第1章 控制工程基本概念

1、宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论控制工程技术控制工程技术宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论【课程名称课程名称】控制工程技术/Technology of Control Engineering。【学学 时时】48 8学时学时【课程类别课程类别】必修、专业基础课必修、专业基础课 工程中的数学工程中的数学。【先修课程先修课程】理论力学、机械原理、液压传动、模拟电子技术、高等数学等。【服务对象服务对象】机制

2、专业。【课程特点课程特点】理论性较强，概念术语多，需要用到微分方程、复变函数、拉氏变换等数学工具，所以本课程主要强调理论联系实际，应从物理本质、数学描述等多方面阐明物理概念，以基本概念为核心、基本原理、基本方法为主线进行教学。在教学体系上以系统分析为重点，按分析方法展开，从时域分析方法转入频域分析；从连续系统再到离散系统。讲授本课程时，要求学生自学MATLAB语言，并能用该语言解答习题。宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论王积伟容一鸣宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of

3、Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论胡寿松 理查德宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论第一章第一章 绪论绪论宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论1、了解控制系统的基本概念、工作原理、分类及特点。2、掌握反馈及反馈控制的基本概念，以及在控制系统中的作用。3、掌握控制系统的组成和各部分的作用。4、根据工作原理图，确定控制系统的被控对象、控制量和被控制量，正确画出系统的方框图。5、

4、了解控制系统的性能指标。教学重点：教学重点：反馈的概念，开环系统、闭环系统的概念，控制系统的基本组成及工作原理。教学难点：教学难点：根据系统的物理结构图或工作原理示意图绘出系统元件框图。教学目的：教学目的：宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论温度自动控制系统温度自动控制系统哇！好冷啊。什么鬼哇！好冷啊。什么鬼天气！天气！为什么！？为什么！？嘿嘿，因为嘿嘿，因为我体内装了我体内装了温度自动控温度自动控制芯片，当制芯片，当然不会冷然不会冷宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of

5、Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论瓦特瓦特 离心调速器离心调速器宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论控制工程问题的提出？控制工程问题的提出？电热毯电热毯电饭煲电饭煲宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论机器人踢足球比赛宁波工程学院宁波工程学院Ni

6、ngBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论军事和航天导弹打卫星导弹打卫星二炮东风21D导弹模拟攻击目标宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论 机械转速、位置的控制机械转速、位置的控制 工业过程中温度、压力、流量的控制工业过程中温度、压力、流量的控制 远洋巨轮航行控制远洋巨轮航行控制 深水潜艇的控制深水潜艇的控制 飞机自动驾驶飞机自动驾驶 神舟飞船的返回控制神舟飞船的返回控制“勇气勇气”号、号、“机遇机遇”号的火星登陆控制号的火星登陆控制 等

7、等等等总之，自动控制技术的应用几乎总之，自动控制技术的应用几乎无所不在无所不在。宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论系统的定义: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。机床用振动料斗机床用振动料斗太阳能自行车太阳能自行车宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论系统系统模型模型x1x2x3y1y2y3 通常，输入和输出都是物理变量，例如，温度、压力、液位、电压、位移、速度等。 系统可大可小

8、，可繁可简，甚至可“实”可“虚”，完全由研究的需要而定，通常将它们统称为广义系统广义系统。 对于实际应用来说，系统一般可以定义为任何一组存系统一般可以定义为任何一组存在某种因果关系的物理元件。原因称为在某种因果关系的物理元件。原因称为激励激励或或输入输入；效果；效果叫做叫做响应响应或或输出输出。宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论物质物质构成系统构成系统的形体的形体系统的运动系统的运动离不开能量离不开能量信息则是信息则是系统的灵魂系统的灵魂能量能量信息信息系统构成三要素系统构成三要素宁波工程学院宁波

9、工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论控制控制、自动控制的定义控制、自动控制的定义自动控制 : 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控制装置或控制器）,使机器、设备或生产过程（被控对象被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量被控量）自动地按照预定的规律运行。宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论1经典控制理论经典控制理论以单变量控制，随动以单变量控制，随动/ /调调节为主要内容，以微分节为主要内

10、容，以微分方程和传递函数为数学方程和传递函数为数学模型，以频率响应法为模型，以频率响应法为主要方法。数学工具：主要方法。数学工具：微分方程，复变函数微分方程，复变函数3后现代控制理论后现代控制理论大系统、大系统、 智能控制智能控制 ；以以 网络、通讯、人机交网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化互为代表的信息自动化 集成的理论与技术。集成的理论与技术。2现代控制理论现代控制理论 现代控制理论以多变量控现代控制理论以多变量控制、最优控制为主要内容，制、最优控制为主要内容，采用时域法，以状态方程采用时域法，以状态方程为数学模型。数学工具：为数学模型。数学工具：线性代数，线性代数， 泛函分析泛函分析

11、控制理论的历史和发展控制理论的历史和发展宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论 现代控制理论现代控制理论以状态空间法为基以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、变参数、非线础，研究多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高性能的控制系统。性、高精度、高性能的控制系统。 最优控制、最佳滤波、系统辨识、自最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制、人工智能控制等。适应控制、人工智能控制等。 古典控制理论古典控制理论以传递函数为基础，以传递函数为基础，研究单输入、单输出的控制系统；研究单输入、单输出的控制系统

12、；宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论综合（系统设计）：综合（系统设计）：在已知被控对象和给定性能指标的前提下，寻求控制规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。分析（系统分析）：分析（系统分析）：在给定系统的条件下，将物理系统抽象成数学模型，然后用已经成熟的数学方法和先进的计算工具来定性或定量地对系统进行动、静态的性能分析。自动控制研究的三个基本问题：自动控制研究的三个基本问题： (1) 建立数学模型 (2) 系统性能分析 (3) 控制器设计典型控制信号：阶跃信号阶跃信号等速和等加速信号等速和

13、等加速信号脉冲信号脉冲信号正弦信号正弦信号宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论 从系统、输入、输出三者之间的动态关系而言，从系统、输入、输出三者之间的动态关系而言，机械控制工程的内容可归纳为机械控制工程的内容可归纳为5 5类：类： 1.1.系统分析系统分析系统已确定，已知输入，求系统的输出，并系统已确定，已知输入，求系统的输出，并通过输出研究系统本身的有关问题；通过输出研究系统本身的有关问题；2.2.最优控制最优控制系统已确定，需要确定系统的输入，以使输系统已确定，需要确定系统的输入，以使输出尽可能

14、符合给定的最佳要求；出尽可能符合给定的最佳要求；3.3.最优设计最优设计输入已知，需要确定系统，以使输出尽可能输入已知，需要确定系统，以使输出尽可能符合给定的最佳要求；符合给定的最佳要求；4.4.滤波与预测滤波与预测输出已知，需要确定系统，以识别输入或输出已知，需要确定系统，以识别输入或输出中的有关信息；输出中的有关信息；5.5.系统辨识系统辨识输入、输出均已知，求系统的结构和参数，输入、输出均已知，求系统的结构和参数，也即建立系统的数学模型。也即建立系统的数学模型。宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论

15、绪论1.2 控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成 必须解决以下四个问题必须解决以下四个问题 控制目的控制目的是什么是什么? ? 受控对象受控对象是什么是什么? ? 输出信号输出信号( (受控量受控量) )是什么是什么? ? 输出信号如何输出信号如何检测检测? ? 实质检测偏差,纠正偏差。123宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论人工控制恒温箱方框图人工控制恒温箱方框图 长时间长时间工作怎么工作怎么办？办？宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technol

16、ogy控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论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u=0,电机停止转动。 工作过程工作过程 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u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u=u1-u2宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论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u1u2uu

17、au温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统方框图恒温箱自动控制系统方框图宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1反馈（反馈（FeedbackFeedback）定义：）定义： 通常，把输出量取出，送回到输入端，并与输入量相比较产生偏差通常，把输出量取出，送回到输入端，并与输入量相比较产生偏差信号的过程，称为信号的过程，称为反馈反馈。若反馈的信号是与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈负反馈；反之，则称为正反馈正反馈。 负反馈负反馈 正反馈正反馈 液位控制液位

18、控制？宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论人工控制和自动控制举例人工控制和自动控制举例宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论手摇扇 电风扇 空调机人工控制和自动控制举例人工控制和自动控制举例乘凉的方式宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论书的书的位置位置输入输入大脑大脑肌肉肌肉手臂手臂眼睛眼睛手的手的位置位置输出输

19、出例例1 1：（：（手取书） 宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论例例2 2：（人与汽车构成的控制系统） 实际路线实际路线希望路线希望路线输入输入肌肉控制肌肉控制方向盘方向盘汽车汽车眼睛眼睛输出输出宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论例例3 3：（3只鸽子有水喝） 澳大利亚昆士兰州布里斯班市的一处闹市区广场，3只鸽子就成功发挥团队精神，解决了喝水难问题宁波工程学院宁波工程学院NingBo Universi

20、ty of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论检测输出量（被控制量）的实际值；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）进行将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使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。得输出量维持期望的输出。控制系统的工作原理控制系统的工作原理宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论控制系统的基本组成框图宁波工程学院宁波工程学院NingBo U

21、niversity of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论1 1、给定元件：、给定元件： 根据系统输出量的期望值，产生系统的给定输入信号的环节，如将期望恒定的根据系统输出量的期望值，产生系统的给定输入信号的环节，如将期望恒定的温度转换为相应电压。温度转换为相应电压。2 2、反馈元件：、反馈元件：3 3、比较元件：、比较元件：4 4、放大元件：、放大元件：5 5、执行元件：、执行元件：宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论宁波工程学院宁波工程学院NingBo Unive

22、rsity of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论1.3 控制系统分类控制系统分类一、按控制策略来分：当一个系统以所需的方框图表示而存在反馈回路时。 控制系统的反馈信号不是直接从系统的输出端引出，而是间接地取自中间的测量元件的系统。 当一个系统以所需的方框图表示而没有反馈回路时。 宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论开环控制系统开环控制系统(无反馈无反馈)执行执行机构机构控制控制对象对象预期输出实际输出1）开环控制系统）开环控制系统控制器控制器宁波工程学院宁波工程学

23、院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论2）闭环控制系统）闭环控制系统闭环反馈控制系统(有反馈有反馈)控制器被控对象预期输出r(t)实际输出y(t)比较器测量装置误差e(t)控制量u(t)被测变量测量值宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论反馈反馈：控制的核心思想：控制的核心思想闭环控制特点：信息的双向流动闭环控制特点：信息的双向流动控制器被控对象预期输出r(t)实际输出y(t)比较器测量装置误差e(t)控制量u(t)被测变量测量值

24、闭环例闭环例1：空调控制系统：空调控制系统宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论二、按输入信号的性质来分：程序控制程序控制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。 伺服控制伺服控制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。 恒值控制恒值控制输入是已知的恒定值，控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。 宁波工程学院宁波工程学院NingBo

25、 University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论三、按系统中传递信号的性质来分：离散控制离散控制：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。离散控离散控制系统通常采用差分制系统通常采用差分方程描述方程描述。连续控制连续控制：系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通连续控制系统通常采用微分方程描述常采用微分方程描述。 宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论1.4 1.4 控制系统举例控制系统举例1）转盘速度的开环控制 转台直流放大器直流电机转速宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论实际转速预期速度（电压）控制装置直流放大直流放大器器执行机构直流直流电机电机受控对象转台转台1.4 1.4 控制系统举例控制系统举例宁波工程学院宁波工程学院NingBo University of Technology控制工程技术控制工程技术第一章第一章 绪论绪论2）转盘速度的闭环控制转台转台直流直流放大器放大器直流电