《控制工程基础》电子教案.doc

/jpkc/kzll/Course/jiaoan.htm控制工程基础电子教案教师教案库第0章 课 前 准 备第一章 自动控制的一般概念第二章 控制系统的数学模型第三章 线性系统的时域分析法第四章 线性系统的根轨迹法第五章 线性系统的频域分析法第六讲 控制系统的校正方法.第一讲 绪 论控 制 工 程 基 础 教 案 （一）一、课程的地位与作用 随着科学技术、特别是信息技术的突飞猛进，自动控制技术越来越广泛地应用于工农业生产、交通运输、国防、宇航及日常生活的各个领域。掌握和了解自动控制的基本理论和方法，对从事工程技术类各专业的科学技术人员是十分必要的。本课程具有科学方法论的鲜明特点，研究的问题带有普遍性，是广泛意义上的方法论。这将对学生提高分析问题和解决问题的能力，奠定坚实的理论基础。 控制工程基础是工科许多专业一门学科基础课。目前在我校有六个专业大类中的12个专业将该课程设置成学科基础课，有三个专业大类中的4个专业将该课程设置为学科选修课，电气信息类及机械类培优班均将该课程设置成学科基础课。 该课程在各专业的学习过程中起着非常重要的作用。它既是前期基础课向专业课的转折，又是后续专业课的一个重要基础课。作为培养工程技术人员的学科基础课，该课程使学生首次学习控制和控制系统的概念，系统地学习控制理论的经典方法。该课程的学习是专业学习过程中的一个重要环节。二、课程简介控制工程基础是研究各类控制系统共性的一门技术基础科学。教学内容以反馈控制理论为核心，介绍控制系统建模方法，介绍线性系统的时域、频域和根轨迹的分析与设计方法。本课程具有科学方法论的鲜明特点，研究的问题带有普遍性，对工程实践具有重要的指导意义。教学方式以讲授为主，辅以多媒体CAI及课堂讨论。课程的教学目标是，使学生掌握有关自动控制的基本概念、基本理论和基本方法，能够自觉运用反馈原理解决实际工程中的相关问题，进一步提高分析问题和解决问题的能力。三、课程的教学目标与基本要求通过本课程的学习，使学生掌握有关自动控制、自动控制系统的基本概念，掌握有关经典控制理论的基本概念、基本理论和基本方法，能够运用反馈原理解决实际中的相关问题，提高分析问题和解决问题的能力。要求掌握自动控制系统的基本组成、线性系统数学建模以及系统分析与设计的基本方法，能进行典型控制系统的分析和设计。考核采用闭卷笔试形式，学习成绩将根据平时作业、实验课成绩及考试成绩综合评定。该课程在教学组织时应根据不同专业的特点，不同专业的要求，具有针对性的教学。在教材的选用、教学方式的组织、实验的开设以及课内课外时数的分配上有所区别。考核方式为闭卷笔试加平时作业。本课程将为培养学生运用控制原理的方法，分析和解决各种工程问题奠定扎实的理论基础。四、主要教材、参考书（作者、教材名称、出版社）Richard C. Drof & Robert H. Bishop, Modern Control System(第八版)高等教育出版社,2001年Katsuhiko Ogata 现代控制理论（第三版），电子工业出版社，2000年胡寿松，自动控制原理（第四版），科学出版社，2000年刘明俊，自动控制原理.国防科技大学出版社，2000年董景新赵长德，控制工程基础，清华大学出版社，1992年李友善主编，自动控制原理(修订版)，北京:国际工业出版社，1989吴 麒主编，自动控制原理，北京：清华大学出版社，1990绪方胜彦著，现代控制工程,卢伯英等译，北京：科学出版社，1976黄家英，自动控制原理，高等教育出版社，2003年7月五、本课程中各章节之间的关系：六、时间分配序号教学 内 容教学环节（学时）讲课习*题实*验上机课*外小计1自动控制的基本概念4482控制系统的数学模型88163线性系统的时域分析法102410264线性系统的根轨迹法66125线性系统的频域分析法10210226控制系统的校正方法10221024总 计484848108注：习题课：集中安排两次，不占课堂教学时间； 实验课：自动化专业、电气工程及自动化专业、机械工程及其自动化专业必做，0.5学分计入实践教学环节，其余专业学生自愿选做，所完成学时数计入参加开放实验室实践环节学分数内； 课外：完成预习、复习、作业、自学的最基本的课外学习时间，各位同学根据自己所在的专业，自己的学习习惯、学习能力适当增加； 课堂教学：教师根据所教授学生的专业、选用教材的体系适当微调，但必需完成教学大纲要求的全部内容。 教学学时安排观看幻灯（自动控制技术与人类进步 李泽湘讲座）第二讲 控制系统的基本概念 1.自动控制的基本概念 本章主要内容：引言自动控制的基本原理及基本控制方式自动控制系统示例及基本组成自动控制系统的分类对控制系统的基本要求典型输入信号控制系统示例 1.0 引言 以“三论”（系统论、信息论、控制论）为代表的科学方法论，是一门新兴的学科，是二十实际以来最伟大的成果。它的崛起为人类认识世界和改造世界提供了新的有力的武器。 近几年，自然科学的高速发展一方面使得科学不断分化，分支科学越来越多，各种新的学科如雨后春笋般地相继出现；另一方面，各学科之间又不断的相互渗透，呈交叉的趋势，由分化走向统一的趋势。客观上要求有共同的方法论，为各学科的彼此沟通，发挥桥梁作用。“三论”的出现正是这种时代要求的结果。 “三论”是从自然科学研究中总结出来的一种科学方法，但它不限于自然科学，具有一般的方法论意义。它不是某一具体科学的方法论，而是包括自然科学、社会科学和思维科学在内的共同的方法论，是认识世界和改造世界的统一的方法。被称为“横向科学”或“横断科学”。这种方法具有严格的程序和精确的形式，是一种更科学、更规范的方法，对科学研究、领导决策和各项工作都具有很强的指导性，在一定意义上可以说“三论”是哲学范畴的具体化、规范化、模型化。 “三论”的出现是有深刻意义和历史背景的。作为“三论”之一的“控制论”中的“控制”的概念，人们并不陌生。什么是控制？ “人猿相依别，有几个石头磨过” 人-控制者 工具-被控制者、控制对象 “控制”：就是反映人和工具关系的一个概念。现实生活中控制关系、控制活动是一种普遍现象。人类很早以前就进行过自动化的尝试： 指南针 木牛流马 蒸汽机的离心力调节器 简单的“控制”的意义和“控制论”中“控制”的概念是有区别的。 人类初期 第一次解放 第二次解放 （体力劳动的解放） （脑力劳动的解放） 人工具 人机器（能量） 自动化 控制论是研究什么的？定义？ 控制论是一种现代科学的方法论，它所提供的科学方法，对我们分析问题忽然解决问题是十分重要的，它还算一门新兴学科，正在不断地发展和完善，其定义和规定的研究内容也众说不一，主要有以下几种说法： 说法一：“控制论”是关于机器的理论 说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论 说法三：“控制论”就是类似于数学的一门学科 说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通信的科学（维纳定义）维纳其人： 1893年生 美国人 数学家 哲学家 四岁 开始读书 神童 十一岁 写出关于感知理论的哲学论文 十八岁 哈佛大学哲学博士学位 五十五岁（1948年） 名著控制论根据维纳的定义人们关于“控制论”的较公认的说法是：“控制论”是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。系统-指相互作用的两个或两个以上的元素构成的整体。任何事物都是一个整体，大至宇 宙、世界、国家、复杂的工业过程，小至一个单位、人、一个器件。如： 控制-是一种普遍现象，存在与一切事物之中。一个国家有法律、行政、经济、舆论等手段 人有大脑自动机有内部控制系统。 总：“控制论”就是要揭示包括机器、生物、社会在内的各种不同的控制系统的共同规律。 是研究各种系统共同控制规律的科学，是方法论。 控制论产生的基础： 来源于人们的社会实践活动，有它产生的实践基础和理论基础。例如： 人类很早以前就利用水的势差和风的流动作为能源的各种装置，像“风磨漏斗”、 “蒸汽机的调节器”。19世纪以来，随着电子技术的发展，出现了以电信号传递信息为主的控制过程，如： 数控机 床、控制炼钢等等。第二次世界大战以前，在美国，一些不同学科的科学家自发地建立组织讨论会，研究 他们共同感兴趣的问题，更多的是各学科之间的交叉问题。维纳参加了这样的讨论，得到了 启迪，形成了控制论的思想基础。维纳是如何发现问题、提出问题并创立这一全新的学科的呢？控制论中的三大要素： 同构理论信息的流通、交换反馈机制 控制论中的同构理论 人的有目的的活动 具有控制功能的机器如：取物 如：火炮打敌机感觉器官：眼、耳 检测机构：雷达中枢决策器官：大脑 决策机构：指挥仪效应器官：手、脚 执行机构：随动系统 小结：尽管机器与动物在本质上有着天壤之别，有着无生命与有生命的差别，但从机器控制的动作和人的行为过程来看，他们有着相当确切的“同构性”，这就是在实现机器动作和人的行为过程中，无一例外的经过了上面三个环节。 问题：究竟是什么东西使的尽管在质的方面有着天壤之别的机器和人在行为活动中，有如此相似的过程呢？这是控制要研究的中心问题。 信息在控制中的作用 要使控制行为得以实现，就要求控制部分以某种方式给予受控部分以影响，受控部分就按照影响变化自己的行为，这种联系和影响是什么？如：电、力、风、生物电脉冲等等。共同点：控制内容的消息-信息，正是控制部分和受控部分之间发生了这种信息的联系、信息的运动，控制过程才得以实现。控制过程就是系统中信息运动的过程。控制机工作，实际上就是以某种方式向机器发出信号，机器接受信息的地方叫输入端。机器接受到控制信息产生一系列动作，去完成指定工作，产生这些运动的地方叫执行机构或控制机构。机器完成了指定的工作，产生出工作效果的地方叫输出端。如：开汽车用手取物方向盘手臂神经输入端转动机构手臂、肌肉、大脑执行机构（控制机构）车轮手指输出端力生物电信息控制论所研究的课题之一，就是控制系统中信息运动的规律性，控制的过程就是借助不同形式、不同载体的信息运动去指挥各种物质运动和能量转换。问题：控制过程是怎样具体实现的呢？信息是以怎样的形式实现控制和操纵的呢？ 控制的反馈机制 美国独立战争时期的一次战役中，英国军队失败的教训的启发。英国军队 加拿大+纽约-萨拉托加 “双向通讯”“双向通讯”就是指有去有回，从而形成一个由两条路组成的，而运动方向又相反的封闭路线。如：打电话控制理论中称信息的双向运动为“反馈联系”。“反馈”是指：控制系统把信息传输出去后，又将信息的作用返回到控制系统，并对控制系统的再输出产生影响。信息在这种循环往返的过程中，不断改变内容，实现控制，这就是控制论所揭示的反馈机制。如：司机开汽车反馈是如何调节控制行为的呢？反馈调节完全可以看成是一种原因与结果不断相互作用的关系。反馈的两种作用方式是控制论中要研究的主要问题。反馈有两种方式：正反馈、负反馈。定义：正反馈：凡是后输出的信息与原输出的信息起着相同的作用，使总的输出增大的反馈调节。负反馈：凡是后输出的信息与原输出的信息起着相反的作用，使总的输出减小的反馈调节。例：“发展生产与教育普及”杂技演员的平衡木表演海豚的超声波定位 自动控制的发展及现状 以维纳的控制论为标志，1948年正式形成。三个时期：第一个时期 经典控制理论时期 40年代末到50年代 单机自动化 局部自动化 单变量控制 自动调节器 伺服系统 第二个时期 现代控制理论时期 60年代多变量控制 最优控制 多种变化因素 航天系统 导弹系统 人造卫星 第三个时期 大系统理论时期 70年代规模庞大 结构复杂 变量参数多 目标不单一 生物系统 社会系统 机器人 发展前景： 向大系统理论发展 规模庞大 结构复杂 功能综合 因数众多 向智能控制系统发展 自组织 自学习 自修复 自繁殖控制理论已形成了以理论控制论为中心的四大分支（也有不同分法）：工程控制论 技术系统 工程系统生物控制论 生物系统社会控制论 社会系统智能控制论 思维系统控制论的基本概念和方法是人类认识史上的一个飞跃，开辟了认识世界的新途径。 返 回1.1 自动控制的基本原理及基本控制方式自动控制 自动控制指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如：机器、设备或生产过程）的某一物理量（或工作状态）自动地按照预定的规律运行（或变化）。 例：化工过程的反应塔 数控机床 雷达、指挥仪、火炮控制系统 人造地球卫星 自动控制系统 自动控制系统是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。 组成：控制装置 对被控对象起控制作用的设备的总体。 被控对象 要求实现自动控制的机器、设备和生产过程自动控制系统的基本方式：开环控制 闭环控制开环控制开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。特点：信号流动的单向性 无反馈开环系统是指具有开环控制方式的控制系统。开环系统的输出量不对系统的控制发生作用。例1：电加热炉 输入信号：电流i(t) （时间的函数）控制装置：开关k，电阻丝被控对象：炉子输出信号：炉温T分析：工作原理抗干扰能力各个量之间的关系 特点：控制装置只按照给定的输入信号对被控对象进行单向的控制，被控对象的输出不影响控制。例2：直流电机转速的开环控制 输入信号：电压v 控制装置：电位器、功放、电动机 被控对象：负载 输出信号：电动机的转速n 分析：工作原理 抗干扰能力 各个量之间的关系 特点：电动机的转速由电位器控制 转速对电位器上电压的大小没有影响 开环系统的特点： a. 简单，给定一个输入量，便对应有一个输出量。 b. 精度由元器件的精度和干扰决定。不具备修正由于干扰而引起的系统的偏差。因而使用受到限制。闭环控制 闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制。 特点：信号流动的双向性 有反馈 闭环系统是指具有闭环控制方式的控制系统。闭环系统的输出量对系统的控制发生作用，它可以实现复杂而又准确的控制。 例1：电加热炉的闭环控制方式 例2：直流电机转速的闭环控制开环控制与闭环控制的比较：a.稳定性b.精度c.抗干扰d.结构、功率复合控制 复合控制是指将开环控制方式和闭环控制方式组合在一起的控制方式。实质上，它是在闭环回路的基础上，附加一个输入信号或扰动作用的顺馈信号，以提高系统的精度。 复合控制=开环控制+闭环控制常用的两种复合控制形式：按输入补偿的复合控制 按扰动补偿的复合控制直接控制与间接控制最优控制自适应控制智能控制鲁棒控制 返 回1.2 自动控制系统示例及基本组成被控对象执行机构放大装置检测装置比较装置反馈装置校正装置输入信号输出信号扰动信号 返 回1.3 自动控制系统的分类常用的分类：按数学模型分 线性系统 非线性系统按控制方式分 开环控制系统 闭环控制系统按时间概念分 定常系统 时变系统按信号的性质分 连续系统 离散系统按输入输出信号的数量分 单输入单输出系统 多输入多输出系统按系统参数分布特征分 集中参数系统 分布参数系统按元件类型分类 机电系统 气动系统 液压系统 生物系统按系统功用分类 温度