控制工程基础 第一章学习课件

控制工程基础石志良shizhil998汉理工大学机电学院参考书籍必读书：1、荣一鸣.控制工程基础，北京：北京理工大学出版社，2010年3月参考书：1、杨叔子主编.机械工程控制基础，武汉：华中科技大学出版社，2002年8月2、王积伟，吴振顺.控制工程基础,北京：高等教育出版社，2001年8月3、胡寿松.自动控制原理(第4版)，国防工业出版社，2001年3月4、HuangAnyi.FundamentalsofMechanicalControlSystems，武汉理工大学出版社，2004年7月5、黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真，国防工业出版社，2001年11月6、熊良才，杨克冲，吴波.机械工程控制基础学习辅导与解题，武汉：华中科技大学出版社，2002年4月教学安排本课程讲授36学时(包括课堂讨论)，实验4学时本教材主要涉及经典控制理论部分，对现代控制理论只作简单涉及，现代控制理论的主要内容将在研究生课程中讲授。作业考试课程基本内容介绍控制和控制系统的一般概念系统数学模型及其建模方法系统性能分析和分析方法系统综合与校正课程基本内容基本概念基本原理基本方法基本计算分析方法和分析内容时域分析法：求解系统运动微分方程；频域分析法：频率特性图解；分析内容系统稳定性分析；系统响应快速性分析；系统的稳态误差分析

分析方法二、控制理论的发展史第一章绪论一、控制系统的基本概念控制理论的发展史自动控制理论的组成学习控制理论基础要解决两个问题控制系统的工作原理和组成控制系统的基本类型控制系统的基本要求1.控制系统的工作原理和组成控制就是按照预先给定的目标，改变系统行为或性能的方法学。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器)，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(即被控量、输出)自动地按照预定的规律运行。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。

控制系统控制结果控制目标输入输出由控制器和被控对象组成无论何种类型的控制系统都由三个基本部分组成：人工控制的恒温箱例2

观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱（被控制元件）的温度；(观测温度)与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差的大小和方向；(得到偏差)根据偏差大小和方向再进行比较控制：当温度高于所要求的给定温度值时，就调节调压器动触头使电压减小，温度降低；若温度低于给定的值，则调节调压器动触头，使电压增加，温度升高；(调节控制)如温度还达不到要求时，要反复进行上面的步骤操作。人工控制恒温箱系统功能框图因此，人工控制的过程就是测量、求偏差、再控制以纠正偏差的过程。也就是“检测偏差用以纠正偏差”的过程。恒温箱自动控制系统自动控制恒温箱：u2

u1

热电偶 给定信号加热电阻丝 电压放大器 功率放大器 减速器调压器 ⊿u

～220V 比较 + + 执行电动机

u1

给定信号电压，控制恒温箱的温度。

u2

测得的电压信号，由作为测量元件的热电偶，把温度转换成对应的电压信号。

△u偏差信号，测得的电压信号u2反馈回去与给定信号u1相比较，所得结果即为温度的偏差信号△u=u1-u2。经过电压、功率放大后，用以改变电动机的转速和方向，并通过传动装置带动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向着减小电压的方向运动，反之加大电压，直到温度达到给定值为止，即只有在偏差信号△u＝０时，电动机才停转。这样就完成了所要求的控制任务。而所有这些装置便组成了一个自动控制系统。Thesystemfunctiondiagramoftheautomaticcontrolconstanttemperaturebox自动控制恒温箱系统功能框图带有箭头的有向线段：信息的传递路径有向线段旁边标识的符号：该线段所代表的信号带有名称的方框：构成系统的各个部件进入方框的箭头：表示信号输入，反之表示输出，各环节的作用是单向的，其输出受输入控制；

代表比较元件：注意到进入比较元件的反馈信号u2旁边有一“－”号，其含义是负号，即比较元件完成给定信号与反馈信号的相减操作以获取偏差信号产生控制作用，使偏差越来越小，这种控制称为负反馈控制。负反馈控制：是实现自动控制最基本的方法。从恒温箱自动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。也称为参考输入量（信号）。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。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。允许进入到发动机内的燃料数量，根据希望的发动机速度与实际的发动机速度之差进行调整。例3

发动机的瓦特式速度调节器如果发动机的速度增大，以至于超过了希望的速度值，则速度调节器的离心力增大，从而导致控制阀向上移动。这样就会减少燃料供应，导致发动机的速度减小，直至达到希望的速度时为止。当工作于希望的速度时，高压油将不进入动力油缸的任何一侧。如果由于扰动，使得实际速度下降到低于希望值，则速度调节器的离心力下降，导致控制阀向下移动，从而对发动机的燃料供应增多，发动机的速度增大，直到达到希望的速度时为止。综上所述，控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；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。控制系统的工作原理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，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。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。称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较(或计算)和执行三个基本功能。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。控制方式闭环控制系统的基本组成一个典型的反馈控制系统应该包括给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件等。典型的闭环控制系统组成给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号，例如，调速系统的给定电位计。反馈元件：它测量被控量或输出量，产生主反馈信号，该信号与输出量存在着确定的函数关系（通常为比例关系）。例如，调速系统用于测速的测速发电机。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作用产生的，如作用力与反作用力之间形成的直接反馈。内在反馈回路由系统动力学特性确定，它所构成的闭环系统是一个动力学系统。比较元件：用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差。可以是一个差接的电路，它往往不是一个专门的物理元件，有时也叫比较环节；自整角机、旋转变压器、机械式差动装置都是物理的比较元件。放大元件：对偏差信号进行放大和功率放大的元件，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。例如，伺服功率放大器、电液伺服阀等。执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。例如，执行电动机、液压马达等。控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的控制量，例如，机床工作台等。校正元件：或称校正装置，用以提高控制系统动态性能，改善系统控制质量。有反馈(并联)校正和串联校正等形式。控制系统中的比较元件、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。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动，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控制量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。工业上用的控制系统，根据有无反馈作用，可分为两类：开环控制系统和闭环控制系统(1)开环控制系统当构成系统每一环节的输入不受系统的输出影响时，这样的系统称为开环控制系统。特点：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；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。2.控制系统的基本类型：按反馈情况分类控制系统的分类开环控制系统框图数控机床开环进给系统(2)闭环控制系统当构成系统的任一环节的输入受到系统的输出影响时，这样的系统称为闭环控制系统。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。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。闭环控制系统框图数控机床闭环进给系统由于工作台位移（输出）经检测装置测出实际的位移后与给定的位移指令比较，从而产生控制作用，达到控制工作台位移的目的。因此，如果实际的位移没达到指令要求时，这种控制作用始终作用于工作台，直到工作台达到所要求的位置。开环控制系统的优点：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。闭环控制系统的优点：精度高，不管出现什么干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值时，闭环控制就会产生控制作用来减小这一偏差。缺点：这类系统是检测偏差用以纠正偏差，或者说是靠偏差进行控制。在工作过程中系统总会存在偏差，由于元件的惯性（如负载的惯性），很容易引起振荡，使系统不稳定。因此精度和稳定性是闭环系统存在的一对矛盾，系统性能设计和分析较复杂。按输入量的特征分类恒值系统在外界扰动作用下，系统的输出能基本保持为常值的系统称为恒值系统。如恒温、恒压及恒速系统，电网电压、频率控制等。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。如仿形车床的液压仿形刀架，靠模为给定的系统输入，刀架仿形运动为系统的输出。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。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。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。离散控制系统通常采用差分方程描述。按系统中传递信号的性质分类：线性系统和非线性系统定常系统描述系统微分方程的系数不随时间而变化的系统时变系统描述系统微分方程的系数随时间变化的系统机械、电气、机电、液压、气动、热力等控制系统温度、压力、位置等控制系统其它分类方法：自动控制理论是研究自动控制共同规律的一间学科。尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构和参数时，我们感兴趣的都是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程。例如，对恒值控制系统是研究扰动作用引起被控量变化的全过程，对随动系统是研究被控量如何克服扰动影响并跟随参据量的变化过程。但是，对每一类系统被控量变化全过程提出的共同基本要求都是一样的，且可以归结为稳定性、准确性、快速性和鲁棒性(Robust)，即稳、准、快、健的要求。3.控制系统的基本要求：稳定性：稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能否恢复平衡状态的能力。稳定性的要求是系统正常工作的首要条件。控制系统稳定性由系统的结构决定，由于系统存在着惯性，当系统的各个参数匹配不妥时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。准确性：是指在调整过程结束后输出量与给定量之间的偏差(稳态误差)，或称为静态精度，这也是衡量系统工作性能的重要指标。例如数控机床精度越高，则加工精度也越高。而一般恒温和恒速系统的精度都可在给定值的1%以内。快速性：快速性是指当系统输出量与给定量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度，表征系统的动态性能。鲁棒性:是指系统特性抵抗系统内外各种扰动影响的能力。如抗结构参数不确定的能力。由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、准、快的要求各有侧重，例如，随动系统对快速性要求较高，而调速系统则对稳定性提出较严格的要求。同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程可能又过于迟缓，精度也可能变坏。分析和解决这些矛盾，也是本学科讨论的重要内容。StabilityBecausethereisinertiainsystems,whensomeparametersinasystemarenotproperlyset,oscillationmayoccurandthesystemwillfail.Stabilityistheoscillationtendencyduringtransientandtheabilitytorestorethebalancestate.Iftheoutputdeviatesfromthebalancestate,itshouldconvergencewhentimeelapsesandreturntotheinitialbalancestate.Stabilityisthefirstrequirementforasystemtobefunctional.AccuracyItisreferredtothedeviationbetweentheoutputquantityandthegiveninputquantityaftertheadjustmentprocess.Itisalsocalledstaticaccuracy.Itisanimportantperformancespecificationforasystem.Forexample,machiningaccuracyisanimportantspecificationforanumericalcontrolledmachiningtool.AgilityItisbasedonthepreconditionofstability.Agilityisthespeedtoeliminatethedeviationbetweentheoutputandtheinputquantityinasystem.小结控制系统工作原理及相关概念控制系统的类型对控制系统的基本要求主要内容二、控制理论的发展史第一章绪论一、控制系统的基本概念控制理论的发展史自动控制理论的组成学习控制理论基础要解决两个问题控制系统的工作原理和组成控制系统的基本类型控制系统的基本要求前言自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。1.控制理论的发展史

--自动控制技术与人类进步

AutomaticControl&HumanCivilization一、控制理论的发展史I.前期控制(1400B.C.–1900A.D.)工业机器II.经典控制前期

(1900年-1935年)III.经典控制(1935年-1950年)空间技术Ⅳ.现代控制

(1950年-)控制理论I.前期控制(EarlyControl)(1400B.C.–1900A.D.)(0)具有反馈控制原理的控制装置在古代就有了。这方面最有代表性的例子当属古代的计时器“水钟”(在中国叫作“刻漏”，也叫“漏壶”)。据古代锲形文字记载和从埃及古墓出土的实物可以看到，巴比伦和埃及在公元前1500年以前便已有很长的水钟使用历史了。西汉漏壶都江堰(2)公元132年中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪。(1)公元100年亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置，把硬币投入储钱箱，大门就会自动开启。在装置中投入一个硬币，就会有圣水从洞中喷出。(3)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(4)1637年中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图提花织机结构图指南车模型图指南车结构图(5)英国瓦特（J.Watt）1765年发明了蒸汽机，1788年发明了离心式飞球调速器，通过调速器调节蒸汽量，从而保证蒸汽机在不同的工作负荷时，保持一定的转速(起源)II.经典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900年-1935年)(1)1913年美国福特(FordMotor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(2)1922年美国米罗斯基(N.Minorsky)研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法汽车装配流水线(3)1928年美国MIT的万尼瓦尔.布什(VannevarBush)研制成第一台大型模拟计算机(DifferentialAnalyzer)V.Bush大型模拟计算机(4)1927年美国布雷克(H.S.Black)提出放大器性能的负反馈方法(NegativeFeedbackAmplifier)H.S.Black(5)闭环控制(反馈）--自动控制的基础。控制论的奠基人维纳(N.Wiener)1948年对此给出的定义为：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”“反馈是一种控制系统的方法，该方法将系统的输出作用于系统的输入。”闭环控制系统的结构框图：III.经典控制(ClassicalControl)(1935年-1950年)N.B.NicholsN.Wiener(1)1938年美国贝尔实验室的波德（H.Bode）、1940年奈奎斯特（Nyquist）提出频率响应法(2)1942年美国泰勒（Taylor）仪器公司的齐格勒（J.G.Ziegler）和尼科尔斯（N.B.Nichols）提出PID参数的最佳调整法(3)美国麻省理工学院（MIT）的维纳（N.Wiener）研究随机过程的预测，1942年提出Wiener滤波理论，1948年发表《控制论》（《Cybernetics》）一书，标志经典控制理论基本形成(4)1934年美国的哈仁（H.L.Hazen）发表了“关于伺服结构理论”(TheoryofServome-chanism)，并于1939年在MIT建立伺服机构实验室(ServomechanismLaboratory)H.Hazen伺服机构实验室(5)MIT辐射实验室（RadiationLaboratory）在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了尼科尔斯图解设计方法（NicholsChartDesignMethod），菲利普（R.S.Philips）的噪音伺服系统（OnNoiseinServomechanisms），以及霍尔维兹（Hurewicz

）(1947)的数字控制系统(SampledDataSystem)(6)1948年美国尹文思（W.Evans）提出根轨迹法(RootLocusMethod)，完成了以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作。(7)多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括1942年史密斯（Ed.S.Smith）的《自动控制工程学》（《AutomaticControlEngineering》），1945年H.Bode的《回路分析和反馈放大器》（《NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier》），1945年麦科尔（L.A.MacColl）的《伺服系统基本原理》（《FundamentalTheoryofServomechanisms》），以及1954年钱学森的《工程控制论》(《EngineeringCybernetics》)“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。”Ⅳ现代控制(ModernControl)(1950年-)二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，并随着计算机技术的快速发展，使得现代控制理论发展很快。导弹卫星航天器(2)1957年美国贝尔曼（R.Bellman）发表著名的动态规划（DynamicProgramming），建立最优控制的基础(3)1957年国际自动控制联合会(IFAC)成立，中国为发起国之一，第一届学术会议于1960年在莫斯科召开(1)1956年苏联庞特里亚金（L.S.Pontryagin）发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(MaximumPrinciple)L.S.Pontryagin地对空导弹F4幻影飞机(4)1954年美国德沃（GeorgeDevol）研制出第一台工业机器人样机，两年后，被称为机器人之父的恩格尔伯格（JosephEngelberger）创立了第一家机器人公司－通用机器人（Unimation）(5)1960年美籍匈牙利人卡尔曼（R.E.Kalman）发表“控制系统全面理论”（“OntheGeneralTheoryofControlSystems”）等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础R.E.Kalman(6)1963年,美国的扎德（Lofti

Zadeh）与戴森（C.Desoer）发表“线性系统－状态矢量空间方法”（LinearSystems-AStateSpaceApproach）。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念(7)1958年美国的朱利（E.I.Jury）发表“数字控制系统”(Sampled-DataControlSystem)，建立了数字控制及数字信号处理的基础

C.DesoerZadeh(8)1967年瑞典奥斯特隆姆（KarlJ.Astrom）提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法，六年后，提出了自启调节器，建立自适应控制的基础。Astrom于1993年获得IEEE荣誉奖章（IEEEMedalofHonor）。K.J.Astrom(9)1970年英国罗森布拉克（H.HRosenbrock

）发表“状态矢量空间与多变量理论”（StateSpaceandMultivariableTheory）。1974年加拿大旺纳姆（W.MWonham）发表“线性多变量控制：一种几何方法”（LinearMultivariableControl:AGeometricApproach）。W.MWonham

(10)1976年美国布罗克特（R.Brockett）提出用微分几何研究非线性控制系统，1985年意大利伊西多尔(A.Isidori)出版“非线性控制系统”(NonlinearControlSystems)。A.IsidoriR.Brockett(11)1981年加拿大詹姆斯G.Zames提出H∞鲁棒控制设计方法(12)1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功GorgeZames(13)1969年美国布莱森（A.Bryson）和Y.C.Ho发表“实用最佳控制”（AppliedOptimalControl）。1983年Y.CHo和X.RCao等提出离散事件系统理论(14)1986年中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题A.BrysonYuC.Ho“作为技术科学的控制论，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2.自动控制理论的组成自动控制理论主要由经典控制理论、现代控制论和智能控制论组成的。经典控制理论是在复数域中以传递函数概念为基础的理论体系。主要研究单输入、单输出、线性定常系统的分析与设计。现代控制理论是在时间域中以状态变量方程概念为基础的理论体系。主要研究具有高性能、高精度的多输入—多输出系统的分析与设计。系统可以是线性的或非线性的、定常的或时变的、连续的或离散的、确定型的或随机型的。经典控制理论是自动控制理论的基础，又称为控制理论基础。一、控制理论的发展史3.学习控制理论基础要解决两个问题在系统的结构和参数已经确定的条件下，对系统的性能进行分析，并提出改善性能的途径。根据系统要实现的任务，给出稳态和动态性能指标，要求组成一个系统，并确定适当的参数，使系统满足给定的性能指标。前者主要是分析系统，后者是综合与设计。一、控制理论的发展史控制工程研究的对象与任务控制工程研究对象研究工程中系统的动态特性。什么是系统(system)？广义地说，系统是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。在工程领域，系统可以是电的、机械的、液压的、气动的、热力的、生物医