《清華大學控制工程》PPT演示課件

1、1,控制工程基礎 （第一章,清華大學,2,控制工程基礎,第一章 概論 第二章 控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 第三章 時域瞬態(tài)響應分析 第四章 控制系統(tǒng)的頻率特性 第五章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 第六章 控制系統(tǒng)的誤差分析和計算 第七章 控制系統(tǒng)的綜合與校正 * 第八章 根軌跡法 * 第九章 控制系統(tǒng)的非線性問題 第十章 計算機控制系統(tǒng) 第十一章 MATLAB軟件工具在控制系統(tǒng)分析和 綜合中的應用,3,第一章 概述,1.1 控制工程的發(fā)展 1.2 自動控制系統(tǒng)的基本概念 1.3 控制理論在機械制造工業(yè)中的 應用 1.4 課程主要內(nèi)容及學時安排,4,1.1 控制工程的發(fā)展公元前14001100年，中國、埃

2、及和巴比倫相繼出現(xiàn)自動計時漏壺，人類產(chǎn)生了最早期的控制思想,5,公元前300年秦昭王時，由李冰父子主持設計修筑的著名水利工程都江堰，是一種液面控制，是“系統(tǒng)”觀念的杰出體現(xiàn),6,公元100年，亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水的自動計時裝置,7,公元132年，中國科學家張衡（公元78139）發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風地動儀,8,公元235年，中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車(司南車） 另有發(fā)明擊鼓記里,9,公元1637年，中國明代宋應星所著天工開物記載有程序控制思想的提花織機結(jié)構圖,10,公元1788年，英國人J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度，由此產(chǎn)生了第

3、一次工業(yè)革命,11,維納，MIT教授，曾于1936年到清華大學任訪問教授。早期進行模擬計算機研究，二戰(zhàn)期間參與火炮控制研究，提煉出負反饋概念。 1948年，維納所著控制論的出版，標志著這門學科的正式誕生,控制論的奠基人美國科學家維納（Wiener,N.，18941964,12,1954年，我國科學家錢學森在美國運用控制論思想和方法，用英文出版工程控制論，首先把控制論推廣到工程技術領域,工程控制論是關于工程技術領域各個系統(tǒng)自動控制和自動調(diào)節(jié)的理論。維納博士40年代提示了控制論的基本思想后，不少工程師和數(shù)學博士曾努力尋找通往這座理論頂峰的道路，但均半途而廢。工程師偏重于實踐，解決具體問題，不善于上

4、升到理論高度；數(shù)學家則擅長于理論分析，卻不善于從一般到個別去解決實際問題。錢學森則集中兩者優(yōu)勢于一身，高超地將兩只輪子裝到一輛戰(zhàn)車上，碾出了工程控制論研究的一條新途徑。,13,接著短短的幾十年里，在各國科學家和科學技術人員的努力下，又相繼出現(xiàn)了生物控制論，經(jīng)濟控制論和社會控制論等，控制理論已經(jīng)滲透到各個領域，并伴隨著其它科學技術的發(fā)展，極大地改變了整個世界?？刂评碚撟陨硪苍趧?chuàng)造人類文明中不斷向前發(fā)展。控制理論的中心思想是通過信息的傳遞、加工處理并加以反饋來進行控制，控制理論是信息學科的重要組成方面,14,根據(jù)自動控制理論的內(nèi)容和發(fā)展的不同階段，控制理論可分為“經(jīng)典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”兩

5、大部分。 “經(jīng)典控制理論”的內(nèi)容是以傳遞函數(shù)為基礎，以頻率法和根軌跡法作為分析和綜合系統(tǒng)基本方法，主要研究單輸入，單輸出這類控制系統(tǒng)的分析和設計問題,15,現(xiàn)代控制理論”是在“經(jīng)典控制理論”的基礎上，于60年代以后發(fā)展起來的。它的主要內(nèi)容是以狀態(tài)空間法為基礎，研究多輸入，多輸出、時變參數(shù)、分布參數(shù)、隨機參數(shù)、非線性等控制系統(tǒng)的分析和設計問題。最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識、自適應控制等理論都是這一領域重要的研究課題，近年來計算機技術和現(xiàn)代應用數(shù)學的結(jié)合，又使現(xiàn)代控制理論在大系統(tǒng)理論和模仿人類智能活動的人工智能控制等諸多領域有了重大發(fā)展,16,第一顆人造衛(wèi)星（蘇聯(lián)，1957年,17,第一顆載人飛船

6、（蘇聯(lián)，1961年,18,人類首次登上月球（美國，1969年,19,首架航天飛機（美國，1981年,20,首次沖出太陽系（美國，1989年,21,仿人機器人（日本，2001年,22,神州五號載人航天成功（中國，2003年,23,勇氣號、機遇號火星探測器（美國，2004年,24,作為技術科學的控制論，對工程技術、生物和生命現(xiàn)象的研究和經(jīng)濟科學，以及對社會研究都有深刻的意義，比起相對論和量子論對社會的作用有過之無不及我們可以毫不含糊地說從科學理論的角度來看，二十世紀上半葉的三大偉績是相對論、量子論和控制論，也許可以稱它們?yōu)槿椏茖W革命，是人類認識客觀世界的三大飛躍?！?錢學森,25,1.2 自動控

7、制系統(tǒng)的基本概念,見光盤課件（第一章第二節(jié),26,機電工業(yè)是我國最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一 ，而傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品正在向機電一體化（Mechatronics）方向發(fā)展。機電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的顯著特點是控制自動化。機電控制型產(chǎn)品技術含量高，附加值大，在國內(nèi)外市場上具有很強的競爭優(yōu)勢，形成機電一體化產(chǎn)品發(fā)展的主流。當前國內(nèi)外機電結(jié)合型產(chǎn)品，諸如典型的工業(yè)機器人，數(shù)控機床，自動導引車等都廣泛地應用了控制理論,1.3 控制理論在機械制造工業(yè)中的應用,27,28,圖 1-10 三坐標數(shù)控機床,29,30,31,圖1-13 柔性制造系統(tǒng),32,1.4 課程主要內(nèi)容及學時安排,控制工程基礎課程主要闡述的是有關反饋自動

8、控制技術的基礎理論。 本課程是一門非常重要的技術基礎課，是機械學院平臺課程。它是適應機電一體化的技術需要，針對機械對象的控制，結(jié)合經(jīng)典控制理論形成的一門課程。本課程主要涉及經(jīng)典控制理論的主要內(nèi)容及應用, 更加突出了機電控制的特點,33,本課程在高等數(shù)學、理論力學、電工電子學等知識的基礎上，使學生掌握機電控制系統(tǒng)的基本原理及必要的實用知識。值得指出的是，盡管經(jīng)典控制理論在六十年代已完全發(fā)展成熟，但它并不過時，經(jīng)典控制理論是整個自動控制理論（包括現(xiàn)代控制理論）的基礎。用一個不十分貼切的比喻，盡管微積分的基本理論在幾百年前已經(jīng)發(fā)展成熟，但在高等數(shù)學中至今仍然起著重大作用,34,本課程的基本要求包括：

9、 (1) 掌握機電反饋控制系統(tǒng)的基本概念，其中包括機電反饋控制系統(tǒng)的基本原理、機電反饋控制系統(tǒng)基本組成、開環(huán)控制、閉環(huán)控制等； (2) 掌握建立機電系統(tǒng)動力學模型的方法； (3) 掌握機電系統(tǒng)的時域分析方法； (4) 掌握機電系統(tǒng)的頻域分析方法； (5) 掌握模擬機電控制系統(tǒng)的分析及設計綜合方法,35,本課程講授39學時（包括課堂討論），實驗9學時（另限人數(shù)開設后續(xù)實驗課） 本教材主要涉及經(jīng)典控制理論部分，對現(xiàn)代控制理論只作簡單涉及，現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容將在研究生課程中講授。 作業(yè) 考試,36,主要教材 董景新、趙長德、熊沈蜀、郭美鳳 控制工程基礎(第二版) 清華大學出版社，2003年,37

10、,主要參考文獻 1 張伯鵬，控制工程基礎，北京：機械工業(yè)出版社，1982 2高鐘毓，機電控制工程（第2版），北京：清華大學出版社，2002 3 王顯正，范崇托，控制理論基礎，北京：國防工業(yè)出版社，1980 4Katsuhiko Ogata（美），現(xiàn)代控制工程（第四版中譯本），電子工業(yè)出版社，2002 5 吳麒，自動控制原理，北京：清華大學出版社，1990,38,6李友善，自動控制原理，北京：國防工業(yè)出版社，1980 7 楊叔子，楊克沖，機械工程控制基礎，武漢：華中工學院出版社，1984 8陽含和，機械控制工程（上冊），北京：機械工業(yè)出版社，1986 9 Morris Driels, Linea

11、r Control Systems Engineering,(國際知名大學原版教材），清華大學出版社，2000.12,39,10 Gene F.Franklin,J.David Powell,Emami Naeini， Feedback Control of Dynamic Systems (4rd ed)， Addison-Wesley Publishing Company， 2002 11 Richard C.Dorf,Robert H.Bishop， Modern Control System (7th ed)，Addison-Wesley Publishing Company， 1995 12 John Van De Vegte， Feedback Control System (3rd ed)， Prentice-Hall， Inc.， E