《控制工程基礎(chǔ)》第一章緒論

第一章緒論課程內(nèi)容第三章控制系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)分析方法第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第四章控制系統(tǒng)的根軌跡法第五章控制系統(tǒng)的頻域分析方法第六章控制系統(tǒng)的綜合與校正方法第七章線性離散系統(tǒng)分析方法1.1自動(dòng)控制的基本概念1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造

業(yè)中的應(yīng)用1.3 自動(dòng)控制的基本要求及課程任務(wù)第一章緒論1.1自動(dòng)控制的基本概念一、自動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第一章緒論1.1自動(dòng)控制的基本概念一、

自動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成

自動(dòng)控制是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱被控對(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。如：數(shù)控機(jī)床、室內(nèi)溫度控制、機(jī)車、船舶

及飛機(jī)自動(dòng)駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等。

恒溫箱工作原理加熱電阻絲~220V調(diào)壓器人工控制的恒溫箱

溫度計(jì)1.1自動(dòng)控制的基本概念人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過(guò)程：

觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）

與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較，得到溫度

偏差的大小和方向

根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電

阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。人工控制過(guò)程的實(shí)質(zhì)：檢測(cè)偏差再糾正偏差。1.1自動(dòng)控制的基本概念大腦手調(diào)壓器恒溫箱眼睛實(shí)際溫度期望溫度人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計(jì)1.1自動(dòng)控制的基本概念加熱電阻絲~220V調(diào)壓器熱電偶給定信號(hào)比較電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動(dòng)機(jī)減速器u2u1++

u恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)1.1自動(dòng)控制的基本概念恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理：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

u2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)。1.1自動(dòng)控制的基本概念給定信號(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

u1u2

uuanvu溫度t(被控量)擾動(dòng)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)功能框圖1.1自動(dòng)控制的基本概念從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見(jiàn)：

給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。

也稱為參考輸入量（信號(hào)）。

被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。

輸出量（全部或一部分）通過(guò)測(cè)量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。用偏差信號(hào)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。1.1自動(dòng)控制的基本概念由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無(wú)法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差——反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測(cè)量、比較和執(zhí)行三個(gè)基本功能。其控制方式稱之為反饋控制——“檢測(cè)偏差再糾正偏差”。注意：反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號(hào)是與給定信號(hào)相減，使偏差越來(lái)越小，稱為負(fù)反饋。負(fù)反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制最基本的方法。1.1自動(dòng)控制的基本概念二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類實(shí)際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無(wú)反饋?zhàn)饔每煞譃椋?/p>

開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)輸入與輸出信號(hào)的數(shù)量可分為：

單輸入單輸出系統(tǒng)

多輸入多輸出系統(tǒng)1.1自動(dòng)控制的基本概念

開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)僅受輸入量和擾動(dòng)量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個(gè)控制過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。

控制器對(duì)象或過(guò)程輸入量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)框圖1.1自動(dòng)控制的基本概念優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)：精度通常較低、無(wú)自動(dòng)糾偏能力1.1自動(dòng)控制的基本概念

閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過(guò)程有直接影響。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差?？刂破鲗?duì)象或過(guò)程輸入量輸出量測(cè)量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量1.1自動(dòng)控制的基本概念優(yōu)點(diǎn)：精度高，對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感。缺點(diǎn)：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問(wèn)題，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)麻煩。1.1自動(dòng)控制的基本概念閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成控制工程主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)，其組成：

給定元件：產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。

反饋元件：測(cè)量被控量，產(chǎn)生主反饋信號(hào)。

被控對(duì)象：控制系統(tǒng)所要操縱的對(duì)象。1.1自動(dòng)控制的基本概念閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成比較元件：用來(lái)比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的偏差。

放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大和功率放大。

執(zhí)行元件：直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操作的元件。

反饋校正元件：用以穩(wěn)定控制系統(tǒng)，提高性能。1.1自動(dòng)控制的基本概念又稱單變量系統(tǒng)，是指從系統(tǒng)外部變量來(lái)描述，系統(tǒng)只有一個(gè)輸入量和一個(gè)輸出量，而不考慮系統(tǒng)內(nèi)部的通道與結(jié)構(gòu)。

單輸入單輸出系統(tǒng)是經(jīng)典控制理論的主要研究對(duì)象，它以傳遞函數(shù)作為基本數(shù)學(xué)工具，討論線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題，也是本課程講述的主要內(nèi)容。

單輸入單輸出系統(tǒng)1.1自動(dòng)控制的基本概念又稱多變量系統(tǒng)，是指具有多個(gè)輸入量和多個(gè)輸出量的系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)輸入或輸出多于一個(gè)時(shí)，就成為多變量系統(tǒng)。多變量系統(tǒng)是現(xiàn)代控制理論主要研究的對(duì)象。在數(shù)學(xué)上以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，討論多變量、變參數(shù)、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。

多輸入多輸出系統(tǒng)1.1自動(dòng)控制的基本概念

公元前1400－1100年，中國(guó)、埃及和巴比倫相繼出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺，人類產(chǎn)生了最早期的控制思想。

時(shí)間刻度浮子銅壺滴漏1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

公元100年，亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水的自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置。1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

公元132年，東漢杰出天文學(xué)家張衡發(fā)明了水運(yùn)渾象儀，研制出了自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀。1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

公元235年，漢朝時(shí)期最負(fù)盛名的機(jī)械發(fā)明家馬鈞研制出了用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車。1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

公元1637年，明末科學(xué)家宋應(yīng)星所著的《天工開物》記載了有程序控制思想的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖。1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

公元1788年，英國(guó)人J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度，由此產(chǎn)生了第一次工業(yè)革命。

1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

1884年：E.J.Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)。

1895年：A.Hurwitz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。

1932年：H.Nyquist提出乃奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。

1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定

性理論。

1945年：H.W.Bode提出反饋放大器的一般設(shè)計(jì)方法

1868年：J.C.Maxwell發(fā)表《調(diào)速器》，提出反饋控制的概念及穩(wěn)定性條件。1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

1948年：N.Wiener發(fā)表《控制論》，標(biāo)志經(jīng)典控制理論基本形成；經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入—單輸出（SISO）系統(tǒng)的分析和控制問(wèn)題；維納（Wiener,N.，1894~1964），MIT教授，控制論的奠基人，美國(guó)科學(xué)家曾于1936年到清華大學(xué)任訪問(wèn)教授?？刂普撝浮?.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

1950年：W.R.Evans提出根軌跡法，進(jìn)一步充

實(shí)了經(jīng)典控制論；

1954年：錢學(xué)森用英文出版《工程控制論》，首先把控制論推廣到工程技術(shù)領(lǐng)域。1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

“工程控制論是關(guān)于工程技術(shù)領(lǐng)域各個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)的理論。維納博士40年代提示了控制論的基本思想后，不少工程師和數(shù)學(xué)博士曾努力尋找通往這座理論頂峰的道路，但均半途而廢。工程師偏重于實(shí)踐，解決具體問(wèn)題，不善于上升到理論高度；數(shù)學(xué)家則擅長(zhǎng)于理論分析，卻不善于從一般到個(gè)別去解決實(shí)際問(wèn)題。錢學(xué)森則集中兩者優(yōu)勢(shì)于一身，高超地將兩只輪子裝到一輛戰(zhàn)車上，碾出了工程控制論研究的一條新途徑?！?.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

50年代末60年代初：現(xiàn)代控制理論形成；現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，主要分析和研究多輸入-多輸出(MIMO)、時(shí)變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、智能控制等問(wèn)題；控制理論研究的重點(diǎn)開始由頻域移到從本質(zhì)上說(shuō)是時(shí)域的狀態(tài)空間方法。1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用1956年：龐特里亞金（Понтрягин，Л.С.）提出極大值原理1957年：R.I.Bellman提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論1960年：R.E.Kalman提出卡爾曼濾波理論1960～1980年：確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)控制1980迄今：魯棒控制、H

控制、非線性控制、智能控制等1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

接著短短的幾十年里，在各國(guó)科學(xué)家和科學(xué)技術(shù)人員的努力下，又相繼出現(xiàn)了生物控制論，經(jīng)濟(jì)控制論和社會(huì)控制論等，控制理論已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，并伴隨著其它科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，極大地改變了整個(gè)世界。控制理論自身也在創(chuàng)造人類文明中不斷向前發(fā)展。1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

第一顆人造衛(wèi)星（蘇聯(lián)，1957年）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用第一艘載人飛船（蘇聯(lián)，1961年，加加林）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用人類首次登上月球（美國(guó)，1969年）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用首架航天飛機(jī)（美國(guó)，1981年）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用和平號(hào)空間站（蘇聯(lián)，1986年）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用仿人機(jī)器人（日本，2001年）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用神州五號(hào)、六號(hào)、七號(hào)、八號(hào)載人航天成功

（中國(guó)，2003年，2005年，2008年，2011年）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器（美國(guó)，2004年）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用土衛(wèi)六探測(cè)器（歐盟，2005年）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用坦普爾1號(hào)彗星深度撞擊（美國(guó)，2005年）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

嫦娥一號(hào)（2007年，中國(guó)）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用導(dǎo)彈擊中衛(wèi)星（中國(guó)，2007年；

美國(guó)，2008年）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用好奇者號(hào)Curiosity

（

美國(guó)，2012年）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用天鵝號(hào)航天飛機(jī)Cygnus（

美國(guó)，2014年）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

“作為技術(shù)科學(xué)的控制論，對(duì)工程技術(shù)、生物和生命現(xiàn)象的研究和經(jīng)濟(jì)科學(xué)，以及對(duì)社會(huì)研究都有深刻的意義，比起相對(duì)論和量子論對(duì)社會(huì)的作用有過(guò)之無(wú)不及．我們可以毫不含糊地說(shuō)從科學(xué)理論的角度來(lái)看，二十世紀(jì)上半葉的三大偉績(jī)是相對(duì)論、量子論和控制論，也許可以稱它們?yōu)槿?xiàng)科學(xué)革命，是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的三大飛躍。”

——錢學(xué)森

1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用

機(jī)電工業(yè)是我國(guó)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品正在向機(jī)電一體化（Mechatronics）方向發(fā)展。機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是控制自動(dòng)化。

機(jī)電控制型產(chǎn)品技術(shù)含量高，附加值大，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，形成機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展的主流。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外機(jī)電結(jié)合型產(chǎn)品，諸如典型的工業(yè)機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床，自動(dòng)導(dǎo)引車等都廣泛地應(yīng)用了控制理論。1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人奇瑞汽車生產(chǎn)線62臺(tái)工業(yè)焊接機(jī)器人1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用數(shù)控機(jī)床1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用柔性制造系統(tǒng)（FMS）1.2控制理論的發(fā)展及其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求：穩(wěn)、準(zhǔn)、快。

穩(wěn)定性

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。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)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。

這里討論的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界因素?zé)o關(guān)。1.3自動(dòng)控制的基本要求及課程任務(wù)

精（準(zhǔn)）確性

控制精