1.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)(緒論).ppt

1、機(jī)械工程控制基礎(chǔ),主講：孫苗鐘,專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課,本課程是非電專業(yè)的機(jī)電技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)課，應(yīng)用廣泛，學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多，不能輕視。否則，對(duì)以后的工作、學(xué)習(xí)將會(huì)造成影響。 基礎(chǔ)課程：復(fù)變函數(shù)、電路理論、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ),主要教學(xué)環(huán)節(jié),主要教學(xué)內(nèi)容,基礎(chǔ)知識(shí),分析方法,工 程 控 制 技 術(shù),工程應(yīng)用,課程成績(jī)確定方法： 本課程將注重過(guò)程，采用過(guò)程評(píng)價(jià)體系。成績(jī)主要由平時(shí)成績(jī)、考試成績(jī)二部分組成。每項(xiàng)說(shuō)明如下： 1.平時(shí)成績(jī)：到課率、遲到早退情況、作業(yè)情況、回答問(wèn)題情況、上課情況等 2.考試：閉卷，卷面考試成績(jī) 最終成績(jī)的給定大約按如下公式得到： 平時(shí)成績(jī)+考試成績(jī) 三者比重大約分別為：30%、70%,上

2、課將會(huì)有提問(wèn)、點(diǎn)名，課堂練習(xí)； 課后將會(huì)有作業(yè)，記入平時(shí)成績(jī),工程控制基礎(chǔ)課程教 材 及 參 考書(shū),教材：,機(jī)械工程控制基礎(chǔ)（第六版），楊叔子、楊克沖等編著，華中科技大學(xué)出版社，2011.5,參考書(shū)：,希望和要求:,教學(xué)形式: 課堂上，多媒體授課為主，板書(shū)為輔； 學(xué)習(xí)模式：預(yù)習(xí)聽(tīng)課復(fù)習(xí)(作業(yè)等形式),控制技術(shù) 應(yīng)用舉例 (1),工 業(yè) 控 制,電機(jī)控制 機(jī)床控制 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制 機(jī)器人控制 . . . . . .,控制技術(shù)的應(yīng)用,海洋探測(cè)機(jī)器人,1990年日本海洋科技中心 研制的“海溝號(hào)”纜控式無(wú)人潛水器（左）及其在大海中工作時(shí)的情況（右）,CR-01型6000米水下無(wú)纜機(jī)器人,1995年

3、8月我國(guó)沈陽(yáng)自動(dòng)化所機(jī)器人中心研制的CR-01型6000米水下無(wú)纜機(jī)器人（上）和正在下水的情況（右）,瑞典博福斯公司研制的“雙鷹”水下掃雷機(jī)器人,一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),船用火力發(fā)電綜合控制系統(tǒng),家 用 電 器,冰箱、洗衣機(jī) 家庭影院 微波爐 . . . . . . 以冰箱為例說(shuō)明工作原理,控制技術(shù) 應(yīng)用舉例 (2),消費(fèi)類產(chǎn)品,U盤(pán)、 MP3 手機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品 . . . . . .,控制技術(shù) 應(yīng)用舉例 (3),32、64等 合弦音MCU芯片,智能樓宇的控制,控制技術(shù) 應(yīng)用舉例 (4),可視對(duì)講、室內(nèi)報(bào)警、遠(yuǎn)程家電控制.,樓 宇 電 梯 的 控 制,信 號(hào) 檢 測(cè),供 電 系 統(tǒng),電機(jī) (執(zhí)行機(jī)

4、構(gòu)),可編程序 控制器,Programmable Logic Controller,電機(jī)控制器,汽車電子,汽 車 電 子,電源 發(fā)動(dòng)機(jī)控制 行駛裝置 報(bào)警與安全裝置 旅居性 儀表 娛樂(lè)通訊,控制技術(shù) 應(yīng)用舉例 (5),21世紀(jì) 綠色 環(huán)保汽車EV,安全、舒適、可靠,無(wú)廢氣排放 ( 零 排放),高效率,機(jī),電,機(jī)電一體化,電 子,機(jī)械,控制,控制,基于CAN總線的汽車內(nèi)部控制示意圖,口語(yǔ)汽車導(dǎo)航系統(tǒng)使用情景示意圖,汽車GPS定位，GIS導(dǎo)航，GSM通信,由行程開(kāi)關(guān)控制的自動(dòng)往返起動(dòng)線路,典型應(yīng)用,一、引言,1、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介,自動(dòng)控制成為一門(mén)科學(xué)是從1945發(fā)展起來(lái)的。 開(kāi)始多用于工業(yè)：壓力、溫度

5、、流量、位移、濕度、粘度自動(dòng)控制。 后來(lái)進(jìn)入軍事領(lǐng)域：飛機(jī)自動(dòng)駕駛、火炮自動(dòng)跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動(dòng)控制。 目前滲透到更多領(lǐng)域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書(shū)管理等。,補(bǔ)充知識(shí) 自動(dòng)控制理論的發(fā)展 自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。既是一門(mén)古老的、已臻成熟的學(xué)科，又是一門(mén)正在發(fā)展的、具有強(qiáng)大生命力的新興學(xué)科。從1868年馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段：,第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟； 第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展； 第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段； 第四階段：智能控

6、制發(fā)展階段。,經(jīng)典控制理論,控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。,1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù) 。 1895年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。 二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論 1948年，伊萬(wàn)斯（W.R.Evans）提出了根

7、軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。,經(jīng)典控制理論的基本特征,（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合； （2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)； （3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。,應(yīng)該指出的是，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號(hào)后，系統(tǒng)對(duì)來(lái)自內(nèi)部和外部干擾的響應(yīng)變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時(shí)，反饋?zhàn)饔糜謳?lái)了系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，正是這個(gè)曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題激發(fā)了人們對(duì)反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行深

8、入研究的熱情，推動(dòng)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來(lái)的。,現(xiàn)代控制理論,由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。 隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來(lái)。 1954年貝爾曼（R.Belman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論 1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理 1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最

9、優(yōu)濾波理論 在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無(wú)論對(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。,大系統(tǒng)理論,20世紀(jì)70年代開(kāi)始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法 以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制理論和方法 以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法 在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性。 隨著控制

10、理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、運(yùn)輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。 大系統(tǒng)理論是過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開(kāi)創(chuàng)性階段。,智能控制,是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。智能控制的概念和原理主要是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來(lái)的，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)題的技巧，解決那些目前需要

11、人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問(wèn)題。被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程，對(duì)自主機(jī)器人的控制就是典型的例子而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識(shí)。,智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認(rèn)為，其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、和專家控制等方法。,2、控制的定義:,控制:對(duì)對(duì)象施加某種操作，使其產(chǎn)生所期望的行為。,例.鋼鐵軋制:軋出厚度一致的高精度鐵板,存在溫度控制,生鐵成分控制,厚度控制,張力控制,等等。,自動(dòng)控制:在沒(méi)

12、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（通稱被控對(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。,例.典型控制系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)床、機(jī)車、船舶及飛機(jī)自動(dòng)駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等。,例.控制實(shí)例-液面控制,人工控制,自動(dòng)控制,3、控制論:,定義：關(guān)于控制原理和控制方法的學(xué)科，研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律。,控制三要素：被控對(duì)象、控制目標(biāo)、控制裝置,控制論強(qiáng)調(diào)： 1)所研究的對(duì)象是一個(gè)系統(tǒng)； 2)系統(tǒng)在不斷地運(yùn)動(dòng)（經(jīng)歷動(dòng)態(tài)歷程、包括內(nèi)部狀態(tài)和外部行為）； 3)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的條件是外因（外界的作用：輸入、干擾） 4)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的根據(jù)是內(nèi)因（系統(tǒng)的固有特

13、性）,控制論與其它學(xué)科結(jié)合，形成眾多的分支學(xué)科。,共同的本質(zhì)特點(diǎn)：通過(guò)信息的傳遞、處理與反饋進(jìn)行控制。,二、機(jī)械工程控制論的研究對(duì)象與任務(wù),機(jī)械工程控制論研究機(jī)械工程中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。,1、系統(tǒng)(廣義系統(tǒng)):,按一定的規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。,系統(tǒng)框圖如下:,系統(tǒng)的層次性和相對(duì)性：系統(tǒng)的組成元素也可以是一個(gè)系統(tǒng)（子系統(tǒng)），整個(gè)系統(tǒng)又可以是更上一層系統(tǒng)的組成元素。,廣義系統(tǒng)：具備系統(tǒng)要素的一切事物或?qū)ο螅鐧C(jī)器 系統(tǒng)、生命系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、思維、學(xué)習(xí)等。,機(jī)械工程中的廣義系統(tǒng)：元件、部件、儀器、設(shè)備、加工過(guò)程、測(cè)量、車間、部門(mén)、工廠、企業(yè)、企業(yè)集團(tuán)等。,2、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題:,系統(tǒng)在

14、外界作用（輸入或激勵(lì)、包括外加控制與外界干擾）下，從一定初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷由其內(nèi)部的固有特性（由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定）所決定的動(dòng)態(tài)歷程（輸出或響應(yīng)）。 這一過(guò)程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系即為系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。,例.彈簧質(zhì)量阻尼單自由度系統(tǒng)。,分析：這是同一個(gè)系統(tǒng)，不同的外界作用,上式中y(t)為微分方程的解，顯然它是由系統(tǒng)的初始條件，系統(tǒng)的固有特性，系統(tǒng)的輸入及系統(tǒng)與輸入之間的關(guān)系決定。,對(duì)上例，需要研究的問(wèn)題可歸納為以下三類：,1)系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性如何影響y(t)，三者之間表現(xiàn)為何種關(guān)系 。,2)系統(tǒng)確定并已知時(shí)，對(duì)系統(tǒng)施加何種輸入，能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)。,3)對(duì)

15、于確定的輸入，系統(tǒng)應(yīng)具有什么特性，才能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)。,注意：系統(tǒng)的初始狀態(tài)也可視為一種特殊的輸入，即初始輸入或初始激勵(lì)。當(dāng)初態(tài)不為0時(shí)，即使無(wú)輸入，系統(tǒng)的狀態(tài)也不斷改變，這就是自由運(yùn)動(dòng)。,工程控制論的內(nèi)容可歸納為如下5個(gè)方面：,（1）已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的輸出，即系統(tǒng)分析問(wèn)題；,（2）已知系統(tǒng)和系統(tǒng)的理想輸出，設(shè)計(jì)輸入，即最優(yōu)控 制問(wèn)題；,（3）已知輸入和理想輸出時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即最優(yōu)設(shè)計(jì) 問(wèn)題；,（4）輸出已知，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān) 信息，此即濾波與預(yù)測(cè)問(wèn)題；,（5）已知系統(tǒng)的輸入和輸出，求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)， 即系統(tǒng)辨識(shí)問(wèn)題。,三、系統(tǒng)及其模型,1、系統(tǒng)的特性:,（1）

16、系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關(guān)，而且還與系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)有關(guān)；,（2）系統(tǒng)的內(nèi)容比組成系統(tǒng)各元素的內(nèi)容要豐富得多；,（3）系統(tǒng)往往具有表現(xiàn)出在時(shí)域、頻域或復(fù)域等域內(nèi) 的動(dòng)態(tài)特性。,2、機(jī)械系統(tǒng):,實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、輸出一定的機(jī)械能，以及承受 一定的機(jī)械載荷為目的的系統(tǒng)，稱為機(jī)械系統(tǒng)。對(duì)于機(jī)械 系統(tǒng)，其輸入和輸出分別稱為“激勵(lì)”和“響應(yīng)”。,3、系統(tǒng)模型:,模型是研究系統(tǒng)、認(rèn)識(shí)系統(tǒng)與描述系統(tǒng)、分析系統(tǒng)的 一種工具。在我們這里模型是指一種用數(shù)學(xué)方法所描述的 抽象的理論模型，用來(lái)表達(dá)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間，或 系統(tǒng)與其外部環(huán)境之間的關(guān)系，故又稱為數(shù)學(xué)模型。,系統(tǒng)的模型包括實(shí)物模型、物理模型、和數(shù)學(xué)模型

17、 等等。而數(shù)學(xué)模型又包括靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。動(dòng)態(tài)模 型在一定的條件下可以轉(zhuǎn)換成靜態(tài)模型。在控制理論或 控制工程中，一般關(guān)心的是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，因此，往 往需要采用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。,靜態(tài)模型反映系統(tǒng)在恒定載荷或緩變作用下或在系統(tǒng)平衡狀態(tài)下的特性，現(xiàn)時(shí)輸出僅由其現(xiàn)時(shí)輸入所決定，一般以代數(shù)公式描述。,動(dòng)態(tài)模型反映系統(tǒng)在迅變載荷或在系統(tǒng)不平衡狀態(tài)下的特性，現(xiàn)時(shí)輸出還由受其以前輸入的歷史的影響，一般以微分方程或差分方程描述。,例:可見(jiàn)書(shū)P6圖1.2.2。,四、反饋,1、定義:系統(tǒng)的輸出不斷地，直接或間接地、全部或部分地返回，并作用于系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)就是信息的傳遞與交互。,例5：,解：如果負(fù)載變化，使w增加-離

18、心機(jī)構(gòu)滑套上移-液壓滑閥上移，動(dòng)力活塞下移，油門(mén)關(guān)小，w減小-直到滑閥回復(fù)中位，w回復(fù)到設(shè)定值。,通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，反過(guò)來(lái)又作用于系統(tǒng)，形成反饋，進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，本例中的反饋表現(xiàn)為w變化所引起的信息傳遞與交互。,2、內(nèi)反饋與外反饋,外反饋：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為達(dá)到某種控制目的而人為加入的反饋，稱為外反饋。,內(nèi)反饋：在系統(tǒng)或過(guò)程中存在的各種自然形成的反饋， 稱為內(nèi)反饋。它是系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)元素之間相互耦合的 結(jié)果。內(nèi)反饋是造成機(jī)械系統(tǒng)存在一定的動(dòng)態(tài)特性的 根本原因，紛繁復(fù)雜的內(nèi)反饋的存在使得機(jī)械系統(tǒng)變 得異常復(fù)雜。,例：m-c-k系統(tǒng),顯然這是一個(gè)內(nèi)反饋，因?yàn)闆](méi)有附加

19、反饋控制裝置。內(nèi)反饋是系統(tǒng)內(nèi)部的信息交互，反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。,3、系統(tǒng)方框圖及其組成,系統(tǒng)方框圖由許多對(duì)信號(hào)（量）進(jìn)行單向傳遞的元件方框和一些連線組成，表征了系統(tǒng)各元件之間及系統(tǒng)與外界之間進(jìn)行信息交換的過(guò)程。它包括三個(gè)基本的單元，即： 1)引出點(diǎn)（分支點(diǎn)）：表示信號(hào)的引出或信號(hào)的分支，箭頭表示信號(hào)的傳遞方向，線上標(biāo)記信號(hào)的名稱。,比較點(diǎn)（相加點(diǎn)）：表示兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)進(jìn)行相加或相減運(yùn)算?！?”表示信號(hào)相加；“-”表示信號(hào)相減。,元件方框：方框中寫(xiě)入元、部件的名稱，進(jìn)入箭頭表示其輸入信號(hào)；引出箭頭表示其輸出信號(hào)。,例：見(jiàn)書(shū)P23頁(yè)1.4題,解：當(dāng)?shù)毒咭赃M(jìn)給量s進(jìn)行切削時(shí)，在切削過(guò)程中產(chǎn)生

20、切削力Py，而使機(jī)床-工件系統(tǒng)發(fā)生變形退讓，減少了刀具的實(shí)際進(jìn)給a，此時(shí)a=s-y,進(jìn)行影響到切削刀的變化，如此循環(huán)，使得切削過(guò)程為一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，其過(guò)程如下圖所示的方框圖表示：,例：見(jiàn)書(shū)P24頁(yè)1.7-1題,解：人騎自行車時(shí)，總是希望自行車具有一定的理想狀態(tài)（如速度，方向等），人腦根據(jù)這個(gè)理想狀態(tài)指揮四肢動(dòng)作，使自行車按預(yù)定的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，路面的狀況等因素會(huì)對(duì)自行車的實(shí)際狀態(tài)產(chǎn)生影響，使得自行車偏離理想狀態(tài)，人的感覺(jué)器官感覺(jué)車子的狀態(tài)，并將此信息返回到大腦，大腦根據(jù)實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差調(diào)整四肢動(dòng)作，如此循環(huán)往復(fù)。其信息流動(dòng)與反饋的過(guò)程如下圖所示：,五、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成,人工控制

21、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。,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)uu1 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u0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。,系統(tǒng)功能框

22、圖如下所示：,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)。 輸出量的返回過(guò)程稱為反饋。返回的全部或部 分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)。,綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：,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。,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

23、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，故稱之為反饋控制。,顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測(cè)偏差再糾正偏差”。,這種基于反饋原理，能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(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。,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。,六、系統(tǒng)的分類及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求,1、開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制,實(shí)際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無(wú)反饋?zhàn)饔每煞譃椋?開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制系統(tǒng),開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),特點(diǎn)：系統(tǒng)僅受輸入量和擾動(dòng)量控

24、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。,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(kāi)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,閉環(huán)控制系統(tǒng),特點(diǎn)：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。,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。,2、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成,給定元件 產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。,反饋元件 測(cè)量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號(hào)。 為便于傳輸，反饋信號(hào)通

25、常為電信號(hào)。,注意：在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)電等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋，這種反饋無(wú)須專門(mén)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。,比較元件 對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)；,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。,執(zhí)行元件 直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件；如電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等；,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)

26、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、輸出變化規(guī)律分類,恒值控制系統(tǒng) 系統(tǒng)輸入量為恒定值。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。,如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。,程序控制系統(tǒng) 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)。如數(shù)控加工系統(tǒng)。,隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 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。,如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。,4、按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分

27、類,連續(xù)控制系統(tǒng) 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。,離散（數(shù)字）控制系統(tǒng) 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。,5、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng),線性系統(tǒng),由線性元件組成，輸入輸出問(wèn)具有疊加性和均勻性性質(zhì)，以線性微分方程來(lái)表述。,非線性系統(tǒng),系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和均勻性性質(zhì)。用非線性微分方程來(lái)表述。,6、其它分類系統(tǒng),定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng),機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、氣動(dòng)、熱力等控制系統(tǒng),溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng),七、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求,1、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

28、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。,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)。穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件的能量不可能突變所產(chǎn)生的慣性滯后作用所導(dǎo)致。,2、精確性,控制精度，以穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量。,穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)的調(diào)整（過(guò)渡）過(guò)程結(jié)束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與給定量之間的差值。,3、快速性,輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度?？焖傩员碚飨到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。,注意： 不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)定性、精確性和快 速性要求各有側(cè)重。,系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應(yīng) 根據(jù)實(shí)際

29、需求合理選擇。,八、控制工程發(fā)展概況,1788年：J. Watt 發(fā)明蒸汽機(jī) 調(diào)速器,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。,1884年：E. J. Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)。,1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定 性理論。,1895年：A. Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。,1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。,1945年：H. W. Bode提出反饋放大器的一般設(shè) 計(jì)方法,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

30、出（SISO）系 統(tǒng)的分析和控制問(wèn)題；,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(qián)學(xué)森發(fā)表工程控制論；,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(kāi)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。,1956年：蓬特里亞金（Pontryagin）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

31、,19601980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,九、本課程的任務(wù)及主要內(nèi)容,本課程的任務(wù),控制系統(tǒng)性能分析,動(dòng)態(tài)性能：過(guò)渡過(guò)程分析、穩(wěn)定性分析等,穩(wěn)態(tài)性能：控制精度（穩(wěn)態(tài)誤差）,控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),選擇適當(dāng)?shù)目刂破骷翱刂埔?guī)律以改善控制系統(tǒng) 的性能使其滿足控制要求。,控制系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)通常是交替進(jìn)行的。,控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)一般包括：,建立控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（線性化模型）,對(duì)象的性能分析、仿真,選擇控制方案（開(kāi)環(huán)/閉環(huán)；線性/非線性等）,選擇性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)控制器,全系統(tǒng)性能分析、仿真,研制控

32、制器，構(gòu)建控制系統(tǒng),試驗(yàn)驗(yàn)證,本課程主要內(nèi)容,介紹經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)知識(shí)，包括：,控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立,控制系統(tǒng)的時(shí)域分析,控制系統(tǒng)的頻域分析,控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正,十、習(xí)題,自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖的繪制步驟(重點(diǎn)掌握)：,（1）分析控制系統(tǒng)的工作原理，找出被控對(duì)象。 （2）分清系統(tǒng)的輸入量、輸出量。 （3）按照控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的定義，找出相應(yīng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。 （4）按信息流動(dòng)的方向?qū)⒏鱾€(gè)環(huán)節(jié)用元件方框和連線連接起來(lái),例1.1設(shè)電熱水器如下圖所示。為了保持希望的溫度，由溫控開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)電加熱器的電源。在使用熱水時(shí)，水箱中流出熱水并補(bǔ)充冷水。試說(shuō)明該系統(tǒng)工作原理并畫(huà)出系統(tǒng)的方框圖。

33、,解：在電熱水器系統(tǒng)中，水箱內(nèi)的水溫需要控制，即水箱為被控對(duì)象。,水的實(shí)際溫度是被控制量，或稱為系統(tǒng)的輸出量，設(shè)為；輸入量為用戶希望的溫度（給定值），設(shè)為；由于放出熱水并注入冷水或水箱散熱等原因而使水箱內(nèi)水溫下降成為該系統(tǒng)的主要干擾。,當(dāng)To=Ti時(shí)，水箱的實(shí)際水溫經(jīng)測(cè)溫元件檢測(cè)，并將實(shí) 際水溫轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)，與溫控開(kāi)關(guān)預(yù)先設(shè)定的 信號(hào)進(jìn)行比較而得到的偏差為零，此時(shí)電加熱器不工作， 水箱中的水溫保持在希望的溫度上。,當(dāng)使用熱水并注入冷水時(shí)，水溫下降，此時(shí)ToTi，則偏 差不為零而使溫控開(kāi)關(guān)工作。于是電源接通，電加熱器 開(kāi)始對(duì)水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱，使水溫上升，直到To=Ti時(shí) 為止。系統(tǒng)控制方框圖如下圖所