控制工程基础课件(清华大学)

控制工程基础（第一章）清华大学控制工程基础第一章概论第二章控制系统的动态数学模型第三章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和计算第七章控制系统的综合与校正*第八章根轨迹法*第九章控制系统的非线性问题第十章计算机控制系统第十一章MATLAB软件工具在控制系统分析和综合中的应用第一章概述1.1控制工程的发展1.2自动控制系统的基本概念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。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。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）另有发明击鼓记里公元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。控制论的奠基人美国科学家维纳（Wiener,N.，1894~1964）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。“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。”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，近年来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）“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•见光盘课件（第一章第二节）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。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。1.3控制理论在机械制造工业中的应用图1-10三坐标数控机床图1-13柔性制造系统1.4课程主要内容及学时安排控制工程基础课程主要阐述的是有关反馈自动控制技术的基础理论。本课程是一门非常重要的技术基础课，是机械学院平台课程。它是适应机电一体化的技术需要，针对机械对象的控制，结合经典控制理论形成的一门课程。本课程主要涉及经典控制理论的主要内容及应用,更加突出了机电控制的特点。本课程在高等数学、理论力学、电工电子学等知识的基础上，使学生掌握机电控制系统的基本原理及必要的实用知识。值得指出的是，尽管经典控制理论在六十年代已完全发展成熟，但它并不过时，经典控制理论是整个自动控制理论（包括现代控制理论）的基础。用一个不十分贴切的比喻，尽管微积分的基本理论在几百年前已经发展成熟，但在高等数学中至今仍然起着重大作用。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。•本课程讲授39学时（包括课堂讨论），实验9学时（另限人数开设后续实验课）•本教材主要涉及经典控制理论部分，对现代控制理论只作简单涉及，现代控制理论的主要内容将在研究生课程中讲授。•作业•考试主要教材董景新、赵长德、熊沈蜀、郭美凤控制工程基础(第二版)清华大学出版社，2003年主要参考文献[1]张伯鹏，控制工程基础，北京：机械工业出版社，1982．「2」高钟毓，机电控制工程（第2版），北京：清华大学出版社，2002．[3]王显正，范崇托，控制理论基础，北京：国防工业出版社，1980．[4」KatsuhikoOgata（美），现代控制工程（第四版中译本），电子工业出版社，2002．[5]吴麒，自动控制原理，北京：清华大学出版社，1990．[6」李友善，自动控制原理，北京：国防工业出版社，1980．[7]杨叔子，杨克冲，机械工程控制基础，武汉：华中工学院出版社，1984．[8」阳含和，机械控制工程（上册），北京：机械工业出版社，1986．[9]MorrisDriels,LinearControlSystemsEngineering,(国际知名大学原版教材），清华大学出版社，2000.12[10]GeneF.Franklin,J.DavidPowell,EmamiNaeini，FeedbackControlofDynamicSystems(4rded)，Addison-WesleyPublishingCompany，2002[11]RichardC.Dorf,RobertH.Bishop，ModernControlSystem(7thed)，Addison-WesleyPublishingCompany，1995[12]JohnVanDeVegte，FeedbackControlSystem(3rded)，Prentice-Hall，Inc.，Englewood：Cliffs,NewJersey，1994「13」ErnestO.Doebelin，ControlSystemPrinciplesandDesign，Prentice-Hall，Inc.，Englewood：Cliffs,NewJersey，1985本章作业（p15~16)1-1，1-2选做：1-6控制工程基础（第二章）清华大学第二章控制系统的动态数学模型2.1基本环节数学模型2.2数学模型的线性化2.3拉氏变换及反变换2.4传递函数以及典型环节的传递函数2.5系统函数方块图及其简化2.6系统信号流图及梅逊公式2.7受控机械对象数学模型2.8绘制实际机电系统的函数方块图2.9状态空间方程第二章控制系统的动态数学模型建立控制系统的数学模型，并在此基础上对控制系统进行分析、综合，是机电控制工程的基本方法。如果将物理系统在信号传递过程中的动态特性用数学表达式描述出来，就得到了组成物理系统的数学模型。经典控制理论采用的数学模型主要以传递函数为基础。而现代控制理论采用的数学模型主要以状态空间方程为基础。而以物理定律及实验规律为依据的微分方程又是最基本的数学模型，是列写传递函数和状态空间方程的基础。本章要熟悉下列内容：1、建立基本环节（质量-弹簧-阻尼系统和电路网络）的数学模型及模型的线性化2、重要的分析工具：拉氏变换及反变换3、经典控制理论的数学基础：传递函数4、控制系统的图形表示：方块图及信号流图5、受控机械对象的数学模型6、绘制实际机电系统的函数方块图7、现代控制理论的数学基础：状态空间模型2.1基本环节数学模型数学模型是描述物理系统的运动规律、特性和输入输出关系的一个或一组方程式。系统的数学模型可分为静态和动态数学模型。静态数学模型：反映系统处于平衡点（稳态）时，系统状态有关属性变量之间关系的数学模型。即只考虑同一时刻实际系统各物理量之间的数学关系，不管各变量随时间的演化，输出信号与过去的工作状态（历史）无关。因此静态模型都是代数式，数学表达式中不含有时间变量。动态数学模型：描述动态系统瞬态与过渡态特性的模型。也可定义为描述实际系统各物理量随时间演化的数学表达式。动态系统的输出信号不仅取决于同时刻的激励信号，而且与它过去的工作状态有关。微分方程或差分方程常用作动态数学模型。对于给定的动态系统，数学模型不是唯一的。工程上常用的数学模型包括：微分方程，传递函数和状态方程。对于线性系统，它们之间是等价的。针对具体问题，选择不同的数学模型。建立数学模型是控制系统分析与设计中最重要的工作！2.1.1质量-弹簧-阻尼系统机电控制系统的受控对象是机械系统。在机械系统中，有些构件具有较大的惯性和刚度，有些构件则惯性较小、柔度较大。在集中参数法中，我们将前一类构件的弹性忽略将其视为质量块，而把后一类构件的惯性忽略而视为无质量的弹簧。这样受控对象的机械系统可抽象为质量-弹簧-阻尼系统。k1J11J12m31m32k122k121k231k232k31k32J3J2m2电动机减速器工作台+工件k1m1k121k122m2k231k232k31k32m31+m32系统1系统3系统2D1D2D3DMtfityokD见光盘课件（第二章第一节）有源电路网络dttuCRtuoi)()()()(tudttuRCio2.2数学模型的线性化线性模型：满足叠加性与齐次性，用来描述线性系统。叠加性指当几个激励信号同时作用于系统时，总的输出响应等于每个激励单独作用所产生的响应之和。齐次性指当输入信号乘以某常数时，响应也倍乘相同的常数。即若为线性系统，则非线性模型：不满足叠加性或齐次性，用非线性方程表示。用来描述非线性系统。)()(:tytxf)()())()((2121tytytxtxf线性化方法：一般可在系统工作平衡点附近，对非线性方程采用台劳级数展开进行线性化，略去高阶项，保留一阶项，就可得到近似的线性模型。由于反馈系统不允许出现大的偏差，因此，这种线性化方法对于闭环控制系统具有实际意义。图2-7图2-8D阀控液压缸例)(0L0L0,xpfQLppxxLLppxxL0L0Lpp,xpfxx,xpf,xpfQL0L0L0L0)(LcqLpKxKQL0L0L0L0ppxxLLc