控制工程基础第1章绪论

《控制工程基础》大连理工大学机械工程学院主讲教师：孙伟联系电话：84707510现在是1页\一共有67页\编辑于星期四教材：《控制工程基础》机械工业出版社祝守新主编《控制工程基础》机械工业出版社燕山大学王益群孔祥东主编参考教材：《控制工程基础》浙江大学出版社张尚才主编现在是2页\一共有67页\编辑于星期四第一节概述--控制理论的发展史第一章绪论第二节自动控制系统的基本概念现在是3页\一共有67页\编辑于星期四前言自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。自动化也即现代化。控制理论的发展史

--自动控制技术与人类进步

AutomaticControl&HumanCivilization第一节概述现在是4页\一共有67页\编辑于星期四I.前期控制(公元前1400–公元1900)工业机器II.经典控制前期(1900年-1935年)III.经典控制(1935年-1950年)空间技术Ⅳ.现代控制(1950年-)控制理论控制理论的发展史现在是5页\一共有67页\编辑于星期四I.前期控制(EarlyControl)(公元前1400–公元1900)(0)具有反馈控制原理的控制装置在古代就有了。这方面最有代表性的例子当属古代的计时器“水钟”(在中国叫作“刻漏”，也叫“漏壶”)。据古代锲形文字记载和从埃及古墓出土的实物可以看到，巴比伦和埃及在公元前1500年以前便已有很长的水钟使用历史了。(1)战国秦昭王时期，蜀郡守李冰于公元前227年创建的都江堰，是中国最古老的水利工程，体现了控制系统的观念。西汉漏壶都江堰现在是6页\一共有67页\编辑于星期四(3)公元132年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。(2)公元100年亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置，把硬币投入储钱箱，大门就会自动开启。在装置中投入一个硬币，就会有圣水从洞中喷出。现在是7页\一共有67页\编辑于星期四(4)公元235年中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(5)1637年中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图提花织机结构图指南车模型图指南车结构图现在是8页\一共有67页\编辑于星期四(6)英国瓦特（J.Watt）1765年发明了蒸汽机，1788年发明了离心式飞球调速器，通过调速器调节蒸汽量，从而保证蒸汽机在不同的工作负荷时，保持一定的转速。(7)1868年英国麦克斯威尔（J.C.Maxwell）发表“论调速器”(OnGovernors)文章；从理论上加以提高，并首先提出了“反馈控制”的概念”现在是9页\一共有67页\编辑于星期四(8)1875年英国劳斯（E.J.Routh）建立Routh判据(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(9)1892年俄国李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）在博士论文“论运动稳定性的一般问题”中提出了稳定性理论(10)1866年英国格雷（J.M.Gray）设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(GreatEastern)格雷的蒸气操纵引擎全自动蒸汽轮船“东方”号现在是10页\一共有67页\编辑于星期四(11)1866年由中国近代化学的先驱者徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号(L20m,W25T,10km/hr)在安庆内军械所下水。次年，中国第一艘木质明轮蒸汽舰船“恬古”号在江南造船厂下水。现在是11页\一共有67页\编辑于星期四II.经典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900年-1935年)(1)1913年美国福特(FordMotor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(2)1922年美国米罗斯基(N.Minorsky)研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(3)1928年美国MIT的万尼瓦尔.布什(VannevarBush)研制成第一台大型模拟计算机(DifferentialAnalyzer)V.Bush大型模拟计算机汽车装配流水线现在是12页\一共有67页\编辑于星期四(4)1927年美国布雷克

(H.S.Black)提出放大器性的负反馈方法(NegativeFeedbackAmplifier)H.S.Black现在是13页\一共有67页\编辑于星期四(5)闭环控制(反馈）--自动控制的基础。控制论的奠基人维纳(N.Wiener)1948年对此给出的定义为：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”“反馈是一种控制系统的方法，该方法将系统的输出作用于系统的输入。”

闭环控制系统的结构框图：现在是14页\一共有67页\编辑于星期四(6)1925年美国斯佩雷（E.Sperry）研制出火炮控制器，1929年梅森（C.Mason）研制出气压反馈控制器火炮控制器气压反馈控制器现在是15页\一共有67页\编辑于星期四III.经典控制(ClassicalControl)(1935年-1950年)N.B.NicholsN.Wiener(1)1938年美国贝尔实验室的波德（H.Bode），1940年奈奎斯特（Nyquist）提出频率响应法(2)1942年美国泰勒（Taylor）仪器公司的齐格勒

（J.G.Ziegler）和尼科尔斯（N.B.Nichols）提出PID参数的最佳调整法(3)美国麻省理工学院（MIT）的维纳（N.Wiener）研究随机过程的预测，1942年提出Wiener滤波理论，1948年发表《控制论》（《Cybernetics》）一书，标志着控制论学科的诞生。现在是16页\一共有67页\编辑于星期四(4)1934年美国的哈仁（H.L.Hazen）发表了“关于伺服结构理论”(TheoryofServome-chanism)，并于1939年在MIT建立伺服机构实验室(ServomechanismLaboratory)H.Hazen伺服机构实验室现在是17页\一共有67页\编辑于星期四(5)1937年英国图灵（A.M.Turine）提出图灵计算机的设想(6)在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的申龙（C.Shannon）1938年提出继电器逻辑自动化理论，1948年发表专著《通信的数字理论》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息论的基础C.E.Shannon两士兵在用装载有火炮控制系统的装置追踪发射炮弹轨迹现在是18页\一共有67页\编辑于星期四(7)MIT辐射实验室（RadiationLaboratory）在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了尼科尔斯图解设计方法（NicholsChartDesignMethod），菲利普（R.S.Philips）的噪音伺服系统（OnNoiseinServomechanisms），以及霍尔维兹（Hurewicz）(1947)的数字控制系统(SampledDataSystem)(8)1948年美国尹文思（W.Evans）提出根轨迹法(RootLocusMethod)，完成了以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作。现在是19页\一共有67页\编辑于星期四(9)多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括1942年史密斯（Ed.S.Smith）的《自动控制工程学》（《AutomaticControlEngineering》），1945年H.Bode的《回路分析和反馈放大器》（《NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier》），1945年麦科尔（L.A.MacColl）的《伺服系统基本原理》（《FundamentalTheoryofServomechanisms》），以及1954年钱学森的《工程控制论》(《EngineeringCybernetics》)现在是20页\一共有67页\编辑于星期四Ⅳ现代控制(ModernControl)(1950年-)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，并随着计算机技术的快速发展，使得现代控制理论发展很快。导弹卫星航天器现在是21页\一共有67页\编辑于星期四(2)1957年美国贝尔曼（R.Bellman）发表著名的动态规划（DynamicProgramming），建立最优控制的基础(3)1957年国际自动控制联合会(IFAC)成立，中国为发起国之一，第一届学术会议于1960年在莫斯科召开(1)1956年苏联庞特里亚金（L.S.Pontryagin）发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(MaximumPrinciple)L.S.Pontryagin地对空导弹F4幻影飞机现在是22页\一共有67页\编辑于星期四(4)1952年美国麻省理工学院的伺服机构实验室（ServomechanismLaboratory）研制出第一台数控机床现在是23页\一共有67页\编辑于星期四(5)1957年世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功1957.Laika.Sputnik二号Sputnik一号为第一个向太空发射的人造卫星现在是24页\一共有67页\编辑于星期四1957年10月4日，火箭将第一颗人造卫星Sputnik送往太空。升空照片至今没有向世人公开。右面的这张照片是从1967年的一部苏联记录片中剪辑出来的。科罗廖夫（S.Korolev）

(1906-1966),俄国太空船设计者，东方号飞船和上升号飞船的总设计师现在是25页\一共有67页\编辑于星期四(6)1954年美国德沃（GeorgeDevol）研制出第一台工业机器人样机，两年后，被称为机器人之父的恩格尔伯格（JosephEngelberger）创立了第一家机器人公司－通用机器人（Unimation）(7)1960年美籍匈牙利人卡尔曼（R.E.Kalman）发表“控制系统全面理论”（“OntheGeneralTheoryofControlSystems”）等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础R.E.Kalman现在是26页\一共有67页\编辑于星期四(8)1961年苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，开始了人类宇航时代宇宙哥伦布-加加林苏联发行的一枚专门纪念加加林的邮票第一个绕预定轨道飞行的载人太空舱1961年，苏联的东方一号载着人类历史上第一名宇航员加加林飞向太空1961年4月12日，莫斯科时间9点零7分，27岁的加加林离开了地球，飞向太空。108分钟以后，加加林重返地球。飞行的最大高度是327000米。最大时速为28260公里。现在是27页\一共有67页\编辑于星期四(9)1963年,美国的扎德（LoftiZadeh）与戴森（C.Desoer）发表“线性系统－状态矢量空间方法”（LinearSystems-AStateSpaceApproach）。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念(10)1958年美国的朱利（E.I.Jury）发表“数字控制系统”(Sampled-DataControlSystem)，建立了数字控制及数字信号处理的基础C.DesoerZadeh现在是28页\一共有67页\编辑于星期四(11)1966年苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功，三年后(1969年)，美国“阿波罗”11号把宇航员阿姆斯特朗（N.A.Armstrong）送上月球。N.A.Armstrong现在是29页\一共有67页\编辑于星期四(12)1967年瑞典奥斯特隆姆（KarlJ.Astrom）提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法，六年后，提出了自启调节器，建立自适应控制的基础。Astrom于1993年获得IEEE荣誉奖章（IEEEMedalofHonor）。K.J.Astrom(13)1970年英国罗森布拉克（H.HRosenbrock）发表“状态矢量空间与多变量理论”（StateSpaceandMultivariableTheory）。1974年加拿大旺纳姆（W.MWonham）发表“线性多变量控制：一种几何方法”（LinearMultivariableControl:AGeometricApproach）。W.MWonham现在是30页\一共有67页\编辑于星期四(14)1969年美国的麦钱特（M.E.Merchant）提出计算机集成制造的概念现在是31页\一共有67页\编辑于星期四(15)1971年美国ARPA（美国国防部高级研究计划局）计算机网络初步建成(16)1976年日本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现在是32页\一共有67页\编辑于星期四(17)1976年美国布罗克特（R.Brockett）提出用微分几何研究非线性控制系统，1985年意大利伊西多尔（A.Isidori）出版“非线性控制系统”(NonlinearControlSystems)。A.IsidoriR.Brockett现在是33页\一共有67页\编辑于星期四(18)1981年加拿大詹姆斯

G.Zames提出H

鲁棒控制设计方法(19)1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功GorgeZames现在是34页\一共有67页\编辑于星期四(20)1969年美国布莱森（A.Bryson）和Y.C.Ho发表“实用最佳控制”（AppliedOptimalControl）。1983年Y.CHo和X.RCao等提出离散事件系统理论(21)1986年中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题A.BrysonYuC.Ho现在是35页\一共有67页\编辑于星期四(22)IEEE控制系统奖（IEEEControlSystemsAward）获得者名单现在是36页\一共有67页\编辑于星期四(23)1996年美国第一台火星探测器旅居者（Sojourner）在火星表面软着陆(24)1981年美国旅行者（Voyager）一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索现在是37页\一共有67页\编辑于星期四

国家重大需求隧道掘进成套装备是关系国家基础建设、资源开发和国防建设的重大技术装备。城市地铁地下商城市政工程人防工程公路/铁路建设南水北调资源开采西气东输现在是38页\一共有67页\编辑于星期四技术背景：功率大：3000kw噪声大：80db发热严重：工作面温度超过40℃全断面隧道掘进装备（Φ8.8m×200m）现在是39页\一共有67页\编辑于星期四动力推进控制输送多系统协同控制现在是40页\一共有67页\编辑于星期四现在是41页\一共有67页\编辑于星期四现在是42页\一共有67页\编辑于星期四现在是43页\一共有67页\编辑于星期四现在是44页\一共有67页\编辑于星期四第二节自动控制系统的基本概念在各种生产过程和生产设备中，常常需要使其中某些物理量（如温度、压力、位置、速度等）保持恒定，或者让它们按照一定的规律变化，要满足这种需要，就应该对生产机械或设备进行及时的控制和调整，以抵消外界的扰动和影响。下面介绍自动控制系统如何对这些物理量实现自动控制。现在是45页\一共有67页\编辑于星期四恒温系统:实现恒温控制有两种方法：人工和自动控制1.人工控制图1-2-1所示为人工控制的恒温箱。恒温箱的温度是靠通过改变调压器的电压来达到控制温度的目的。箱内温度是由温度计测量的。人工控制恒温的过程可归结如下：图1-1人工控制的恒温箱一、自动控制系统工作原理现在是46页\一共有67页\编辑于星期四观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱（被控制元件）的温度；与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差的大小和方向；根据偏差大小和方向再进行比较控制：当温度高于所要求的给定温度值时，就调节调压器动触头使电压减小，温度降低；若温度低于给定的值，则调节调压器动触头，使电压增加，温度升高；如温度还达不到要求时，要反复进行上面的步骤操作。因此，人工控制的过程就是测量、求偏差、再控制以纠正偏差的过程。也就是“检测偏差用以纠正偏差”的过程。现在是47页\一共有67页\编辑于星期四2.自动控制

图1-2恒温箱的自动控制系统对于这样简单的控制形式，如果能找到一个控制器来代替人的职能，这样人工控制系统就变成自动控制系统了。u2

u1

热电偶 给定信号 加热电阻丝 电压放大器 功率放大器 减速器调压器 ⊿u

～220V 比较 + + 执行电动机 现在是48页\一共有67页\编辑于星期四u1给定信号电压，控制恒温箱的温度。u2

测得的电压信号，由作为测量元件的热电偶，把温度转换成对应的电压信号。△u偏差信号，测得的电压信号u2反馈回去与给定信号u1相比较，所得结果即为温度的偏差信号△u=u１-u２。经过电压、功率放大后，用以改变电动机的转速和方向，并通过传动装置带动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向着减小电压的方向运动，反之加大电压，直到温度达到给定值为止，即只有在偏差信号△u＝０时，电动机才停转。这样就完成了所要求的控制任务。而所有这些装置便组成了一个自动控制系统。现在是49页\一共有67页\编辑于星期四液压板带扎机板带出口厚度信息h由检测元件3测出并反馈到电液伺服系统2中，发出控制信号以驱动液压缸1，从而调节扎制辊缝，使得板带出口厚度h保持在要求的公差范围内。现在是50页\一共有67页\编辑于星期四发动机的瓦特式速度调节器允许进入到发动机内的燃料数量，根据希望的发动机速度与实际的发动机速度之差进行调整。如果发动机的速度增大，以至于超过了希望的速度值，则速度调节器的离心力增大，从而导致控制阀向上移动。这样就会减少燃料供应，导致发动机的速度减小，直至达到希望的速度时为止。当工作于希望的速度时，高压油将不进入动力油缸的任何一侧。如果由于扰动，使得实际速度下降到低于希望值，则速度调节器的离心力下降，导致控制阀向下移动，从而对发动机的燃料供应增多，发动机的速度增大，直到达到希望的速度时为止。现在是51页\一共有67页\编辑于星期四给定量也叫控制系统的输入量。被控制量称为系统的输出量。

反馈就是指输出量通过适当的测量装置将信号全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。

比较的结果叫偏差。

基于反馈基础上的“检测偏差用以纠正偏差”的原理又称为反馈控制原理。利用反馈控制原理组成的系统称为反馈控制系统。上述例子有一个共同的特点，就是都要检测偏差，并用检测到的偏差去纠正偏差，可见没有偏差便没有调节过程。在自动控制系统中，这一偏差是通过反馈建立起来的。现在是52页\一共有67页\编辑于星期四(1)开环控制系统当构成系统每一环节的输入不受系统的输出影响时，这样的系统称为开环控制系统。数控机床进给系统采用步进电机直接驱动时，其系统就属于开环控制系统。这一系统中，系统的输出不对系统的输入有任何影响。数控机床开环进给系统二、开环控制与闭环控制现在是53页\一共有67页\编辑于星期四电动机转速控制系统当给定电压改变时，电动机转速也跟着改变，但这个控制系统经受不住负载力矩变化对转速的影响，即负载力矩改变，转速也要改变。现在是54页\一共有67页\编辑于星期四(2)闭环控制系统当构成系统的任一环节的输入受到系统的输出影响时，这样的系统称为闭环控制系统。数控机床闭环进给系统由于工作台位移（输出）经检测装置测出实际的位移后与给定的位移指令比较，从而产生控制作用，达到控制工作台位移的目的。因此，如果实际的位移没达到指令要求时，这种控制作用始终作用于工作台，直到工作台达到所要求的位置。现在是55页\一共有67页\编辑于星期四闭环调速系统负载加大，转速就会降低，但有了反馈，偏差就会增大，电动机电压就会升高，转速就会上升。现在是56页\一共有67页\编辑于星期四开环控制系统的优点：结构简单、调试方便，且造价低廉。缺点是精度较低。闭环控制系统突出的优点：精度高，不管出现什么干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值时，闭环控制就会产生控制作用来减小这一偏差。闭环系统的缺点：这类系统是检测偏差用以纠正偏差，或者说是靠偏差进行控制。在工作过程中系统总会存在偏差，由于元件的惯性（如负载的惯性），很容易引起振荡，使系统不稳定。因此精度和稳定性是闭环系统存在的一对矛盾。

现在是57页\一共有67页\编辑于星期四三.反馈控制系统的基本组成

一个典型的反馈控制系统应该包括给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件等。现在是58页\一共有67页\编辑于星期四1.给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号例如，调速系统的给定电位计。2.反馈元件：它测量被控量或输出量，产生主反馈信号，该信号与输出量存在着确定的函数关系（通常为比例关系）。例如，调速系统用于测速的测速发电机。3.比较元件：用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差。可以是一个差接的电路，它往往不是一个专门的物理元件，有时也叫比较环节；自整角机、旋转变压器、机械式差动装置都是物理的比较元件。现在是59页\一共有67页\编辑于星期四4.放大元件：对偏差信号进行放大和功率放大的元件。例如，伺服功率放大器、电液伺服阀等。5.执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。例如，执行电动机、液压马达等。6.控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的控制量，例如，机床工作台等。7.校正元件：或称校正装置，用以提高控制系统动态性能。有反馈校正和串联校正等形式现在是60页\一共有67页\编辑于星期四四、自动控制系统的基本类型(1)恒值调节系统在外界作用下，系统的输出能基本保持为常值的系统称为恒值系统。如恒温、恒压及恒速系统。(3)随动系统系统的输出能相应于输