控制工程基礎(chǔ)教案第一章 緒論

課程：《控制工程基礎(chǔ)》教師：吳至境控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論教材：《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》楊叔子等編著華中科技大學(xué)出版社課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課計劃學(xué)時:48h(40+8)（C）；32h(24+8)(B)主要內(nèi)容:結(jié)合機(jī)械工程講述經(jīng)典控制論的基本內(nèi)容。成績:平時成績---30%

考試---70%控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論第一章緒論1.1引言1.2機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù)1.3系統(tǒng)及其模型1.4反饋1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.6對本課程的基本要求控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論1.1引言控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論回答三個問題：1、什么是“機(jī)械工程控制論”?2、自動控制與自動控制理論3、控制論的發(fā)展機(jī)械工程控制論:是控制論在機(jī)械領(lǐng)域的體現(xiàn)；研究用控制論的基本原理來解決機(jī)械工程中的實際技術(shù)問題?？刂疲簩ο笫┘幽撤N操作，使其產(chǎn)生所期望的行為。自動控制:在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。特點(diǎn)：該操作由控制裝置自動完成，無須人的參與?？刂破骱捅豢貙ο蟮目傮w即自動控制系統(tǒng)。自動控制理論:以自動控制系統(tǒng)為研究對象,采用數(shù)學(xué)的方法對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合。例子：水箱液面控制系統(tǒng)：控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論控制論控制論：關(guān)于控制原理和控制方法的學(xué)科，研究事物變化和發(fā)展的一般規(guī)律（總體概述）控制三要素：

被控對象、控制目標(biāo)、控制裝置可控與能控：

1.被控對象（或其被控量）必須存在著多種發(fā)展的可能性。如果事物的未來只有一種可能性，就無所謂控制了;2.被控制的對象不僅必須存在多種發(fā)展的可能性，而且，可以在這些可能性中通過一定的手段進(jìn)行選擇，才談得到控制?？刂乒こ袒A(chǔ)教案第一章緒論控制論方法：

1.了解事物面臨的可能性空間是什么;2.在可能性空間中選擇某一狀態(tài)為目標(biāo)（控制目標(biāo)）；

3.控制條件，使事物向既定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化?？刂乒こ袒A(chǔ)教案第一章緒論控制論：既是一門技術(shù)學(xué)科

又是一門技術(shù)哲學(xué)和一種科學(xué)方法論控制論強(qiáng)調(diào)：

1.所研究的對象是一個“系統(tǒng)”;2.系統(tǒng)在不斷地“運(yùn)動”（經(jīng)歷動態(tài)歷程，包括內(nèi)部狀態(tài)和外部行為）；

3.產(chǎn)生運(yùn)動的條件是“外因”（外界的作用：輸入、干擾）；

4.產(chǎn)生運(yùn)動的根據(jù)是“內(nèi)因”（系統(tǒng)的固有特性）?？刂乒こ袒A(chǔ)教案第一章緒論控制論強(qiáng)調(diào)：元素間的相互作用：信息傳遞與交互狀態(tài)變化動態(tài)歷程

控制論實質(zhì)上研究的是廣義的系統(tǒng)動力學(xué)，

其核心是系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)與外界環(huán)境的信息

交互、傳遞和反饋?？刂乒こ袒A(chǔ)教案第一章緒論控制輪與其它學(xué)科結(jié)合，形成了眾多的分支學(xué)科控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論控制論經(jīng)濟(jì)學(xué)社會學(xué)生物學(xué)工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)控制論社會控制論生物控制論工程控制論機(jī)械工程機(jī)械工程控制論共同的本質(zhì)特點(diǎn)：通過信息的傳遞、處理與反饋進(jìn)行控制。控制論的發(fā)展發(fā)展歷史：控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論階段形成時期理論基礎(chǔ)分析方法研究對象數(shù)學(xué)工具Ⅰ30-50年代經(jīng)典控制論時域/復(fù)域(1948)、頻域(1932)SISOSingle-inputSingle-output微分方程拉式變換復(fù)變函數(shù)等Ⅱ60-70年代現(xiàn)代控制論狀態(tài)空間時域MIMOMultiple-inputMultiple-output矩陣?yán)碚摼€性代數(shù)Ⅲ70-至今大系統(tǒng)理論智能控制時域/復(fù)域/頻域法模糊集法多因素多層次復(fù)雜對象控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論1.2機(jī)械工程控制論的研究對象與任務(wù)研究對象：研究機(jī)械工程技術(shù)中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題。什么是動力學(xué)問題：動力學(xué)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(nèi)部的固有特性（由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)決定）所決定的動態(tài)歷程（輸出或響應(yīng)）。這一過程中，系統(tǒng)及其輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系即為系統(tǒng)的動力學(xué)問題。控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論例1-1彈簧——質(zhì)量——阻尼單自由度系統(tǒng)（書p2）控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論同一系統(tǒng)、不同的外界作用圖1-3m-c-k單自由度系統(tǒng)分析：分別寫出其動力學(xué)方程，為系統(tǒng)（a）:(mp2+cp+k)y(t)=f(t)系統(tǒng)（b）:(mp2+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)

式中：p=d/dt（微分算子）初始狀態(tài)：y(0)=y0,y(0)=y0系統(tǒng)的固有特性：mp2+cp+k（與外界無關(guān)，左邊算子）外界的作用：x(t),f(t)（系統(tǒng)的輸入或激勵）外界作用方式（與外界的關(guān)系，右邊算子）：１，cp+k系統(tǒng)對輸入的響應(yīng)（系統(tǒng)的輸出）：y(t)控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論上例中，y(t)即微分方程的解，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(guān)系所決定。問題：

1.系統(tǒng)的輸入與系統(tǒng)的固有特性如何影響y(t)？三者之間表現(xiàn)為何種關(guān)系？

2.系統(tǒng)確定并已知時，對系統(tǒng)施加何種輸入，使系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)（即y(t)）?

3.對于確定的輸入，系統(tǒng)應(yīng)具有什么特性，才能使系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)期的響應(yīng)？

基本的動力學(xué)問題！控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論一般地，就系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系而言，需研究的問題包括：1.系統(tǒng)分析問題：已知系統(tǒng)和輸入，求系統(tǒng)的響應(yīng)（或輸出），并通過響應(yīng)來研究系統(tǒng)本身的問題；2.最優(yōu)控制問題：已知系統(tǒng)，確定輸入，使系統(tǒng)的輸出滿足要求；3.最優(yōu)設(shè)計問題：已知輸入，設(shè)計系統(tǒng)，使輸出滿足要求；4.濾波與預(yù)測問題：確定系統(tǒng)，以根據(jù)輸出識別輸入或輸入中的有關(guān)信息；5.系統(tǒng)辨識問題：已知輸入和輸出，識別是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?？刂乒こ袒A(chǔ)教案第一章緒論1.3系統(tǒng)及其模型系統(tǒng)的特性：（1）系統(tǒng)的性能不僅與系統(tǒng)的元素有關(guān)，而且還與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)；（2）系統(tǒng)的內(nèi)容比組成系統(tǒng)各元素的內(nèi)容要豐富得多；（3）系統(tǒng)往往表現(xiàn)出在時域、頻域或空域等域內(nèi)的動態(tài)特性。機(jī)械系統(tǒng)：以實現(xiàn)一定的機(jī)械運(yùn)動、輸出一定的機(jī)械能，以及承受一定的機(jī)械載荷為目的的系統(tǒng)，稱為機(jī)械系統(tǒng)。對于機(jī)械系統(tǒng)，其輸入和輸出分別稱為“激勵“和“響應(yīng)”。控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論機(jī)械系統(tǒng)激勵響應(yīng)擾動控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論1.4反饋控制論的三要素：信息、反饋、反饋控制。信息：能表達(dá)一定含義的信號。反饋（定義）：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)，與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋“反饋控制”是控制論的中心思想反饋控制系統(tǒng)：利用反饋原理構(gòu)成的自動控制系統(tǒng)。反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間的偏差，提高控制精度?？刂乒こ袒A(chǔ)教案第一章緒論反饋控制的基本工作原理：測量偏差和糾正偏差主反饋（外反饋）與內(nèi)在反饋（內(nèi)反饋）

主反饋：直接取自輸出端的反饋叫主反饋。相對于被控制對象而然，由于附加的反饋控制裝置引起的信息交互。

內(nèi)在反饋：非人為的，而是元件或系統(tǒng)中存在著相互耦合作用而形成的固有反饋。內(nèi)反饋例子：控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論用“○”號代表比較元件，“—”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。信號沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路?？刂乒こ袒A(chǔ)教案第一章緒論(mp2+cp+k)y(t)=f(t)外反饋例子例1：數(shù)控機(jī)床工作臺控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論無反饋控制開環(huán)系統(tǒng)反饋控制閉環(huán)系統(tǒng)例2：發(fā)動機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)：控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論w控制原理：1.如果負(fù)載變化使轉(zhuǎn)速W增加;2.離心機(jī)構(gòu)滑套上移;3.液壓滑閥上移，動力活塞下移動，油門關(guān)小，W減??；4.直到滑閥回復(fù)中位，W回到設(shè)定值。通過檢測系統(tǒng)的實際輸出值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，反過來作用于系統(tǒng)，形成反饋，進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出。反饋實質(zhì)上是信息的傳遞與交互。（本例中反饋表現(xiàn)為W變化引起的信息傳遞與交互）。以發(fā)動機(jī)離心調(diào)速系統(tǒng)為例：被控對象：發(fā)動機(jī)被控量：轉(zhuǎn)速W被控量的目標(biāo)設(shè)定：預(yù)緊彈簧設(shè)定控制信息傳遞與反饋：控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論反饋裝置控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論控制裝置給定環(huán)節(jié)：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量測量環(huán)節(jié)：其職能是測量被控制的物理量比較環(huán)節(jié)：把輸入量與測量元件發(fā)來的有關(guān)被控量的反饋值進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。放大環(huán)節(jié)：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。執(zhí)行環(huán)節(jié)：直接推動被控對象，使其被控量按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行?？刂乒こ袒A(chǔ)教案第一章緒論反饋控制系統(tǒng)的分類：1.按反饋情況開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)沒有控制作用，系統(tǒng)沒有反饋回路。例如：步進(jìn)驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論閉環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸出對系統(tǒng)有控制作用，系統(tǒng)有反饋回路。例如：伺服驅(qū)動的數(shù)控機(jī)床控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、分析麻煩。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。2.按輸出量的變化規(guī)律自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)（恒值系統(tǒng)）：系統(tǒng)的輸出保持常量。如：前例中的離心調(diào)速系統(tǒng)恒溫箱、液面控制等。

此類系統(tǒng)同時也是閉環(huán)系統(tǒng)。隨動系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出相應(yīng)于系統(tǒng)的輸入按任意規(guī)律變化。如：炮瞄雷達(dá)系統(tǒng)放形加工等。

此類系統(tǒng)同時也是閉環(huán)系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸出按預(yù)定程序變化。如：數(shù)控機(jī)床全自動洗衣機(jī)等。

此類系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng)，也可以是閉環(huán)系統(tǒng)?？刂乒こ袒A(chǔ)教案第一章緒論控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論1輸入信號（又叫輸入量、控制量、給定量）：指控制輸出量變化規(guī)律的信號。2輸出信號（又叫輸出量、被控制量、被調(diào)節(jié)量）：是輸入的結(jié)果，應(yīng)與輸入信號間保持確定的關(guān)系。3偏差信號：是輸入信號與反饋信號之差。4誤差信號：輸出希望值與實際值之差。術(shù)語控制工程基礎(chǔ)教案第一章緒論5擾動信號

擾動是一種對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)