控制工程基础教案第一章 绪论

1、课程：课程：控制工程基础控制工程基础教师：吴至境教师：吴至境 教材：教材：机械工程控制基础机械工程控制基础 杨叔子杨叔子 等编著等编著 华华中科技大学出版社中科技大学出版社 课程性质：专业基础课课程性质：专业基础课 计划学时计划学时: 48h (40+8)（C）；）；32h (24+8) (B) 主要内容主要内容: 结合机械工程讲述经典控制论的基本结合机械工程讲述经典控制论的基本内容。内容。 成绩成绩: 平时成绩平时成绩-30% 考试考试-70%第一章第一章 绪论绪论1 1.1 .1 引言引言1.2 1.2 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务1.3 1.3 系统及其模

2、型系统及其模型1.4 1.4 反馈反馈1.5 1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1.6 1.6 对本课程的基本要求对本课程的基本要求1.1 引言引言回答三个问题：1、什么是“机械工程控制论”?2、自动控制与自动控制理论3、控制论的发展控制论控制论对对象施加某种操作，使其产生所期望对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。的行为。该操作由控制装置自动完成，该操作由控制装置自动完成，无须人的参与。无须人的参与。控制：控制：自动控制自动控制: 在无人直接参与的情况下，通过控在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定规律制器使被控对象或过程自动地按照预定规律

3、运行。特点：运行。特点：例子：水箱液面控制系统：例子：水箱液面控制系统：控制论控制论控制论控制论：关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发展的一般规律（总体概述）展的一般规律（总体概述）控制三要素控制三要素： 被控对象、控制目标、控制装置被控对象、控制目标、控制装置可控与能控可控与能控： 1. 被控对象（或其被控量）必须存在着多种发被控对象（或其被控量）必须存在着多种发 展的可能性。如果事物的未来只有一种可能展的可能性。如果事物的未来只有一种可能 性，就无所谓控制了性，就无所谓控制了; 2. 被控制的对象不仅必须存在多种发展的可能被控制的对象

4、不仅必须存在多种发展的可能 性，而且，可以在这些可能性中通过一定的性，而且，可以在这些可能性中通过一定的 手段进行选择，才谈得到控制。手段进行选择，才谈得到控制。控制论方法控制论方法： 1. 了解事物面临的可能性空间是什么了解事物面临的可能性空间是什么; 2. 在可能性空间中选择某一状态为目标在可能性空间中选择某一状态为目标 （控制目标）；（控制目标）； 3. 控制条件，使事物向既定的目标转化。控制条件，使事物向既定的目标转化。控制论控制论：既是一门技术学科既是一门技术学科 又是一门技术哲学和一种科学方法论又是一门技术哲学和一种科学方法论控制论强调控制论强调： 1. 所研究的对象是一个所研究的

5、对象是一个“系统系统”; 2. 系统在不断地系统在不断地“运动运动” （经历动态历程，包括内部状态和外部（经历动态历程，包括内部状态和外部行为）；行为）； 3. 产生运动的条件是产生运动的条件是“外因外因” （外界的作用：输入、干扰）；（外界的作用：输入、干扰）； 4. 产生运动的根据是产生运动的根据是“内因内因”（系统的（系统的固有特性）。固有特性）。控制论强调控制论强调： 元素间的相互作用：信息传递与交互元素间的相互作用：信息传递与交互 状态变化状态变化 动态历程动态历程 控制论实质上研究的是广义的系统动力控制论实质上研究的是广义的系统动力学学， 其核心是系统内部以及系统与外界环境其核心是

6、系统内部以及系统与外界环境的信息的信息 交互、传递和反馈交互、传递和反馈。控制轮与其它学科结合，形成了众多的分支学控制轮与其它学科结合，形成了众多的分支学科科控制论经济学社会学生物学工程技术经济控制论社会控制论生物控制论工程控制论共同的本质特点共同的本质特点： 通过信息的传递、处理与反馈进行控制。控制论的发展控制论的发展发展历史：发展历史：阶段形成时期理论基础分析方法研究对象数学工具30-50年代经典控制论时域/复域(1948)、频域(1932)SISOSingle-inputSingle-output微分方程拉式变换复变函数等60-70年代现代控制论状态空间时域MIMOMultiple-in

7、putMultiple-output矩阵理论线性代数70-至今大系统理论智能控制时域/复域/频域法模糊集法多因素多层次复杂对象标志性事件：标志性事件：18世纪，世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的为控制蒸汽机速度设计的离心调节器离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成，是自动控制领域的第一项重大成果。果。1877年，年，劳斯劳斯;1895年霍尔维茨年霍尔维茨; 1932年，年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频提出了一种根据系统的开环频率响应率响应(对稳态正弦输入对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性，确定闭环系统稳定性的方法。的方法。1948年年,维纳所著维纳所著控制论控制

8、论出版标志这门学科出版标志这门学科的正式诞生。的正式诞生。 1.2 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务研究对象：研究对象：研究机械工程技术中广义系统的动研究机械工程技术中广义系统的动力学问题。力学问题。什么是动力学问题：什么是动力学问题：动力学问题动力学问题： 系统在外界作用（系统在外界作用（输入或激励、包括外加输入或激励、包括外加控制与外界干扰控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参由系统的结构与参数决定数决定）所决定的动态历程（）所决定的动态历程（输出或响应输出或响应）。）。

9、 这一过程中，系统及其输入、输出三者之这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的间的动态关系即为系统的动力学问题动力学问题。例例1-1 弹簧弹簧质量质量阻尼单自由度系统阻尼单自由度系统 （书书 p2）同一系统、不同的外界作用同一系统、不同的外界作用图图1-3 m-c-k单自由度系统单自由度系统分析：分析：分别写出其动力学方程，为分别写出其动力学方程，为系统（系统（a）: (mp2+cp+k)y(t)=f(t)系统（系统（b）: (mp2+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t) 式中：式中：p=d/dt（微分算子）（微分算子）初始状态：初始状态：y(0)=y0, (0)=0系统

10、的固有特性：系统的固有特性：mp2+cp+k（与外界无关，左（与外界无关，左边边 算子）算子）外界的作用：外界的作用：x(t), f(t)（系统的输入或激励）（系统的输入或激励）外界作用方式（与外界的关系，右边算子）：外界作用方式（与外界的关系，右边算子）： ，cp+k系统对输入的响应（系统的输出）：系统对输入的响应（系统的输出）：y(t)上例中，上例中，y(t)即微分方程的解，显然，它是由系即微分方程的解，显然，它是由系统的初始条件、系统的固有特性、系统的输入统的初始条件、系统的固有特性、系统的输入及系统与输入之间的关系所决定。及系统与输入之间的关系所决定。问题：问题：1. 系统的输入与系统

11、的固有特性如何影系统的输入与系统的固有特性如何影响响y(t)？三者之间表现为何种关系？三者之间表现为何种关系？ 2. 系统确定并已知时，对系统施加何种系统确定并已知时，对系统施加何种输入，输入，使系统实现预期的响应（即使系统实现预期的响应（即y(t)）?3. 对于确定的输入，系统应具有什么特对于确定的输入，系统应具有什么特性，性，才能使系统实现预期的响应？才能使系统实现预期的响应？ 基本的动力学问题！基本的动力学问题！一般地，就系统、输入、输出三者之间的动态关系而言，需研一般地，就系统、输入、输出三者之间的动态关系而言，需研究的问题包括：究的问题包括：1. 系统分析问题系统分析问题：已知系统和

12、输入，求系统的：已知系统和输入，求系统的响应（或输出），响应（或输出），并通过响应来研究系统本身并通过响应来研究系统本身的问题；的问题；2. 最优控制问题最优控制问题：已知系统，确定输入，使系：已知系统，确定输入，使系统的输出满足要求；统的输出满足要求；3. 最优设计问题最优设计问题：已知输入，设计系统，使输：已知输入，设计系统，使输出满足要求；出满足要求；4. 滤波与预测问题滤波与预测问题：确定系统，以根据输出识：确定系统，以根据输出识别输入或输入中的别输入或输入中的有关信息；有关信息；5. 系统辨识问题系统辨识问题：已知输入和输出，识别是系：已知输入和输出，识别是系统的结构和参数，统的结构

13、和参数，建立系统的数学模型。建立系统的数学模型。1.3 系统及其模型系统及其模型系统的特性系统的特性：（1）系统的性能不仅与系统的元素有关，而且）系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统的结构有关；还与系统的结构有关；（2）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；富得多；（3）系统往往表现出在时域、频域或空域等域）系统往往表现出在时域、频域或空域等域内的动态特性。内的动态特性。机械系统：机械系统： 以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为以及承受一定的机械载荷为目的的系

14、统，称为机械系统。机械系统。 对于机械系统，其输入和输出分别称为对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励激励“和和“响应响应”。系统模型系统模型：系统的模型包括实物模型、物理模型和数学模系统的模型包括实物模型、物理模型和数学模型等等。型等等。N(t)静态模型动态模型( )( )kx tF t)()()()(tFtkxtxctxmooo 1.4 反馈反馈控制论的三要素：信息、反馈、反馈控制。控制论的三要素：信息、反馈、反馈控制。信息：信息：能表达一定含义的信号。能表达一定含义的信号。反馈（定义）：反馈（定义）：系统的输出不断地、直接或间系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系

15、统，接地、全部或部分地返回，并作用于系统，与与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈馈“反馈控制反馈控制”是控制论的中心思想是控制论的中心思想反馈控制系统：利用反馈原理构成的自动控制反馈控制系统：利用反馈原理构成的自动控制系统。系统。反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与输入扰动的情况下，力图减小系统的输出量与

16、输入量之间的偏差，提高控制精度。量之间的偏差，提高控制精度。主反馈（外反馈）与内在反馈（内反馈）主反馈（外反馈）与内在反馈（内反馈）主反馈：直接取自输出端的反馈叫主反馈主反馈：直接取自输出端的反馈叫主反馈。相对于被控制对象而然，由于附加的反馈控相对于被控制对象而然，由于附加的反馈控制装置引起的信息交互。制装置引起的信息交互。内在反馈：非人为的，而是元件或系统中内在反馈：非人为的，而是元件或系统中存在着相互耦合作用而形成的固有反馈。存在着相互耦合作用而形成的固有反馈。内反馈例子：内反馈例子：用用“”号代表比较元件，号代表比较元件，“”号代表两者符号代表两者符号相反，号相反，“+”号代表两者符号相

17、同。信号沿箭号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。以及由它构成的内回路。 (mp2+cp+k)y(t)=f(t)外反馈例子外反馈例子例例1：数控机床工作台：数控机床工作台无反馈控制开环系统反馈控制闭环系统例例2：发动机离心调速系统：发动机离心调速系统：w控制原理控制原

18、理：1.如果负载变化使转速W增加;2.离心机构滑套上移;3.液压滑阀上移，动力活塞下移动，油门关小，W减小；4.直到滑阀回复中位，W回到设定值。通过检测系统的实际输出值，并与设定值进行比较，反过来作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出。反馈实质上是信息的传递与交互。反馈实质上是信息的传递与交互。（本例中反馈表现为W变化引起的信息传递与交互）。以发动机离心调速系统为例：以发动机离心调速系统为例：被控对象：发动机被控对象：发动机被控量：转速被控量：转速W被控量的目标设定：预紧弹簧设定被控量的目标设定：预紧弹簧设定 控制信息传递与反馈控制信息传递与反馈：反馈装置控制装置控制装置 给定环节：其职能是

19、给出与期望的被控量相对给定环节：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量应的系统输入量 测量环节：其职能是测量被控制的物理量测量环节：其职能是测量被控制的物理量 比较环节：把输入量与测量元件发来的有关被比较环节：把输入量与测量元件发来的有关被控量的反馈值进行比较，求出它们之间的偏差控量的反馈值进行比较，求出它们之间的偏差。 放大环节：将比较元件给出的偏差进行放大，放大环节：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。用来推动执行元件去控制被控对象。 执行环节：直接推动被控对象，使其被控量按执行环节：直接推动被控对象，使其被控量按照预期的规律运行。照预期的规律运行。反馈控制

20、系统的分类：反馈控制系统的分类：1. 按反馈情况按反馈情况 开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统开环控制系统：系统的输出对系统没有控制作开环控制系统：系统的输出对系统没有控制作用，系统没有反馈回路。用，系统没有反馈回路。例如：步进驱动的数控机床例如：步进驱动的数控机床闭环控制系统：系统输出对系统有控制作用，闭环控制系统：系统输出对系统有控制作用，系统有反馈回路。系统有反馈回路。例如：伺服驱动的数控机床例如：伺服驱动的数控机床闭环与开环控制系统的比较闭环与开环控制系统的比较2. 按输出量的变化规律按输出量的变化规律自动调节系统（恒值系统）：系统的输出保持自动调节系统（恒值系统）：系统的输出保持常量。常量。如：前例中的离心调速系统如：前例中的离心调速系统恒温箱、液面控制等。恒温箱、液面控制等。此类系统同时也是闭环系统。此类系统同时也是闭环系统。随动系统：系统的输出相应于系统的输入按任随动系统：系统的输出相应于系统的输入按任意规律变化。意规律变化。如：炮瞄雷达系统如：炮瞄雷达系统放形加工等。放形加工等。此类系统同时也是闭环系统。此类系统同时也是闭环系统。程序控制系统：系统的输出按预定程序变化。程序控制系统：系统的输出按预定程序变化。如：数控机床如：数控机床 全自动洗衣机等。全自