控制工程基礎ch1

1主講張慶新沈陽航空航天大學自動化學院控制工程基礎緒論控制工程基礎3學習要點自動控制理論的產生和基本概念控制理論的發(fā)展及其在工程中的應用自動控制系統(tǒng)的基本類型本書的主要內容41868年麥克斯韋研究反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題發(fā)表論文《論調速器》，是控制理論最早的成果論文。1.1自動控制理論的產生和基本概念

控制理論產生于軍事上需求,后發(fā)展到民事領域（如冶金、數(shù)控、電力等）。同時也滲透到其他領域—生物控制論、經濟控制論和社會控制論等。奠基人是美國科學家維納5控制理論的形成過程1884年：E.J.Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定性理論1895年：A.Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)61945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》，標志這門學科的正式誕生。

按照書中描述，一切物質存在，不管是天體、生物、機器直到人類社會以至于人的思維過程，都構成一定的“系統(tǒng)"，具有不同形式的控制、反饋功能。1950年：W.R.Evans提出根軌跡法，并應用于反饋控制系統(tǒng)的設計

1954年：錢學森發(fā)表《工程控制論》控制理論的形成過程71956年：蓬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1960～1980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、智能控制等控制理論的形成過程8控制理論可分為“經典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”兩大部分。40~50年代形成適用于SISO（單輸入－單輸出）系統(tǒng)基于：二戰(zhàn)軍工技術目標：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定基礎：傳遞函數(shù)基本方法：頻率法，根軌跡法1.經典控制理論960~70年代形成適用于MIMO（多輸入－多輸出）系統(tǒng)基于：冷戰(zhàn)時期空間技術，計算機技術目標：最優(yōu)控制，最優(yōu)濾波，系統(tǒng)辨識基礎：狀態(tài)空間表達式進一步發(fā)展:自適應控制、智能控制等2.現(xiàn)代控制理論10研究對象數(shù)學工具常用分析方法局限性經典控制理論單輸入-單輸出線性定常系統(tǒng)微分方程，傳遞函數(shù)時域分析法，頻域分析法,根軌跡分析法對復雜多變量系統(tǒng)、時變和非線性系統(tǒng)無能為力現(xiàn)代控制理論多輸入-多輸出變系數(shù)，非線性等系統(tǒng)線性代數(shù)、矩陣理論狀態(tài)空間法比較繁瑣（但由于計算機技術的的迅速發(fā)展，這一局限性已克服)111.1.1開環(huán)控制與閉環(huán)控制幾個概念1.被控對象：要求實現(xiàn)自動控制的機器設備或生產過程2.被控制量：指被控制系統(tǒng)所要控制的物理量，一般指系統(tǒng)的輸出量3.給定值：根據(jù)生產要求，被控制量需要達到的數(shù)值4.擾動：破壞控制量與被控制量之間正常函數(shù)關系的因素，稱為系統(tǒng)的擾動。

給定值和擾動通稱為輸入量。5.控制裝置：能夠對被控對象起控制作用的設備總稱121、開環(huán)控制輸入、輸出之間無反饋回路輸出對系統(tǒng)的控制作用無影響優(yōu)點：結構簡單、價格便宜、容易維修缺點：精度低，易受環(huán)境變化的干擾132、閉環(huán)控制輸入、輸出之間有反饋回路輸出對系統(tǒng)的控制作用有影響14

人工控制過程：

1、觀測溫度（被控量）

2、與要求溫度（給定量）比較，得出偏差的大小和方向

3、根據(jù)偏差進行控制控制過程：

測量，求偏差，控制以糾正偏差15自動控制恒溫箱人工控制自動控制人眼測量裝置人腦控制器人手執(zhí)行機構閉環(huán)控制（反饋控制）：檢測偏差并糾正偏差16優(yōu)點：精度高、動態(tài)性能好、抗干擾能力強等缺點：由于元件或負載的慣性，易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定；結構復雜、價格貴、維修人員要求文化素質高。自動控制恒溫箱自動控制恒溫箱職能框圖181.1.2閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型組成1.測量元件：檢測被控量并將其轉換成需要的物理量形式2.比較元件：將檢測環(huán)節(jié)反饋回來的信號與給定量進行比較，得出二者的偏差3.放大元件：放大微弱信號4.執(zhí)行元件：作用于被控對象，使被控量按照期望發(fā)生變化5.校正元件：是人為加入系統(tǒng)可直接調整結構或參數(shù)的元件自動控制恒溫箱20抽水馬桶示意圖211.2控制理論的發(fā)展及其在工程中的應用一階段----經典控制論的成熟和發(fā)展期

從1868年到20世紀50年代末二階段----局部自動化時期20世紀60年，航空航天領域對運載火箭、人造衛(wèi)星、導彈、飛機等各類飛行器進行精確控制的需求導致了現(xiàn)代控制論的形成和發(fā)展。三階段----綜合自動化時期20世紀70年代末至今，控制系統(tǒng)越來越復雜，控制要求也越來越高，促進了智能控制、復雜控制、大系統(tǒng)控制等先進控制理論的發(fā)展。22

1788年瓦特發(fā)明的蒸汽機離心調速器就是一個自動調節(jié)系統(tǒng)，是控制理論應用的典型代表。液位控制系統(tǒng)23職能框圖24自動駕駛儀飛機俯仰角控制系統(tǒng)職能框圖25261.3自動控制系統(tǒng)的基本類型1、按給定量的變化規(guī)律分：恒值調節(jié)系統(tǒng)如：穩(wěn)壓電源程序控制系統(tǒng)如：數(shù)控機床隨動系統(tǒng)如：火炮自動系統(tǒng)機床隨動系統(tǒng)2、系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化定常系統(tǒng)：所有參數(shù)恒定不變時變系統(tǒng)：參數(shù)有隨時間變化271.3自動控制系統(tǒng)的基本類型3、按描述系統(tǒng)微分方程的形式分：線性控制系統(tǒng)：用線性微分方程描述非線性控制系統(tǒng)：用非線性微分方程描述4、按系統(tǒng)中傳遞的信號的連續(xù)性分：模擬控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中傳遞的信號均為模擬信號，系統(tǒng)組成的各個環(huán)節(jié)均為模擬設備離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中傳遞的信號有離散信號，系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)中有計算機或數(shù)字電路等數(shù)字化設備28控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定準確快速1、穩(wěn)定性

是指系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)的能力。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應隨著時間收斂并且回到初始的平衡狀態(tài)。是系統(tǒng)工作的首要條件。29控制系統(tǒng)的基本要求2、快速性

這是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的。指當系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產生偏差時，消除這種偏差過程的快速程度。3、準確性指調整過程結束后，輸出量與給定的輸入量之間的偏差，即靜態(tài)精度，這也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標。30控制系統(tǒng)的基本要求

系統(tǒng)對穩(wěn)、準、快的要求各有側重，如:

隨動系統(tǒng)--快速性調速系統(tǒng)--穩(wěn)定性同一系統(tǒng)穩(wěn)、準、快是相互制約的。快速性好，可能會有強烈振蕩；改善穩(wěn)定性，控制過程又可能過于遲緩，精度也可能變壞。分析和解決這些矛盾，是本學科討論的重要內容。311.4課程主要內容及課程的情況

控制工程基礎課主要闡述的是有關反饋自動控制技術的基礎理論。本課程是機械、航宇等專業(yè)本科必修的一門非常重要的專業(yè)基礎課。

所需基礎知識高等數(shù)學復變函數(shù)、積分變換理論力學、電工學32本書主要內容33教材及參考書：1席劍輝等《控制工程基礎》國防工業(yè)出版社2012.52王劃一《自動控制原理》國防工業(yè)