[工学]CC0-绪论第一讲

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1、机械工程控制基础主讲人：车畅*专业技术基础课课程性质:课程特点：内容丰富， 技术更新快， 紧密联系实际， 应用非常广泛。本课是非电专业的机电技术专业基础课，应用广泛， 学时少、内容多，不能轻视。否则，对以后的工作、学 习将会造成影响。前导课程：复变函数、电路理论、机械制造技术基础 后续课程： 机电一体化控制、 毕业设计等 控制思想、控制方法论主要教学环节l习题 独立完成作业，按时交作业。 预习听课复习(作业等形式)紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解题方 法和技巧。课堂上，多媒体授课为主，板书为辅l课堂教学l实验 注意理论联系实际，掌握软件编制的方法， 仿真调试与物理实验验证相结合。l课外补

2、充 复习：复变函数Laplace变换 自学：Matlab编程。（测试技术课程涉及有）课外交流联系方式:授课人 ：车车 畅畅办公室 ：5 5教楼教楼-417-417室室通讯方式：13689080088EMAIL : 工程控制基础课程说明教学目标： 1. 对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题本质和有效的解决方法 2. 如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以 达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。 控制论为理论基础，研究机械工程中广 义系统的动力学问题；同时，它又是一种方法 论。学习本课程的目的在于使学生结合工程实 际，应用经典控制论中的基本概

3、念和基本方法 来分析、研究和解决其中的问题 。教学内容：主要教学内容基础知识分析方法基本概念控制系统结构体系控制系统数学模型工 程 控 制 技 术时域分析频域分析系统稳定性判据工程应用系统性能指标系统校正学时与学分：36/2.5 基本教学内容与学时安排 一绪论 4 学时 二控制系统的数学模型 6 学时 三系统的时间响应分析 6 学时 四系统的频率特性分析 8 学时 五系统的稳定性 8 学时 六系统的性能指标与校正 4 学时工程控制基础课程教 材 及 参 考书 l教材：机械工程控制基础机械工程控制基础（第五版），杨叔子、（第五版），杨叔子、 杨克冲等编著，华中科技大学出版社，杨克冲等编著，华中科

4、技大学出版社，200520051.胡寿松胡寿松等编自动控制原理自动控制原理，国防工业出版社，国防工业出版社2.李友善主编自动控制原理国防工业出版社3.阳含和编著机械控制工程机械工业出版社l参考书：1.1 引言（一般概念） 1.2 自动控制技术应用1.3 自动控制理论的发展1.5 对控制系统的基本要求End 第一章第一章 绪论（自动控制的一般概绪论（自动控制的一般概 念）念）本 章 作 业1.4 控制系统基本概念何谓控制(control)何谓自动控制(automatic control) ：是指在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象按照 预定的技术要求进行工作。 自动控制系统：是指能够

5、对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它由被控对象和控制装置组成。数控加工中心能够按照预先给定的工艺程序自动进刀切削，加工出预期的几何形状。焊接机器人，温度控制系统等等。1.1 1.1 引言（一般概念）引言（一般概念） 热处理炉 温自动控 制系统手动与自动v自动控制：是指 在没有人直接参与的 情况下，利用控制装 置使被控对象（如机 器、设备或生产过程 ）的一个或数个物理 量（如电压、电流、 速度、位置、温度、 流量、化学成分等） 自动的按照预定的规 律运行（或变化）。v自动控制系统：是指能 够对被控对象的工作状 态进行自动控制的系统 。它一般由控制装置和 被控对象组成。被控制 对象是指那些要

6、求实现 自动控制的机器、设备 或生产过程。控制装置 是指对被控对象起控制 作用的设备总体。自动控制系统的功能和组成是 多种多样的，其结构有简单也有复杂。它可以只 控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一 个企业机构的全部生产和管理过程；它可以是一 个具体的工程系统，也可以是比较抽象的社会系 统、生态系统或经济系统。自动控制系统自动控制系统 自动控制系统自动控制系统是指能够对被控制对象工作状态进行自是指能够对被控制对象工作状态进行自 动控制的系统。一般由控制装置和被控制对象组成。动控制的系统。一般由控制装置和被控制对象组成。 被控制对象被控制对象是指要求实现自动控制的机器、设备或生是指要求实现

7、自动控制的机器、设备或生 产产过程过程例如船舶、柴油机、发电机、锅炉或热力过程例如船舶、柴油机、发电机、锅炉或热力过程 等。等。控制对象控制对象 控制装置控制装置则是指对被控制对象起控制作用的设备总体则是指对被控制对象起控制作用的设备总体 。包括测量设备、计算处理设备及驱动动作设备。包括测量设备、计算处理设备及驱动动作设备。控控 制装置制装置返回返回控制无处不在工 业 控 制国 防 应 用 家 用 电 器 消费类产品控 制 技 术 应 用1.2 自动控制技术应用控制技术应用举例 (1)工 业 控 制电机控制机床控制生产过程自动化控 制机器人控制. . . . . .控制技术的应用 海洋探测机器

8、人1990年日本海洋科技中心 研制的“海沟号”缆控式无 人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右） CR-01型6000米水下无缆机器人1995年8月我国沈阳自动化所机器人中 心研制的CR-01型6000米水下无缆机 器人（上）和正在下水的情况（右）瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人 一个典型的运动控制系统船用火力发电综合控制系统 家 用 电 器 冰箱、洗衣机 家庭影院 微波炉 . . . . . .控制技术应用举例 (2)消费类产品 WalkMan U盘、 MP3 手机应用产品 . . . . . .控制技术应用举例 (3)32、64等 合弦音MCU芯片智能楼宇的控制控制技术应用举

9、例 (4)可视对讲、室内报警、远程家电控制.楼 宇 电 梯 的 控 制信 号 检 测供 电 系 统电机(执行机构)可编程序 控制器Programmable Logic Controller电机控制器汽车电子汽 车 电 子电源发动机控制行驶装置报警与安全装置旅居性仪表娱乐通讯 收音机、汽车电话、业余电台点火装置、燃油喷射控制、 发动机电子控制车速控制、间歇刮水、 除雾装置、车门紧锁.安全带、车灯未关报警、 速度报警、安全气囊.空调控制、动力窗控制里程表、数字式速度表、 出租车用仪表.控制技术应用举例 (5)21世纪 绿色 环保汽车EV安全、舒适、可靠无废气排放 ( 零 排放)高效率EV?机电 机

10、电一体化EV充电系统电池管理系统汽车照明、 电动转向、空调、 音响、雨刷、安全 报警、电动门窗 .电 子机械驱动控制系统电机驱动系统控制控制基于CAN总线的汽车内部控制示意图口语汽车导航系统使用情景示意图汽车GPS定位，GIS导航，GSM通信单片机 控制器应用1.3 自动控制理论的发展控制理论的奠基人美国科学家维纳（ Wiener,N.）从1919年开始萌发控制论的思想， 1940年他提出了数字电子计算机设计的5点建议。 二次大战时期，维纳参加了火炮自动控制的研究工 作，他把火炮自动打飞机的动作和人狩猎的行为做 了对比，并且提炼了控制理论中最基本最重要的概 念反馈概念，他提出，准确控制的方法可

11、以把 运动的结果所决定的量，作为信息再反馈回控制仪 器中，这就是著名的负反馈概念。那么象汽车的驾 驶也是由人参与的负反馈调节。1943年火炮自动控制研制成功。20世纪50年 代之后火炮和导弹技术得到极大的发展。我国是 1954年，科学家钱学森在美国运用控制理论的思想 和方法，用英文出版了工程控制论，首先把控 制论推广到工程技术领域。例如机电行业，机电一 体化的产品。自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门 正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。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

12、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

13、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。应该指出的是，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部

14、和外部干扰的响应变得十分迟钝，从 而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来 了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发 了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的 发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制 技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。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

15、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。大系统理论20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出 现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法 以传递函 数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制 理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在 线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法 在保证系统稳定性和 其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不 确定性。随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到 若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的 工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环 境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具 有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点 。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理