工程控制基础：1-1 导论12

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1、1工程控制基础工程控制基础2参考教材参考教材1.1.自动控制理论与设计自动控制理论与设计 上海交大出版社上海交大出版社 徐薇莉等徐薇莉等2.2.控制理论基础控制理论基础 科学出版社科学出版社 王显正等王显正等3.3.自动控制系统自动控制系统 高教出版社高教出版社 汪小帆等汪小帆等4.4.Automatic Control SystemAutomatic Control System Benjamin C. Kuo Benjamin C. Kuo （高教出版社（高教出版社 ）31.1 引言自动化（自动化（Automation 或或Automatization） 什么是自动控制？什么是自动控制？

2、什么是自动控制系统？什么是自动控制系统？ 自动控制主要研究解决什么问题？自动控制主要研究解决什么问题？第一章第一章 导论导论4自动控制自动控制 脱离人的直接干预，利用控制装置使被控对脱离人的直接干预，利用控制装置使被控对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。另一种定义：机器设备在没有人直接参与的情况另一种定义：机器设备在没有人直接参与的情况下，经过下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制控制实现预期的目标。实现预期的目标。第一章第一章 导论导论5第一章第一章 导论导论自动控制系统自动控制系统 为实现上述控制目的，

3、由相互制约的各部分为实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的按一定规律组成的具有特定功能的整体具有特定功能的整体。 例：交通控制、水位控制例：交通控制、水位控制 经济控制、人体控制经济控制、人体控制6第一章第一章 导论导论自动化的核心是自动化的核心是“控制控制”自动化技术的两个方面：自动化技术的两个方面： 人手或脚的延伸人手或脚的延伸动力方面的自动化技术：动力方面的自动化技术：工业化工业化 人脑的延伸人脑的延伸信息处理方面的自动化技术信息处理方面的自动化技术: : 信息化信息化7第一章第一章 导论导论最简单的控制系统是最简单的控制系统是 开环控制系统开环控制系统特点：结构简单，工作

4、稳定，在输入和扰动确定时控制效果好。特点：结构简单，工作稳定，在输入和扰动确定时控制效果好。但在元件参数变化或扰动未知时不能自动修正系统偏差。但在元件参数变化或扰动未知时不能自动修正系统偏差。输入输入控制器控制器控制信号控制信号被控对象被控对象输出输出开环控制系统框图开环控制系统框图8第一章第一章 导论导论闭环控制系统闭环控制系统利用输入与输出的误差对系统进行控制。利用输入与输出的误差对系统进行控制。特点：能有效抑制元件参数变化或未知扰动的影响，自动修特点：能有效抑制元件参数变化或未知扰动的影响，自动修正系统偏差。闭环控制系统是反馈控制系统。正系统偏差。闭环控制系统是反馈控制系统。输入输入 控

5、制器控制器控制信号控制信号被控对象被控对象输出输出比较比较测量测量误差误差闭环控制系统框图闭环控制系统框图9第一章第一章 导论导论本门课程的主要内容本门课程的主要内容讨论自动控制系统的分析、设计的基本方法讨论自动控制系统的分析、设计的基本方法反馈控制理论。反馈控制理论。将自动控制理论应用于各种工程领域将自动控制理论应用于各种工程领域对经济和社会各部门的活动进行控制和管理。对经济和社会各部门的活动进行控制和管理。10第一章第一章 导论导论自动化的发展历史自动化的发展历史公元前我国的自动计时漏壶11第一章第一章 导论导论公元132年张衡研制的候风地动仪12第一章第一章 导论导论公元公元235235

6、年马钧研制出年马钧研制出能自动指示方向的指南车能自动指示方向的指南车 13第一章第一章 导论导论17881788年英国年英国WattWatt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器 14第一章第一章 导论导论19131913年美国建成最早的年美国建成最早的汽车装配流水线汽车装配流水线15第一章第一章 导论导论19521952年美国年美国MITMIT研制出第一台数控机床研制出第一台数控机床 1619541954年第一台工业机器人年第一台工业机器人 19811981年美国年美国“哥伦比亚哥伦比亚”号号航天飞机首次发射成功航天飞机首次发射成功第一章第一章 导论导论17自动

7、控制系统应用举例自动控制系统应用举例写字机器人写字机器人18自动控制系统应用举例自动控制系统应用举例汽车自动焊接生产线19自动控制系统应用举例自动控制系统应用举例自动立体仓库自动立体仓库20自动控制系统应用举例自动控制系统应用举例自动搬运车自动搬运车21自动控制系统应用举例自动控制系统应用举例注塑机注塑机22自动控制系统应用举例自动控制系统应用举例月球车月球车23自动控制系统应用举例自动控制系统应用举例机器人足球比赛机器人足球比赛24机器人机器人自动控制系统应用举例自动控制系统应用举例25大学生智能汽车比赛大学生智能汽车比赛自动控制系统应用举例自动控制系统应用举例26无人驾驶汽车无人驾驶汽车空

8、中飞艇空中飞艇自动控制系统应用举例自动控制系统应用举例27自动控制理论的内容自动控制理论的内容经典控制理论经典控制理论1现代控制理论现代控制理论2大系统理论大系统理论3智能控制理论智能控制理论4线性控制理论线性控制理论非线性控制理论非线性控制理论采样控制理论采样控制理论28经典控制理论 包括时域、复频域的分析与设计方法包括时域、复频域的分析与设计方法研究的主要对象是单输入、单输出研究的主要对象是单输入、单输出单变量系统单变量系统如：调节电压改变电机的速度如：调节电压改变电机的速度调节流量改变容器中液体的液位调节流量改变容器中液体的液位自动控制理论的内容自动控制理论的内容29现代控制理论 以状态

9、空间法为研究方法以状态空间法为研究方法研究的主要对象是多输入、多输出研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统多变量系统如如: : 汽车通过调节方向盘和加速踏板，调整方向和汽车通过调节方向盘和加速踏板，调整方向和速度两个输出速度两个输出计算机科学的发展，极大地促进了控制科学的发展计算机科学的发展，极大地促进了控制科学的发展 自动控制理论的内容自动控制理论的内容30经典控制理论与现代控制理论比较项目项目经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论研究对象研究对象线性定常系统线性定常系统（单输入、单输出）（单输入、单输出）线性、非线性、定常、时变系统线性、非线性、定常、时变系统（多输入、多输出）

10、（多输入、多输出）描述方法描述方法传递函数传递函数（输入、输出描述）（输入、输出描述）向量空间向量空间（状态空间描述）（状态空间描述）研究办法研究办法根轨迹法和频率法根轨迹法和频率法状态空间法状态空间法研究目标研究目标系统分析及给定输入、输系统分析及给定输入、输出情况下的系统综合出情况下的系统综合揭示系统的内在规律，实现在一揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控制与设计定意义下的最优控制与设计31过程控制与信息处理相结合过程控制与信息处理相结合研研究究的的对对象象规规模模庞庞大大、结结构构复复杂杂、功功能能综综合合、目目标多样、因素众多标多样、因素众多多输入、多输出、多干扰、多变量的系统

11、多输入、多输出、多干扰、多变量的系统如：人体，我们就可以看作为一个大系统如：人体，我们就可以看作为一个大系统社会人口系统社会人口系统 大系统控制理论目前仍处于发展阶段大系统控制理论目前仍处于发展阶段 大系统控制理论自动控制理论的内容自动控制理论的内容32新新发发展展起起来来的的一一种种控控制制技技术术，是是人人工工智智能能在在控控制制上上的的应应用用。依依据据人人的的思思维维方方式式和和处处理理问问题题的的技技巧巧，解解决决那那些些目目前前需需要要人人的的智智能能才才能能解解决决的的复复杂杂的的控控制问题。制问题。能能运运用用人人们们的的经经验验与与技技巧巧解解决决许许多多以以往往控控制制中中

12、难难以以解解决决的的棘棘手手问问题题，因因此此得得到到了了人人们们极极大大的的重视。重视。智能控制自动控制理论的内容自动控制理论的内容33自动控制系统的基本原理和组成自动控制系统的基本原理和组成1.2.1 1.2.1 自动控制系统的基本原理自动控制系统的基本原理 脱离人的直接干预，利用脱离人的直接干预，利用控制装置控制装置（简称控（简称控制器）使制器）使被控对象被控对象（或生产过程等）的工作状态（或生产过程等）的工作状态或或被控量被控量（如温度、压力、（如温度、压力、PHPH值等）准确地按照值等）准确地按照预期的要求或规律运行的系统。预期的要求或规律运行的系统。34控制系统的组成：控制系统的组

13、成： 输入部分、控制系统部分和输出部分输入部分、控制系统部分和输出部分从从物理物理角度上看，研究的是特定角度上看，研究的是特定激励作用下的系统激励作用下的系统响应响应变化情况；变化情况；从从数学数学角度上看，研究的是角度上看，研究的是输入与输出之间的映射输入与输出之间的映射关系。关系。自动控制系统的基本原理和组成自动控制系统的基本原理和组成35例例1. a.1. a.温度温度人工控制人工控制自动控制系统的基本原理和组成自动控制系统的基本原理和组成36 控制目标：控制目标： 炉子的温度恒定在期望的数值上炉子的温度恒定在期望的数值上自动控制系统的基本原理和组成自动控制系统的基本原理和组成输入信号输

14、入信号（期望炉温期望炉温）输出信号输出信号（实际炉温实际炉温）脑脑（计算计算、比较比较）放大放大、执行执行（手臂（手臂, ,手手,调压器）调压器）被控对象被控对象（电热丝电热丝、炉炉）测量测量（温度计（温度计, ,眼睛）眼睛）37b.b.温度温度 自动控制自动控制自动控制系统的基本原理和组成自动控制系统的基本原理和组成38温度自动控制系统的基本组成温度自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本原理和组成自动控制系统的基本原理和组成+_实际温度实际温度电压放大器电压放大器功率放大器功率放大器炉子炉子热电偶热电偶电机、电机、 减速器、减速器、调压器调压器期望温度期望温度ur控制器控制器驱动执行驱动执

15、行被控对象被控对象测量测量ubu39例例2 2：火炮自动跟踪系统：火炮自动跟踪系统+_收信仪放大器减速器校正装置检测装置电机+自动控制系统的基本原理和组成自动控制系统的基本原理和组成401.2.2 1.2.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成自动控制系统的基本原理和组成自动控制系统的基本原理和组成输入信号输入信号系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现输出信号输出信号系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态反馈信号反馈信号反馈装置的输出，与输出信号有一定的函数关系反馈装置的输出，与输出信号有一定的函数关系误差信

16、号误差信号输入信号与反馈信号之差输入信号与反馈信号之差输入信号输入信号输出信号输出信号控制器控制器比较比较执行执行被控对象被控对象测量测量 （反馈反馈 ）41典型的反馈控制系统的结构图前向通道前向通道反馈通道反馈通道自动控制系统的基本原理和组成自动控制系统的基本原理和组成42输入量输入量 放大元件放大元件串联校串联校正元件正元件执行执行元件元件被控被控对象对象扰动扰动并联并联校正元件校正元件反馈元件反馈元件输出量输出量比较比较元件元件e(t)偏差偏差信号信号主反馈信号主反馈信号b(t)测量反馈元件测量反馈元件主反馈主反馈局部反馈局部反馈给定给定元件元件自动控制系统的基本原理和组成自动控制系统的

17、基本原理和组成43思考题思考题A1-1A1-4A1-5441.3.1 1.3.1 按信号的传递路径来分类按信号的传递路径来分类 1 1、开环控制系统、开环控制系统 特点：特点： 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类系统的输出端与输入端不存在反馈通道系统的输出端与输入端不存在反馈通道输出与输入一一对应输出与输入一一对应控制精度受干扰与元件参数变化影响控制精度受干扰与元件参数变化影响45 2 2、闭环控制系统（反馈控制系统）、闭环控制系统（反馈控制系统） 特点：特点： 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类系统输出信号通过测量元件反馈到输入端系统输出信号通过测量元件反馈到输入端 通过

18、比较、控制来减小系统误差。通过比较、控制来减小系统误差。461.3.2 1.3.2 按系统输出信号的变化规律来分类按系统输出信号的变化规律来分类1 1、恒、恒值控制系控制系统 （或称自（或称自动调节系系统、自、自动镇定系定系统） 特点：特点：输入信号是一个恒定的数入信号是一个恒定的数值。 如：工如：工业生生产中的恒温、恒中的恒温、恒压等自等自动控制系控制系统 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类472 2、过程控制系程控制系统 特点：特点：输入信号是一个已知的函数入信号是一个已知的函数。 系系统的控制的控制过程按程按预定的程序定的程序进行，要求被控量能迅速准行，要求被控量能迅速准确地复

19、确地复现输入，如化工中的入，如化工中的压力、温度、流量控制。力、温度、流量控制。 恒恒值控制系控制系统可看成可看成输入等于常入等于常值的的过程控制系程控制系统。 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类48 特点：特点：输入信号是一个未知函数输入信号是一个未知函数。 要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。 如：火炮自动跟踪系统。要求有较好的跟踪能力。如：火炮自动跟踪系统。要求有较好的跟踪能力。3 3、随、随动系系统（或称伺服系（或称伺服系统）1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类491 1、连续系系统 特点：特点：系系统各部分信号都是模各部分信号

20、都是模拟的的连续函数。函数。 工工业中采用常中采用常规仪表控制的系表控制的系统。 1.3.3 1.3.3 按系统传输信号的性质来分类按系统传输信号的性质来分类1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类502 2、离散系、离散系统 特点：特点：系系统的某一的某一处或几或几处信号以脉冲序列或数信号以脉冲序列或数码形式形式传递的控制系的控制系统。 系系统中用采中用采样开关将开关将连续信号信号转变为离散信号。离散信号。1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类离散信号以脉冲形式传递的系统又叫离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统脉冲控制系统离散信号以数码形式传递的系统又叫离散信号以数码形式传

21、递的系统又叫数字控制系统数字控制系统51 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类521.3.4 1.3.4 按系统的输入输出特性不同来分类按系统的输入输出特性不同来分类 1 1、线性系统、线性系统 特点：特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。线性微分方程。 r(t)r(t)系统输入量；系统输入量； c(t)c(t)系统输出量系统输出量1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类531 1、线性系统、线性系统 特点：特点：具有叠加性和齐次性。具有叠加性和齐次性。1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类r1 c1r1

22、c1r2c2叠加性叠加性齐次性齐次性r1 + r2 c1 + c2ar1 ac1542 2、非、非线性系性系统 特点：特点：在构成系在构成系统的的环节中有一个或一个以上的非中有一个或一个以上的非线性性 环节。 非非线性的理性的理论研究不如研究不如线性系性系统那么完整，目前尚无通那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各用的方法可以解决各类非非线性系性系统。1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类55其他的分其他的分类方法：方法：按功能来分：按功能来分： 温度控制系温度控制系统、速度控制系、速度控制系统、 位置控系位置控系统等。等。 按元件按元件组成分：机成分：机电系系统、液、液压系系统、生物系

23、、生物系统等。等。1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类561.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类571.4 控制系统实例控制系统实例1.4.1 1.4.1 内燃机内燃机转速控制系速控制系统应用瓦特式转速调节器应用瓦特式转速调节器的内燃机转速控制系统的内燃机转速控制系统581.4.2 1.4.2 角度随角度随动系系统1.4 控制系统实例控制系统实例59控制系统建模控制系统建模控制系统分析控制系统分析控制系统设计控制系统设计主要内容主要内容1.5 本书概貌本书概貌601时域数学模型时域数学模型微分方程微分方程(基础基础)2复域数学模型复域数学模型传递函数传递函数(工具工具)3频域数学

24、模型频域数学模型频率特性频率特性(工具工具) 数学模型数学模型 61微分方程微分方程时间域时间域t频率特性频率特性频率域频率域传递函数传递函数复数域复数域s控制系统控制系统s=jL/ L-1F/ F-1三种模型之间的关系三种模型之间的关系 62系统分析的内容系统分析的内容 稳定性分析稳定性分析1稳态特性分析稳态特性分析2动态特性分析动态特性分析363解析法解析法 稳定的充分必要稳定的充分必要条件条件动态性能指标动态性能指标 作图法作图法在工程应用中解在工程应用中解决系统设计问题决系统设计问题复频域复频域时域时域系统分析与设计的方法系统分析与设计的方法系统设计的方法之一是系统校正系统设计的方法之一是系统校正, ,校正装置的设计校正装置的设计常用常用根轨迹法根轨迹法和和频率法频率法. .641.5 本书概貌本书概貌6566作业作业A1-5B1-3