CH1_控制工程基础

1、控制工程基础控制工程基础中国石油大学机电工程学院畅元江畅元江Tel:mail: changyj1557126(163).com(机自06 4-6班)课程要点课程要点控制工程基础机电控制理论及技术机电控制理论及技术考研课程考研课程控制工程基础控制工程基础机械电子工程机械电子工程机械设计及理论机械设计及理论考研专业基础课考研专业基础课控制技术在石油工业的应用控制技术在石油工业的应用 自动化钻机自动化钻机 井下轨迹控制井下轨迹控制-井下控制工程井下控制工程 水下机器人（水下机器人（ROV） 管道机器人管道机器人 化工过程控制化工过程控制苏义脑院士与井下控制工程学苏义脑院士

2、与井下控制工程学1990年：完成对“井眼轨道制导理论与技术研究”新领域框架构思与探索1993年：进一步提出“井下控制工程学”。井下控制工程学的研究对象，涵盖各种油气井井下作业过程的控制问题，除钻井外，还涉及到完井、采油、测试、修井等。以钻井技术为例，建立在MWD（随钻测量）、LWD（随钻测井）等井下信息测量和传输基础上的地质导向钻井系统、旋转导向钻井系统、自动垂直钻井系统等钻井重大高新技术，正在将“给钻头装上眼睛”、“使钻头闻着油味儿走”的梦想变为现实，使钻头能自如地钻穿底下几千米的岩石并准确地进入油气层。 ROV水下机器人水下机器人管道检测管道检测控制技术在制造工业的应用控制技术在制造工业的

3、应用 工业机器人工业机器人:关节伺服系统关节伺服系统 数控机床数控机床 六自由度工业机器六自由度工业机器 移动机器人移动机器人 柔性制造系统柔性制造系统(FMS)课程主要内容课程主要内容( (一一) )第一章第一章 概述概述第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型第三章第三章 时域瞬态响应分析时域瞬态响应分析第四章第四章 控制系统的频率特性控制系统的频率特性第五章第五章 控制系统的稳定性分析控制系统的稳定性分析第六章第六章 控制系统的性能分析与校正控制系统的性能分析与校正第七章第七章 离散控制系统离散控制系统2977555课程主要内容课程主要内容( (二二) )专题一专题一 MATL

4、ABMATLAB入门入门专题二专题二 MATLABMATLAB提高提高专题三专题三 MATLABMATLAB控制工具箱控制工具箱专题四专题四 SIMULINKSIMULINK穿插在课堂进行MATLABSIMULINKSIMULINK教材2003年年董景新董景新, 赵长赵长德德. 控制工程控制工程基础基础. 清华大清华大学出版社学出版社1992年年2001年年2000年年2001年年2001年年2001年年参考书目1. 美美Katsuhiko Ogata. 现代控制工程现代控制工程(Modern control engineering) (3rd Edition). 电子工业出版社电子工业出版社

5、. 20002. Frederick, D.K, Chow,J.H. 反馈控制问题反馈控制问题: 使用使用MATLAB及其控制系统工具箱及其控制系统工具箱. 西安交通大学出版西安交通大学出版社社. 20013. 高木章二高木章二. 数字控制入门数字控制入门. 科学出版社科学出版社. 2001 4. 胡寿松胡寿松. 自动控制原理自动控制原理(第四版第四版). 科学出版社科学出版社. 20015. 薛定宇薛定宇. 控制系统计算机辅助设计控制系统计算机辅助设计MATLAB语言语言及应用及应用. 清华大学出版社清华大学出版社. 19966. 徐昕徐昕, 李涛李涛, 伯晓阳伯晓阳. MATLAB控制工具

6、箱控制工具箱. 电子工业电子工业出版社出版社. 20007. 熊良才熊良才, 杨克冲杨克冲, 吴波吴波. 机械工程控制基础机械工程控制基础(第四版第四版)学学习辅导与题解习辅导与题解. 华中科技大学出版社华中科技大学出版社. 20028. 陈延康陈延康. 机械控制工程机械控制工程. 煤炭工业出版社煤炭工业出版社. 19942000年年2001年年2003年年2000年年2001年年图解图解机电机电一体一体化入化入门系门系列列2001年年1996年年2002年年课程基本要求课程基本要求掌握机电反馈控制系统的基本原理掌握机电反馈控制系统的基本原理掌握建立机电系统动力学模型的方法掌握建立机电系统动力

7、学模型的方法掌握机电系统的时域分析方法掌握机电系统的时域分析方法掌握机电系统的频域分析方法掌握机电系统的频域分析方法掌握模拟控制系统的分析与设计综合方法掌握模拟控制系统的分析与设计综合方法掌握计算机控制的基本概念掌握计算机控制的基本概念掌握计算机辅助控制工程分析的基本方法掌握计算机辅助控制工程分析的基本方法所需基础知识所需基础知识高等数学、复变函数、积分变换、理论力学、电工学学习要点学习要点4控制理论控制理论4数值仿真数值仿真4工程应用工程应用联系三者的桥梁：联系三者的桥梁：MATLAB若干编程题材若干编程题材 额外加分额外加分(初定初定)第一章第一章 概论概论1-1 1-1 控制理论在工程中

8、的控制理论在工程中的应用发展应用发展 控制理论是在产业革命的背景下，在生产和军事需求的刺激下，自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互交叉发展的产物。 从二十世纪以来，特别是第二次世界大战以后，自动控制和自动化科学得到了迅速的发展。 工业生产的自动化，改善了劳动条件，增加了产量，提高了质量。在军事装备上，自动控制技术大大地提高了武器的威力和精度。近十几年来，由于计算机的广泛应用和控制理论的发展，使得自动控制技术所能完成的任务更加复杂、应用的领域也越来越广泛。 全球瞩目的中国载人太空船神舟五号于2003年10月15日上午顺利发射成功。从这一天起，中国成为继苏联和美国之后，第三个独立成功将人类

9、送上太空的国家。这一壮举震动世界，证明中华民族已具有了“九天揽月”的实力。 载人宇宙飞船为确保载人安全以及为保持航天员高效率工作，需要很复杂的特设系统，例如，用于空气更新、废水处理和再生、通风、温度和湿度控制等的环境控制和生命保障系统；报话通信系统、仪表和照明系统、航天服、载人机动装置和逃逸救生系统等。 载人宇宙飞船除了要使飞船在返回过程中的制动过载限制在人的耐受范围内，还应使其落点精度比返回式卫星更高，从而及时发现和营救航天员。目前，掌握航天器返回技术的国家只有美国、俄罗斯和中国。 在工业中，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（mechatrnics）方向发

10、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。 自动控制技术已经成为生产（电力、机械、冶金、化工）、军事、科研、企业管理等几乎一切领域中必不可少的手段。因此，各个领域的科学工作者和工程技术人员都必须具备一定的自动控制工程知识。 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

11、系统的基本方法，主要研究单输入、单输出这类控制系统的分析和设计问题。 “现代控制理论”是在 “经典控制理论”的基础上，于20世纪60年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。 最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的分支，近年来现代控制理论在大系统理论和人工智能控制等诸多领域有重大发展。 半个多世纪以来，控制理论从主要依靠手工计算的经典控制理论发展到依赖计算机的现代控制理论，发展了最优控制、自适应控制、智能控制。智能控制中，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

12、境学习和复杂对象学习的方向发展；并发展了神经元网络、模糊逻辑、进化算法、专家系统、鲁棒控制与 控制等技术。同时还发展了MATLAB等控制系统计算机辅助设计工具，使控制理论在工程上的应用更加方便。 H1-2 1-2 自动控制系统的基自动控制系统的基本概念本概念自动控制：自动控制： 在没有人直接参予的情况下，使生产过程和被控对象的某些物理量准确地按照预期规律变化。如：数控加工中心、焊接机器人、温度控制系统等可以是具体的物理量，如电压、位移、角度等，也可以是数字量。一个共同点： 一个或一些被控物理量按给定量的变化而变化。 给定量恒定的控制系统叫做恒值调节系统恒值调节系统，如稳压电源、恒温系统等； 如

13、被调量随着给定量的变化而变化，则是调节系统调节系统或随随动系统动系统，如转速调节系统，位置随动系统等。 一般地说，如何使被控量按给定量的变化规律而变化，是控制系统所要解决的基本任务。一、自动控制系统工作原理 （以恒温系统为例） 有两种控温方法：人工控制 自动控制 人工调节过程： 1、观测温度（被控量） 2、与要求温度（给定 量）比较，得出偏 差的大小和方向 3、根据偏差进行控制控制过程： 测量，求偏差，控制以纠正偏差 若能找到一个控制器代替人的职能，就变成了自动控制。加 热电阻丝调压器220VP4 图1-4 人 工控 制的 恒温箱加热电 阻丝调压 器220V热电偶u2+比较给 定 信 号u1+

14、u电压放 大 器功 率放 大 器执行 电 机减速器执行电机比较给定信号调压器不动时 0 21uuu调压器右移 0 212uuuu调压器左移 0 212uuuu人工控制：自动控制：人 眼测量装置人 脑控制器人 手执行机构共同特点：检测偏差用以纠正偏差。 偏差是通过反馈建立起来的，该原理称为反馈控制原理，该系统称为反馈控制系统。 电阻丝调压器220VP5 图1-5 恒 温箱 的 自 动控 制 系统热电偶u2+比较给 定 信 号u1+u电压放大 器功 率放大 器执行 电机减 速器图中看到：1、反馈控制的基本原理 2、各职能环节的作用是单向的 总之，实现自动控制的装置可各不相同，但反馈控制的原理却是相

15、同的。反馈控制反馈控制是实现自动控制自动控制的最基本方法给定信 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u1u2+-uuanuto温度（ 被调量）P5 图1-6 恒温箱温度自 动控 制 系统 职能 方块图二、开环控制与闭环控制1、开环控制 输入、输出之间无反馈回路 输出对系统的控制作用无影响如：给定调压器恒温 箱（ 控制 对象 ） 人 工 控 制 恒温箱干扰干扰优点：结构简单、价格便宜、容易维修缺点：精度低，易受环境变化的干扰10VU1Uoif=常数P6 图1-7 电机转速 控 制 系统2、闭环控制如：if=常数P6 图1-8 闭 环 调速 系统 原理图给

16、定 电位 计+ureuo电动机-+测 速 机优点：精度高、动态性能好、抗干扰能力强等缺点：由于元件或负载的惯性，易引起振荡，使系统不稳定；结构复杂、价格贵、维修人员要求文化素质高。三、反馈控制系统的基本组成输 出给定元 件串联校正元 件放大变换元 件执 行元 件控 制对 象并 联校 正元 件反 馈元 件输入xi偏 差 e-+比较元件+-主 反 馈信 号xb主 反 馈局 部 反 馈扰动xoP7 图1-9 典型的 反 馈控 制 系 统 方块图反馈校正元件四、自动控制系统的基本类型1、按给定量的变化规律分：l恒值调节系统 如：稳压电源l程序控制系统 如：数控机床l随动系统 如：火炮自动系统 机床随动

17、系统2、根据采用的信号处理技术的不同l模拟控制系统：采用模拟技术处理信号的，称为。l数字控制系统：采用数字技术处理信号的，称为。 采用何种信号处理技术取决于许多因素，如可靠性、精度、复杂程度以及经济性等3、按描述系统微分方程的形式分：l线性控制系统l非线性控制系统五、对控制系统的基本要求1、稳定性 由于系统存在着惯性，当系统各个参数分配不当时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。 稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应随着时间收敛并且回到初始的平衡状态。 稳定性是系统工作的首要条件。2、快速性 这是在系统稳定的前提下提出的。指当系统输出量与给定的输入量

18、之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。3、准确性 指调整过程结束后，输出量与给定的输入量之间的偏差，即静态精度，这也是衡量系统工作性能的重要指标。 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，而调速系统对稳定性提出较严格的要求；对于机械系统，首要的是稳定性，因为过大的振荡将会使部件过载而损坏。 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，控制过程又可能过于迟缓，精度也可能变坏。 分析和解决这些矛盾，是本学科讨论的重要内容。1-3 1-3 控制理论控制理论 在机械制造中的应用在机械制造中的应用自动调节系统 1788年瓦特发明的蒸汽机离心调速器就是一个自动调节系统，是控制理论应用的典型代表。（P8图1-8）伺服系统 伺服系统就是将指令信号精确、快速地转换为相应的物理实现。例如，飞机和船舶的舵角操纵由于所需的力很大，不可能由人力直接操纵，需由伺服系统来完成，伺服系统的作用就是使舵面的转角精确地跟随驾驶员的操纵动作。各种数控机床进给系统、机器人各关节运动都是伺服系统控制的。它们还能依靠多轴伺服系统的配合，完成复杂的空间曲线运动的控制。如：雷达天线的自动瞄准跟踪控制高射炮和战术导弹发射架的瞄准运动控制坦克炮塔的防摇稳定控制导弹和鱼雷的制导控制自动绘图仪的画笔控制硬盘磁头的位置控制光盘驱动器读出头的控制自