第1章控制工程的基本概念

1、寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論控制工程技術控制工程技術寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論【課程名稱課程名稱】控制工程技術/Technology of Control Engineering?！緦W學 時時】48 8學時學時【課程類別課程類別】必修、專業(yè)基礎課必修、專業(yè)基礎課 工程中的數(shù)學工程中的數(shù)學。【先修課程先修課程】理論力學、機械原理、液壓傳動、模擬電子技術、高等數(shù)學等?！痉諏ο蠓諏ο蟆繖C制

2、專業(yè)。【課程特點課程特點】理論性較強，概念術語多，需要用到微分方程、復變函數(shù)、拉氏變換等數(shù)學工具，所以本課程主要強調理論聯(lián)系實際，應從物理本質、數(shù)學描述等多方面闡明物理概念，以基本概念為核心、基本原理、基本方法為主線進行教學。在教學體系上以系統(tǒng)分析為重點，按分析方法展開，從時域分析方法轉入頻域分析；從連續(xù)系統(tǒng)再到離散系統(tǒng)。講授本課程時，要求學生自學MATLAB語言，并能用該語言解答習題。寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論王積偉容一鳴寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of

3、Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論胡壽松 理查德寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論第一章第一章 緒論緒論寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論1、了解控制系統(tǒng)的基本概念、工作原理、分類及特點。2、掌握反饋及反饋控制的基本概念，以及在控制系統(tǒng)中的作用。3、掌握控制系統(tǒng)的組成和各部分的作用。4、根據(jù)工作原理圖，確定控制系統(tǒng)的被控對象、控制量和被控制量，正確畫出系統(tǒng)的方框圖。5、

4、了解控制系統(tǒng)的性能指標。教學重點：教學重點：反饋的概念，開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)的概念，控制系統(tǒng)的基本組成及工作原理。教學難點：教學難點：根據(jù)系統(tǒng)的物理結構圖或工作原理示意圖繪出系統(tǒng)元件框圖。教學目的：教學目的：寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論溫度自動控制系統(tǒng)溫度自動控制系統(tǒng)哇！好冷啊。什么鬼哇！好冷啊。什么鬼天氣！天氣！咦咦 ？你很冷嗎？你很冷嗎？我一點也不冷哦！我一點也不冷哦！為什么?。繛槭裁矗。亢俸?，因為嘿嘿，因為我體內裝了我體內裝了溫度自動控溫度自動控制芯片，當制芯片，當然不會冷然不會冷寧波工

5、程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論瓦特瓦特 離心調速器離心調速器寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論控制工程問題的提出？控制工程問題的提出？電熱毯電熱毯電飯煲電飯煲寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章

6、第一章 緒論緒論機器人踢足球比賽寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論軍事和航天導彈打衛(wèi)星導彈打衛(wèi)星二炮東風21D導彈模擬攻擊目標寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論 機械轉速、位置的控制機械轉速、位置的控制 工業(yè)過程中溫度、壓力、流量的控制工業(yè)過程中溫度、壓力、流量的控制 遠洋巨輪航行控制遠洋巨輪航行控制 深水潛艇的控制深水潛艇的控制 飛機自動駕駛飛機自動駕駛 神舟飛船的返回控制神舟飛船的返回控制“勇氣勇

7、氣”號、號、“機遇機遇”號的火星登陸控制號的火星登陸控制 等等等等總之，自動控制技術的應用幾乎總之，自動控制技術的應用幾乎無所不在無所不在。寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論系統(tǒng)的定義:是由若干相互作用和相互依賴的事物組合而成的具有特定功能的整體。機床用振動料斗機床用振動料斗太陽能自行車太陽能自行車寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論系統(tǒng)系統(tǒng)模型模型x1x2x3y1y2y3 通常，輸入和輸出都是物理變量

8、，例如，溫度、壓力、液位、電壓、位移、速度等。 系統(tǒng)可大可小，可繁可簡，甚至可“實”可“虛”，完全由研究的需要而定，通常將它們統(tǒng)稱為廣義系統(tǒng)廣義系統(tǒng)。 對于實際應用來說，系統(tǒng)一般可以定義為任何一組存系統(tǒng)一般可以定義為任何一組存在某種因果關系的物理元件。原因稱為在某種因果關系的物理元件。原因稱為激勵激勵或或輸入輸入；效果；效果叫做叫做響應響應或或輸出輸出。寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論物質物質構成系統(tǒng)構成系統(tǒng)的形體的形體系統(tǒng)的運動系統(tǒng)的運動離不開能量離不開能量信息則是信息則是系統(tǒng)的靈魂系統(tǒng)的靈魂

9、能量能量信息信息系統(tǒng)構成三要素系統(tǒng)構成三要素寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論控制控制、自動控制的定義控制、自動控制的定義自動控制 : 在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器控制裝置或控制器）,使機器、設備或生產過程（被控對象被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論1經典控制理論經典控制理論以單變量控制，隨

10、動以單變量控制，隨動/ /調調節(jié)為主要內容，以微分節(jié)為主要內容，以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學模型，以頻率響應法為模型，以頻率響應法為主要方法。數(shù)學工具：主要方法。數(shù)學工具：微分方程，復變函數(shù)微分方程，復變函數(shù)3后現(xiàn)代控制理論后現(xiàn)代控制理論大系統(tǒng)、大系統(tǒng)、 智能控制智能控制 ；以以 網絡、通訊、人機交網絡、通訊、人機交互為代表的信息自動化互為代表的信息自動化 集成的理論與技術。集成的理論與技術。2現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論以多變量控現(xiàn)代控制理論以多變量控制、最優(yōu)控制為主要內容，制、最優(yōu)控制為主要內容，采用時域法，以狀態(tài)方程采用時域法，以狀態(tài)方程為數(shù)學模型。數(shù)學工具：

11、為數(shù)學模型。數(shù)學工具：線性代數(shù)，線性代數(shù)， 泛函分析泛函分析控制理論的歷史和發(fā)展控制理論的歷史和發(fā)展寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基以狀態(tài)空間法為基礎，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)、非線礎，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)、非線性、高精度、高性能的控制系統(tǒng)。性、高精度、高性能的控制系統(tǒng)。 最優(yōu)控制、最佳濾波、系統(tǒng)辨識、自最優(yōu)控制、最佳濾波、系統(tǒng)辨識、自適應控制、人工智能控制等。適應控制、人工智能控制等。 古典控制理論古典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎，以傳遞函數(shù)為基礎

12、，研究單輸入、單輸出的控制系統(tǒng)；研究單輸入、單輸出的控制系統(tǒng)；寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論綜合（系統(tǒng)設計）：綜合（系統(tǒng)設計）：在已知被控對象和給定性能指標的前提下，尋求控制規(guī)律，建立一個能使被控對象滿足性能要求的系統(tǒng)。分析（系統(tǒng)分析）：分析（系統(tǒng)分析）：在給定系統(tǒng)的條件下，將物理系統(tǒng)抽象成數(shù)學模型，然后用已經成熟的數(shù)學方法和先進的計算工具來定性或定量地對系統(tǒng)進行動、靜態(tài)的性能分析。自動控制研究的三個基本問題：自動控制研究的三個基本問題： (1) 建立數(shù)學模型 (2) 系統(tǒng)性能分析 (3) 控

13、制器設計典型控制信號：階躍信號階躍信號等速和等加速信號等速和等加速信號脈沖信號脈沖信號正弦信號正弦信號寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論 從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系而言，從系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的動態(tài)關系而言，機械控制工程的內容可歸納為機械控制工程的內容可歸納為5 5類：類： 1.1.系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析系統(tǒng)已確定，已知輸入，求系統(tǒng)的輸出，并系統(tǒng)已確定，已知輸入，求系統(tǒng)的輸出，并通過輸出研究系統(tǒng)本身的有關問題；通過輸出研究系統(tǒng)本身的有關問題；2.2.最優(yōu)控制最優(yōu)控制系統(tǒng)已確定，需要確定系統(tǒng)

14、的輸入，以使輸系統(tǒng)已確定，需要確定系統(tǒng)的輸入，以使輸出盡可能符合給定的最佳要求；出盡可能符合給定的最佳要求；3.3.最優(yōu)設計最優(yōu)設計輸入已知，需要確定系統(tǒng)，以使輸出盡可能輸入已知，需要確定系統(tǒng)，以使輸出盡可能符合給定的最佳要求；符合給定的最佳要求；4.4.濾波與預測濾波與預測輸出已知，需要確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸出已知，需要確定系統(tǒng)，以識別輸入或輸出中的有關信息；輸出中的有關信息；5.5.系統(tǒng)辨識系統(tǒng)辨識輸入、輸出均已知，求系統(tǒng)的結構和參數(shù)，輸入、輸出均已知，求系統(tǒng)的結構和參數(shù)，也即建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。也即建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of T

15、echnology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論1.2 控制系統(tǒng)的工作原理及其組成控制系統(tǒng)的工作原理及其組成 必須解決以下四個問題必須解決以下四個問題 控制目的控制目的是什么是什么? ? 受控對象受控對象是什么是什么? ? 輸出信號輸出信號( (受控量受控量) )是什么是什么? ? 輸出信號如何輸出信號如何檢測檢測? ? 實質檢測偏差,糾正偏差。123寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論人工控制恒溫箱方框圖人工控制恒溫箱方框圖 長時間長時間工作怎么工作怎么辦？辦？寧波工程學院寧波工程

16、學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差u=0,電機停止轉動。 工作過程工作過程 恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號u=u1-u2寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論給定信號電壓功率放

17、大器控制電機減速器調壓器恒溫箱(控制對象)熱電偶u1u2uuau溫度t(被控量)擾動恒溫箱自動控制系統(tǒng)方框圖恒溫箱自動控制系統(tǒng)方框圖寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1反饋（反饋（FeedbackFeedback）定義：）定義： 通常，把輸出量取出，送回到輸入端，并與輸入量相比較產生偏差通常，把輸出量取出，送回到輸入端，并與輸入量相比較產生偏差信號的過程，稱為信號的過程，稱為反饋反饋。若反饋的信號是與輸入信號相減，使產生的偏差越來越小，則稱為負反饋負反饋；反之，則

18、稱為正反饋正反饋。 負反饋負反饋 正反饋正反饋 液位控制液位控制？寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論人工控制和自動控制舉例人工控制和自動控制舉例寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論手搖扇 電風扇 空調機人工控制和自動控制舉例人工控制和自動控制舉例乘涼的方式寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論書的書的位置位置輸

19、入輸入大腦大腦肌肉肌肉手臂手臂眼睛眼睛手的手的位置位置輸出輸出例例1 1：（：（手取書） 寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論例例2 2：（人與汽車構成的控制系統(tǒng)） 實際路線實際路線希望路線希望路線輸入輸入肌肉控制肌肉控制方向盤方向盤汽車汽車眼睛眼睛輸出輸出寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論例例3 3：（3只鴿子有水喝） 澳大利亞昆士蘭州布里斯班市的一處鬧市區(qū)廣場，3只鴿子就成功發(fā)揮團隊精神，解決了喝水

20、難問題寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論檢測輸出量（被控制量）的實際值；檢測輸出量（被控制量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；比較得出偏差；用偏差值產生控制調節(jié)作用去消除偏差，使用偏差值產生控制調節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。得輸出量維持期望的輸出?？刂葡到y(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)的工作原理寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論控

21、制系統(tǒng)的基本組成框圖寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論1 1、給定元件：、給定元件： 根據(jù)系統(tǒng)輸出量的期望值，產生系統(tǒng)的給定輸入信號的環(huán)節(jié)，如將期望恒定的根據(jù)系統(tǒng)輸出量的期望值，產生系統(tǒng)的給定輸入信號的環(huán)節(jié)，如將期望恒定的溫度轉換為相應電壓。溫度轉換為相應電壓。2 2、反饋元件：、反饋元件：3 3、比較元件：、比較元件：4 4、放大元件：、放大元件：5 5、執(zhí)行元件：、執(zhí)行元件：寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一

22、章 緒論緒論寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論1.3 控制系統(tǒng)分類控制系統(tǒng)分類一、按控制策略來分：當一個系統(tǒng)以所需的方框圖表示而存在反饋回路時。 控制系統(tǒng)的反饋信號不是直接從系統(tǒng)的輸出端引出，而是間接地取自中間的測量元件的系統(tǒng)。 當一個系統(tǒng)以所需的方框圖表示而沒有反饋回路時。 寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)(無反饋無反饋)執(zhí)行執(zhí)行機構機構控制控制對象對象預期輸出實際輸出1）

23、開環(huán)控制系統(tǒng)）開環(huán)控制系統(tǒng)控制器控制器寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論2）閉環(huán)控制系統(tǒng)）閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)(有反饋有反饋)控制器被控對象預期輸出r(t)實際輸出y(t)比較器測量裝置誤差e(t)控制量u(t)被測變量測量值寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論反饋反饋：控制的核心思想：控制的核心思想閉環(huán)控制特點：信息的雙向流動閉環(huán)控制特點：信息的雙向流動控制器被控對象預期輸出r(t)實際輸出y

24、(t)比較器測量裝置誤差e(t)控制量u(t)被測變量測量值閉環(huán)例閉環(huán)例1：空調控制系統(tǒng)：空調控制系統(tǒng)寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論二、按輸入信號的性質來分：程序控制程序控制輸入量的變化規(guī)律預先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。 伺服控制伺服控制輸入量的變化規(guī)律不能預先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準確地復現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。 恒值控制恒值控制輸入是已知的恒定值，控制任務是保證在任何擾動作用

25、下系統(tǒng)的輸出量為恒值。 寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論三、按系統(tǒng)中傳遞信號的性質來分：離散控制離散控制：系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控離散控制系統(tǒng)通常采用差分制系統(tǒng)通常采用差分方程描述方程描述。連續(xù)控制連續(xù)控制：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號為隨時間連續(xù)變化的信號。連續(xù)控制系統(tǒng)通連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述常采用微分方程描述。 寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論1.4 1.4 控制系統(tǒng)舉例控制系統(tǒng)舉例1）轉盤速度的開環(huán)控制 轉臺直流放大器直流電機轉速寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論實際轉速預期速度（電壓）控制裝置直流放大直流放大器器執(zhí)行機構直流直流電機電機受控對象轉臺轉臺1.4 1.4 控制系統(tǒng)舉例控制系統(tǒng)舉例寧波工程學院寧波工程學院NingBo University of Technology控制工程技術控制工程技術第一章第一章 緒論緒論2）轉盤速度的閉環(huán)控制轉臺轉臺直流直流放大器放大器