《控制工程基础》第一章绪论

第一章绪论课程内容第三章控制系统的时域响应分析方法第二章控制系统的数学模型第四章控制系统的根轨迹法第五章控制系统的频域分析方法第六章控制系统的综合与校正方法第七章线性离散系统分析方法1.1自动控制的基本概念1.2控制理论的发展及其在机械制造

业中的应用1.3 自动控制的基本要求及课程任务第一章绪论1.1自动控制的基本概念一、自动控制系统及其组成二、自动控制系统的分类第一章绪论1.1自动控制的基本概念一、

自动控制系统及其组成

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）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。如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶

及飞机自动驾驶、导弹制导等。

恒温箱工作原理加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱

温度计1.1自动控制的基本概念人工控制恒温箱调节过程：

观测恒温箱内的温度（被控制量）

与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度

偏差的大小和方向

根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电

阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。1.1自动控制的基本概念大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图温度计1.1自动控制的基本概念加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1++

u恒温箱自动控制系统1.1自动控制的基本概念恒温箱自动控制系统工作原理：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

u2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。1.1自动控制的基本概念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

uuanvu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图1.1自动控制的基本概念从恒温箱控制系统功能框图可见：

给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。

也称为参考输入量（信号）。

被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。

输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。用偏差信号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。1.1自动控制的基本概念由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差——反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。其控制方式称之为反馈控制——“检测偏差再纠正偏差”。注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。1.1自动控制的基本概念二、自动控制系统的分类实际的控制系统根据有无反馈作用可分为：

开环控制系统

闭环控制系统根据输入与输出信号的数量可分为：

单输入单输出系统

多输入多输出系统1.1自动控制的基本概念

开环控制系统系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。

控制器对象或过程输入量输出量开环控制系统框图1.1自动控制的基本概念优点：简单、稳定、可靠。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，开环控制能够保持一定的精度。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力1.1自动控制的基本概念

闭环控制系统输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。控制器对象或过程输入量输出量测量元件闭环控制系统框图反馈量1.1自动控制的基本概念优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感。缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。1.1自动控制的基本概念闭环控制系统的基本组成控制工程主要研究闭环控制系统，其组成：

给定元件：产生给定信号或输入信号。

反馈元件：测量被控量，产生主反馈信号。

被控对象：控制系统所要操纵的对象。1.1自动控制的基本概念闭环控制系统的基本组成比较元件：用来比较输入信号和反馈信号的偏差。

放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大。

执行元件：直接对被控对象进行操作的元件。

反馈校正元件：用以稳定控制系统，提高性能。1.1自动控制的基本概念又称单变量系统，是指从系统外部变量来描述，系统只有一个输入量和一个输出量，而不考虑系统内部的通道与结构。

单输入单输出系统是经典控制理论的主要研究对象，它以传递函数作为基本数学工具，讨论线性定常系统的分析和设计问题，也是本课程讲述的主要内容。

单输入单输出系统1.1自动控制的基本概念又称多变量系统，是指具有多个输入量和多个输出量的系统。一般来说，当系统输入或输出多于一个时，就成为多变量系统。多变量系统是现代控制理论主要研究的对象。在数学上以状态空间法为基础，讨论多变量、变参数、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计。

多输入多输出系统1.1自动控制的基本概念

公元前1400－1100年，中国、埃及和巴比伦相继出现自动计时漏壶，人类产生了最早期的控制思想。

时间刻度浮子铜壶滴漏1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

公元100年，亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水的自动计时装置。1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

公元132年，东汉杰出天文学家张衡发明了水运浑象仪，研制出了自动测量地震的候风地动仪。1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

公元235年，汉朝时期最负盛名的机械发明家马钧研制出了用齿轮传动的自动指示方向的指南车。1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

公元1637年，明末科学家宋应星所著的《天工开物》记载了有程序控制思想的提花织机结构图。1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

公元1788年，英国人J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次工业革命。

1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

1884年：E.J.Routh提出劳斯稳定性判据。

1895年：A.Hurwitz提出赫尔维茨稳定性判据。

1932年：H.Nyquist提出乃奎斯特稳定性判据。

1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普诺夫稳定

性理论。

1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法

1868年：J.C.Maxwell发表《调速器》，提出反馈控制的概念及稳定性条件。1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

1948年：N.Wiener发表《控制论》，标志经典控制理论基本形成；经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入—单输出（SISO）系统的分析和控制问题；维纳（Wiener,N.，1894~1964），MIT教授，控制论的奠基人，美国科学家曾于1936年到清华大学任访问教授。控制论之父。1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充

实了经典控制论；

1954年：钱学森用英文出版《工程控制论》，首先把控制论推广到工程技术领域。1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

“工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和自动调节的理论。维纳博士40年代提示了控制论的基本思想后，不少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座理论顶峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，解决具体问题，不善于上升到理论高度；数学家则擅长于理论分析，却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则集中两者优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，碾出了工程控制论研究的一条新途径。”1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

50年代末60年代初：现代控制理论形成；现代控制理论以状态空间法为基础，主要分析和研究多输入-多输出(MIMO)、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、智能控制等问题；控制理论研究的重点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空间方法。1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用1956年：庞特里亚金（Понтрягин，Л.С.）提出极大值原理1957年：R.I.Bellman提出动态规划理论1960年：R.E.Kalman提出卡尔曼滤波理论1960～1980年：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1980迄今：鲁棒控制、H

控制、非线性控制、智能控制等1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

接着短短的几十年里，在各国科学家和科学技术人员的努力下，又相继出现了生物控制论，经济控制论和社会控制论等，控制理论已经渗透到各个领域，并伴随着其它科学技术的发展，极大地改变了整个世界。控制理论自身也在创造人类文明中不断向前发展。1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

第一颗人造卫星（苏联，1957年）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用第一艘载人飞船（苏联，1961年，加加林）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用人类首次登上月球（美国，1969年）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用首架航天飞机（美国，1981年）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用和平号空间站（苏联，1986年）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用仿人机器人（日本，2001年）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用神州五号、六号、七号、八号载人航天成功

（中国，2003年，2005年，2008年，2011年）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用土卫六探测器（欧盟，2005年）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用坦普尔1号彗星深度撞击（美国，2005年）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

嫦娥一号（2007年，中国）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用导弹击中卫星（中国，2007年；

美国，2008年）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用好奇者号Curiosity

（

美国，2012年）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用天鹅号航天飞机Cygnus（

美国，2014年）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

“作为技术科学的控制论，对工程技术、生物和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社会的作用有过之无不及．我们可以毫不含糊地说从科学理论的角度来看，二十世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃。”

——钱学森

1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用

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（Mechatronics）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。

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。1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用机器人关节伺服系统1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用工业机器人奇瑞汽车生产线62台工业焊接机器人1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用数控机床1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用自动导引车（AGV）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用柔性制造系统（FMS）1.2控制理论的发展及其在机械制造业中的应用对控制系统的基本要求：稳、准、快。

稳定性

系统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，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的先决条件。

这里讨论的控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。1.3自动控制的基本要求及课程任务

精（准）确性

控制精