控制工程基础课件第一章概论

2010年控制工程基础第一章概论课程内容第三章时域瞬态响应分析第二章控制系统的动态数学模型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和计算第七章控制系统的综合与校正第十章计算机控制系统第八章根轨迹法第九章控制系统的非线性问题1.1自动控制系统的基本概念第一章概论1.2控制工程的发展1.3控制理论在机械制造工业中的应用1.4课程主要内容及学时安排1.1自动控制系统的基本概念自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（通称被控对象）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。如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。第一章概论工作原理加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱温度计第一章概论人工控制恒温箱调节过程：观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。第一章概论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第一章概论加热电阻丝~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第一章概论恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u＝u1u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向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，此时，偏差u＝0，电机停止转动。第一章概论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第一章概论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。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。第一章概论综上所述，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。第一章概论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”。第一章概论这种基于反馈原理，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、比较和执行三个基本功能。注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。第一章概论开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：开环控制系统闭环控制系统半闭环控制系统（反馈信号通过系统内部的中间信号获得。）第一章概论开环控制系统特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。输入装置指令系统输入控制装置伺服驱动装置工作台工作台位置系统输出数控机床的开环控制系统框图第一章概论优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力控制器对象或过程输入量输出量开环控制系统框图第一章概论闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感。缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。第一章概论控制器对象或过程输入量输出量测量元件闭环控制系统框图反馈量第一章概论闭环控制系统的组成第一章概论二、控制系统的基本类型按输入量的特征分类恒值控制系统系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。随动系统（伺服系统）输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。第一章概论如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。按系统中传递信号的性质分类连续控制系统系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。离散（数字）控制系统系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。第一章概论其它分类方法线性系统和非线性系统定常系统和时变系统机械、电气、机电、液压、气动、热力等控制系统温度、压力、位置等控制系统第一章概论三、对控制系统的基本要求稳定性系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。这里讨论的控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。第一章概论精确性控制精度，主要以稳态误差来衡量。稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的差值。第一章概论快速性输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。注意：不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。第一章概论1.2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第一章概论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。第一章概论第一章概论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。1884年：E.J.Routh提出劳斯稳定性判据。1895年：A.Hurwitz提出赫尔维茨稳定性判据。1932年：H.Nyquist提出乃奎斯特稳定性判据。1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性理论。1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法1868年：J.C.Maxwell发表《调速器》，提出反馈控制的概念及稳定性条件。第一章概论1948年：N.Wiener发表《控制论》，标志经典控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入—单输出（SISO）系统的分析和控制问题；维纳，MIT教授，曾于1936年到清华大学任访问教授。控制论的奠基人，美国科学家（Wiener,N.，1894~1964）第一章概论1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制论；1954年：钱学森用英文出版《工程控制论》，首先把控制论推广到工程技术领域第一章概论“工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和自动调节的理论。维纳博士40年代提示了控制论的基本思想后，不少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座理论顶峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，解决具体问题，不善于上升到理论高度；数学家则擅长于理论分析，却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则集中两者优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，碾出了工程控制论研究的一条新途径。”第一章概论50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代控制理论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方法。第一章概论1956年：庞特里亚金（Понтрягин，Л.С.）提出极大值原理1957年：R.I.Bellman提出动态规划理论1960年：R.E.Kalman提出卡尔曼滤波理论1960～1980年：确定性系统的最优控制、随机系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制1980迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、智能控制等第一章概论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。第一章概论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。第一章概论“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。第一章概论第一颗人造卫星（苏联，1957年）第一章概论第一艘载人飞船（苏联，1961年）第一章概论人类首次登上月球（美国，1969年）第一章概论首架航天飞机（美国，1981年）第一章概论和平号空间站（苏联，1986年）第一章概论仿人机器人（日本，2001年）神州五号、六号、七号载人航天成功（中国，2003年，2005年，2008年）第一章概论勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）第一章概论第一章概论土卫六探测器（欧盟，2005年）坦普尔1号彗星深度撞击（美国，2005年）第一章概论常娥一号（2007年，中国）第一章概论导弹击中卫星（中国，2007年；美国，2008年）第一章概论“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。”——钱学森第一章概论机电工业是我国最重要的支柱产业之一，而传统的机电产品正在向机电一体化（Mechatronics）方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化。1.3控制理论在机械制造工业中的应用第一章概论机电控制型产品技术含量高，附加值大，在国内外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化产品发展的主流。当前国内外机电结合型产品，诸如典型的工业机器人，数控机床，自动导引车等都广泛地应用了控制理论。第一章概论1.3控制理论在机械制造工业中的应用第一章概论第一章概论第一章概论第一章概论本课程的基本要求包括：(1)掌握机电反馈控制系统的基本概念，其中包括机电反馈控制系统的基本原理、机电反馈控制系统基本组成、开环控制、闭环控制等；(2)掌握建立机电系统动力学模型的方法；(3)掌握机电系统的时域分析方法；(4)掌握机电系统的频域分析方法；(5)掌握模拟机电控制系统的分析及设计综合方法。第一章概论1.4课程主要内容及学时安排主要教材：控制工程基础(第三版)董景新、赵长德、郭美凤、陈志勇、李冬梅编著清华大学出版社，2009年第一章概论第一章概论主要参考文献：编著者董景新郭美凤陈志勇李冬梅刘云峰