控制工程基礎

1、遼寧科技學院教案課程名稱：控制工程基礎任課教師：楊光開課系部：機械學院開課教研室：機制開課學期：20122013學年度 第1學期遼寧科技學院教案（參考樣式）課題名稱第一章緒論課次第（1）次課課時2課型理論（2）;實驗（）;實習（）；、實務（）;習題課（）；討論（）；其他（）教學目標了解機械工程的發(fā)展與控制理論的應用；理解機械工程自動控制系統(tǒng) 的基本組成及工作原理；掌握機械自動控制系統(tǒng)的類型及對自動控制系統(tǒng) 的基本要求。重點、難點及 解決方法重點：機械自動控制系統(tǒng)的類型及對自動控制系統(tǒng)的基本要求 難點：無解決方法：通過具體講解相關例子使同學們明白有關自控系統(tǒng)的基礎知識教學基本內容 與教學設計本節(jié)

2、主要內容：一、組織教學，包括自我介紹及學生考勤（5分鐘）二、機械工程控制論的研究對象與任務（20分鐘）三、控制理論的發(fā)展與應用（20分鐘）四、 自動控制系統(tǒng)的基本組成及工作原理（20分鐘）1 機械工程自動控制系統(tǒng)的基本組成2 機械工程自動控制系統(tǒng)的工作原理五、 自動控制系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求（20分鐘）1 自動控制系統(tǒng)的類型2自動控制系統(tǒng)的基本要求六、 本節(jié)教學內容小節(jié)及思考題的布置（5分鐘）教學方法講授法教學手段無課外學習安排思考題、預習、輔導答疑參考資料控制工程基礎 王積偉主編；機械控制工程基礎董玉紅主編；學習效果評測課外學習 指導安排教學后記遼寧科技學院講稿（參考樣式）教學內容

3、一、機械工程控制論的研究對象與任務機械工程控制論研究機械工程中廣義系統(tǒng)的動力學問題。1、系統(tǒng)（廣義系統(tǒng)）:按一定的規(guī)律聯(lián)系在一起的元素的集合。2、動力學問題：系統(tǒng)在外界作用（輸入或激勵、包括外加控制與外界干擾） 下，從一定初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷由其內部的固有特性（由系統(tǒng)的結構與參數(shù)所 決定）所決定的動態(tài)歷程（輸出或響應）。這一過程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三 者之間的動態(tài)關系即為系統(tǒng)的動力學問題。例：彈簧一質量一陽尼單自由度系統(tǒng)（系統(tǒng)的輸人或激勵）mp + cp A- k 1與外界無關)(+ * 2(0 = / tnp1 +cp+ k)y(f (c/r + AXv(r) 式中；P = i (撤分算于動

4、力學方程*采統(tǒng)（a）系統(tǒng)（b）初始狀態(tài)=系軌的固有特性外界的作用 外畀作用方式一與外畀的久系z b cp-k系統(tǒng)對輸入的廂應（系統(tǒng)的輸出）yfO上式中y（t）為微分方程的解，顯然它是由系統(tǒng)的初始條件，系統(tǒng)的固有特 性，系統(tǒng)的輸入及系統(tǒng)與輸入之間的關系決定。對上例，需要研究的問題可歸納為以下三類：第一類,系統(tǒng).輸入= 輸出第二類，系統(tǒng).輸出匸輸入第三類，輸入.輸出系統(tǒng)一般地，就系統(tǒng)、輸入、輸出三君之間的動態(tài) 關系而言，需研究的問題包抵；已知祭統(tǒng)和輸入求系統(tǒng)的響應（或輸出）*幷通過響應 來砂究系統(tǒng)本q的問豐* 已處堿、粧址治入，便痰統(tǒng)的輸出滿足麋或= 已知輸入設計殺統(tǒng)，便輸出滿足要求.4.濾波與加

5、測問題，確定系統(tǒng).釀根按輸舊識別愉人或愉入中的有關信息.5系統(tǒng)掰識問題： 已知愉入和輸出t識別系統(tǒng)的茫構和參贈”建立系統(tǒng)的救 學模型。二、控制理論的發(fā)展與應用控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。從1868年馬克斯威爾(J.C.Maxwell)提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動控制理論的發(fā)展可分為四個主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論(或古典控制理論)的產生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段； 第四階段：智能控制發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論：控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎的自動調節(jié)原理，主要用于工 業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設

6、計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮 定位系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進和完善了自 動控制理論的發(fā)展。?1868年，馬克斯威爾(J.C.Maxwell )提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。?1895年，數(shù)學家勞斯(Routh)和赫爾威茨(Hurwitz )分別獨立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即 Routh和Hurwitz判據(jù)。? 二戰(zhàn)期間(1938-1945年)奈奎斯特(H.Nyquist )提出了頻率響應理 論1948年，伊萬斯(W.R.Evans)提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第 一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論的基

7、本特征：(1) 主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng) 的分析與綜合；(2) 只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；(3) 只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關系，而忽視系統(tǒng)的內部狀態(tài)，是一種對系統(tǒng)的外部描述方法?，F(xiàn)代控制理論：由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng) 的外部描述而忽視系統(tǒng)的內部狀態(tài)。因而在實際應用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計算機的發(fā)展，20世紀60年代初，在經(jīng)典控制理論的基 礎上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。1954年貝爾曼(R.Belman)提出動態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金(L.S.Pontr

8、yagin )提出極大值原理1960年卡爾曼(R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論 在數(shù)學工具、理論基礎和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息(輸出量 和輸入量)，而且還能提供系統(tǒng)內部狀態(tài)變量的信息。它無論對線性系統(tǒng)或非線 性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分 析方法。當今世界，控制技術無處不在，世界隨處可見控制與反控制。輸入信號控制信號線輸出信號 信號線控制技術融合了信息技術、工程技術，是多種技術的融合。余用電聽擰制技術隔川消獲類嚴島、自動控制系統(tǒng)的基本組成及工作原理反饋：系統(tǒng)的輸出不斷地，直接或間接地、全部或部分地返回，并作用于系統(tǒng)，其實質就

9、是信息的傳遞與交互人丄應制的吃洱葺補&計人工控制恒溫箱調節(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和方向。3. 根據(jù)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。期犁實阪人工拎制恒溫冇H初庫柝鬥恒溫箱自動控制汞統(tǒng)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u22. 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 U23.溫度偏差信號經(jīng)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

10、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I :擾動1溫度潑桂T電壓功率放k器些控制匕電機減調理恒溫輸 速一壓T（控制 廃I I器I 對彖、IE H （控制從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見：1. 給定量位于系統(tǒng)輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量或參考輸入量（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信號之差）信號。輸出量的返 回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：1. 檢

11、測輸出量（被控制量）的實際值2. 將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；3. 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。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，故 稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏 差”。這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者 之間既定關系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測量、比較和執(zhí) 行三個基本功能。注意：這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保 持兩者

12、之間既定關系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測量、比 較和執(zhí)行三個基本功能。四、自動控制系統(tǒng)的分類及對控制系統(tǒng)的基本要求1. 開環(huán)控制與閉環(huán)控制實際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋作用可分為三類：a. 開環(huán)控制系統(tǒng)b. 閉環(huán)控制系統(tǒng)c. 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。）系統(tǒng)僅受輸入量和擾動量控制；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。a.開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)僅受輸入量和擾動量控制；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。It控機味的幵環(huán)揑制丟魏國優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元

13、件特性和參數(shù)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、無自動糾偏能力控制器* 對象或過程 J】二壬b.閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：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。優(yōu)點：精度高，對外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)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閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成 給定元件：產生給定信號或輸入信號。 反饋元件：測量被控制量(輸出量)，產生反饋信號。為便于傳輸，反饋 信號通常為電信號。 比較元件：對給定信號和反饋信號進行比較，產生偏差信號。 放大元件：對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅動執(zhí)

14、行元件實現(xiàn) 控制功能。 執(zhí)行元件：直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、液壓馬達等； 校正元件：用以改善系統(tǒng)控制質量的裝置。校正兀件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種?？刂葡到y(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用， 統(tǒng)稱為控制器。實際的控制系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的，擾動分為內部擾動和外部擾動， 但在控制系統(tǒng)中，擾動集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控 制系統(tǒng)的擾動等效為對控制對象的干擾。C.半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：反饋信號通過系統(tǒng)內部的中間信號獲得。如何選用開環(huán)控制或閉環(huán)控制？應當注意以下幾個方面：當系統(tǒng)的輸入量能預先知道，并且不存在任何擾動時，采用開環(huán)控制比較 合適。當輸出量

15、難于測量，或者要測量輸出量在經(jīng)濟上不允許時， 采用開環(huán)系統(tǒng)比 較合適。從成本、功率的角度出發(fā)，為了減少系統(tǒng)所需要的成本、功率，在可能情 況下應當采用開環(huán)控制。將開環(huán)控制與閉環(huán)控制適當?shù)亟Y合在一起，通常比較經(jīng)濟，并且能夠獲得 滿意的綜合性能。2、輸出變化規(guī)律分類(1) 恒值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸入量為恒定值。控制任務是保證在任何擾動作用 下系統(tǒng)的輸出量為恒值。(2) 程序控制系統(tǒng)：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。如數(shù)控加工系 統(tǒng)。(3) 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

16、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。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動瞄準系統(tǒng)等。3、按系統(tǒng)中傳遞信號的性質分類(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(shù)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(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。4、按線性和非線性分類線性系統(tǒng)：由線性元件組成，輸入輸出問具有疊加性和均勻性性質，以線 性微分方程來表述。非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和均勻性性 質。用非線性微分方程來表述。*廠/iy05. 按元件類型：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。6. 按系統(tǒng)功能：溫度、壓力、位置、速度7. 按輸入、輸出信號的數(shù)目：單輸入-單輸出系統(tǒng)與多輸入-多輸出系統(tǒng) 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)