CH1_控制工程基礎(chǔ)

1、控制工程基礎(chǔ)控制工程基礎(chǔ)中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院暢元江暢元江Tel:mail: changyj1557126(163).com(機(jī)自06 4-6班)課程要點(diǎn)課程要點(diǎn)控制工程基礎(chǔ)機(jī)電控制理論及技術(shù)機(jī)電控制理論及技術(shù)考研課程考研課程控制工程基礎(chǔ)控制工程基礎(chǔ)機(jī)械電子工程機(jī)械電子工程機(jī)械設(shè)計(jì)及理論機(jī)械設(shè)計(jì)及理論考研專業(yè)基礎(chǔ)課考研專業(yè)基礎(chǔ)課控制技術(shù)在石油工業(yè)的應(yīng)用控制技術(shù)在石油工業(yè)的應(yīng)用 自動(dòng)化鉆機(jī)自動(dòng)化鉆機(jī) 井下軌跡控制井下軌跡控制-井下控制工程井下控制工程 水下機(jī)器人（水下機(jī)器人（ROV） 管道機(jī)器人管道機(jī)器人 化工過(guò)程控制化工過(guò)程控制蘇義腦院士與井下控制工程學(xué)蘇義腦院士

2、與井下控制工程學(xué)1990年：完成對(duì)“井眼軌道制導(dǎo)理論與技術(shù)研究”新領(lǐng)域框架構(gòu)思與探索1993年：進(jìn)一步提出“井下控制工程學(xué)”。井下控制工程學(xué)的研究對(duì)象，涵蓋各種油氣井井下作業(yè)過(guò)程的控制問(wèn)題，除鉆井外，還涉及到完井、采油、測(cè)試、修井等。以鉆井技術(shù)為例，建立在MWD（隨鉆測(cè)量）、LWD（隨鉆測(cè)井）等井下信息測(cè)量和傳輸基礎(chǔ)上的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)等鉆井重大高新技術(shù)，正在將“給鉆頭裝上眼睛”、“使鉆頭聞著油味兒走”的夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，使鉆頭能自如地鉆穿底下幾千米的巖石并準(zhǔn)確地進(jìn)入油氣層。 ROV水下機(jī)器人水下機(jī)器人管道檢測(cè)管道檢測(cè)控制技術(shù)在制造工業(yè)的應(yīng)用控制技術(shù)在制造工業(yè)的

3、應(yīng)用 工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人:關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng) 數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床 六自由度工業(yè)機(jī)器六自由度工業(yè)機(jī)器 移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)器人 柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)(FMS)課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容( (一一) )第一章第一章 概述概述第二章第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章第三章 時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)分析時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)分析第四章第四章 控制系統(tǒng)的頻率特性控制系統(tǒng)的頻率特性第五章第五章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第六章第六章 控制系統(tǒng)的性能分析與校正控制系統(tǒng)的性能分析與校正第七章第七章 離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)2977555課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容( (二二) )專題一專題一 MATL

4、ABMATLAB入門(mén)入門(mén)專題二專題二 MATLABMATLAB提高提高專題三專題三 MATLABMATLAB控制工具箱控制工具箱專題四專題四 SIMULINKSIMULINK穿插在課堂進(jìn)行MATLABSIMULINKSIMULINK教材2003年年董景新董景新, 趙長(zhǎng)趙長(zhǎng)德德. 控制工程控制工程基礎(chǔ)基礎(chǔ). 清華大清華大學(xué)出版社學(xué)出版社1992年年2001年年2000年年2001年年2001年年2001年年參考書(shū)目1. 美美Katsuhiko Ogata. 現(xiàn)代控制工程現(xiàn)代控制工程(Modern control engineering) (3rd Edition). 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社

5、. 20002. Frederick, D.K, Chow,J.H. 反饋控制問(wèn)題反饋控制問(wèn)題: 使用使用MATLAB及其控制系統(tǒng)工具箱及其控制系統(tǒng)工具箱. 西安交通大學(xué)出版西安交通大學(xué)出版社社. 20013. 高木章二高木章二. 數(shù)字控制入門(mén)數(shù)字控制入門(mén). 科學(xué)出版社科學(xué)出版社. 2001 4. 胡壽松胡壽松. 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理(第四版第四版). 科學(xué)出版社科學(xué)出版社. 20015. 薛定宇薛定宇. 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)MATLAB語(yǔ)言語(yǔ)言及應(yīng)用及應(yīng)用. 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社. 19966. 徐昕徐昕, 李濤李濤, 伯曉陽(yáng)伯曉陽(yáng). MATLAB控制工具

6、箱控制工具箱. 電子工業(yè)電子工業(yè)出版社出版社. 20007. 熊良才熊良才, 楊克沖楊克沖, 吳波吳波. 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)(第四版第四版)學(xué)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與題解習(xí)輔導(dǎo)與題解. 華中科技大學(xué)出版社華中科技大學(xué)出版社. 20028. 陳延康陳延康. 機(jī)械控制工程機(jī)械控制工程. 煤炭工業(yè)出版社煤炭工業(yè)出版社. 19942000年年2001年年2003年年2000年年2001年年圖解圖解機(jī)電機(jī)電一體一體化入化入門(mén)系門(mén)系列列2001年年1996年年2002年年課程基本要求課程基本要求掌握機(jī)電反饋控制系統(tǒng)的基本原理掌握機(jī)電反饋控制系統(tǒng)的基本原理掌握建立機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的方法掌握建立機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力

7、學(xué)模型的方法掌握機(jī)電系統(tǒng)的時(shí)域分析方法掌握機(jī)電系統(tǒng)的時(shí)域分析方法掌握機(jī)電系統(tǒng)的頻域分析方法掌握機(jī)電系統(tǒng)的頻域分析方法掌握模擬控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)綜合方法掌握模擬控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)綜合方法掌握計(jì)算機(jī)控制的基本概念掌握計(jì)算機(jī)控制的基本概念掌握計(jì)算機(jī)輔助控制工程分析的基本方法掌握計(jì)算機(jī)輔助控制工程分析的基本方法所需基礎(chǔ)知識(shí)所需基礎(chǔ)知識(shí)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)學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)4控制理論控制理論4數(shù)值仿真數(shù)值仿真4工程應(yīng)用工程應(yīng)用聯(lián)系三者的橋梁：聯(lián)系三者的橋梁：MATLAB若干編程題材若干編程題材 額外加分額外加分(初定初定)第一章第一章 概論概論1-1 1-1 控制理論在工程中

8、的控制理論在工程中的應(yīng)用發(fā)展應(yīng)用發(fā)展 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。 從二十世紀(jì)以來(lái)，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。 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(lái)，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(lái)越廣泛。 全球矚目的中國(guó)載人太空船神舟五號(hào)于2003年10月15日上午順利發(fā)射成功。從這一天起，中國(guó)成為繼蘇聯(lián)和美國(guó)之后，第三個(gè)獨(dú)立成功將人類

9、送上太空的國(guó)家。這一壯舉震動(dòng)世界，證明中華民族已具有了“九天攬?jiān)隆钡膶?shí)力。 載人宇宙飛船為確保載人安全以及為保持航天員高效率工作，需要很復(fù)雜的特設(shè)系統(tǒng)，例如，用于空氣更新、廢水處理和再生、通風(fēng)、溫度和濕度控制等的環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)；報(bào)話通信系統(tǒng)、儀表和照明系統(tǒng)、航天服、載人機(jī)動(dòng)裝置和逃逸救生系統(tǒng)等。 載人宇宙飛船除了要使飛船在返回過(guò)程中的制動(dòng)過(guò)載限制在人的耐受范圍內(nèi)，還應(yīng)使其落點(diǎn)精度比返回式衛(wèi)星更高，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)和營(yíng)救航天員。目前，掌握航天器返回技術(shù)的國(guó)家只有美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)。 在工業(yè)中，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)

10、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。機(jī)電控制型產(chǎn)品技術(shù)含量高，附加值大，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，形成機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展的主流。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外機(jī)電結(jié)合型產(chǎn)品，諸如典型的工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)等都廣泛地應(yīng)用了控制理論。 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)。 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

11、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(wèn)題。 “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(lái)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(wèn)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(lái)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。 半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，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。智能控制中，學(xué)習(xí)控制技術(shù)從簡(jiǎn)單的參數(shù)學(xué)習(xí)向較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)、環(huán)

12、境學(xué)習(xí)和復(fù)雜對(duì)象學(xué)習(xí)的方向發(fā)展；并發(fā)展了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、進(jìn)化算法、專家系統(tǒng)、魯棒控制與 控制等技術(shù)。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。 H1-2 1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念本概念自動(dòng)控制：自動(dòng)控制： 在沒(méi)有人直接參予的情況下，使生產(chǎn)過(guò)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。 給定量恒定的控制系統(tǒng)叫做恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如穩(wěn)壓電源、恒溫系統(tǒng)等； 如

13、被調(diào)量隨著給定量的變化而變化，則是調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或隨隨動(dòng)系統(tǒng)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。 一般地說(shuō)，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)。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 人工調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)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。加 熱電阻絲調(diào)壓器220VP4 圖1-4 人 工控 制的 恒溫箱加熱電 阻絲調(diào)壓 器220V熱電偶u2+比較給 定 信 號(hào)u1+

14、u電壓放 大 器功 率放 大 器執(zhí)行 電 機(jī)減速器執(zhí)行電機(jī)比較給定信號(hào)調(diào)壓器不動(dòng)時(shí) 0 21uuu調(diào)壓器右移 0 212uuuu調(diào)壓器左移 0 212uuuu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(guò)反饋建立起來(lái)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)。 電阻絲調(diào)壓器220VP5 圖1-5 恒 溫箱 的 自 動(dòng)控 制 系統(tǒng)熱電偶u2+比較給 定 信 號(hào)u1+u電壓放大 器功 率放大 器執(zhí)行 電機(jī)減 速器圖中看到：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

15、同的。反饋控制反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制自動(dòng)控制的最基本方法給定信 號(hào)電壓功 率放大 器控制 電機(jī)減速器調(diào)壓器恒溫 箱（ 控制 對(duì)象 ）熱電 偶u1u2+-uuanuto溫度（ 被調(diào)量）P5 圖1-6 恒溫箱溫度自 動(dòng)控 制 系統(tǒng) 職能 方塊圖二、開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制1、開(kāi)環(huán)控制 輸入、輸出之間無(wú)反饋回路 輸出對(duì)系統(tǒng)的控制作用無(wú)影響如：給定調(diào)壓器恒溫 箱（ 控制 對(duì)象 ） 人 工 控 制 恒溫箱干擾干擾優(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10VU1Uoif=常數(shù)P6 圖1-7 電機(jī)轉(zhuǎn)速 控 制 系統(tǒng)2、閉環(huán)控制如：if=常數(shù)P6 圖1-8 閉 環(huán) 調(diào)速 系統(tǒng) 原理圖給

16、定 電位 計(jì)+ureuo電動(dòng)機(jī)-+測(cè) 速 機(jī)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。三、反饋控制系統(tǒng)的基本組成輸 出給定元 件串聯(lián)校正元 件放大變換元 件執(zhí) 行元 件控 制對(duì) 象并 聯(lián)校 正元 件反 饋元 件輸入xi偏 差 e-+比較元件+-主 反 饋信 號(hào)xb主 反 饋局 部 反 饋擾動(dòng)xoP7 圖1-9 典型的 反 饋控 制 系 統(tǒng) 方塊圖反饋校正元件四、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：l恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng) 如：穩(wěn)壓電源l程序控制系統(tǒng) 如：數(shù)控機(jī)床l隨動(dòng)系統(tǒng) 如：火炮自動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)床隨動(dòng)

17、系統(tǒng)2、根據(jù)采用的信號(hào)處理技術(shù)的不同l模擬控制系統(tǒng)：采用模擬技術(shù)處理信號(hào)的，稱為。l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3、按描述系統(tǒng)微分方程的形式分：l線性控制系統(tǒng)l非線性控制系統(tǒng)五、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求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(guò)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。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

18、之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差過(guò)程的快速程度。3、準(zhǔn)確性 指調(diào)整過(guò)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)。 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^(guò)大的振蕩將會(huì)使部件過(guò)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(guò)程又可能過(guò)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。1-3 1-3 控制理論控制理論 在機(jī)械制造中的應(yīng)用在機(jī)械制造中的應(yīng)用自動(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）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(lái)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。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(yú)雷的制導(dǎo)控制自動(dòng)繪圖儀的畫(huà)筆控制硬盤(pán)磁頭的位置控制光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器讀出頭的控制自