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1、控制工程基础,主讲 徐锦丽,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,课程性质：技术基础课 考试,学时分配：40学时=34学时+6学时 总学时 讲授 实验周学时：3,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,教材及参考书,教材：孟庆明主编，自动控制原理（非自动化类），高等教育出版社,参考书：胡寿松主编，自动控制原理（第四版），科学出版社 吴麒主编，自动控制原理，清华大学出版社董景新主编，控制工程基础（第二版），清华大学出版社,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制
2、系,课堂希望与要求：,以随机抽点方式考勤，3次以上（含3次）不到者取消期末考试资格；作业必须按时、认真、独立完成。（必须抄题，用尺画图，否则返回重写），缺作业3次以上（含3次）者取消期末考试资格；课堂听讲实验为3次，任缺1次者取消期末考试资格；期末总成绩=期末卷面成绩75%+实验成绩15分+平时成绩10分；其中平时成绩包括考勤、作业、课堂表现（其中缺课1次扣2分，缺作业1次扣1分）；每周交1次作业，每周二上课前交作业。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1 概论1.1 控制理论在工程中的应用发展,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航
3、空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1.1.1 控制理论的应用以宇宙飞船为例，要把重达数吨的宇宙飞船准确地送入预先计算好的轨道，并一直保持它的姿态正确，要保持它的太阳能电池一直朝向太阳，要保持它的无线电天线一直指向地球，要保持飞船内的温度和气压不变，要使它所携带的大量测量仪器准确地工作所有这一切必须以高度的自动控制技术为前提。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,自动控制技术已经成为生产（电力、机械、冶金、化工）、军事、科研、企业管理等几乎一切领域中必不可少的手段。因此，各个领域的科学工作者和工程技术人员都必须具备一定的自动控制工程知识。当
4、前国内外机电结合型产品，诸如典型的工业机器人、数控机床、自动导引车等都广泛地应用了控制理论。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1.1.2 自动控制理论发展简史,1788年：James Watt发明飞球调节器，用来控制蒸汽机的转速。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,例：飞球调节器,机械装置用来测量驱动杆的转速并利用飞球的转动来控制阀门，进而控制进入蒸汽机的蒸汽流量。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1884年：E.J.Routh提出劳斯
5、稳定性判据1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性理论1895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法1948年：N.Wiener发表控制论，标志这门学科的正式诞生。按照书中描述，一切物质存在，不管是天体、生物、机器直到人类社会以至于人的思维过程，都构成一定的“系统，具有不同形式的控制、反馈功能。1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，并应用于反馈控制系统的设计 1954年：钱
6、学森发表工程控制论,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1956年：蓬特里亚金提出极大值原理1957年：R.I.Bellman提出动态规划理论1960年：R.E.Kalman提出卡尔曼滤波理论19601980年：确定性系统的最优控制、随机系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制1980迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、智能控制等,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1.1.3 控制理论的分类,根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。
7、“经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统的基本方法，主要研究单输入、单输出这类控制系统的分析和设计问题。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,“现代控制理论”是在“经典控制理论”的基础上，于20世纪60年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的分支，近年来现代控制理论在大系统理论和人工智能控制等诸多领域有重大发展。,SYIAE AUTOMATION,
8、沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1.2 自动控制系统的 基本概念,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,自动控制：,在没有人直接参与的情况下，使生产过程和被控对象的某些物理量准确地按照预期规律变化。如：数控加工中心、焊接机器人、温度控制系统等,被控量,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,可以是具体的物理量，如电压、位移、角度等，也可以是数字量。,控制系统的共同点：一个或一些被控物理量按给定量的变化而变化。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动
9、 控 制 系,控制系统所要解决的基本任务 如何使被控量按给定量的变化规律而变化。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1.2.1 自动控制系统工作原理,以恒温系统为例,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,人工调节过程：1、观测温度（被控量）2、与要求温度（给定 量）比较，得出偏差的大 小和方向 3、根据偏差进行控制,控制过程：测量，求偏差，控制以纠正偏差,若能找到一个控制器代替人的职能，就变成了自动控制。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,调压
10、器左移,调压器不动,自动控制,调压器右移,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,自动控制,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,共同特点：检测偏差用以纠正偏差。偏差是通过反馈建立起来的，该原理称为反馈控制原理，该系统称为反馈控制系统。,自动控制,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,自动控制,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,图中看到：1、反馈控制的基本原理 2、各职能环节的作用是单向的 总之，实现自
11、动控制的装置可各不相同，但反馈控制的原理却是相同的。反馈控制是实现自动控制的最基本方法,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1.2.2 反馈控制系统的基本组成,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1.2.3 开环控制与闭环控制1、开环控制 输入、输出之间无反馈回路 输出对系统的控制作用无影响如：,干扰,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,优点：结构简单、价格便宜、容易维修缺点：精度低，易受环境变化的干扰,SYIAE AUTOMATION,沈 阳
12、航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,2、闭环控制如：,优点：精度高、动态性能好、抗干扰能力强等缺点：由于元件或负载的惯性，易引起振荡，使系统不稳定；结构复杂、价格贵、维修人员要求文化素质高。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1.2.4自动控制系统的基本类型,1、按给定量的变化规律分：恒值调节系统 如：稳压电源程序控制系统 如：数控机床随动系统 如：火炮自动系统 机床随动系统,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,2、根据采用的信号处理技术的不同模拟控制系统：采用模拟技术处理信号的，称为
13、。数字控制系统：采用数字技术处理信号的，称为。采用何种信号处理技术取决于许多因素，如可靠性、精度、复杂程度以及经济性等,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,3、按描述系统微分方程的形式分：线性控制系统非线性控制系统,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1.2.5 对控制系统的基本要求,稳定,准确,快速,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1、稳定性 由于系统存在着惯性，当系统各个参数分配不当时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。稳定性就是指系统动
14、态过程的振荡倾向和系统恢复平衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应随着时间收敛并且回到初始的平衡状态。稳定性是系统工作的首要条件。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,稳定,不稳定,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,2、快速性 这是在系统稳定的前提下提出的。指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,3、准确性 指调整过程结束后，输出量与给定的输入量之间的偏差，即静态精度，这也是衡
15、量系统工作性能的重要指标。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、准、快的要求各有侧重，例如，随动系统对快速性要求较高，而调速系统对稳定性提出较严格的要求；对于机械系统，首要的是稳定性，因为过大的振荡将会使部件过载而损坏。同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程又可能过于迟缓，精度也可能变坏。分析和解决这些矛盾，是本学科讨论的重要内容。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1.3 控制理论 在机械制造中的应用,控制理
16、论在机械制造中的应用随着控制理论的发展越来越广泛,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,1788年瓦特发明的蒸汽机离心调速器就是一个自动调节系统，是控制理论应用的典型代表。（P8图1-8）,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,工业机器人的一个关节伺服系统（P9图1-9）数控机床进给系统（P10图1-10）六个自由度机械手（P10图1-11）感应导线式自动导引车（P11图1-12）柔性制造系统（P12图1-13）,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,
17、1.4 课程内容的基本要求,控制工程基础课主要阐述的是有关反馈自动控制技术的基础理论。本课程是一门非常重要的技术基础课，涉及经典控制理论的主要内容及应用。,尽管经典控制理论在20世纪60年代已完全发展成熟，但它并不过时，经典控制理论是整个自动控制理论的基础。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,所需基础知识,高等数学、复变函数、积分变换、理论力学、电工学,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,本课程的基本要求掌握反馈控制系统的基本概念，包括基本原理、基本组成、开环控制、闭环控制掌握建立机电系统动力
18、学模型的方法；掌握机电系统的时域分析方法；掌握机电控制系统的频域和根轨迹分析方法；掌握机电控制系统的稳定性分析及误差分析；掌握机电控制系统的综合与校正。,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,例1 晶体管直流稳压电源,要明确：1、被控量、基准（输出）（输入）2、比较点,例题及习题,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,C,A,B,例2 简单液压系统,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,SYIAE AUTOMATION,沈 阳 航 空 工 业 学 院 自 动 控 制 系,作业：p15 1-1,1-4,
