控制工程基础(第一章)

辽宁科技学院教案课程名称：控制工程基础任课教师：杨光开课系部：机械学院开课教研室：机制开课学期：2012～2013学年度第1学期辽宁科技学院教案（参考样式）课题名称第一章绪论课次第（1）次课课时2课型理论（√）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（）教学目标了解机械工程的发展与控制理论的应用；理解机械工程自动控制系统的基本组成及工作原理；掌握机械自动控制系统的类型及对自动控制系统的基本要求。重点、难点及解决方法重点：机械自动控制系统的类型及对自动控制系统的基本要求难点：无解决方法：通过具体讲解相关例子使同学们明白有关自控系统的基础知识教学基本内容与教学设计本节主要内容：一、组织教学，包括自我介绍及学生考勤(5分钟)二、机械工程控制论的研究对象与任务(20分钟)三、控制理论的发展与应用(20分钟)四、自动控制系统的基本组成及工作原理(20分钟)1．机械工程自动控制系统的基本组成2．机械工程自动控制系统的工作原理五、自动控制系统的分类及对控制系统的基本要求(20分钟)1．自动控制系统的类型2．自动控制系统的基本要求六、本节教学内容小节及思考题的布置（5分钟）教学方法讲授法教学手段无课外学习安排思考题、预习、辅导答疑参考资料《控制工程基础》王积伟主编；《机械控制工程基础》董玉红主编；学习效果评测课外学习指导安排教学后记辽宁科技学院讲稿（参考样式）教学内容备注一、机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论研究机械工程中广义系统的动力学问题。1、系统(广义系统):按一定的规律联系在一起的元素的集合。2、动力学问题:系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动力学问题。上式中y(t)为微分方程的解，显然它是由系统的初始条件，系统的固有特性，系统的输入及系统与输入之间的关系决定。对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：二、控制理论的发展与应用控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。从1868年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。经典控制理论：控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据。1895年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论1948年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。经典控制理论的基本特征：(1)主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；(2)只用于单输入，单输出的反馈控制系统；(3)只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。现代控制理论:由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。当今世界，控制技术无处不在,世界随处可见控制与反控制。控制技术融合了信息技术、工程技术，是多种技术的融合。三、自动控制系统的基本组成及工作原理反馈：系统的输出不断地，直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统，其实质就是信息的传递与交互。人工控制恒温箱调节过程：1.观测恒温箱内的温度（被控制量）。2.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。3.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。恒温箱自动控制系统工作原理：1.恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u22.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u23.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。从恒温箱控制系统功能框图可见：1.给定量位于系统输入端，称为系统输入量或参考输入量(信号)。2.被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。3.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。综上所述，控制系统的工作原理：1.检测输出量（被控制量）的实际值2.将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；3.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。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”。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：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。四、自动控制系统的分类及对控制系统的基本要求1.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：a.开环控制系统b.闭环控制系统c.半闭环控制系统（反馈信号通过系统内部的中间信号获得。）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。a.开环控制系统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。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b.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闭环控制系统的组成①给定元件：产生给定信号或输入信号。②反馈元件：测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。③比较元件：对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。④放大元件：对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。⑤执行元件：直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、液压马达等；⑥校正元件：用以改善系统控制质量的装置。校正元件分为串联和并联两种。控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。c.半闭环控制系统特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。如何选用开环控制或闭环控制？应当注意以下几个方面：当系统的输入量能预先知道，并且不存在任何扰动时，采用开环控制比较合适。当输出量难于测量，或者要测量输出量在经济上不允许时，采用开环系统比较合适。从成本、功率的角度出发，为了减少系统所需要的成本、功率，在可能情况下应当采用开环控制。将开环控制与闭环控制适当地结合在一起，通常比较经济，并且能够获得满意的综合性能。2、输出变化规律分类(1)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。(2)程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。(3)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。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。3、按系统中传递信号的性质分类(1)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。(2)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。4、按线性和非线性分类线性系统：由线性元件组成，输入输出问具有叠加性和均匀性性质，以线性微分方程来表述。非线性系统：系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。用非线性微分方程来表述。5.按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。6.按系统功能：温度、压力、位置、速度7.按输入、输出信号的数目：单输入-单输出系统与多输入-多输出系统对控制系统的基本要求：1、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。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过程2、精确性：控制精度，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。控制系统的稳态精度3、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。控制系统的快速性