控制工程基础教案第一章

1、控制工程基础教案第一章控制工程基础教案第一章控制工程基础教案第一章控制工程基础 教 案 年至 年 第 学期 第 周 星期 课题名称（含教材章节）： 第一章 绪论 教学目的和要求：1.了解控制系统的发展历史； 2.熟悉控制系统概念及组成、分类，掌握对控制系统的性能要求。 教学重点： 开环与闭环系统的基本原理及组成，闭环控制系统的基本分析。 教学难点： 闭环控制系统的基本概念和性能指标的理解。 教 学 内 容 （ 要 点 ）1.自动控制系统的基本概念、分类及性能要求；2.控制理论的发展；3.控制理论在机械制造工业中的应用；4.课程主要学习内容及学时安排。X X X X 学 院 教 案 纸第一章 绪

2、 论1.1 自动控制系统的基本概念一、自动控制自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制器或控制装置），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（统称被控量）自动地按照预定的规律运行。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。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。举例：恒温箱的人工控制与自动控制。人工控制的恒温箱如图1-1所示。加热电阻丝220V调压器图1-1 人工控制的恒温箱 温度计人工控制恒温箱的调节过程：1.观测恒温箱内的温度（被控制量）；2.与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小

3、和方向；3.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。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。人工控制恒温箱系统的功能框图如图1-2所示。大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度图1-2 人工控制恒温箱系统功能框图温度计期望温度加热电阻丝220V调压器热电偶比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1+u图1-3 恒温箱自动控制系统给定信号恒温箱自动控制系统如图1-3所示。恒温箱自动控制系统工作原理：1.恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2；2.恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号uu1-u2；3.温度偏差信号经电压、功率放大后，用

4、以驱动执行电动机，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运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u0，电机停止转动。恒温箱自动控制系统的功能框图如图1-4所示。给定信号电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温箱(控制对象)热电偶u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动图1-4 恒温箱自动控制系统功能框图从恒温箱控制系统功能框图可见：1.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）。2.被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。3.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，产生偏差（给定信号与返回的输出

5、信号之差）信号。4.用偏差信号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。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输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。其控制方式称之为反馈控制“检测偏差再纠正偏差”。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，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。二、控制系统的分类实际的控制系统根据有无反馈作用可分为：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统（反馈信号通过系统内部的中间信号获得）。1. 开环控制系统系统仅受输

6、入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。开环控制系统框图如图1-5所示。控制器对象或过程输入量输出量图1-5 开环控制系统框图优点：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。举例如图1-6开环数控系统所示。图1-6 开环数控系统2. 闭环控制系统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。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。闭环控制系统框图如图1-7所示。控制器对象或过程输入量输出量测量元件图1-7 闭环控制系统框图反馈量优点：

7、精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感。缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。举例如图1-8全闭环数控系统所示。图1-8 全闭环数控系统3. 闭环控制系统的基本组成图1-9 闭环控制系统的组成控制工程主要研究闭环控制系统，其组成如图1-9所示，主要包括以下七类元件：(1)给定元件：产生给定信号或输入信号。(2)反馈元件：测量被控量，产生主反馈信号。(3)被控对象：控制系统所要操纵的对象。(4)比较元件：用来比较输入信号和反馈信号的偏差。(5)放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大。(6)执行元件：直接对被控对象进行操作的元件。(7)反馈校正元件：用以稳定控制系统，提高性

8、能。控制系统的其他分类方法：按照系统输入量是否为恒值可分为：1.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、频率控制等。2.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，准确地复现输入信号的变化规律。 如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。 按照系统传递信号是否为连续信号可分为：1.连续控制系统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。2.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量传递的系统。

9、离散控制系统通常采用差分方程描述。此外按系统是否为线性可分为线性系统和非线性系统；系统参量变化是否为常数分为定常系统和时变系统；按控制方法分为机械、电气、机电、液压、气动、热力等控制系统；按控制被控量的性质可分为温度、压力、位置等控制系统等等。三、对控制系统的基本要求1. 稳定性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，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。这里讨论的控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。2. 精（准）确性控制精度，主要以稳态误差来衡量。稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时

10、，系统输出量的实际值与给定量之间的差值。3. 快速性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。注意：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。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。1.2 控制工程的发展公元前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100年，亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水的自动计时装置。公元1788年，英国人J.Watt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。 1868年：J. C. Maxwell发表调速器，提出反馈控制的

11、概念及稳定性条件。1884年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据。1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性理论。1895年：A. Hurwitz提出赫尔维茨稳定性判据。1932年：H. Nyquist提出乃奎斯特稳定性判据。1945年：H. W. Bode提出反馈放大器的一般设计方法1948年：N. Wiener发表控制论，标志经典控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出（SISO）系 统的分析和控制问题。1950年：W. R. Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制论。1954年：钱学森用英文出版工程控制论，首先把控制论推广到工程技

12、术领域50年代末60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，主要分析和研究多输入-多输出(MIMO)、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制、智能控制等问题；控制理论研究的重点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空间方法。 1956年：庞特里亚金（，.）提出极大值原理。1957年：R. I. Bellman提出动态规划理论。1960年：R. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论19601980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 控制1980迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、智能控制等。接着短短的几十年里，在各国科学家

13、和科学技术人员的努力下，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。控制理论的中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以反馈来进行控制，控制理论是信息学科的重要组成方面。根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。“经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，主要研究单输入，单输出这类控制系统的分析和设计问题。1.3 控制理论在机械制造工业中的应用机电工业是我国最重要的支柱产

14、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。举例：机器人关节伺服系统（图1-10）；数控机床（图1-11）；自动导引小车（AGV）（图1-12）。图1-10 机器人关节伺服系统图1-11 数控机床图1-12 自动导引小车1.4 课程主要内容及学时安排一、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、机电