控制工程基础第一章

1、 我的联系方式：我的联系方式： EMAILEMAIL：Tel: 62792119Tel: 62792119办公室：精仪系馆办公室：精仪系馆22062206室室第一章第一章 概论概论第二章第二章 控制系统的动态数学模型控制系统的动态数学模型第三章第三章 时域瞬态响应分析时域瞬态响应分析第四章第四章 控制系统的频率特性控制系统的频率特性第五章第五章 控制系统的稳定性分析控制系统的稳定性分析第六章第六章 控制系统的误差分析和计算控制系统的误差分析和计算第七章第七章 控制系统的综合与校正控制系统的综合与校正* * 第八章第八章 根轨迹法根轨迹法* * 第九章第九章 控制系统的非线性问题控制系统的非线性

2、问题第十章第十章 计算机控制系统计算机控制系统第十一章第十一章 MATLABMATLAB软件工具在控制系统分析软件工具在控制系统分析 和综合中的应用和综合中的应用1.1 1.1 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.2 1.2 控制工程的发展控制工程的发展1.3 1.3 控制理论在机械制造工业中的应用控制理论在机械制造工业中的应用1.41.4 课程主要内容及学时安排课程主要内容及学时安排第一章 概论l 自动控制自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过

3、程（通称被控对象）的某器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。预定的规律运行。如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶 及飞机自动驾驶、导弹制导等。及飞机自动驾驶、导弹制导等。第一章 概论l 工作原理工作原理加热电阻丝220V调压器人工控制的恒温箱 温度计第一章 概论人工控制恒温箱调节过程：人工控制恒温箱调节过程： 观测恒温箱内的温度（被控制量）观测恒温箱内的温度（被控制量） 与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度 偏差的大小和

4、方向偏差的大小和方向 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度回复到要求值。阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质：人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差。第一章第一章 概论概论大脑大脑手手调压器调压器恒温箱恒温箱眼睛眼睛实际实际温度温度期望期望温度温度人工控制恒温箱系统功能框图人工控制恒温箱系统功能框图温度计温度计第一章第一章 概论概论加热电阻丝加热电阻丝220V调压器调压器热电偶热电偶给定信号给定信号比较比较电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器执行执行电动机电动机减速器减速器u2u1+ u恒温

5、箱自动控制系统恒温箱自动控制系统第一章第一章 概论概论恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电压恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号比较得到温度偏差信号 uu1 u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直

6、到温度达到给定值为运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差止，此时，偏差 u0，电机停止转动。，电机停止转动。第一章第一章 概论概论给定给定信号信号电压电压功率功率放大器放大器控制控制电机电机减减速速器器调调压压器器恒温箱恒温箱(控制控制对象对象)热电偶热电偶 u1u2 uuanvu温度温度t(被控量被控量)扰动扰动恒温箱自动控制系统功能框图恒温箱自动控制系统功能框图第一章第一章 概论概论从恒温箱控制系统功能框图可见：从恒温箱控制系统功能框图可见： 给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。 也称为参考输入量（信号）。也称为参考输入量（信号

7、）。 被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏 差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。 输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部 分输出信号称为反馈信号。分输出信号称为反馈信号。第一章第一章 概论概论综上所述，控制系统的工作原理：综上所述，控制系统的工作原理：检测输出量检测输出量（被控制量）（被控制量）的实际

8、值的实际值将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比 较得出偏差；较得出偏差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。输出量维持期望的输出。第一章第一章 概论概论由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为差，故称之为反馈控制反馈控制。显然：显然：反馈控制建立在偏差基础上反馈

9、控制建立在偏差基础上，其控制方式是，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差”。第一章第一章 概论概论这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为称为反馈控制系统反馈控制系统。反馈控制系统具备。反馈控制系统具备测量测量、比比较较和和执行执行三个基本功能。三个基本功能。 注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为相减，使偏差越来越小，称为负反馈负反馈。负反馈控。负反馈控制是实现自动控制最基本的

10、方法。制是实现自动控制最基本的方法。第一章第一章 概论概论l 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类： 开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统 半半闭环控制系统闭环控制系统第一章第一章 概论概论 开环控制系统开环控制系统特点特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端 和输入端之间不存在反馈回路；输出量和输入端之间不存在反馈回路；输出量 在整个控制过程中对系统的控制不产生在整个控制过程中对系统的控制不产生 任何影响。任何影响。 输入输入装置装置指令指令系统输入系统输入控制

11、控制装置装置伺服伺服驱动装置驱动装置工作台工作台工作台工作台 位置位置系统输出系统输出数控机床的开环控制系统框图数控机床的开环控制系统框图第一章第一章 概论概论优点优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件 特性和参数值比较稳定，且外界干扰较特性和参数值比较稳定，且外界干扰较 小，开环控制能够保持一定的精度。小，开环控制能够保持一定的精度。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量开环控制系统框图开环控制系统框图第一章第一章 概论概论 闭环控制系统闭环控制系统特点：输出端和输入端

12、之间存在反馈回路，输特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输 出量对控制过程有直接影响。出量对控制过程有直接影响。 闭环的作用：应用反馈，减少偏差。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。 优点优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不：精度高，对外部扰动和系统参数变化不 敏感敏感 缺点缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性 能分析和设计麻烦。能分析和设计麻烦。 第一章第一章 概论概论控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量测量元件测量元件闭环控制系统框图闭环控制系统框图反馈量反馈量 半半闭环控制系统闭环控制系统特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获

13、得。特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。第一章第一章 概论概论l 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成给定给定元件元件 +串联校正串联校正元件元件放大变换放大变换元件元件执行执行元件元件控制控制对象对象_ +_并联校正并联校正元件元件局部局部反馈反馈反馈元件反馈元件主反馈主反馈控制部分控制部分比较比较元件元件比较比较元件元件输入信号输入信号 xi偏差信号偏差信号 e主反馈信号主反馈信号 xb扰动信号扰动信号输出输出 xo闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成第一章第一章 概论概论 给定元件给定元件 产生给定信号或输入信号。产生给定信号或输入信号。 反馈元件反馈元件 测量被控制量（输出量），

14、产生反馈信号。测量被控制量（输出量），产生反馈信号。 为便于传输，反馈信号通常为电信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。 注意：在机械、液压、气动、机电等系统中注意：在机械、液压、气动、机电等系统中 存在着内在反馈，这种反馈无须专门存在着内在反馈，这种反馈无须专门 的反馈元件，是系统内部各参数相互的反馈元件，是系统内部各参数相互 作用产生的，如作用力与反作用力之作用产生的，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。间形成的直接反馈。第一章第一章 概论概论 比较元件比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差 信号；信号； 放大元件放大元件 对偏差信号进

15、行放大，使之有足够的能量驱对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能。动执行元件实现控制功能。 执行元件执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、液压马达等；液压马达等； 第一章第一章 概论概论 校正元件校正元件 用以改善系统控制质量的装置。用以改善系统控制质量的装置。控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰

16、动，但在控制系统中，动分为内部扰动和外部扰动，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。的干扰。校正元件分为串联和并联两种。校正元件分为串联和并联两种。第一章第一章 概论概论二、控制系统的基本类型二、控制系统的基本类型l 按输入量的特征分类按输入量的特征分类 恒值控制系统恒值控制系统系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。扰动作用下系统的输出量为恒值。 如：恒温箱控制、电网电压、频率控

17、制等。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。 程序控制系统程序控制系统输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。第一章第一章 概论概论 随动系统（伺服系统）随动系统（伺服系统）输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入能排除各种干扰因素的影响，

18、准确地复现输入信号的变化规律。信号的变化规律。 如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。第一章第一章 概论概论l 按系统中传递信号的性质分类按系统中传递信号的性质分类 连续连续控制系统控制系统系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。 离散（数字）控制系统离散（数字）控制系统系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。程

19、描述。 第一章第一章 概论概论l 其它分类方法其它分类方法 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统 定常系统和时变系统定常系统和时变系统 机械、电气、机电、液压、气动、热力等控机械、电气、机电、液压、气动、热力等控 制系统制系统 温度、压力、位置等控制系统温度、压力、位置等控制系统第一章第一章 概论概论三、对控制系统的基本要求三、对控制系统的基本要求l 稳定性稳定性 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状其输出能随时间的增长收敛并回

20、到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。 控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。第一章第一章 概论概论l 精确性精确性 控制精度，以稳态误差来衡量。控制精度，以稳态误差来衡量。稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的差值

21、。之间的差值。 第一章第一章 概论概论l 快速性快速性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。注意：注意： 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快 速性要求各有侧重。速性要求各有侧重。 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应 根据实际需求合理选择。根据实际需求合理选择。第一章第一章 概论概论1.2 控制工程的发展控制工程的发展l 时时间间刻刻度度浮子浮子铜壶滴漏铜壶滴漏第一章第一章 概论概论

22、第一章 概论第一章第一章 概论概论l 公元公元1788年，英国人年，英国人J.Watt用离心式调速器用离心式调速器 控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。 l 18841884年：年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据。提出劳斯稳定性判据。l 18951895年：年：A. Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。提出赫尔维茨稳定性判据。l 19321932年：年：H. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。提出奈奎斯特稳定性判据。l 18921892年：年：A. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定提出李雅普诺夫稳定 性理论。性理论。l

23、 19451945年：年：H. W. Bode提出反馈放大器的一般设提出反馈放大器的一般设 计方法计方法l 18681868年：年：J. C. Maxwell发表发表调速器调速器，提，提出反馈控制的概念及稳定性条件。出反馈控制的概念及稳定性条件。第一章第一章 概论概论l 19481948年：年：N. Wiener发表发表控制论控制论，标志经典，标志经典 控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数 为基础，主要研究单输入为基础，主要研究单输入单输出（单输出（SISO）系）系 统的分析和控制问题；统的分析和控制问题； 维纳，维纳，MIT教授，曾于教授，曾于19

24、36年年到清华大学任访问教授。到清华大学任访问教授。控制论的奠基人美国科学家（控制论的奠基人美国科学家（Wiener,N.Wiener,N.，1894196418941964）第一章第一章 概论概论l 19501950年：年：W. R. Evans提出根轨迹法，进一步充提出根轨迹法，进一步充 实了经典控制论；实了经典控制论；l 19541954年：钱学森年：钱学森第一章第一章 概论概论 “工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和自动调节的理论。维纳博士制和自动调节的理论。维纳博士4040年代提示了控制论年代提示了控制论的基本思想后，不少工程师和数

25、学博士曾努力寻找通的基本思想后，不少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座理论顶峰的道路，但均半途而废。工程师偏重往这座理论顶峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，解决具体问题，不善于上升到理论高度；数于实践，解决具体问题，不善于上升到理论高度；数学家则擅长于理论分析，却不善于从一般到个别去解学家则擅长于理论分析，却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则集中两者优势于一身，高超地决实际问题。钱学森则集中两者优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，碾出了工程控制论研究将两只轮子装到一辆战车上，碾出了工程控制论研究的一条新途径。的一条新途径。”第一章 概论l 5050年代末年代末6060年

26、代初：现代控制理论形成；现代年代初：现代控制理论形成；现代 控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研 究多输入究多输入- -多输出多输出( ( MIMO )、时变、非线性等、时变、非线性等 系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适 应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重 点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空 间方法。间方法。 第一章第一章 概论概论l 1956年：蓬特里亚金（年：蓬特里亚金（Pontryagin）提出极大）提出极大

27、 值原理值原理l 1957年：年：R. I. Bellman提出动态规划理论提出动态规划理论l 1960年：年：R. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论提出卡尔曼滤波理论l 19601980年：确定性系统的最优控制、随机年：确定性系统的最优控制、随机 系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习 控制控制l 1980迄今迄今：鲁棒控制、：鲁棒控制、H 控制、非线性控制、控制、非线性控制、 智能控制等智能控制等第一章第一章 概论概论第一章第一章 概论概论第一章第一章 概论概论第一章 概论第一章 概论第一章 概论第一章 概论第一章 概论第一章 概论第一章 概论

28、第一章 概论第一章 概论第一章 概论第一章 概论第一章第一章 概论概论1.3 1.3 控制理论在机械制造工业中的应用控制理论在机械制造工业中的应用第一章第一章 概论概论第一章 概论第一章 概论第一章 概论第一章 概论第一章 概论柔性制造系统第一章 概论链接2 控制工程基础课程主要阐述的是有关反馈控制工程基础课程主要阐述的是有关反馈自动控制技术的基础理论。自动控制技术的基础理论。 本课程是一门非常重要的技术基础课，是本课程是一门非常重要的技术基础课，是机械学院平台课程。它是适应机电一体化的技机械学院平台课程。它是适应机电一体化的技术需要，针对机械对象的控制，结合经典控制术需要，针对机械对象的控制

29、，结合经典控制理论形成的一门课程。本课程主要涉及经典控理论形成的一门课程。本课程主要涉及经典控制理论的主要内容及应用制理论的主要内容及应用, , 更加突出了机电控更加突出了机电控制的特点。制的特点。第一章第一章 概论概论 本课程在高等数学、理论力学、电工电子本课程在高等数学、理论力学、电工电子学等知识的基础上，使学生掌握机电控制系统学等知识的基础上，使学生掌握机电控制系统的基本原理及必要的实用知识。值得指出的是，的基本原理及必要的实用知识。值得指出的是，尽管经典控制理论在六十年代已完全发展成熟，尽管经典控制理论在六十年代已完全发展成熟，但它并不过时，经典控制理论是整个自动控制但它并不过时，经典控制理论是整个自动控制理