河北工业大学控制工程课件

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1、控制工程基础,主讲：高铁红 机械学院机械系,控制工程基础(自编教材） 普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第一章 绪论 第二章 控制系统的数学模型 第三章 频率特性 第四章 控制系统的稳定性分析 第五章 控制系统的时间响应及稳态误差分析 第六章 控制系统的根轨迹分析 第七章 控制系统的综合与校正 第八章 离散控制系统分析与校正,第一节 概述 第二节 控制系统的基本概念 第三节 控制系统的基本类型 第四节 对控制系统的基本要求 第五节 循序渐进学习示例：直流电动机调速系统,第一章 绪论,第一节 概述,一、控制工程研究的主要内容 二、控制理论的发展 三、控制理论在工程中的应用 四、控制理论的学习

2、方法,一、控制工程研究的主要内容,控制工程主要研究有关自动控制和系统动力学的基础理论及其在工程中的应用。它是一门新兴技术科学，也是一门边缘科学，它的理论基础是控制理论。 具体的讲研究用控制理论的基本原理解决电气、机械、测控、化工等一切工程系统中的控制技术问题。（图1-1）,离心调速器原理示意图(图1-1),稳定、准确、快速,输入：驱动力 输出：小车位移，摆杆角度 问题：如何使系统稳定？ 如何通过控制使系统综合性能达到期望值？如何通过控制使系统达到最优控制性能指标？,单倒立摆,输入：各关节驱动电机力矩、角度、角速度等 输出：末端位置、各个转动臂的位置、速度、加速度等 问题：如何使系统稳定？ 如何

3、通过控制使系统综合性能达到期望值？如何通过控制使系统达到最优控制性能指标？,Robot 机器人,密歇根大学的机械手装配模型,工程控制理论的实质,工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题 具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件(即输入或激励，包括外加控制与外加干扰)作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性(即由系统的结构与参数所决定的特性)决定的系统整个动态历程； 研究这一系统及其输入、输出三者之间的动态关系,系统,输入,输出,学习控制工程基础要解决的两个问题,一是如何分析某个给定控制系统的工作原理、稳定性和过渡过程品质； 二是如何根据实际需要

4、来进行控制系统的设计，并用机、电、液、光等设备来实现这一系统。 前者主要是分析系统，后者是综合与设计，无论解决哪类问题，都必须具有丰富的控制理论知识。,二、控制理论的发展,1、控制理论的产生可以追朔到1788年瓦特(J.Watt)为控制蒸汽机速度而发明的蒸汽机离心调速器，其原理示意图如图1-1所示。 2、1868年，英国物理学家马克斯威尔（J.C.Maxwell）发表了第一篇关于“论调速器”的文章，首先提出了“反馈控制”的概念。 1884年和1895年,劳斯（E.J.Routh）和霍尔维茨(A.Hurwitz)把麦克斯威尔的理论扩展到用高阶微分方程描述的更为复杂的系统，并分别提出了两种著名的代

5、数稳定性判据。 1932年奈奎斯特（H.Nyquist）研制出电子管振荡器，同时提出了著名的Nyquist稳定性判据。,二、控制理论的发展,3、1948年美国数学家维纳（N.Wiener）出版了著名的控制论关于在动物和机器中控制和通讯的科学一书，他揭示了无论机器系统、生命系统甚至社会和经济系统中，都存在一个共同本质的特点，它们都是通过信息的传递、处理与反馈这三个要素来进行控制，这就是控制论的中心思想。 1950年伊万斯（W.R.Evans）提出的根轨迹法提供了寻找特征方程根的比较简易的图解方法，至此，形成了完整的经典控制理论。,二、控制理论的发展,4、我国著名科学家钱学森从控制论这一总题目中，

6、把已被当时科学技术和工程实践所证明的部分分离出来，创立了“工程控制论”，并于1954年出版了工程控制论这一名著，这对控制理论的发展与应用起到了很大的推动作用。,二、控制理论的发展,5、50年代末与60年代初，一方面由于工业生产、火箭和空间技术的发展，出现了多变量、非线性和时变参数系统，经典控制理论已经不能满足要求；另一方面由于电子计算机技术的发展与应用，半导体和电子技术、计算技术的发展，各种传感器和自动检测技术的发展，使控制理论发展到了一个新阶段，从而产生了现代控制理论。 随着科技进步特别是计算机科学的发展，控制论无论是在三要素的内涵上，还是在其深度与广度上都在发展变化着，对促进生产的发展和社

7、会进步产生着深远的影响.,控制理论发展几个阶段,19401950 经典控制理论发展阶段 研究对象：单机自动化，解决单输入单输出（SISO-Single Input Single Output）线性定常系 统的控制问题； 主要数学工具：微分方程、拉普拉斯变换 数学模型：传递函数（输入、输出描述） 主要研究方法：时域法、频域法和根轨迹法； 主要解决问题：控制系统的稳定性、快速性、准确性。,控制理论发展几个阶段,19601970 现代控制理论发展阶段 研究对象：机组自动化和各种动态系统的多输入多输出（MIMO-Multi-Input Multi-Output）系统的控制问题； 数学工具：线性代数、矩

8、阵论 数学模型：状态空间法(可以描述内部行为） 主要研究方法：变分法、极大值原理、动态规划理论等； 重点解决问题:最优控制、随机控制和自适应控制；最优估计和滤波 核心控制装置是电子计算机； 控制策略是建立在已知系统的基础上的,控制理论发展几个阶段,19701980以后 智能控制理论发展时期 智能自动化 智能系统能够模仿人脑，在没有人的干预下，能够进行自我调节、自我学习和自我组织，以适应外界环境的变化，并作出相应的决策和控制。 采用的方法：自动控制理论、专家系统、模糊数学、神经网络和运筹学等 研究内容包括：最优控制、自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、模糊控制、 控制等等。,三、控制理论在工程中

9、的应用,1、军事（飞机方向控制、火炮控制、军舰航行控制等） 2、数控机床、加工中心 3、机器人 4、机电一体化系统(打印机、扫描仪、硬盘驱动器、倒立摆 等） 5、动态测试 6、机械系统动力性能分析 7、液压系统的动态特性分析 8、生产过程控制,飞机俯仰角控制系统,三、控制理论在工程中的应用,三、控制理论在工程中的应用,密歇根大学的机械手装配模型,香港理工AGV模型,倒立摆控制系统,倒立摆系统是一个典型的高阶次、多变量、严重不稳定和强耦合的非线性系统。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走等有很大的相似性,因而对其研究具有重大的理论和实践意义。,Automatic Control 自动控制,四

10、、控制理论特点及学习方法,本课程特点： （1）比较抽象 （2）起点高 （3）系统性强 学习本门课程应以新的视角分析和考虑问题。 学习本门课程要能以系统的而不是孤立的、动态的而不是静态的观点和方法来思考和解决问题。 掌握控制理论的基本概念、基本理论和基本方法并注意结合实际，为解决工程中的控制问题打下基础。,五、本课程参考书,杨叔子主编 机械工程控制基础 华中理工大学出版社 朱骥北主编 机械控制工程基础 机械工业出版社 胡寿松主编 自动控制原理 科学出版社 绪方胜彦著、卢伯英等译 现代控制工程科学出版社 董景新、赵长德编著 控制工程基础 清华大学出版社 王积伟等编著 控制工程基础 高等教育出版社,

11、本课程教学安排,本课程总学时：48学时 课堂教学学时：42学时 实验教学学时：6学时 学时分配(含实验学时）： 第一章 绪论 6学时 (含2学时实验） 第二章 控制系统的数学模型 8学时 第三章 频率特性 10学时 (含2学时实验） 第四章 系统的稳定性分析 6学时 第五章 时间响应及误差分析 6学时 (含2学时实验） 第六章 控制系统的根轨迹分析 4学时 第六章 控制系统的综合与校正 4学时 第七章 离散控制系统分析与校正 2学时 总结复习 2学时 考试形式： 考试一,课程学习要求,按时上课，认真听讲 亲笔手书，完成作业 参与实验，撰写报告 闭卷考试，成绩叠加,第二节 控制系统的基本概念,一

12、、控制系统的基本工作原理 二、开环、闭环和复合控制系统 三、闭环控制系统的基本组成,一、控制系统的基本工作原理,系统：是由相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体。 自动控制系统：能够进行自动控制的一整套设备或装置。通常由控制器（控制装置）和被控对象两大部分组成。 被控对象是指系统中需要加以控制的机器、设备或生产过程； 控制器是指能够对被控对象产生控制作用的设备的总体。 控制系统的任务就是使被控制对象的物理量按照预先给定的控制规律变化。,一、控制系统的基本工作原理,请同学动脑筋想一想身边的自动控制系统的例子。,被控对象,控制器,一、控制系统的基本工作原理,实现自动控制的优点： 1、提高生产率

13、、降低能源消耗。 2、减轻体力和脑力劳动。 3、生产安全、废品少、产品质量高。,温度,人工控制的恒温箱（图1-2）,自动控制的恒温箱（图1-3）,实现控制的三个基本步骤,不论采用人工控制还是自动控制都具有以下的共同点： 一是要检测被控制量的实际值； 二是被控制量的实际值要与给定值进行比较得出 偏差值； 三是要用偏差值产生控制调节作用再去消除偏差。 总结：检测偏差，消除偏差,反馈控制原理,反馈是指对系统的被控制量进行测量，并加以处理（取其一部分或全部、或其函数等）后，再返回输入端与系统的给定量进行比较的过程。 如果反馈量对给定量起增强作用，则称为正反馈；反之，如果反馈量对给定量起减弱作用，则称为

14、负反馈。通常，控制系统采用负反馈。 基于负反馈基础上的“检测偏差并用以消除偏差”的控制原理，称为反馈控制原理。利用反馈控制原理组成的系统称为反馈控制系统。 反馈控制是自然界中一切物体控制的自身运动的基本规律之一，可以实现复杂而精确的控制；如人和动物（为寻求目标）的行走、汽车驾驶过程、导弹控制过程等。,反馈 负反馈 正反馈。 反馈控制原理。 反馈控制系统。 。,固有反馈（或内在反馈）,固有反馈是指没有外加的检测装置，但是，变量与变量之间相互制约，构成了闭合的因果关系。 例如: 机械传动系统、机械加工系统、直流电机系统等。从控制理论的角度，它们都是一个反馈控制过程，因而都可以用控制理论加以解决。,

15、职能方框图,把表示系统的组成、各元件作用关系及信号传递（或流通）关系的图形称为职能方框图。,图1-4 恒温箱温度自动控制系统职能方框图,控制系统中常用的概念和术语的含义说明,输出量（或称输出信号、被控制量）：是指控制系统中需要加以控制的物理量。系统的输出量常用符号xo(t)表示。 输入量（或称输入信号、给定值、给定量）：是指输入给控制系统用以控制输出量变化规律的物理量它作用于系统输入端，直接地或间接地表示系统输出量的期望值（给定值）。系统的输入量常用符号xi(t)表示. 扰动量（或称扰动信号）：指那些能使输出量偏离预定要求（期望值）的意外干扰因素。 反馈量（或称反馈信号）：是指把输出量取出并直接或经转换以后送回到输入端与输入信号进行比较的物理量。,绘制方框图举例1：,绘制方框图举例2：,二、开环、闭环和复合控制系统,控制系统按其有无反馈作用和反馈作用的方式可分为三类： 1、开环控制系统 2、闭环控制系统 3、复合控制系统,开环控制系统,如果系统的输出量和输入量之间没有反馈作用，输出量对系统的控制过程不发生影响时，这样的系统称为开环控制系统。如手表、交通灯控制、机床的进给运动等。 图1-5是数控线切割机的进给系统.,数控线切割机的进给系统(图1-5),数控线切割机的进给系统(图1-5),上例的控制过程为： （1）根据图纸设定x方向位移； （2）把此数据输入