控制工程的教案

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第一章概论

§1-1控制理论在工程中的应用发展

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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。奠基人是美国科学家维纳。第3页/共63页I.前期控制(EarlyControl)(1400B.C.-1900)中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C.~1100B.C.)。孙武著《孙子兵法秦昭王时，李冰主持修筑都江堰体现的系统观念和实践(300B.C.)西汉漏壶第4页/共63页中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)第5页/共63页中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年)第6页/共63页英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)英国J.C.Maxwell发表“论调速器”(OnGovernors)论文(1868年)第7页/共63页经典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)美国福特(FordMotor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(1913)美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法美国MIT的VannevarBush研制成第一台大型模拟计算机(DifferentialAnalyzer)(1928)V.Bush第8页/共63页经典控制(ClassicalControl)(1935-1950)美国贝尔实验室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法美国Taylor仪器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942)美国MIT的N.Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。N.B.NicholsN.WienerN.Wiener,shownherein1954withYukWingLee(left)andAmarG.Bose,discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheory第9页/共63页美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床(1952)第10页/共63页现代控制(ModernControl)

(1950-)二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G.MacFarlane)。第11页/共63页世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace

1957.Laika.Sputnik2第12页/共63页美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造的概念(1969)第13页/共63页美国ARPA计算机网络初步建成(1971)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976)第14页/共63页美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造的概念(1969)第15页/共63页美国ARPA计算机网络初步建成(1971)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976)第16页/共63页第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)旅行者Voyager一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索第17页/共63页

从本世纪以来，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。控制理论在军事上的发展刺激了其在民事上的应用（如冶金、数控、电力等）。同时也渗透到其他领域—生物控制论、经济控制论和社会控制论等。控制论的中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以反馈来进行控制。第18页/共63页

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。第19页/共63页

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）方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化。如工业机器人、数控机床、自动导引车等。第20页/共63页

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。第21页/共63页

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。第22页/共63页

“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。第23页/共63页

半个世纪以来，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。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。第24页/共63页§1-2自动控制系统的基本概念第25页/共63页自动控制：

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。第26页/共63页

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。

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给定量是恒定的控制系统叫做恒值调节系统，如稳压电源、恒温系统等；如被调量随着给定量的变化而变化，则是调节系统或随动系统，如转速调节系统，位置随动系统等。第28页/共63页

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。第29页/共63页几个概念：控制量：系统的输入，是作用在系统的激励信号。控制输入：使系统具有预定性能的输入信号。扰动：干扰或破坏系统预定性能的输入信号被控量：系统的输出，表征控制对象或过程的状态和性能第30页/共63页学习控制理论的目的：系统分析综合和设计系统第31页/共63页一、自动控制系统工作原理

（以恒温系统为例）

有两种控温方法：人工控制自动控制第32页/共63页

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。第33页/共63页减速器执行电机比较给定信号人工控制：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。第34页/共63页图中看到：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同的。反馈控制是实现自动控制的最基本方法第35页/共63页二、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：干扰参考输入控制器受控对象开环控制系统的一般形式控制指令输出第36页/共63页优点：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第37页/共63页2、闭环控制输入、输出之间有反馈回路输出对系统的控制作用有影响第38页/共63页优点：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。第39页/共63页三、反馈控制系统的基本组成减速器执行电机比较给定信号第40页/共63页四、自动控制系统的基本类型1、按给定量的变化规律分：恒值调节系统如：稳压电源程序控制系统如：数控机床随动系统如：火炮自动系统机床随动系统第41页/共63页2、根据采用的信号处理技术的不同模拟控制系统：采用模拟技术处理信号的，称为~。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第42页/共63页3、按描述系统微分方程的形式分：线性控制系统非线性控制系统第43页/共63页五、对控制系统的基本要求稳定准确快速第44页/共63页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。第45页/共63页第46页/共63页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之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。第47页/共63页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。第48页/共63页

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。第49页/共63页§1-3控制理论

在机械制造中的应用随着控制理论的发展越来越广泛第50页/共63页自动调节系统

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）第51页/共63页伺服系统

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。第52页/共63页如：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动照相机和摄像机