控制工程基礎教案第一章

1、控制工程基礎教案第一章控制工程基礎教案第一章控制工程基礎教案第一章控制工程基礎 教 案 年至 年 第 學期 第 周 星期 課題名稱（含教材章節(jié)）： 第一章 緒論 教學目的和要求：1.了解控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史； 2.熟悉控制系統(tǒng)概念及組成、分類，掌握對控制系統(tǒng)的性能要求。 教學重點： 開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的基本原理及組成，閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本分析。 教學難點： 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本概念和性能指標的理解。 教 學 內 容 （ 要 點 ）1.自動控制系統(tǒng)的基本概念、分類及性能要求；2.控制理論的發(fā)展；3.控制理論在機械制造工業(yè)中的應用；4.課程主要學習內容及學時安排。X X X X 學 院 教 案 紙第一章 緒

2、 論1.1 自動控制系統(tǒng)的基本概念一、自動控制自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為控制器或控制裝置），使機器、設備或生產過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數（統(tǒng)稱被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng)，是指能夠對被控制對象的工作狀態(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。如：數控機床、室內溫度控制、機車、船舶及飛機自動駕駛、導彈制導等。舉例：恒溫箱的人工控制與自動控制。人工控制的恒溫箱如圖1-1所示。加熱電阻絲220V調壓器圖1-1 人工控制的恒溫箱 溫度計人工控制恒溫箱的調節(jié)過程：1.觀測恒溫箱內的溫度（被控制量）；2.與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度偏差的大小

3、和方向；3.根據偏差大小和方向調節(jié)調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節(jié)溫度回復到要求值。人工控制過程的實質：檢測偏差再糾正偏差。人工控制恒溫箱系統(tǒng)的功能框圖如圖1-2所示。大腦手調壓器恒溫箱眼睛實際溫度圖1-2 人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計期望溫度加熱電阻絲220V調壓器熱電偶比較電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動機減速器u2u1+u圖1-3 恒溫箱自動控制系統(tǒng)給定信號恒溫箱自動控制系統(tǒng)如圖1-3所示。恒溫箱自動控制系統(tǒng)工作原理：1.恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓u2；2.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uu1-u2；3.溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用

4、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u0，電機停止轉動。恒溫箱自動控制系統(tǒng)的功能框圖如圖1-4所示。給定信號電壓功率放大器控制電機減速器調壓器恒溫箱(控制對象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動圖1-4 恒溫箱自動控制系統(tǒng)功能框圖從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見：1.給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量（信號）。2.被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。3.輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進行比較，產生偏差（給定信號與返回的輸出

5、信號之差）信號。4.用偏差信號產生控制調節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預計擾動的情況下，自動減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測量、比較和執(zhí)行三個基本功能。其控制方式稱之為反饋控制“檢測偏差再糾正偏差”。注意：反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號是與給定信號相減，使偏差越來越小，稱為負反饋。負反饋控制是實現自動控制最基本的方法。二、控制系統(tǒng)的分類實際的控制系統(tǒng)根據有無反饋作用可分為：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋信號通過系統(tǒng)內部的中間信號獲得）。1. 開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)僅受輸

6、入量和擾動量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個控制過程中對系統(tǒng)的控制不產生任何影響。開環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1-5所示。控制器對象或過程輸入量輸出量圖1-5 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力。舉例如圖1-6開環(huán)數控系統(tǒng)所示。圖1-6 開環(huán)數控系統(tǒng)2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程有直接影響。閉環(huán)的作用：應用反饋，減少偏差。閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1-7所示。控制器對象或過程輸入量輸出量測量元件圖1-7 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量優(yōu)點：

7、精度高，對外部擾動和系統(tǒng)參數變化不敏感。缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調等問題，系統(tǒng)性能分析和設計麻煩。舉例如圖1-8全閉環(huán)數控系統(tǒng)所示。圖1-8 全閉環(huán)數控系統(tǒng)3. 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成圖1-9 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成控制工程主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)，其組成如圖1-9所示，主要包括以下七類元件：(1)給定元件：產生給定信號或輸入信號。(2)反饋元件：測量被控量，產生主反饋信號。(3)被控對象：控制系統(tǒng)所要操縱的對象。(4)比較元件：用來比較輸入信號和反饋信號的偏差。(5)放大元件：對偏差信號進行信號放大和功率放大。(6)執(zhí)行元件：直接對被控對象進行操作的元件。(7)反饋校正元件：用以穩(wěn)定控制系統(tǒng)，提高性

8、能。控制系統(tǒng)的其他分類方法：按照系統(tǒng)輸入量是否為恒值可分為：1.恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿帐潜ＷC在任何擾動作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。 如：恒溫箱控制、電網電壓、頻率控制等。2.隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）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，準確地復現輸入信號的變化規(guī)律。 如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動瞄準系統(tǒng)等。 按照系統(tǒng)傳遞信號是否為連續(xù)信號可分為：1.連續(xù)控制系統(tǒng)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)通常采用微分方程描述。2.離散（數字）控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數字量傳遞的系統(tǒng)。

9、離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。此外按系統(tǒng)是否為線性可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；系統(tǒng)參量變化是否為常數分為定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)；按控制方法分為機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等控制系統(tǒng)；按控制被控量的性質可分為溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)等等。三、對控制系統(tǒng)的基本要求1. 穩(wěn)定性系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當輸出量偏離平衡狀態(tài)時，其輸出能隨時間的增長收斂并回到初始平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。這里討論的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結構所決定，與外界因素無關。2. 精（準）確性控制精度，主要以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)的調整（過渡）過程結束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時

10、，系統(tǒng)輸出量的實際值與給定量之間的差值。3. 快速性輸出量和輸入量產生偏差時，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度?？焖傩员碚飨到y(tǒng)的動態(tài)性能。注意：不同性質的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側重。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應根據實際需求合理選擇。1.2 控制工程的發(fā)展公元前14001100年，中國、埃及和巴比倫相繼出現自動計時漏壺，人類產生了最早期的控制思想。 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。公元1788年，英國人J.Watt用離心式調速器控制蒸汽機的速度，由此產生了第一次工業(yè)革命。 1868年：J. C. Maxwell發(fā)表調速器，提出反饋控制的

11、概念及穩(wěn)定性條件。1884年：E. J. Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據。1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定性理論。1895年：A. Hurwitz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據。1932年：H. Nyquist提出乃奎斯特穩(wěn)定性判據。1945年：H. W. Bode提出反饋放大器的一般設計方法1948年：N. Wiener發(fā)表控制論，標志經典控制理論基本形成；經典控制理論以傳遞函數為基礎，主要研究單輸入單輸出（SISO）系 統(tǒng)的分析和控制問題。1950年：W. R. Evans提出根軌跡法，進一步充實了經典控制論。1954年：錢學森用英文出版工程控制論，首先把控制論推廣到工程技

12、術領域50年代末60年代初：現代控制理論形成；現代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎，主要分析和研究多輸入-多輸出(MIMO)、時變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識、自適應控制、智能控制等問題；控制理論研究的重點開始由頻域移到從本質上說是時域的狀態(tài)空間方法。 1956年：龐特里亞金（，.）提出極大值原理。1957年：R. I. Bellman提出動態(tài)規(guī)劃理論。1960年：R. E. Kalman提出卡爾曼濾波理論19601980年：確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復雜系統(tǒng)的自適應和自學習 控制1980迄今：魯棒控制、H控制、非線性控制、智能控制等。接著短短的幾十年里，在各國科學家

13、和科學技術人員的努力下，又相繼出現了生物控制論，經濟控制論和社會控制論等，控制理論已經滲透到各個領域，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?？刂评碚摰闹行乃枷胧峭ㄟ^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。根據自動控制理論的內容和發(fā)展的不同階段，控制理論可分為“經典控制理論”和“現代控制理論”兩大部分。“經典控制理論”的內容是以傳遞函數為基礎，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。1.3 控制理論在機械制造工業(yè)中的應用機電工業(yè)是我國最重要的支柱產

14、業(yè)之一 ，而傳統(tǒng)的機電產品正在向機電一體化（Mechatronics）方向發(fā)展。機電一體化產品或系統(tǒng)的顯著特點是控制自動化。機電控制型產品技術含量高，附加值大，在國內外市場上具有很強的競爭優(yōu)勢，形成機電一體化產品發(fā)展的主流。當前國內外機電結合型產品，諸如典型的工業(yè)機器人，數控機床，自動導引車等都廣泛地應用了控制理論。舉例：機器人關節(jié)伺服系統(tǒng)（圖1-10）；數控機床（圖1-11）；自動導引小車（AGV）（圖1-12）。圖1-10 機器人關節(jié)伺服系統(tǒng)圖1-11 數控機床圖1-12 自動導引小車1.4 課程主要內容及學時安排一、本課程的基本要求包括： (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