控制工程基础教案绪论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

课程：课程：控制工程基础控制工程基础教师：吴至境教师：吴至境1第1页教材：教材：机械工程控制基础机械工程控制基础 杨叔子杨叔子 等编著等编著 华中科技大学出版社华中科技大学出版社课程性质：专业基础课课程性质：专业基础课 计划课时计划课时:48h (40+8)（C）；）；32h (24+8)(B)主要内容主要内容:结合机械工程讲述经典控制论基本内结合机械工程讲述经典控制论基本内容。容。成绩成绩:平时成绩平时成绩-30%考试考试-70%2第2页第一章第一章 绪论绪论1 1.1 .1 引言引言1.2 1.2 机械工程控制论研究对象与任务机械工程控制论研究对象与任务1.3 1.3 系统及其模型系统及其模型1.4 1.4 反馈反馈1.5 1.5 对自动控制系统基本要求对自动控制系统基本要求1.6 1.6 对本课程基本要求对本课程基本要求3第3页1.1 引言引言4回答三个问题：回答三个问题：1、什么什么是是“机械工程控制论机械工程控制论”?2、自动控制自动控制与自动控制理论与自动控制理论3、控制论控制论发展发展机械工程控制论机械工程控制论机械工程控制论机械工程控制论:是控制论在机械领域表达；研究用是控制论在机械领域表达；研究用是控制论在机械领域表达；研究用是控制论在机械领域表达；研究用控制论控制论基本原理来处理基本原理来处理基本原理来处理基本原理来处理机械工程中实际技术问题。机械工程中实际技术问题。机械工程中实际技术问题。机械工程中实际技术问题。控制：控制：控制：控制：对对象施加某种操作，使其产生所期望行为。自动控制自动控制自动控制自动控制:在无人直接参加情况下，经过控制器使被控对象或过程自动地按在无人直接参加情况下，经过控制器使被控对象或过程自动地按在无人直接参加情况下，经过控制器使被控对象或过程自动地按在无人直接参加情况下，经过控制器使被控对象或过程自动地按照预定规律运行。特点：照预定规律运行。特点：照预定规律运行。特点：照预定规律运行。特点：该操作由控制装置自动完成，无须人参加。第4页控制器和被控对象总体即自动控制系统。控制器和被控对象总体即自动控制系统。控制器和被控对象总体即自动控制系统。控制器和被控对象总体即自动控制系统。自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论:以自动控制系统为研究对象以自动控制系统为研究对象以自动控制系统为研究对象以自动控制系统为研究对象,采取数学方法对自动控制系统进采取数学方法对自动控制系统进采取数学方法对自动控制系统进采取数学方法对自动控制系统进行分析与综合。行分析与综合。行分析与综合。行分析与综合。例子：水箱液面控制系统：例子：水箱液面控制系统：5第5页控制论控制论控制论控制论：关于控制原理和控制方法学科，研究事物改变和发展关于控制原理和控制方法学科，研究事物改变和发展普通规律（总体概述）普通规律（总体概述）控制三要素控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置被控对象、控制目标、控制装置可控与能控可控与能控：1.被控对象（或其被控量）必须存在着各种发被控对象（或其被控量）必须存在着各种发 展可能性。假如事物未来只有一个可能展可能性。假如事物未来只有一个可能 性，就无所谓控制了性，就无所谓控制了;2.被控制对象不但必须存在各种发展可能被控制对象不但必须存在各种发展可能 性，而且，能够在这些可能性中经过一定性，而且，能够在这些可能性中经过一定 伎俩进行选择，才谈得到控制。伎俩进行选择，才谈得到控制。6第6页控制论方法控制论方法：1.了解事物面临可能性空间是什么了解事物面临可能性空间是什么;2.在可能性空间中选择某一状态为目标在可能性空间中选择某一状态为目标 （控制目标）；（控制目标）；3.控制条件，使事物向既定目标转化。控制条件，使事物向既定目标转化。7第7页控制论控制论：既是一门技术学科既是一门技术学科 又是一门技术哲学和一个科学方法论又是一门技术哲学和一个科学方法论控制论强调控制论强调：1.所研究对象是一个所研究对象是一个“系统系统”;2.系统在不停地系统在不停地“运动运动”（经历动态历程，包含内部状态和外部行为）；（经历动态历程，包含内部状态和外部行为）；3.产生运动条件是产生运动条件是“外因外因”（外界作用：输入、干扰）；（外界作用：输入、干扰）；4.产生运动依据是产生运动依据是“内因内因”（系统固有特征）。（系统固有特征）。8第8页控制论强调控制论强调：元素间相互作用：信息传递与交互元素间相互作用：信息传递与交互 状态改变状态改变 动态历程动态历程 控制论实质上研究是广义系统动力学控制论实质上研究是广义系统动力学，其关键是系统内部以及系统与外界环境信息其关键是系统内部以及系统与外界环境信息 交互、传递和反馈交互、传递和反馈。9第9页控制轮与其它学科结合，形成了众多分支学科控制轮与其它学科结合，形成了众多分支学科10控制论经济学社会学生物学工程技术经济控制论社会控制论生物控制论工程控制论机械工程机械工程机械工程机械工程机械工程控制论机械工程控制论机械工程控制论机械工程控制论共同本质特点共同本质特点：经过信息传递、处理与反馈进行控制。第10页控制论发展控制论发展发展历史：发展历史：11阶段形成时期理论基础分析方法研究对象数学工具30-50年代经典控制论时域/复域(1948)、频域(1932)SISOSingle-inputSingle-output微分方程拉式变换复变函数等60-70年代当代控制论状态空间时域MIMOMultiple-inputMultiple-output矩阵理论线性代数70-至今大系统理论智能控制时域/复域/频域法含糊集法多原因多层次复杂对象第11页标志性事件：标志性事件：18世纪，世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计为控制蒸汽机速度设计离心调整器离心调整器，是自动控制领域第，是自动控制领域第一项重大结果。一项重大结果。1877年，年，劳斯劳斯;1895年霍尔维茨年霍尔维茨;1932年，年，Nyquist提出了一个依据系统开环频率响应提出了一个依据系统开环频率响应(对稳态正弦输入对稳态正弦输入)，确定，确定闭环系统稳定性方法。闭环系统稳定性方法。1948年年,维纳所著维纳所著控制论控制论出版标志这门学科正式诞生。出版标志这门学科正式诞生。12提提提提出确定系统稳定性代数判据出确定系统稳定性代数判据出确定系统稳定性代数判据出确定系统稳定性代数判据第12页 1.2 机械工程控制论研究对象与任务机械工程控制论研究对象与任务研究对象：研究对象：研究机械工程技术中广义系统动力学问题。研究机械工程技术中广义系统动力学问题。什么是动力学问题：什么是动力学问题：动力学问题动力学问题：系统在外界作用（系统在外界作用（输入或激励、包含外加控制与外界干扰输入或激励、包含外加控制与外界干扰）下，从一定）下，从一定初始状态出发，经历由其内部固有特征（初始状态出发，经历由其内部固有特征（由系统结构与参数决定由系统结构与参数决定）所决定动）所决定动态历程（态历程（输出或响应输出或响应）。）。这一过程中，系统及其输入、输出三者之间动态关系即为系统这一过程中，系统及其输入、输出三者之间动态关系即为系统动力学动力学问题问题。13第13页例例1-1 弹簧弹簧质量质量阻尼单自由度系统阻尼单自由度系统 （书（书 p2）14同一系统、不一样外界作用同一系统、不一样外界作用图图1-3 m-c-k单自由度系统单自由度系统第14页分析：分析：分别写出其动力学方程，为分别写出其动力学方程，为系统（系统（a）:(mp2+cp+k)y(t)=f(t)系统（系统（b）:(mp2+cp+k)y(t)=(cp+k)x(t)式中：式中：p=d/dt（微分算子）（微分算子）初始状态：初始状态：y(0)=y0,(0)=0系统固有特征：系统固有特征：mp2+cp+k（与外界无关，左边（与外界无关，左边 算子）算子）外界作用：外界作用：x(t),f(t)（系统输入或激励）（系统输入或激励）外界作用方式（与外界关系，右边算子）：外界作用方式（与外界关系，右边算子）：，cp+k系统对输入响应（系统输出）：系统对输入响应（系统输出）：y(t)15第15页上例中，上例中，y(t)即微分方程解，显然，它是由系统初始条件、系统固有特征、即微分方程解，显然，它是由系统初始条件、系统固有特征、系统输入及系统与输入之间关系所决定。系统输入及系统与输入之间关系所决定。问题：问题：1.系统输入与系统固有特征怎样影响系统输入与系统固有特征怎样影响y(t)？三者之间表现为何种关系？三者之间表现为何种关系？2.系统确定并已知时，对系统施加何种输入，系统确定并已知时，对系统施加何种输入，使系统实现预期响应（即使系统实现预期响应（即y(t)）?3.对于确定输入，系统应含有什么特征，对于确定输入，系统应含有什么特征，才能使系统实现预期响应？才能使系统实现预期响应？基本动力学问题！基本动力学问题！16第16页普通地，就系统、输入、输出三者之间动态关系而言，需研究普通地，就系统、输入、输出三者之间动态关系而言，需研究问题包含：问题包含：1.系统分析问题系统分析问题：已知系统和输入，求系统响应（或输出），：已知系统和输入，求系统响应（或输出），并经过响应来研究系统本身问题；并经过响应来研究系统本身问题；2.最优控制问题最优控制问题：已知系统，确定输入，使系统输出满足要求；：已知系统，确定输入，使系统输出满足要求；3.最优设计问题最优设计问题：已知输入，设计系统，使输出满足要求；：已知输入，设计系统，使输出满足要求；4.滤波与预测问题滤波与预测问题：确定系统，以依据输出识别输入或输入中：确定系统，以依据输出识别输入或输入中相关信息；相关信息；5.系统辨识问题系统辨识问题：已知输入和输出，识别是系统结构和参数，：已知输入和输出，识别是系统结构和参数，建立系统数学模型。建立系统数学模型。17第17页1.3 系统及其模型系统及其模型系统特征系统特征：（1）系统性能不但与系统元素相关，而且还与系统结构相关；）系统性能不但与系统元素相关，而且还与系统结构相关；（2）系统内容比组成系统各元素内容要丰富得多；）系统内容比组成系统各元素内容要丰富得多；（3）系统往往表现出在时域、频域或空域等域内动态特征。）系统往往表现出在时域、频域或空域等域内动态特征。机械系统：机械系统：以实现一定机械运动、输出一定机械能，以及承受一定机械载荷为目标以实现一定机械运动、输出一定机械能，以及承受一定机械载荷为目标系统，称为机械系统。系统，称为机械系统。对于机械系统，其输入和输出分别称为对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励激励“和和“响应响应”。18机械系统机械系统激励激励响应响应扰动扰动第18页系统模型系统模型：系统模型包含实物模型、物理模型和数学模型等等。系统模型包含实物模型、物理模型和数学模型等等。19N(t)F(tF(t)静态模型动态模型静态模型静态模型:动态模型动态模型:第19页1.4 反馈反馈控制论三要素：信息、反馈、反馈控制。控制论三要素：信息、反馈、反馈控制。信息：能表示一定含义信号。能表示一定含义信号。反馈（定义）：系统输出不停地、直接或间接地、全部或部分地返回，并作用于系统，与输入信号相比较产生偏差信号过程，称为反馈。若反馈信号与输入信号相减，使产生偏差越来越小，则称为负反馈；反之，若反馈信号与输入信号相减，使产生偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈则称为正反馈“反馈控制反馈控制”是控制论中心思想是控制论中心思想反馈控制系统反馈控制系统：利用反馈原理组成自动控制系统。：利用反馈原理组成自动控制系统。反馈控制是这么一个控制过程，它能够在存在扰动情况下，力图减小系统输反馈控制是这么一个控制过程，它能够在存在扰动情况下，力图减小系统输出量与输入量之间偏差，提升控制精度。出量与输入量之间偏差，提升控制精度。20反馈控制基本工作原理：反馈控制基本工作原理：反馈控制基本工作原理：反馈控制基本工作原理：测量偏差和纠正偏差测量偏差和纠正偏差测量偏差和纠正偏差测量偏差和纠正偏差第20页主反馈（外反馈）与内在反馈（内反馈）主反馈（外反馈）与内在反馈（内反馈）主反馈：直接取自输出端反馈叫主反馈。主反馈：直接取自输出端反馈叫主反馈。相对于被控制对象而然，相对于被控制对象而然，因为附加反馈控制装置引发信息交互。因为附加反馈控制装置引发信息交互。内在反馈内在反馈：非人为，而是元件或系统中存在着相互耦合作用而形成：非人为，而是元件或系统中存在着相互耦合作用而形成固有反馈。固有反馈。内反馈例子：内反馈例子：21第21页用用“”“”号代表比较元件，号代表比较元件，“”号代表二者符号相反，号代表二者符号相反，“+”号代表二者符号代表二者符号相同。信号沿箭头方向从输入端抵达输出端传输通路称前向通路；系统输号相同。信号沿箭头方向从输入端抵达输出端传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通出量经测量元件反馈到输入端传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同组成主回路。另外，还有局部反馈通路以及由它组成内回路。路共同组成主回路。另外，还有局部反馈通路以及由它组成内回路。22(mp2+cp+k)y(t)=f(t)第22页外反馈例子外反馈例子例例1：数控机床工作台：数控机床工作台22无反馈控制开环系统反馈控制闭环系统第23页例例2：发动机离心调速系统：发动机离心调速系统：24w控制原理控制原理：1.假如负载改变使转速W增加;2.离心机构滑套上移;3.液压滑阀上移，动力活塞下移动，油门关小，W减小；4.直到滑阀回复中位，W回到设定值。经过检测系统实际输出值，并与设定值进行比较，反过来作用于系统，形成反馈，进而调整系统输出。反馈实质上是信息传递与交互。反馈实质上是信息传递与交互。（本例中反馈表现为W改变引发信息传递与交互）。第24页以发动机离心调速系统为例：以发动机离心调速系统为例：被控对象：发动机被控对象：发动机被控量：转速被控量：转速W被控量目标设定：预紧弹簧设定被控量目标设定：预紧弹簧设定 控制信息传递与反馈控制信息传递与反馈：25反馈装置第25页26第26页控制装置控制装置 给定步骤：其职能是给出与期望被控量相对应系统输入量给定步骤：其职能是给出与期望被控量相对应系统输入量 测量步骤：其职能是测量被控制物理量测量步骤：其职能是测量被控制物理量 比较步骤：把输入量与测量元件发来相关被控量反馈值进行比较，求出比较步骤：把输入量与测量元件发来相关被控量反馈值进行比较，求出它们之间偏差。它们之间偏差。放大步骤：将比较元件给出偏差进行放大，用来推进执行元件去控制被放大步骤：将比较元件给出偏差进行放大，用来推进执行元件去控制被控对象。控对象。执行步骤：直接推进被控对象，使其被控量按照预期规律运行。执行步骤：直接推进被控对象，使其被控量按照预期规律运行。27第27页反馈控制系统分类：反馈控制系统分类：1.按反馈情况按反馈情况 开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统开环控制系统：系统输出对系统没有控制作用，系统没有反馈回路。开环控制系统：系统输出对系统没有控制作用，系统没有反馈回路。比如：步进驱动数控机床比如：步进驱动数控机床28第28页闭环控制系统：系统输出对系统有控制作用，系统有反馈回路。闭环控制系统：系统输出对系统有控制作用，系统有反馈回路。比如：伺服驱动数控机床比如：伺服驱动数控机床29第29页30闭环与开环控制系统比较闭环与开环控制系统比较闭环控制系统特点闭环控制系统特点闭环控制系统特点闭环控制系统特点 偏差控制，能够抑制内、外扰动对被控制量产生影响。偏差控制，能够抑制内、外扰动对被控制量产生影响。偏差控制，能够抑制内、外扰动对被控制量产生影响。偏差控制，能够抑制内、外扰动对被控制量产生影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。开环控制系统特点开环控制系统特点 顺向作用，没有反向联络，没有修正偏差能力，抗扰动顺向作用，没有反向联络，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低性较差。结构简单、调整方便、成本低。第30页2.按输出量改变规律按输出量改变规律自动调整系统（恒值系统）：系统输出保持常量。自动调整系统（恒值系统）：系统输出保持常量。如：前例中离心调速系统如：前例中离心调速系统恒温箱、液面控制等。恒温箱、液面控制等。这类系统同时也是闭环系统。这类系统同时也是闭环系统。随动系统：系统输出对应于系统输入按任意规律改变。随动系统：系统输出对应于系统输入按任意规律改变。如：炮瞄雷达系统如：炮瞄雷达系统放形加工等。放形加工等。这类系统同时也是闭环系统。这类系统同时也是闭环系统。程序控制系统：系统输出按预定程序改变。程序控制系统：系统输出按预定程序改变。如：数控机床如：数控机床 全自动洗衣机等。全自动洗衣机等。这类系统能够是开环系统，也能够是闭环系统。这类系统能够是开环系统，也能够是闭环系统。31第31页32第32页331 1 输入信号（又叫输入量、控制量、给输入信号（又叫输入量、控制量、给输入信号（又叫输入量、控制量、给输入信号（又叫输入量、控制量、给定量）：指控制输出量改变规律信号。定量）：指控制输出量改变规律信号。定量）：指控制输出量改变规律信号。定量）：指控制输出量改变规律信号。2 2 输出信号（又叫输出量、被控制量、输出信号（又叫输出量、被控制量、输出信号（又叫输出量、被控制量、输出信号（又叫输出量、被控制量、被调整量）：是输入结果，应与输入被调整量）：是输入结果，应与输入被调整量）：是输入结果，应与输入被调整量）：是输入结果，应与输入信号间保持确定关系。信号间保持确定关系。信号间保持确定关系。信号间保持确定关系。3 3 偏差信号：是输入信号与反馈信号之偏差信号：是输入信号与反馈信号之偏差信号：是输入信号与反馈信号之偏差信号：是输入信号与反馈信号之差。差。差。差。4 4 误差信号：输出希望值与实际值之差。误差信号：输出希望值与实际值之差。误差信号：输出希望值与实际值之差。误差信号：输出希望值与实际值之差。术语术语第33页345 5 扰动信号扰动信号扰动信号扰动信号 扰动是一个对系统输出产生不利影响信号。假如扰动是一个对系统输出产生不利影响信号。假如扰动是一个对系统输出产生不利影响信号。假如扰动是一个对系统输出产生不利影响信号。假如扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰也是系统输入量。统外部，则称为外扰。外扰也是系统输入量。统外部，则称为外扰。外扰也是系统输入量。统外部，则称为外扰。外扰也是系统输入量。第34页 1.5 1.5 对自动控制系统对自动控制系统基本要求基本要求稳、快、准。系统稳定性系统稳定性：稳定性是指动态过程振荡倾向和系统能够恢复平衡状态能力，这是稳定性是指动态过程振荡倾向和系统能够恢复平衡状态能力，这是系统正常工作首要要求。系统正常工作首要要求。1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间调整能够回到原来期对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间调整能够回到原来期望值。望值。2 对随动系统，被控制量一直跟踪参据量改变。对随动系统，被控制量一直跟踪参据量改变。35稳定性是对系统基本要求，不稳定系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统结构决定与外界原因无关。第35页系统快速性系统快速性：在系统稳定前提下，当系统输出量与给定输入量之间差生偏差时，消除在系统稳定前提下，当系统输出量与给定输入量之间差生偏差时，消除这种偏差快速程度。这种偏差快速程度。系统准确性系统准确性：调整过程结束后，输出量与给定输入量之间偏差。调整过程结束后，输出量与给定输入量之间偏差。36第36页 1.6 对本课程基本要求对本课程基本要求372）依据对系统性能要求，怎样合理地设计校正装置，使系统性能能全方面地满足技术上要求。本课程任务：经典控制论范围研究两大课题：1）对于一个详细控制系统，怎样从理论上对它动态性能和稳态精度进行定性分析和定量计算。3）基本要求：上课注意听讲，重视习题；注意与其它课程联络。第37页