控制工程实验-第1章

1、控制工程基础控制工程基础课程简介 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。 本课程是适应机电一体化的技术需要，针对机械对象的控制，结合经典控制理论形成的一门课程。本课程涉及经典控制理论的主要内容及应用, 更加突出了机电控制的特点。 本课程是一门非常重要的技术基础课，是汽车专业、机械专业、仪器仪表专业、工业工程专业、光学仪器专业等本科的一门必修课程。 课程的主要内容 本课程建立在高等数学、理论力学、电子学等基础之上，要求学生掌握机电控制系统的基本原理及必要的实用知识。 本课程主要涉及经典控制理论部分，对现代控制理论只作简单介绍，现代控制理论的主要内容将在后续课及研究生课程中讲

2、授。 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，但它并不过时，经典控制理论是整个自动控制理论（包括现代控制理论）的基础。 课程的基本要求 本课程的基本要求包括： (1) 掌握机电反馈控制系统的基本概念，其中包括机电反馈控制系统的基本原理、基本组成、开环控制、闭环控制等； (2) 掌握建立机电系统动力学模型的方法； (3) 掌握机电系统的时域分析方法； (4) 掌握机电系统的频域分析方法； (5) 掌握模拟机电控制系统的分析设计综合方法； (6) 掌握计算机控制的基本概念。目 录第一章 概论第二章 控制系统的动态数学模型第三章 时域瞬态响应分析第四章 控制系统的频率特性第五章 控制

3、系统的稳定性分析第六章 控制系统的误差分析和计算第七章 控制系统的综合与校正第八章 根轨迹法第九章 控制系统的非线性问题第十章 计算机控制系统第十一章 MATLAB软件工具在控制系统分析和 综合中的应用 课程的学时安排 讲授时间：39学时（包括课堂讨论） 实验：9学时。 作业：每周下课时交 考试：闭卷，平时作业、实验及考 勤占40%。第一章 概述本章要熟悉下列内容：1、控制及控制系统是什么？2、自动控制技术为什么重要？3、控制理论的发展史4、自动控制系统的基本概念及组成5、自动控制系统的分类6、控制理论的应用7、自动控制系统的研究内容及设计过程1.1 自动控制的概念及重要性 控制：控制就是按照

4、预先给定的目标，改变系统行为或性能的方法学。有人工控制和自动控制两种方法。 自动控制：所谓自动控制就是在没有人直接参与的情况下，使生产过程的某些物理量准确地按照预期规律变化。 控制器：产生控制作用的装置称为控制器。控制器遵循一定的控制算法加工接收到的信息使其变为控制作用，以施加在对象上。 （被控）对象：一般称被控物体为对象。 系统：系统是一些部件的组合，完成一定的任务。 控制系统：控制系统是由控制器、被控对象等部件为了达到一定目的有机地联结成的能进行控制的系统。 自动控制技术的重要性 自动控制技术提高了生产率，将人们从繁重的体力劳动和大量重复性的手工操作中解放出来，而且为人们提供了获得动态系统

5、最佳性能的方法；同时，可完成人工控制无法实现的功能。 在工程和科学技术发展过程中，自动控制担负着重要的角色。除了在宇宙飞船系统、导弹制导系统、机器人系统等领域中具有特别重要的作用外，现已成为机械制造业和工业生产过程中重要而不可缺少的组成部分。 另外，自动控制技术正越来越多地改变着人们的日常生活。1.2 控制理论在工程中的发展史 公元前14001100年，中国、埃及和巴比伦相继出现自动计时漏壶，人类产生了最早期的控制思想。 公元132年，中国科学家张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪。 公元235年，中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车。 公元1788年，英国人J.Watt

6、用飞球离心调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。 公元1875-1895年， E.J. Routh（劳斯）、A.Hurwitz（霍尔维茨）、A.M.Lyapunov（李雅普诺夫）等科学家开始用数学方法对控制系统的稳定性进行分析，建立了稳定判据。 20世纪30年代，H.Nyquist（奈奎斯特）、Bode（波德）等科学家建立了判定自动控制系统稳定性的频率法。 要把自动控制技术中的普遍规律抽象出来，只有在数学、物理、力学等学科发展起来以后才有可能。控制理论的形成只是近几十年的事情。控制理论一旦形成之后，反过来又对自动化技术产生了巨大影响。 自动控制技术迅猛发展实际是在第二次世界大战期间

7、，由于军事的需要，大大促进了自动控制技术的发展。相应地，控制理论也得到了进一步发展。 维纳，MIT教授，曾于1936年到清华大学任访问教授。早期进行模拟计算机研究，二战期间参与火炮控制研究，提炼出负反馈概念。 1948年，维纳所著控制论的出版，标志着这门学科的正式诞生。控制论的奠基人控制论的奠基人美国科学家维纳美国科学家维纳（Wiener,N.，18941964） 1954年，我国科学家钱学森在美国运用控制论思想和方法，用英文出版工程控制论，首先把控制论推广到工程技术领域。 “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40年代提示了控制论的基本思想后，不少工程师和数

8、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的一条新途径。” 1940-1950年，发展了两种分析设计自动控制系统的方法：频率响应法与根轨迹法。建立在这两种方法上的理论就是经典控制理论。自动控制理论与技术发展阶段 经典控制阶段出现时间：1940年代研究对象：单输入单输出线性系统数学模型：传递函数分析与设计方法：频率法与根轨迹法理论基础：经典控制理论研究内容：稳定性问题 主要装置：模拟控制器 现

9、代控制阶段出现时间：1960年代研究对象：多输入多输出系统，非线性 系统，时变系统等数学模型：状态方程分析与设计方法：时域法理论基础：现代控制理论研究内容：最优化问题，包括最优控制、 最优滤波、自适应控制等 主要装置：计算机 智能控制阶段 出现时间：1980年代理论基础：以控制论、信息论、仿生学 等为基础研究内容：专家系统，神经网络，模糊 控制，鲁棒控制，H-控制 1990年代：混合控制Hybrid Control 2000年代：基于互联网络的分布式控制 Distributed Control over Communication Networks 控制理论从主要依靠手工计算的经典控制理论发展

10、到依赖计算机的现代控制理论，学习控制技术从简单的参数学习向较为复杂的结构学习、环境学习和复杂对象学习的方向发展。同时，还发展了控制系统计算机辅助设计工具（Computer Aided Control System Design，简称CACSD）,使控制理论在工程上的应用更加方便。 在短短的几十年里，自动控制技术在国防、工业等领域发挥着重大作用，是实现现代化的基础。 控制理论也是信息学科的重要组成部分。近年又相继出现了生物控制论、经济控制论和社会控制论等，控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着其它科学技术的发展，极大地改变了整个世界。控制理论自身也在创造人类文明中不断向前发展。 “作为技术科学的控

11、制论，对工程技术、生物和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社会的作用有过之无不及我们可以毫不含糊地说从科学理论的角度来看，二十世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃。” 钱学森 1.3 自动控制系统的基本概念及组成 自动控制系统所要解决的基本任务是如何使被控制的物理量按照预期规律而变化。预期输出量（给定量）可以是具体的物理量，如位移、电压、角度等，也可以是数字量。1.3.1 自动控制系统工作原理1、恒温系统 人工控制方块图 如果用自动控制器来取代人工操作，就变成自动控制系统。2、汽车驾驶

12、控制系统3、洗衣机1.3.2 开环控制与闭环控制 按照有无反馈测量装置，控制系统分为两种基本形式，即开环控制和闭环控制。 开环控制系统：系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。 沿时间坐标轴单向运动的任何系统都是开环系统。 优点：结构简单，容易维修。 缺点：对干扰敏感。 闭环控制系统：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控制系统。 闭环控制系统的基本结构方案是采用反馈原理，其输出的全部或部分被反馈到输入端，输入与反馈信号比较后的差值送入控制器，然后再调节受控对象的输出，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，从而形成闭环控制回路。 优

13、点：精度高，动态性能好，抗干扰能力强。 缺点：结构复杂，存在稳定性问题。 闭环与开环控制系统的比较 精度：闭环控制比开环控制精度高。 稳定性：对于开环系统，稳定性不是重要问 题。而对于闭环系统，引入反馈会 产生稳定性问题。 当系统的输入量预先知道，并且不存在任何扰动或扰动可以已知或预计时，建议采用开环控制。 只有当存在着无法预计的扰动或系统中元件参数存在着无法预计的变化时，闭环系统才有其优越性。闭环控制是针对无法预计的扰动而设计的。1.3.3 反馈控制系统的基本组成参考输入（指令输入）：使系统具有预定性能的输入信号，反 映了系统的希望输出。被控制量：系统实际输出。表征被控对象的状态或性能。测量

14、环节：由传感器和测量电路构成，把被控量转换成与参考 输入信号同量纲的信号。执行机构：根据控制信号，改变输出的直线位移或角位移。 执行机构是向被控对象提供动力的装置。典型的连续反馈控制系统结构框图 反馈控制的过程简单地讲就是： 测量、求偏、控制纠偏 如果将自动反馈控制系统与人工反馈相类比，则人脑相当于控制器，人眼相当于测量环节，人的肢体（如手）相当于执行机构。1.4 自动控制系统的基本类型 及基本要求1.4.1 自控系统的基本类型 按采用的信号处理技术分类 1、模拟（连续）控制系统：凡采用模拟技术处理信号的控制系统称为模拟控制系统。模拟控制系统中各处均为连续时间信号。 （连续信号指在时间、幅值上

15、均连续的信号） 2、数字控制系统：采用数字技术处理信号的控制系统称为数字控制系统。数字控制系统既包含连续信号又包含数字信号（计算机控制系统）。 （数字信号指在时间、幅值上均离散的信号） 按参考输入量运动规律分类 1、（恒值）调节系统：给定参考输入量恒定。例如，稳压电源、恒温箱等。 2、随动系统（伺服系统）：被控量随给定参考输入量的变化而变化。也可以说成系统的输出跟随期望的轨迹。这类系统要求输出量能够准确、快速地复现给定量。例如，汽车驾驶操纵控制系统、飞机自动驾驶仪、火炮自动跟踪系统、数控机床自动进给系统、硬盘磁头位置控制系统等。 按输入与输出的关系分类 1、线性控制系统：具有叠加性和齐次性。可

16、用线性微分方程或线性差分方程描述。 2、非线性控制系统：不满足叠加性或齐次性。 按系统组成元件的物理性质分类 电气、气动、液压控制系统 按控制方式分类 开环控制系统，闭环控制系统1.4.2 自动控制系统的基本要求 针对不同的控制目的，会有不同的性能指标。但对控制系统有共同的要求：稳定 准确 快速 稳定性：描述系统动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。 输出量偏离平衡状态后通过控制作用应该随着时间收敛并最终回到初始的平衡状态。 准确性：描述在调整过程结束后系统的实际输出量与希望输出量（参考输入量）之间产生的偏差，反映了系统的静态特性。 快速性：描述系统输出量与参考输入量之间产生偏差时，

17、消除这种偏差过程的快速程度。反映了系统的动态特性。1.5 控制理论的应用 我们将采用自动控制而非人工控制称为自动化。自动化不仅在机械制造、汽车、化工、电力、钢铁等工业行业已经非常普遍，而且正越来越多地影响着人们的日常生活，使生活更加方便舒适。而自动控制理论是自动化的基础。 自动化最早在汽车工业中得到普及，而且自动控制技术的一类重要应用就是现代汽车的控制。 自动控制技术在航空航天、国防等领域起着至关重要的作用。 近年来，控制理论在生物医学、病理诊断、康复医学、自动仓储和库存管理、农业等领域已有众多的应用。另外，社会、政治、经济领域也在尝试利用控制理论。汽车上的控制技术：安全气囊，防侧滑系统，巡航

18、定速装置，随速助力调节系统，自动空调系统，自适应大灯调节系统等。 第一颗人造卫星（苏联，1957年） 第一颗载人飞船（苏联，1961年） 人类首次登上月球（美国，1969年） 首架航天飞机（美国，1981年）首次冲出太阳系（美国，1989年） 仿人机器人（日本，2001年） 神州五号载人航天成功（中国，2003年） 勇气号、探索号火星探测器（美国，2004年） 微型飞行器（Micro Air Vehicles，简称MAVs） 机电工业是我国最重要的支柱产业之一 ，而传统的机电产品正在向机电一体化（Mechatronics）方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化。机电控制型产品技术

19、含量高，附加值大，在国内外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化产品发展的主流。当前国内外机电结合型产品，诸如典型的工业机器人，数控机床，自动导引车等都广泛地应用了控制理论。1.6 自动控制技术研究内容 自动控制的研究内容可简单归纳为：1、建模：建立系统的数学模型。2、分析：分析系统的静、动态特性等。3、设计与综合：根据生产、国防的需求，确定性能指标，然后进行控制系统的设计。4、仿真：在计算机或实验模型上模拟控制系统。5、实现：用机、电、光等元件或设备来实现控制系统。6、调整：如需要，在线调整控制器。1.7 自动控制系统设计过程自动控制系统设计、分析、实现是以数学模型为基础的。主要教材 董景新、赵长德、熊沈蜀、郭美凤 控制工程基础(第二版)， 清华大学出版社，2003年主要参考文献1 张伯鹏，控制工程基础，机械工业出版社，19822高钟毓，机电控制工程（第2版），清华大学出版社，20023 王显正，范崇托，控制理论基础，国防工业出版社，19804Katsuhiko ogata（美），现代控制工程（第三版中译本），电子工业出版社，20005 吴麒，自动控制原理，北京：