制分数权重－平时作业或平时测试：10％－平时课堂表现与出勤：10％－实验成绩：10％－期末考试：70％课程性质：专业基础课（必修）NJUSTZJ不抛弃，不放弃目录第一章绪论第二章控制系统的动态数学模型第三章控制系统的时域瞬态响应分析第四章控制系统的频率特性第五章控制系统的稳定性分析第六章控制系统的误差分析与计算第七章控制系统的综合与校正NJUSTZJ不抛弃，不放弃第一章绪论1.1控制工程的发展1.2自动控制系统的基本概念1.3开环控制与闭环控制1.4自动控制系统的分类1.5对自动控制系统的基本要求1.6本课程的任务NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展什么是控制？“控制”是反映人和工具关系的一个概念。在人类初期，人的控制活动仅仅表现为人使用工具、利用工具从事一些相对复杂的活动，利用控制节省了力或节省了功；随着社会的进步人类的活动获得了第一次解放，称为体力劳动的解放，人们制造了机器，人类的控制活动是人和机器的关系，节省了能量，人们能从事更加复杂的活动；人类活动的第二次解放是脑力劳动的解放，自动化程度提高，许多活动可以在人不参与的情况下进行。NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展公元前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。时间刻度浮子铜壶滴漏NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展公元前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。NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展公元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。NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展公元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。NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展公元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）击鼓记里NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展公元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。NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展公元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。NJUSTZJ不抛弃，不放弃•1895年，劳斯（Routh)、赫尔维兹(Hurwitz)导出了著名的代数稳定性判据。•1932年，乃奎斯特（Nyquist）提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入的响应)，确定闭环系统稳定性的方法。1.1控制工程的发展1945年，伯德（Bode)提出了用图解法分析和综合线性反馈控制系统的方法，即频率法。1948年，美国科学家维纳（wiener)首创了控制论（Cybernetics),他认为反馈控制理论可以解决许多生物控制机理、经济发展过程等。NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展维纳，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。控制论的奠基人美国科学家维纳（Wiener,N.，1894～1964）NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展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。NJUSTZJ不抛弃，不放弃•至此，大体上在上个世纪五十年代,古典（经典）控制理论(ClassicControlTheory)已比较完善，并在各行各业中得到了广泛应用。•上个世纪60年代，美国执行“阿波罗”计划时，由于客观发展的需要，比较明确地形成了所谓的现代控制理论(ModernControlTheory)。1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃•19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。•19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。•从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。•从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃•1957年，美国贝尔曼（RudolfBellman)提出动态规划理论。•1960年，美国卡尔曼（Kalman)提出最优过滤理论。•1956年，前苏联庞特里亚金（Lev.Pontryagin)提出最优控制的概念。•在现代控制理论发展历史上的几个主要事件：1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展接着在短短的几十年里，在各国科学家和技术人员的努力下，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，并伴随着其他科学技术的发展，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。NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展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。NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展50年代末60年代初，现代控制理论形成。现代控制理论是以状态空间法为基础，主要分析和研究多输入－多输出（MIMO）、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空间法。NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展神州六号载人航天成功（中国，2005年）NJUSTZJ不抛弃，不放弃神州七号载人航天成功（中国，2008年）NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.1控制工程的发展“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地角度来看，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NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.2自动控制系统的基本概念自动控制系统控制量被控制量扰动NJUSTZJ不抛弃，不放弃•1自动控制自动控制（automaticcontrol）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。•2系统完成一定任务的一些元、部件的组合。1.2自动控制系统的基本概念NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.2自动控制系统的基本概念•3控制量•5被控制量又叫输入量或给定量。广义上讲，输入信号是指输入到系统中的各种信号。一般来说，输入信号是指控制输出量变化规律的信号。指系统输出，即运动规律或状态需要控制的装置。•4扰动扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。NJUSTZJ不抛弃，不放弃加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱温度计•自动控制系统工作原理例1恒温箱控制系统1人工控制的恒温箱人工调节过程(1)观测(2)比较(3)控制人工控制的过程就是测量、求偏差，再控制以纠正偏差，即“检测偏差，并用以纠正偏差”。NJUSTZJ不抛弃，不放弃1.2自动控制系统的基本概念大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图温度计NJUSTZJ不抛弃，不放弃2自动控制的恒温箱——恒温箱的温度给定信号2u——热电偶的温度测量信号（反馈信号）1u21uuu偏差：BANNTTekEln)(0：波尔兹曼常量k：电子电荷e：材料A和B的自由电子浓度ANBN和•自动控制系统工作原理加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1++u恒温箱自动控制系统NJUSTZJ不抛弃，不放弃uuT2电压功率放大执行电机减速器调压器触点向右移动电流T自动控制系统和人工控制系统相类似：执行机构——人手测量装置——眼睛控制器——人脑uuT2电压功率放大执行电机减速器调压器触点向左移动电流T•自动控制系统工作原理NJUSTZJ不抛弃，不放弃3职能方块图职能方块图的基本单元：•比较单元•作用方向•职能环节•自动控制系统工作原理给定信号电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温箱(控制对象)热电偶u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图NJUSTZJ不抛弃，不放弃从恒温箱控制系统功能框图可见：给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。•自动控制系统工作原理NJUSTZJ不抛弃，不放弃反馈信号：是输出信号经过反馈元件变换后加到输入端的信号。偏差：系统的输入量与反馈量之差，即比较环节的输出。误差信号：指输出量的实际值与希望值之差，通常希望值是系统的输入量。注意：•自动控制系统工作原理NJUSTZJ不抛弃，不放弃综上所述，控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。•自动控制系统工作原理NJUSTZJ不抛弃，不放弃由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。•自动控制系统工作原理NJUSTZJ不抛弃，不放弃这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个