控制工程基礎(chǔ)章

控制工程基礎(chǔ)章第一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日§1-1概述控制人工控制自動控制目標(biāo)：使被控對象按指定規(guī)律變化機(jī)械工程控制基礎(chǔ)機(jī)械工程控制論一、控制理論的發(fā)展（一）“控制”問題的提出（二）經(jīng)典自動控制理論的發(fā)展（一）現(xiàn)代控制理論二、機(jī)械制造的發(fā)展和控制理論的應(yīng)用第一章緒論第二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日一、控制理論的發(fā)展1.蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的人工控制眼、轉(zhuǎn)速表蒸汽機(jī)手、閥門大腦希望恒定轉(zhuǎn)速M(fèi)實際n蒸汽機(jī)負(fù)載Mn進(jìn)汽量Q閥門眼腦手測速表希望恒定轉(zhuǎn)速（1）原理圖控制——某個主體使其他對象按照一定的目的來動作；反饋——將輸出反回輸入端的過程；偏差——輸入信號與反饋信號之差。控制的基本過程就是“檢測偏差用以糾正偏差”的過程（一）“控制”問題的提出（2）控制系統(tǒng)方框圖第三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日2.蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的自動控制（1）原理圖兩者的基本原理相同，都是建立在“檢測偏差用以糾正偏差”的基礎(chǔ)之上。（2）控制系統(tǒng)方框圖離心機(jī)構(gòu)蒸汽機(jī)負(fù)載MnAB進(jìn)汽量Q閥門滑套n1被控對象檢測、比較機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)θ離心機(jī)構(gòu)蒸汽機(jī)閥門比較機(jī)構(gòu)給定NgM實際nQΔ第四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日（二）經(jīng)典自動控制理論的發(fā)展1788瓦特：蒸汽機(jī)離心調(diào)速器1868J.C.Maxwell：“反饋控制”概念1882李亞普諾夫：系統(tǒng)穩(wěn)定性的嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義1884E.J.Routh：線性系統(tǒng)代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)1932H.Nyquist：頻域穩(wěn)定性判據(jù)H.W.Bode：對數(shù)坐標(biāo)圖

Harris：傳遞函數(shù)1945：第一部經(jīng)典控制理論書籍《伺服機(jī)構(gòu)》出版1948

N.Wiener：發(fā)表著名的《控制論》形成完整的經(jīng)典控制理論1950W.R.Evans：根軌跡法1954錢學(xué)森：發(fā)表著名的《工程控制論》創(chuàng)立工程控制論這門學(xué)科研究復(fù)域內(nèi)(頻域)單輸入/出、線性非時變系統(tǒng)傳遞函數(shù)(頻率響應(yīng)函數(shù))穩(wěn)定性快速性準(zhǔn)確性第五頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日（三）現(xiàn)代控制理論的發(fā)展時域內(nèi)、利用狀態(tài)空間分析，研究多輸入、多輸出、非線性、時變系統(tǒng)的最優(yōu)控制、系統(tǒng)識別等問題。50年代未~60年代初：產(chǎn)生現(xiàn)代控制理論關(guān)鍵問題能否建立反映過程或系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型能否對此模型提供有效的算法與程序1956年前蘇聯(lián)邦特略京提出極大值原理1957年美國貝爾曼(R.I.Bellman)提出動態(tài)規(guī)劃理論提出Kalman濾波1960年美國卡曼(R.E.Kalman)70年代：自適應(yīng)控制計算機(jī)控制模糊控制專家控制智能控制本課程著重研究有關(guān)機(jī)電控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題第六頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日二、機(jī)械制造的發(fā)展和控制理論的應(yīng)用成品人的感覺器官加工對象人體、手需求干擾人腦特點：人逐步從制造過程諸環(huán)節(jié)的直接參與中解脫出來；首先從加工(執(zhí)行）→檢測→控制中解脫出來人的感覺器官加工對象機(jī)器機(jī)構(gòu)需求干擾人腦體力成品需求干擾干擾檢測裝置加工對象加工設(shè)備人腦成品干擾干擾檢測系統(tǒng)加工對象加工設(shè)備計算機(jī)需求成品計算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)CIMS智能制造系統(tǒng)IMSERP第七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日控制理論在機(jī)械制造領(lǐng)域中應(yīng)用最活躍的幾個方面在機(jī)械制造過程自動化方面自動機(jī)床、自動生產(chǎn)線→數(shù)控機(jī)床、柔性自動生產(chǎn)線→無人車間→CIMS→智能制造系統(tǒng)IMS在對加工過程的研究方面高速切削、強(qiáng)力切削、高速空程在產(chǎn)品與設(shè)備的設(shè)計方面經(jīng)驗、試湊、類比設(shè)計→計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計→人工智能專家系統(tǒng)（人工智能技術(shù)AI、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ANN)在動態(tài)過程或參數(shù)的測試方面靜態(tài)→動態(tài)第八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日§1-2研究對象與任務(wù)系統(tǒng)輸入輸出實質(zhì)是研究工程技術(shù)領(lǐng)域廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題。研究輸入、系統(tǒng)特性、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系。y(t)f(t)mkc令p=d/dt(mp2+cp+k)y(t)=f(t)y(t)x(t)y(t)mkc(mp2+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)第九頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日1、系統(tǒng)分析：已知系統(tǒng)、輸入，求輸出（響應(yīng)）。2、最優(yōu)控制：系統(tǒng)已確定，要求輸出盡可能符合給定的最佳要求，求輸入。3、最優(yōu)設(shè)計：已知輸入，要求輸出盡可能符合給定的最佳要求，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計。4、濾波與預(yù)測：已知輸出，確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸出的有關(guān)信息。5、系統(tǒng)辨識：根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出分析系統(tǒng)由哪些環(huán)節(jié)組成，并求出各環(huán)節(jié)參數(shù)。即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。研究方面：第十頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日系統(tǒng)輸入輸出干擾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)輸入輸出反饋信息給定信息真實信息干擾§1-3控制系統(tǒng)的基本概念一、反饋1.反饋——將系統(tǒng)輸出的全部或部分返回到輸入(1)內(nèi)反饋——系統(tǒng)本身自然形成的反饋，是系統(tǒng)處于運(yùn)動狀態(tài)的內(nèi)因(2)

外反饋——人為增加的反饋第十一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日2.反饋、動態(tài)歷程、微分方程三者之間關(guān)系一個系統(tǒng)的動力學(xué)方程可寫成微分方程，就揭示了系統(tǒng)本身狀態(tài)變量間的聯(lián)系，也就體現(xiàn)了系統(tǒng)本身存在反饋；而微分方程的解就體現(xiàn)了由于系統(tǒng)本身反饋的存在與外界對系統(tǒng)的作用的存在而決定的系統(tǒng)的動態(tài)歷程。可以說，系統(tǒng)的微分方程是本身的反饋與外界對系統(tǒng)的作用這兩者的一種數(shù)學(xué)體現(xiàn)形式；系統(tǒng)的動態(tài)歷程是這兩者存在的結(jié)果；表示系統(tǒng)本身固有特性的微分方程左端算子，就表示系統(tǒng)本身反饋的情況，是系統(tǒng)這一客觀事物的內(nèi)因。反饋、動態(tài)歷程、微分方程三者是緊密相聯(lián)的。第十二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日例1：瓦特式蒸汽機(jī)離心調(diào)速器tMMotnt1Ng3.反饋控制離心機(jī)構(gòu)蒸汽機(jī)負(fù)載MnAB進(jìn)汽量Q閥門滑套n1θ離心機(jī)構(gòu)蒸汽機(jī)閥門比較機(jī)構(gòu)給定NgM實際nQΔ第十三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日例2：水位控制系統(tǒng)+-電位器放大器閥門進(jìn)水出水輸入給定水位Ug電機(jī)Ux要求水位浮子電位器水缸閥門放大器給定水位出水量干擾實際水位進(jìn)水量電機(jī)3.反饋控制第十四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日測量環(huán)節(jié)被控對象放大運(yùn)算環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)干擾比較環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)xiexo控制部分二、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)給定環(huán)節(jié)：確定被控對象的目標(biāo)值xi

；測量環(huán)節(jié)：測量被控變量

xo，并將其轉(zhuǎn)換成便于傳遞的物理量，再反饋到比較環(huán)節(jié)；比較環(huán)節(jié)：輸入信號與輸出信號在比較環(huán)節(jié)進(jìn)行比較，得到偏差信號e=xi-xo；放大運(yùn)算環(huán)節(jié)：對偏差信號作功率放大，以推動執(zhí)行環(huán)節(jié)動作；執(zhí)行環(huán)節(jié)：驅(qū)動被控對象按預(yù)定規(guī)律運(yùn)動。被控對象：是控制系統(tǒng)要操作的對象。干擾信號：不是由元件產(chǎn)生的，而是由系統(tǒng)外部環(huán)境或內(nèi)部因素造成的，它集中作用在被控對象上，影響系統(tǒng)輸出。第十五頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日一、按反饋情況分類1、開環(huán)系統(tǒng)：當(dāng)一個系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而沒有反饋回路時，稱為開環(huán)系統(tǒng)。2、閉環(huán)系統(tǒng)：當(dāng)一個系統(tǒng)以所需要的方框圖表示而存在反饋回路時，稱為閉環(huán)系統(tǒng)?！?-3系統(tǒng)分類Notes:以同等精度元件組成的系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)精度高于開環(huán)系統(tǒng)；閉環(huán)系統(tǒng)的輸出信號對系統(tǒng)工作有控制作用，而開環(huán)系統(tǒng)無；閉環(huán)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，開環(huán)系統(tǒng)弱。第十六頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日電位器Ug電壓放大器功率放大器負(fù)載UfnU1U2I測速發(fā)電機(jī)電動機(jī)測速發(fā)電機(jī)電動機(jī)功率放大器電位器給定轉(zhuǎn)速負(fù)載實際n電壓放大器IUfUgU2U1二、按輸入變化規(guī)律分類1、定值系統(tǒng)：輸入是固定值。Ug=常數(shù)2、隨動系統(tǒng)：輸入是未知的時間函數(shù)。Ug=隨機(jī)函數(shù)3、程控系統(tǒng)：輸入是已知的時間函數(shù)。Ug=確定性函數(shù)第十七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日三、按系統(tǒng)中信號特性分類1、連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號都是連續(xù)時間變量的系統(tǒng)

線

性系統(tǒng)：能用線性微分方程表示的系統(tǒng)。

非線性系統(tǒng)：不能用線性微分方程表示的系統(tǒng)。2、離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中某處或多處的信號是脈沖序列或數(shù)字信號傳遞的系統(tǒng)

此外還可按系統(tǒng)部件的物理性質(zhì)分為機(jī)械/電氣/機(jī)電/液壓等控制系統(tǒng)輸出檢測元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)D/A輸入計算機(jī)控制器A/D被控對象+-第十八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期日系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)的快速性、響應(yīng)的準(zhǔn)確性tnNg(a)不穩(wěn)定tnNg(b)穩(wěn)定§1-4控制系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性——由于控制系統(tǒng)中都包含儲能元件，若系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)，便可能引起振蕩。穩(wěn)定性是