控制工程基礎(chǔ)ch1

1主講張慶新沈陽航空航天大學(xué)自動化學(xué)院控制工程基礎(chǔ)緒論控制工程基礎(chǔ)3學(xué)習(xí)要點自動控制理論的產(chǎn)生和基本概念控制理論的發(fā)展及其在工程中的應(yīng)用自動控制系統(tǒng)的基本類型本書的主要內(nèi)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(diào)速器》，是控制理論最早的成果論文。1.1自動控制理論的產(chǎn)生和基本概念

控制理論產(chǎn)生于軍事上需求,后發(fā)展到民事領(lǐng)域（如冶金、數(shù)控、電力等）。同時也滲透到其他領(lǐng)域—生物控制論、經(jīng)濟(jì)控制論和社會控制論等。奠基人是美國科學(xué)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(shè)計方法1948年：N.Wiener發(fā)表《控制論》，標(biāo)志這門學(xué)科的正式誕生。

按照書中描述，一切物質(zhì)存在，不管是天體、生物、機(jī)器直到人類社會以至于人的思維過程，都構(gòu)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(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計

1954年：錢學(xué)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(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)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(jīng)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(shù)目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定基礎(chǔ)：傳遞函數(shù)基本方法：頻率法，根軌跡法1.經(jīng)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(shù)，計算機(jī)技術(shù)目標(biāo)：最優(yōu)控制，最優(yōu)濾波，系統(tǒng)辨識基礎(chǔ)：狀態(tài)空間表達(dá)式進(jìn)一步發(fā)展:自適應(yīng)控制、智能控制等2.現(xiàn)代控制理論10研究對象數(shù)學(xué)工具常用分析方法局限性經(jīng)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(fù)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?yán)碚摖顟B(tài)空間法比較繁瑣（但由于計算機(jī)技術(shù)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(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)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(chǎn)要求，被控制量需要達(dá)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(guān)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?qū)Ρ豢貙ο笃鹂刂谱饔玫脑O(shè)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jī)構(gòu)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(qiáng)等缺點：由于元件或負(fù)載的慣性，易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格貴、維修人員要求文化素質(zhì)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(zhuǎn)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(jìn)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(diào)整結(jié)構(gòu)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(yīng)用一階段----經(jīng)典控制論的成熟和發(fā)展期

從1868年到20世紀(jì)50年代末二階段----局部自動化時期20世紀(jì)60年，航空航天領(lǐng)域?qū)\載火箭、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)等各類飛行器進(jìn)行精確控制的需求導(dǎo)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(jì)70年代末至今，控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，控制要求也越來越高，促進(jìn)了智能控制、復(fù)雜控制、大系統(tǒng)控制等先進(jìn)控制理論的發(fā)展。22

1788年瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器就是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是控制理論應(yīng)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(jī)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(diào)節(jié)系統(tǒng)如：穩(wěn)壓電源程序控制系統(tǒng)如：數(shù)控機(jī)床隨動系統(tǒng)如：火炮自動系統(tǒng)機(jī)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(shè)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(jī)或數(shù)字電路等數(shù)字化設(shè)備28控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定準(zhǔn)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(fù)平衡狀態(tài)的能力。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應(yīng)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(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差過程的快速程度。3、準(zhǔn)確性指調(diào)整過程結(jié)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(biāo)。30控制系統(tǒng)的基本要求

系統(tǒng)對穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求各有側(cè)重，如:

隨動系統(tǒng)--快速性調(diào)速系統(tǒng)--穩(wěn)定性同一系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的?？焖傩院?，可能會有強(qiáng)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(xué)科討論的重要內(nèi)容。311.4課程主要內(nèi)容及課程的情況

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

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