控制工程的教案

控制工程的教案第1頁/共63頁

第一章概論

§1-1控制理論在工程中的應(yīng)用發(fā)展

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控制理論是在產(chǎn)業(yè)革命的背景下，在生產(chǎn)和軍事需求的刺激下，自動(dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科相互交叉發(fā)展的產(chǎn)物。奠基人是美國(guó)科學(xué)家維納。第3頁/共63頁I.前期控制(EarlyControl)(1400B.C.-1900)中國(guó)，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺(1400B.C.~1100B.C.)。孫武著《孫子兵法秦昭王時(shí)，李冰主持修筑都江堰體現(xiàn)的系統(tǒng)觀念和實(shí)踐(300B.C.)西漢漏壺第4頁/共63頁中國(guó)張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀(132年)第5頁/共63頁中國(guó)馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車(235年)中國(guó)明代宋應(yīng)星所著《天工開物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖(1637年)第6頁/共63頁英國(guó)J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度(1788年)英國(guó)J.C.Maxwell發(fā)表“論調(diào)速器”(OnGovernors)論文(1868年)第7頁/共63頁經(jīng)典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)美國(guó)福特(FordMotor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913)美國(guó)N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法美國(guó)MIT的VannevarBush研制成第一臺(tái)大型模擬計(jì)算機(jī)(DifferentialAnalyzer)(1928)V.Bush第8頁/共63頁經(jīng)典控制(ClassicalControl)(1935-1950)美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出頻率響應(yīng)法美國(guó)Taylor儀器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法(1942)美國(guó)MIT的N.Wiener研究隨機(jī)過程的預(yù)測(cè)(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。N.B.NicholsN.WienerN.Wiener,shownherein1954withYukWingLee(left)andAmarG.Bose,discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheory第9頁/共63頁美國(guó)MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床(1952)第10頁/共63頁現(xiàn)代控制(ModernControl)

(1950-)二次世界大戰(zhàn)中火炮，雷達(dá)，飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動(dòng)了經(jīng)典控制的發(fā)展。五十年代后興起的現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時(shí)期的軍備競(jìng)賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射，操縱，指導(dǎo)及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)(英國(guó)科學(xué)家A.J.G.MacFarlane)。第11頁/共63頁世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace

1957.Laika.Sputnik2第12頁/共63頁美國(guó)的M.E.Merchant提出計(jì)算機(jī)集成制造的概念(1969)第13頁/共63頁美國(guó)ARPA計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)初步建成(1971)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(1976)第14頁/共63頁美國(guó)的M.E.Merchant提出計(jì)算機(jī)集成制造的概念(1969)第15頁/共63頁美國(guó)ARPA計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)初步建成(1971)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(1976)第16頁/共63頁第一臺(tái)火星探測(cè)器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)旅行者Voyager一號(hào)，二號(hào)開始走出太陽系，對(duì)茫茫太空進(jìn)行探索第17頁/共63頁

從本世紀(jì)以來，特別是第二次世界大戰(zhàn)以后，自動(dòng)控制和自動(dòng)化科學(xué)得到了迅速的發(fā)展。控制理論在軍事上的發(fā)展刺激了其在民事上的應(yīng)用（如冶金、數(shù)控、電力等）。同時(shí)也滲透到其他領(lǐng)域—生物控制論、經(jīng)濟(jì)控制論和社會(huì)控制論等?？刂普摰闹行乃枷胧峭ㄟ^信息的傳遞、加工處理并加以反饋來進(jìn)行控制。第18頁/共63頁

工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化，改善了勞動(dòng)條件，增加了產(chǎn)量，提高了質(zhì)量。在軍事裝備上，自動(dòng)控制技術(shù)大大地提高了武器的威力和精度。近十幾年來，由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和控制理論的發(fā)展，使得自動(dòng)控制技術(shù)所能完成的任務(wù)更加復(fù)雜、應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛。第19頁/共63頁

機(jī)電工業(yè)是我國(guó)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品正在向機(jī)電一體化（mechatrnics）方向發(fā)展。機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是控制自動(dòng)化。如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)導(dǎo)引車等。第20頁/共63頁

自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成為生產(chǎn)（電力、機(jī)械、冶金、化工…）、軍事、科研、企業(yè)管理等幾乎一切領(lǐng)域中必不可少的手段。因此，各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員都必須具備一定的自動(dòng)控制工程知識(shí)。第21頁/共63頁

根據(jù)自動(dòng)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”兩大部分。

“經(jīng)典控制理論”的內(nèi)容是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，以頻率法和根軌跡法作為分析和綜合系統(tǒng)的基本方法，主要研究單輸入、單輸出這類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。第22頁/共63頁

“現(xiàn)代控制理論”是在“經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)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(chǔ)，研究多輸入、多輸出、時(shí)變參數(shù)、分布參數(shù)、隨機(jī)參數(shù)、非線性等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。

最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制等理論都是這一領(lǐng)域重要的分支，近年來現(xiàn)代控制理論在大系統(tǒng)理論和人工智能控制等諸多領(lǐng)域有重大發(fā)展。第23頁/共63頁

半個(gè)世紀(jì)以來，控制理論從主要依靠手工計(jì)算的經(jīng)典控制理論發(fā)展到依賴計(jì)算機(jī)的現(xiàn)代控制理論，發(fā)展了最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、智能控制。同時(shí)還發(fā)展了MATLAB等控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，使控制理論在工程上的應(yīng)用更加方便。第24頁/共63頁§1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念第25頁/共63頁自動(dòng)控制：

在沒有人直接參予的情況下，使生產(chǎn)過程和被控對(duì)象的某些物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)期規(guī)律變化。如：數(shù)控加工中心、焊接機(jī)器人、溫度控制系統(tǒng)等。第26頁/共63頁

可以是具體的物理量，如電壓、位移、角度等，也可以是數(shù)字量。一個(gè)共同點(diǎn)：一個(gè)或一些被控物理量按給定量的變化而變化。

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給定量是恒定的控制系統(tǒng)叫做恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如穩(wěn)壓電源、恒溫系統(tǒng)等；如被調(diào)量隨著給定量的變化而變化，則是調(diào)節(jié)系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)，如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，位置隨動(dòng)系統(tǒng)等。第28頁/共63頁

一般地說，如何使被控量按給定量的變化規(guī)律而變化，是控制系統(tǒng)所要解決的基本任務(wù)。第29頁/共63頁幾個(gè)概念：控制量：系統(tǒng)的輸入，是作用在系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)?？刂戚斎耄菏瓜到y(tǒng)具有預(yù)定性能的輸入信號(hào)。擾動(dòng)：干擾或破壞系統(tǒng)預(yù)定性能的輸入信號(hào)被控量：系統(tǒng)的輸出，表征控制對(duì)象或過程的狀態(tài)和性能第30頁/共63頁學(xué)習(xí)控制理論的目的：系統(tǒng)分析綜合和設(shè)計(jì)系統(tǒng)第31頁/共63頁一、自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

（以恒溫系統(tǒng)為例）

有兩種控溫方法：人工控制自動(dòng)控制第32頁/共63頁

人工調(diào)節(jié)過程：

1、觀測(cè)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(cè)量，求偏差，控制以糾正偏差

若能找到一個(gè)控制器代替人的職能，就變成了自動(dòng)控制。第33頁/共63頁減速器執(zhí)行電機(jī)比較給定信號(hào)人工控制：自動(dòng)控制：人眼測(cè)量裝置人腦控制器人手執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同特點(diǎn)：檢測(cè)偏差用以糾正偏差。偏差是通過反饋建立起來的，該原理稱為反饋控制原理，該系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。第34頁/共63頁圖中看到：1、反饋控制的基本原理

2、各職能環(huán)節(jié)的作用是單向的總之，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的裝置可各不相同，但反饋控制的原理卻是相同的。反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的最基本方法第35頁/共63頁二、開環(huán)控制與閉環(huán)控制1、開環(huán)控制

輸入、輸出之間無反饋回路輸出對(duì)系統(tǒng)的控制作用無影響如：干擾參考輸入控制器受控對(duì)象開環(huán)控制系統(tǒng)的一般形式控制指令輸出第36頁/共63頁優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、容易維修缺點(diǎn)：精度低，易受環(huán)境變化的干擾第37頁/共63頁2、閉環(huán)控制輸入、輸出之間有反饋回路輸出對(duì)系統(tǒng)的控制作用有影響第38頁/共63頁優(yōu)點(diǎn)：精度高、動(dòng)態(tài)性能好、抗干擾能力強(qiáng)等缺點(diǎn)：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(jià)格貴、維修人員要求文化素質(zhì)高。第39頁/共63頁三、反饋控制系統(tǒng)的基本組成減速器執(zhí)行電機(jī)比較給定信號(hào)第40頁/共63頁四、自動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)如：火炮自動(dòng)系統(tǒng)機(jī)床隨動(dòng)系統(tǒng)第41頁/共63頁2、根據(jù)采用的信號(hào)處理技術(shù)的不同模擬控制系統(tǒng)：采用模擬技術(shù)處理信號(hào)的，稱為~。數(shù)字控制系統(tǒng)：采用數(shù)字技術(shù)處理信號(hào)的，稱為~。

采用何種信號(hào)處理技術(shù)取決于許多因素，如可靠性、精度、復(fù)雜程度以及經(jīng)濟(jì)性等第42頁/共63頁3、按描述系統(tǒng)微分方程的形式分：線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)第43頁/共63頁五、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定準(zhǔn)確快速第44頁/共63頁1、穩(wěn)定性

由于系統(tǒng)存在著慣性，當(dāng)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)分配不當(dāng)時(shí)，將會(huì)引起系統(tǒng)的振蕩而失去工作能力。穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動(dòng)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(shí)間收斂并且回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是系統(tǒng)工作的首要條件。第45頁/共63頁第46頁/共63頁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(shí)，消除這種偏差過程的快速程度。第47頁/共63頁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)。第48頁/共63頁

由于受控對(duì)象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求各有側(cè)重，例如，隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)快速性要求較高，而調(diào)速系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性提出較嚴(yán)格的要求；對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)，首要的是穩(wěn)定性，因?yàn)檫^大的振蕩將會(huì)使部件過載而損壞。同一系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的?？焖傩院?，可能會(huì)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。第49頁/共63頁§1-3控制理論

在機(jī)械制造中的應(yīng)用隨著控制理論的發(fā)展越來越廣泛第50頁/共63頁自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1788年瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器就是一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是控制理論應(yīng)用的典型代表。（P8圖1-8）第51頁/共63頁伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)就是將指令信號(hào)精確、快速地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理實(shí)現(xiàn)。例如，飛機(jī)和船舶的舵角操縱由于所需的力很大，不可能由人力直接操縱，需由伺服系統(tǒng)來完成，伺服系統(tǒng)的作用就是使舵面的轉(zhuǎn)角精確地跟隨駕駛員的操縱動(dòng)作。各種數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)、機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)都是伺服系統(tǒng)控制的。它們還能依靠多軸伺服系統(tǒng)的配合，完成復(fù)雜的空間曲線運(yùn)動(dòng)的控制。第52頁/共63頁如：雷達(dá)天線的自動(dòng)瞄準(zhǔn)跟蹤控制高射炮和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射架的瞄準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制坦克炮塔的防搖穩(wěn)定控制導(dǎo)彈和魚雷的制導(dǎo)控制自動(dòng)繪圖儀的畫筆控制硬盤磁頭的位置控制光盤驅(qū)動(dòng)器讀出頭的控制自動(dòng)照相機(jī)和攝像機(jī)