第1章 控制工程基本概念

控制工程技術(shù)【課程名稱】控制工程技術(shù)/TechnologyofControlEngineering。【學(xué)時(shí)】48學(xué)時(shí)【課程類別】必修、專業(yè)基礎(chǔ)課

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工程中的數(shù)學(xué)。【先修課程】《理論力學(xué)》、《機(jī)械原理》、《液壓傳動(dòng)》、《模擬電子技術(shù)》、《高等數(shù)學(xué)》等?！痉?wù)對(duì)象】機(jī)制專業(yè)?！菊n程特點(diǎn)】理論性較強(qiáng)，概念術(shù)語(yǔ)多，需要用到微分方程、復(fù)變函數(shù)、拉氏變換等數(shù)學(xué)工具，所以本課程主要強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，應(yīng)從物理本質(zhì)、數(shù)學(xué)描述等多方面闡明物理概念，以基本概念為核心、基本原理、基本方法為主線進(jìn)行教學(xué)。在教學(xué)體系上以系統(tǒng)分析為重點(diǎn)，按分析方法展開(kāi)，從時(shí)域分析方法轉(zhuǎn)入頻域分析；從連續(xù)系統(tǒng)再到離散系統(tǒng)。講授本課程時(shí)，要求學(xué)生自學(xué)MATLAB語(yǔ)言，并能用該語(yǔ)言解答習(xí)題。一、課程基本內(nèi)容二、相關(guān)參考書王積偉容一鳴二、相關(guān)參考書胡壽松

理查德1、考核采用閉卷考試形式；2、平時(shí)成績(jī)占最終成績(jī)的30%。第一章緒論I.1

I.2

I.3

I.4I.5自動(dòng)控制及其發(fā)展概述控制系統(tǒng)的反饋工作原理及其組成控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)在非工程領(lǐng)域的應(yīng)用控制系統(tǒng)的要求及常用典型控制信號(hào)本章小結(jié)1、了解控制系統(tǒng)的基本概念、工作原理、分類及特點(diǎn)。2、掌握反饋及反饋控制的基本概念，以及在控制系統(tǒng)中的作用。3、掌握控制系統(tǒng)的組成和各部分的作用。4、根據(jù)工作原理圖，確定控制系統(tǒng)的被控對(duì)象、控制量和被控制量，正確畫出系統(tǒng)的方框圖。5、了解控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。教學(xué)重點(diǎn)：反饋的概念，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)的概念，控制系統(tǒng)的基本組成及工作原理。教學(xué)難點(diǎn)：根據(jù)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)圖或工作原理示意圖繪出系統(tǒng)元件框圖。教學(xué)目的：第一章緒論溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)哇?。。?！好冷啊。。。。什么鬼天氣！?。∵?？你很冷嗎？我一點(diǎn)也不冷哦！為什么??？嘿嘿，因?yàn)槲殷w內(nèi)裝了溫度自動(dòng)控制芯片，當(dāng)然不會(huì)冷控制工程問(wèn)題的提出？瓦特離心調(diào)速器控制工程問(wèn)題的提出？電熱毯電飯煲機(jī)器人踢足球比賽軍事和航天導(dǎo)彈打衛(wèi)星二炮東風(fēng)21D導(dǎo)彈模擬攻擊目標(biāo)機(jī)械轉(zhuǎn)速、位置的控制工業(yè)過(guò)程中溫度、壓力、流量的控制遠(yuǎn)洋巨輪航行控制深水潛艇的控制飛機(jī)自動(dòng)駕駛神舟飛船的返回控制“勇氣”號(hào)、“機(jī)遇”號(hào)的火星登陸控制等等總之，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用幾乎無(wú)所不在。§1.1自動(dòng)控制及其發(fā)展概述系統(tǒng)的定義:是由若干相互作用和相互依賴的事物組合而成的具有特定功能的整體。機(jī)床用振動(dòng)料斗太陽(yáng)能自行車系統(tǒng)模型x1x2…x3y1y2…y3

通常，輸入和輸出都是物理變量，例如，溫度、壓力、液位、電壓、位移、速度等。系統(tǒng)可大可小，可繁可簡(jiǎn)，甚至可“實(shí)”可“虛”，完全由研究的需要而定，通常將它們統(tǒng)稱為廣義系統(tǒng)。

對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)一般可以定義為任何一組存在某種因果關(guān)系的物理元件。原因稱為激勵(lì)或輸入；效果叫做響應(yīng)或輸出。物質(zhì)構(gòu)成系統(tǒng)的形體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)能量信息則是系統(tǒng)的靈魂能量信息系統(tǒng)構(gòu)成三要素控制:按照預(yù)先給定的目標(biāo)，改變系統(tǒng)行為或性能。

控制、自動(dòng)控制的定義例[鋼鐵軋制]:軋出厚度一致的高精度鐵板中溫度控制,生鐵成分控制,厚度控制,張力控制,等等。自動(dòng)控制:

在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器）,使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。例[數(shù)控機(jī)床]:自動(dòng)切削工件，加工出預(yù)期的幾何形狀直線、圓弧等各種差補(bǔ)控制，進(jìn)給量控制,等等。1經(jīng)典控制理論以單變量控制，隨動(dòng)/調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，以頻率響應(yīng)法為主要方法。數(shù)學(xué)工具：微分方程，復(fù)變函數(shù)3后現(xiàn)代控制理論大系統(tǒng)、智能控制；以網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機(jī)交互為代表的信息自動(dòng)化集成的理論與技術(shù)。2現(xiàn)代控制理論

現(xiàn)代控制理論以多變量控制、最優(yōu)控制為主要內(nèi)容，采用時(shí)域法，以狀態(tài)方程為數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)，泛函分析控制理論的歷史和發(fā)展

現(xiàn)代控制理論——以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)、非線性、高精度、高性能的控制系統(tǒng)。最優(yōu)控制、最佳濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、人工智能控制等。

古典控制理論——以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出的控制系統(tǒng)；自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究方法綜合（系統(tǒng)設(shè)計(jì)）：

在已知被控對(duì)象和給定性能指標(biāo)的前提下，尋求控制規(guī)律，建立一個(gè)能使被控對(duì)象滿足性能要求的系統(tǒng)。分析（系統(tǒng)分析）：

在給定系統(tǒng)的條件下，將物理系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型，然后用已經(jīng)成熟的數(shù)學(xué)方法和先進(jìn)的計(jì)算工具來(lái)定性或定量地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)的性能分析。自動(dòng)控制研究的三個(gè)基本問(wèn)題：

(1)建立數(shù)學(xué)模型(2)系統(tǒng)性能分析(3)控制器設(shè)計(jì)典型控制信號(hào)：

階躍信號(hào)等速和等加速信號(hào)脈沖信號(hào)正弦信號(hào)

從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系而言，機(jī)械控制工程的內(nèi)容可歸納為5類：

1.系統(tǒng)分析——系統(tǒng)已確定，已知輸入，求系統(tǒng)的輸出，并通過(guò)輸出研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問(wèn)題；2.最優(yōu)控制——系統(tǒng)已確定，需要確定系統(tǒng)的輸入，以使輸出盡可能符合給定的最佳要求；3.最優(yōu)設(shè)計(jì)——輸入已知，需要確定系統(tǒng)，以使輸出盡可能符合給定的最佳要求；4.濾波與預(yù)測(cè)——輸出已知，需要確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸出中的有關(guān)信息；5.系統(tǒng)辨識(shí)——輸入、輸出均已知，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，也即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?！?.2控制系統(tǒng)的工作原理及其組成[必須解決以下四個(gè)問(wèn)題]控制目的是什么?受控對(duì)象是什么?輸出信號(hào)(受控量)是什么?

輸出信號(hào)如何檢測(cè)?[實(shí)質(zhì)]檢測(cè)偏差,糾正偏差。1、恒溫箱的人工控制123人工控制恒溫箱方框圖

長(zhǎng)時(shí)間工作怎么辦？？？溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差u=0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。[工作過(guò)程]恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號(hào)u=u1-u22、恒溫箱的自動(dòng)控制給定信號(hào)電壓功率放大器控制電機(jī)減速器調(diào)壓器恒溫箱(控制對(duì)象)熱電偶u1u2uuaθαu溫度t(被控量)擾動(dòng)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1反饋（Feedback）定義：通常，把輸出量取出，送回到輸入端，并與輸入量相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程，稱為反饋。若反饋的信號(hào)是與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來(lái)越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。

負(fù)反饋

正反饋液位控制？？人工控制和自動(dòng)控制舉例手搖扇電風(fēng)扇空調(diào)機(jī)人工控制和自動(dòng)控制舉例乘涼的方式3、日常生活中的控制系統(tǒng)舉例書的位置輸入大腦肌肉手臂眼睛手的位置輸出例1：（手取書）

例2：（人與汽車構(gòu)成的控制系統(tǒng)）實(shí)際路線希望路線輸入肌肉控制方向盤汽車眼睛輸出例3：（3只鴿子有水喝）

澳大利亞昆士蘭州布里斯班市的一處鬧市區(qū)廣場(chǎng)，3只鴿子就成功發(fā)揮團(tuán)隊(duì)精神，解決了喝水難問(wèn)題檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出?？刂葡到y(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)的基本組成框圖4、控制系統(tǒng)的組成及其術(shù)語(yǔ)電等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋，這種反饋無(wú)須專門的反饋元件，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互作用產(chǎn)生的，如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。注意：在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)1、給定元件：根據(jù)系統(tǒng)輸出量的期望值，產(chǎn)生系統(tǒng)的給定輸入信號(hào)的環(huán)節(jié)，如將期望恒定的溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓。2、反饋元件：測(cè)量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號(hào)。為便于傳輸，反饋信號(hào)通常為電信號(hào)。主要是各種傳感器

3、比較元件：將參考輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)。如：電壓比較電路，平衡電橋。

4、放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。5、執(zhí)行元件：直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件，如晶閘管整流裝置、液壓缸、電動(dòng)機(jī)等。6、校正元件：用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器。實(shí)際的控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的，擾動(dòng)分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)。但在控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動(dòng)等效為對(duì)控制對(duì)象的干擾?！?.3控制系統(tǒng)分類一、按控制策略來(lái)分：閉環(huán)控制：當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)以所需的方框圖表示而存在反饋回路時(shí)。例：恒溫控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制：控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)不是直接從系統(tǒng)的輸出端引出，而是間接地取自中間的測(cè)量元件的系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制：當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)以所需的方框圖表示而沒(méi)有反饋回路時(shí)。

例：數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(無(wú)反饋)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對(duì)象預(yù)期輸出實(shí)際輸出1）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)控制器2）閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)(有反饋)控制器被控

對(duì)象預(yù)期輸出r(t)實(shí)際輸出y(t)比較器測(cè)量

裝置誤差

e(t)控制量

u(t)被測(cè)變量測(cè)量值反饋：控制的核心思想閉環(huán)控制特點(diǎn)：信息的雙向流動(dòng)控制器被控

對(duì)象預(yù)期輸出r(t)實(shí)際輸出y(t)比較器測(cè)量

裝置誤差

e(t)控制量

u(t)被測(cè)變量測(cè)量值閉環(huán)例1：空調(diào)控制系統(tǒng)二、按輸入信號(hào)的性質(zhì)來(lái)分：程序控制：輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對(duì)象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。

例：數(shù)控加工系統(tǒng)。

伺服控制：輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。

恒值控制：輸入是已知的恒定值，控制任務(wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。例：恒溫箱控制、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。例：仿形車床加工系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、跟隨衛(wèi)星的雷達(dá)天線系統(tǒng)等。三、按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)來(lái)分：離散控制：系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。例：數(shù)控加工系統(tǒng)。連續(xù)控制：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。

例：恒溫箱控制、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。1.4控制系統(tǒng)舉例1）轉(zhuǎn)盤速度的開(kāi)環(huán)控制

轉(zhuǎn)臺(tái)直流放大器直流電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際轉(zhuǎn)速預(yù)期速度（電壓）控制裝置直流放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)直流電機(jī)受控對(duì)象轉(zhuǎn)臺(tái)1.4控制系統(tǒng)舉例2）轉(zhuǎn)盤速度的閉環(huán)控制轉(zhuǎn)臺(tái)直流放大器直流電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速計(jì)+-1.4控制系統(tǒng)舉例實(shí)際轉(zhuǎn)速

預(yù)期轉(zhuǎn)速（電壓）控制裝置直流放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)直流電機(jī)受控對(duì)象轉(zhuǎn)臺(tái)+-傳感器測(cè)速計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域：高保真音響、影碟機(jī)、硬盤、軟盤1.4控制系統(tǒng)舉例§1.5控制系統(tǒng)的性能要求穩(wěn)：指穩(wěn)定性，是系統(tǒng)完成任務(wù)的必要條件控制的要求：穩(wěn)、快、準(zhǔn)目測(cè)要準(zhǔn)、打輪要快、行車要穩(wěn)

穩(wěn)定性：

穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí)，其輸出能隨時(shí)間的增長(zhǎng)收斂并回到初始平衡狀態(tài)。穩(wěn)定的擺不穩(wěn)定的擺

準(zhǔn)確性：控制精度問(wèn)題，用穩(wěn)態(tài)誤差衡量。如：神州六號(hào)返回的著陸點(diǎn)離理論著陸點(diǎn)一公里！這精確度夠嚇人的。這個(gè)落地精度相當(dāng)于在射擊中正中靶心！應(yīng)是10.9環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)閾?jù)在中央臺(tái)轉(zhuǎn)播室的專家講，精確范圍一是寬30公里，長(zhǎng)15公