控制工程第1章

1、 机械控制工程基础机械控制工程基础Element of Control EngineeringElement of Control Engineering 陆陆 爽爽 Prof. PhProf. PhD D E-mail: Tel: 6957192 控制学科的地位控制学科的地位 国际著名学者、哈佛大学何毓琦教授说：国际著名学者、哈佛大学何毓琦教授说： Control will be the physics of the 21st century . 控制将是控制将是21世纪的物理学。世纪的物理学。控制工程基础控制工程基础何毓琦博士何毓琦博士(祖籍浙江诸暨祖籍浙江诸暨 枫桥枫桥 赵家赵家 花明泉

2、村花明泉村 )是哈佛大学终身是哈佛大学终身教授、美国工程院院士、中国科学院及中国工程院外籍院士，国际教授、美国工程院院士、中国科学院及中国工程院外籍院士，国际知名自动控制专家。知名自动控制专家。1953和和1955年分别获得美国麻省理工学院年分别获得美国麻省理工学院电气电气工程工程学士和硕士学位学士和硕士学位,19581961年在美国哈佛大学获得年在美国哈佛大学获得应用数学博应用数学博士学位士学位。长期从事系统控制科学及工程应用研究，在最优控制、微。长期从事系统控制科学及工程应用研究，在最优控制、微分对策、团队论、离散事件动态系统和智能系统等方面做出了重大分对策、团队论、离散事件动态系统和智能

3、系统等方面做出了重大贡献。贡献。3控制系统重要性控制系统重要性控制工程基础控制工程基础4 Control systems are Control systems are at work all around us .at work all around us .控制工程基础控制工程基础 第一个知识点第一个知识点 Feedback5控制工程基础控制工程基础 第一个知识点第一个知识点反馈反馈6控制工程基础控制工程基础7反馈控制案例：电冰箱的温度控制反馈控制案例：电冰箱的温度控制继电继电控制器控制器温度检测温度检测8第1章 控制系统的基本概念反馈控制案例反馈控制案例919481948年，维纳所年，维

4、纳所著著控制论控制论- -或或关于在动物和机关于在动物和机器中控制和通讯器中控制和通讯的科学的科学, ,标志标志着控制论学科的着控制论学科的正式诞生。正式诞生。 MIT 数学家（数学家（ N. Wiener PhDPhD 18941964） (The father of the information age)控制工程基础控制工程基础1019541954年著名科学家钱学森年著名科学家钱学森在美国运用控制论思想和在美国运用控制论思想和方法，发表方法，发表工程控制工程控制论论, ,把控制论思想推广把控制论思想推广到工程技术领域。到工程技术领域。“机械机械控制工程控制工程”学科应属于学科应属于“工程

5、控制论工程控制论”的范畴。的范畴。控制工程基础控制工程基础11本课程的考核办法本课程的考核办法1.理论课理论课（1）期末考试期末考试:50%（2）平时出勤平时出勤:10%（3）课上提出或回答问题课上提出或回答问题:10%2.实训课实训课实验报告实验报告:30% 时间：待定时间：待定 地点：地点：16-125 金融实训平台金融实训平台控制工程基础控制工程基础12主要参考书主要参考书1. 控制工程基础控制工程基础（第二版）（第二版）高等教育出版社高等教育出版社 2. Katsuhiko Ogata. 现代控制工程现代控制工程（第四版）（第四版）电子工业出版社电子工业出版社 3. Richard C

6、.Dorf. 现代控制系统现代控制系统 ( (第第10版版) ) 清华大学出版社清华大学出版社控制工程基础控制工程基础13第第1章章 （自动）控制系统的基本概念（自动）控制系统的基本概念1.1 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1.2 控制系统的基本类型控制系统的基本类型1.3 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求1.4 控制工程发展概况控制工程发展概况1.5 本课程的任务及主要内容本课程的任务及主要内容控制工程基础控制工程基础1.1 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1.1.1 自动控制的概念与工作原理自动控制的概念与工作原理就是指机器或装置在就是指机

7、器或装置在没有人直接参与没有人直接参与的的情况下情况下自动地自动地按照预定的规律运行。按照预定的规律运行。如：数控机床加工如：数控机床加工; ; 空调、电冰箱的温度控制空调、电冰箱的温度控制; ; 高铁、船舶及飞机自动驾驶高铁、船舶及飞机自动驾驶; ; 导弹制导等。导弹制导等。第1章 控制系统的基本概念 什么是自动控制？什么是自动控制？人工控制系统工作原理人工控制系统工作原理加热电阻丝加热电阻丝220V调压器调压器人工反馈控制的恒温箱人工反馈控制的恒温箱 温度计温度计第1章 控制系统的基本概念16自动控制系统工作原理自动控制系统工作原理第1章 控制系统的基本概念恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制

8、系统工作原理工作原理：恒温箱实际温度由恒温箱实际温度由传感器传感器（热电偶）转换为对（热电偶）转换为对应的电压应的电压u2； 恒温箱期望温度由电压恒温箱期望温度由电压 u1 给定给定，并与实际温度并与实际温度 u2 比较得到比较得到温度偏差信号温度偏差信号 uu1 u2；温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动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执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头，直到温度达到给定值为止，此时，偏差头，直到温度达到给定值为止，此时，偏差 u0，电机停止转动。电机停止转动。第1章 控制系统的基本概念“检测偏差再纠正偏差检测偏

9、差再纠正偏差 ” 从恒温箱控制系统功能框图可见从恒温箱控制系统功能框图可见： 给定量给定量位于系统的输入端，称为位于系统的输入端，称为系统输入量系统输入量。 被控制量被控制量位于系统的输出端，称为位于系统的输出端，称为系统输出量系统输出量。 输出量通过输出量通过测量装置测量装置返回系统的输入端，使之与返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生输入量进行比较，产生偏差信号偏差信号。第1章 控制系统的基本概念输出量的返回过程称为输出量的返回过程称为反馈反馈，返回的输出信号称返回的输出信号称为为反馈信号反馈信号。19第1章 控制系统的基本概念这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行这种基于反馈

10、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被称为比较，并力图保持两者之间既定关系的系统被称为反馈控制系统反馈控制系统。反馈控制系统具备反馈控制系统具备测量、比较测量、比较和和执执行行三个基本功能三个基本功能。 反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减相减，使使偏差越来越小偏差越来越小，称为，称为负反馈负反馈。第1章 控制系统的基本概念（负）反馈（负）反馈（Feedback）控制系统控制系统 负反馈控制负反馈控制是实现自动控制是实现自动控制最基本的方法最基本的方法。1.1.2 开环、闭环与半闭环控制（开环、闭环与半闭环控制（第二个知

11、识点第二个知识点）实际的控制系统根据实际的控制系统根据有、无反馈有、无反馈作用可分为三类作用可分为三类： 开环开环控制系统控制系统 闭环闭环控制系统控制系统 半半闭环闭环控制系统控制系统第1章 控制系统的基本概念 开环控制系统开环控制系统特点特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间入端之间不存在反馈回路不存在反馈回路；输出量在整个控制过程输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响中对系统的控制不产生任何影响。 输入输入装置装置指令指令系统输入系统输入控制控制装置装置步进电机步进电机工作台工作台 位置位置系统输出系统输出数控机床的数控机床的

12、开环控制系统开环控制系统框图框图第1章 控制系统的基本概念23步进电机步进电机步进驱步进驱动装置动装置控制器控制器脉冲串脉冲串方向脉冲方向脉冲相电压相电压l 开环控制系统组成开环控制系统组成第1章 控制系统的基本概念24 多数多数步进电机步进电机驱动的数控机床是开环控制系统驱动的数控机床是开环控制系统第1章 控制系统的基本概念优点优点：简单、稳定、可靠简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性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。够保持一定的精度。缺点缺点：精度精度（相对闭环相对闭环）较低、无自动纠偏能力）较低

13、、无自动纠偏能力。控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量开环控制系统框图开环控制系统框图第1章 控制系统的基本概念 闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统（反馈控制系统） 特点特点：输出端和输入端之间存在输出端和输入端之间存在反馈回路反馈回路， 输出量对控制过程有直接影响输出量对控制过程有直接影响。 闭环的作用闭环的作用：应用应用负反馈负反馈，减少偏差减少偏差。 优点优点：可以随时调整控制参数，可以随时调整控制参数，精度高精度高，对外，对外 部扰动和系统参数变化不敏感部扰动和系统参数变化不敏感。缺点缺点：存在存在稳定、振荡、超调稳定、振荡、超调等问题，系统性等问题，系统性

14、能分析和设计复杂。能分析和设计复杂。 第1章 控制系统的基本概念27德国高精度五轴立式加工中心德国高精度五轴立式加工中心 C轴、轴、B轴直接测量全闭环控制轴直接测量全闭环控制第1章 控制系统的基本概念28位置位置指令指令位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节器调节器速度检测速度检测位置控制位置控制速度控制速度控制+-电机电机机械传动机构机械传动机构实际位置反馈实际位置反馈实际速度反馈实际速度反馈功率功率驱动驱动位置检测位置检测+l闭环控制系统组成闭环控制系统组成第1章 控制系统的基本概念 光栅尺光栅尺29位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节器调节器信号处理信号处理+实际位

15、实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈功率功率驱动驱动+编码器编码器伺服电机伺服电机位置位置指令指令l 半闭环控制系统组成（半闭环控制系统组成（伺服电机伺服电机）第1章 控制系统的基本概念半闭环控制系统半闭环控制系统301.1.3 闭环控制系统的一般组成闭环控制系统的一般组成第1章 控制系统的基本概念位置位置指令指令位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节器调节器速度检测速度检测位置控制位置控制速度控制速度控制+-电机电机机械传动机构机械传动机构实际位置反馈实际位置反馈实际速度反馈实际速度反馈功率功率驱动驱动位置检测位置检测+给定给定元件元件 +串联校正串联校正元件元件放大变换放大

16、变换元件元件执行执行元件元件控制控制对象对象_ +_并联校正并联校正元件元件局部局部反馈反馈反馈元件反馈元件主反馈主反馈控制器（虚线内部分）控制器（虚线内部分）比较比较元件元件比较比较元件元件输入输入xi偏差信号偏差信号 e主反馈信号主反馈信号 xb扰动信号扰动信号输出输出 xo第1章 控制系统的基本概念 一般闭环控制系统的框图表示一般闭环控制系统的框图表示1.2 控制系统的基本类型控制系统的基本类型1.2.1 按输入量的特征分类按输入量的特征分类 恒值控制系统（自动调节系统）恒值控制系统（自动调节系统）控制任务是保证在任何扰动作用下系统的控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量输出量为恒值

17、为恒值。 电冰箱控制、电网电压、家用空调电冰箱控制、电网电压、家用空调等属此类等属此类。 程序控制系统程序控制系统输入量的变化规律预先确知，输出装置根据输入的变输入量的变化规律预先确知，输出装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的被控对象按照指令程序的要求而运动要求而运动。如如数控开环加工系统；洗衣机等数控开环加工系统；洗衣机等。第1章 控制系统的基本概念 运动控制系统（随动系统或伺服系统）运动控制系统（随动系统或伺服系统）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输出量迅

18、速、平稳地跟随输入量的变化，并能排，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。变化规律。 如：如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统、雷达自仿形加工系统、火炮自动瞄准系统、雷达自动跟踪系统动跟踪系统等。等。第1章 控制系统的基本概念341.2.2 按系统中传递信号的性质分类按系统中传递信号的性质分类 连续连续控制系统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。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连续控制系统通常采用微分方程微分方程描述描述。 离散（数字）控制系统离散（数字）控制系统系统中某一处或多处的

19、信号为脉冲序列或数字量传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递的系统。离散控制系统通常采用差分方程差分方程描述描述。 第1章 控制系统的基本概念1.2.3 其它分类方法其它分类方法 线性线性系统和系统和非线性非线性系统系统 定常定常系统和系统和时变时变系统系统 机械机械、电气电气、机电机电、液压液压、气动气动、热热力力等控制系统等控制系统 温度温度、压力压力、位置位置等控制系统等控制系统第1章 控制系统的基本概念1.3 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求1. 稳定性稳定性（稳稳）第三知识点第三知识点 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。系统

20、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。间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系稳定性是控制系统正常工作的统正常工作的先决条件先决条件。 控制系统稳定性由控制系统稳定性由系统结构系统结构所决定，与外界因素无关所决定，与外界因素无关。第1章 控制系统的基本概念38公元公元17881788年，英国人年，英国人J.Watt用用飞球调速飞球调速器器控制蒸汽机的速度，由此对第一次工控制蒸汽机的速度，由此对第一次工业革命产生了重大的影响。业革命产生了重大的影响。J.Watt的

21、蒸汽机转速控制系统原理图的蒸汽机转速控制系统原理图蒸汽蒸汽蒸汽机蒸汽机负负载载转速转速杠杆杠杆 套筒套筒弹簧弹簧飞球飞球圆锥齿轮圆锥齿轮转速转速检测检测转速转速阀门阀门2. 精确性精确性（准准）第四知识点第四知识点 控制精度，以稳态误差来衡量。控制精度，以稳态误差来衡量。稳态误差稳态误差：系统的调整（过渡）过程结系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出量的实束而趋于稳定状态时，系统输出量的实际值与给定量之间的际值与给定量之间的差值差值。 第1章 控制系统的基本概念3. 快速性快速性（快快）第五知识点第五知识点 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏输出量和输入量产生偏差时，系统消

22、除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。注意注意： 不同性质的控制系统，对不同性质的控制系统，对稳稳定性、定性、精精确性和确性和快快 速性要求各有侧重。速性要求各有侧重。 系统的稳定性、精确性、快速性系统的稳定性、精确性、快速性相互制约相互制约，应，应 根据实际需求合理选择。根据实际需求合理选择。第1章 控制系统的基本概念第1章 控制系统的基本概念1.4 控制工程发展历史概况控制工程发展历史概况l 17881788年（英）年（英）J. Watt 发明发明 蒸汽机飞球调速器蒸汽机飞球调速器。 l 一千多年前的水钟。一千多年前的水钟。l 186818

23、68年年（法）（法）J. C. Maxwell 发表发表On Governors，首次提出，首次提出反馈控制反馈控制的概念及的概念及稳定性问题稳定性问题。并解决了二阶及并解决了二阶及三阶系统的稳定性问题。三阶系统的稳定性问题。第1章 控制系统的基本概念l 18841884年：年：E. J. Routh 提出提出劳斯稳定性判据劳斯稳定性判据。l 18951895年：年：A. Hurwifz 提出提出赫尔维茨稳定性判据赫尔维茨稳定性判据。l 19321932年：年：H. Nyquist 提出提出奈奎斯特稳定性判据奈奎斯特稳定性判据。l 18921892年：年：A. M. Lyapunov 提出李雅

24、普诺夫稳定提出李雅普诺夫稳定 性理论。性理论。l 19451945年：年：H. W. Bode 提出反馈放大器的一般设提出反馈放大器的一般设 计方法。计方法。第1章 控制系统的基本概念l 19481948年：年：N. Wiener 发表发表控制论控制论，标志着经，标志着经典控制理论基本形成；典控制理论基本形成；经典控制理论经典控制理论以传递函数以传递函数为基础，主要研究单输入为基础，主要研究单输入单输出单输出（SISO）系统系统的分析和控制问题；的分析和控制问题； l 19501950年：年：W. R. Evans 提出根轨迹法，进一步充提出根轨迹法，进一步充 实了经典控制论；实了经典控制论；

25、l 19541954年：年：钱学森钱学森发表发表工程控制论工程控制论； 第1章 控制系统的基本概念l 5050年代末年代末6060年代初：年代初：现代控制理论现代控制理论形成。形成。 现代控制理论以现代控制理论以状态空间法状态空间法为基础，主要分析和研究为基础，主要分析和研究多输入多输入- -多输出多输出( ( MIMO ) )、时变、非线性等系统的最、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制等问题；控制理论研究的重点开始由频域频域转移到从转移到从本质上说是本质上说是时域时域的状态空间

26、方法。的状态空间方法。 第1章 控制系统的基本概念l 1956年：年：Pontryagin 提出极大值原理提出极大值原理l 1957年：年：R. I. Bellman 提出动态规划理论提出动态规划理论l 1960年：年：R. E. Kalman 提出卡尔曼滤波理论提出卡尔曼滤波理论l 19601980年：年：确定性系统的最优控制、随机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系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制l 1980年迄今迄今：鲁棒控制鲁棒控制、H 控制控制、非线性控制非线性控制、 智能控制等智能控制等第1章 控制系统的基本概念47自自动动控控制制理理论论古典控制理论古典控制理论(19(19世纪中叶世纪中叶-2020世纪世纪5050年代年代) )线性线性非线性非线性波波夫法波波夫法李雅普诺夫法李雅普诺夫法描述函数法描述函数法相平面法相平面法采样控制采样控制Z Z变换法变换法现代控制现代控制理论理论(60(60年代以来年代以来) )状态反馈控制状态反馈控制自适应控制自适应控制时域法时域法频域法频域法最优控制最优控制智能控制智能控制模糊控制模糊控制根轨迹法根轨迹法预测控制预测控制大系统多层分散控制大系统多层分散控制 控制理论的内容48控制工程的应用控制工程的应用第1章 控制