第1章 控制工程基本概念

控制工程技术【课程名称】控制工程技术/TechnologyofControlEngineering。【学时】48学时【课程类别】必修、专业基础课

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工程中的数学。【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】机制专业。【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。一、课程基本内容二、相关参考书王积伟容一鸣二、相关参考书胡寿松

理查德1、考核采用闭卷考试形式；2、平时成绩占最终成绩的30%。第一章绪论I.1

I.2

I.3

I.4I.5自动控制及其发展概述控制系统的反馈工作原理及其组成控制系统的分类控制系统在非工程领域的应用控制系统的要求及常用典型控制信号本章小结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、了解控制系统的性能指标。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：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：第一章绪论温度自动控制系统哇！！！！好冷啊。。。。什么鬼天气！！！咦？你很冷吗？我一点也不冷哦！为什么！？嘿嘿，因为我体内装了温度自动控制芯片，当然不会冷控制工程问题的提出？瓦特离心调速器控制工程问题的提出？电热毯电饭煲机器人踢足球比赛军事和航天导弹打卫星二炮东风21D导弹模拟攻击目标机械转速、位置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深水潜艇的控制飞机自动驾驶神舟飞船的返回控制“勇气”号、“机遇”号的火星登陆控制等等总之，自动控制技术的应用几乎无所不在。§1.1自动控制及其发展概述系统的定义: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。机床用振动料斗太阳能自行车系统模型x1x2…x3y1y2…y3

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，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。

对于实际应用来说，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。原因称为激励或输入；效果叫做响应或输出。物质构成系统的形体系统的运动离不开能量信息则是系统的灵魂能量信息系统构成三要素控制:按照预先给定的目标，改变系统行为或性能。

控制、自动控制的定义例[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板中温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。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）,使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例[数控机床]:自动切削工件，加工出预期的几何形状直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。1经典控制理论以单变量控制，随动/调节为主要内容，以微分方程和传递函数为数学模型，以频率响应法为主要方法。数学工具：微分方程，复变函数3后现代控制理论大系统、智能控制；以网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化集成的理论与技术。2现代控制理论

现代控制理论以多变量控制、最优控制为主要内容，采用时域法，以状态方程为数学模型。数学工具：线性代数，泛函分析控制理论的历史和发展

现代控制理论——以状态空间法为基础，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。最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制、人工智能控制等。

古典控制理论——以传递函数为基础，研究单输入、单输出的控制系统；自动控制系统的研究方法综合（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）：

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：

(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：

阶跃信号等速和等加速信号脉冲信号正弦信号

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5类：

1.系统分析——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；2.最优控制——系统已确定，需要确定系统的输入，以使输出尽可能符合给定的最佳要求；3.最优设计——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；4.滤波与预测——输出已知，需要确定系统，以识别输入或输出中的有关信息；5.系统辨识——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。§1.2控制系统的工作原理及其组成[必须解决以下四个问题]控制目的是什么?受控对象是什么?输出信号(受控量)是什么?

输出信号如何检测?[实质]检测偏差,纠正偏差。1、恒温箱的人工控制123人工控制恒温箱方框图

长时间工作怎么办？？？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]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-u22、恒温箱的自动控制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u1u2uuaθαu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统方框图l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1反馈（Feedback）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信号的过程，称为反馈。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；反之，则称为正反馈。

负反馈

正反馈液位控制？？人工控制和自动控制举例手摇扇电风扇空调机人工控制和自动控制举例乘凉的方式3、日常生活中的控制系统举例书的位置输入大脑肌肉手臂眼睛手的位置输出例1：（手取书）

例2：（人与汽车构成的控制系统）实际路线希望路线输入肌肉控制方向盘汽车眼睛输出例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控制系统的基本组成框图4、控制系统的组成及其术语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。注意：在机械、液压、气动、机1、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，如将期望恒定的温度转换为相应电压。2、反馈元件：测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。主要是各种传感器

3、比较元件：将参考输入信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号的环节。如：电压比较电路，平衡电桥。

4、放大元件：对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。5、执行元件：直接对受控对象进行操纵的元件，如晶闸管整流装置、液压缸、电动机等。6、校正元件：用以改善系统控制质量的装置。校正元件分为串联和并联两种。控制系统中比较元件、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。§1.3控制系统分类一、按控制策略来分：闭环控制：当一个系统以所需的方框图表示而存在反馈回路时。例：恒温控制系统半闭环控制：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。开环控制：当一个系统以所需的方框图表示而没有反馈回路时。

例：数控机床进给系统

开环控制系统(无反馈)执行机构控制对象预期输出实际输出1）开环控制系统控制器2）闭环控制系统闭环反馈控制系统(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)被测变量测量值反馈：控制的核心思想闭环控制特点：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)被测变量测量值闭环例1：空调控制系统二、按输入信号的性质来分：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。

例：数控加工系统。

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：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。例：恒温箱控制、闭环调速系统、电网电压、频率控制等。例：仿形车床加工系统、火炮自动瞄准系统、跟随卫星的雷达天线系统等。三、按系统中传递信号的性质来分：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。离散控制系统通常采用差分方程描述。例：数控加工系统。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。连续控制系统通常采用微分方程描述。

例：恒温箱控制、闭环调速系统、电网电压、频率控制等。1.4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实际转速预期速度（电压）控制装置直流放大器执行机构直流电机受控对象转台1.4控制系统举例2）转盘速度的闭环控制转台直流放大器直流电机转速转速计+-1.4控制系统举例实际转速

预期转速（电压）控制装置直流放大器执行机构直流电机受控对象转台+-传感器测速计应用领域：高保真音响、影碟机、硬盘、软盘1.4控制系统举例§1.5控制系统的性能要求稳：指稳定性，是系统完成任务的必要条件控制的要求：稳、快、准目测要准、打轮要快、行车要稳

稳定性：

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。稳定的摆不稳定的摆

准确性：控制精度问题，用稳态误差衡量。如：神州六号返回的着陆点离理论着陆点一公里！这精确度够吓人的。这个落地精度相当于在射击中正中靶心！应是10.9环的标准。因为据在中央台转播室的专家讲，精确范围一是宽30公里，长15公