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1、控制工程基础,自动化学院,第一章 概论,学习要点：介绍控制理论在工程中的应用发展自动控制系统的基本概念控制理论在机械制造工业中的一些具体应用本书的主要内容,第一章 概论1-1 控制理论在工程中的应用发展,控制理论是在产业革命的背景下，在生产和军事需求的刺激下，自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互交叉发展的产物。奠基人是美国科学家维纳。,从本世纪以来，特别是第二次世界大战以后，自动控制和自动化科学得到了迅速的发展。控制理论在军事上的发展刺激了其在民事上的应用（如冶金、数控、电力等）。同时也渗透到其他领域生物控制论、经济控制论和社会控制论等。控制论的中心思想是通过信息的传递、加工处理并加以
2、反馈来进行控制。,工业生产的自动化，改善了劳动条件，增加了产量，提高了质量。在军事装备上，自动控制技术大大地提高了武器的威力和精度。近十几年来，由于计算机的广泛应用和控制理论的发展，使得自动控制技术所能完成的任务更加复杂、应用的领域也越来越广泛。,机电工业是我国最重要的支柱产业之一，而传统的机电产品正在向机电一体化（mechatrnics）方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化。如工业机器人、数控机床、自动导引车等。,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
3、控制工程知识。,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。,“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。,“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。,半
4、个世纪以来，控制理论从主要依靠手工计算的经典控制理论发展到依赖计算机的现代控制理论，发展了最优控制、自适应控制、智能控制。同时还发展了MATLAB等控制系统计算机辅助设计工具，使控制理论在工程上的应用更加方便。,1-2 自动控制系统的基本概念,自动控制：,在没有人直接参予的情况下，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,可以是具体的物理量，如电压、位移、角度等，也可以是数字量。,一个共同点：一个或一些被控物理量按给定量的变化而变化。,给定量是恒定的控制系统叫做恒值调节系统，如稳压电源、恒温系统等；如被调量随着给定量的变化而变化，则是
5、调节系统或随动系统，如转速调节系统，位置随动系统等。,一般地说，如何使被控量按给定量的变化规律而变化，是控制系统所要解决的基本任务。,几个概念：控制量：系统的输入，是作用在系统的激励信号。控制输入：使系统具有预定性能的输入信号。扰动：干扰或破坏系统预定性能的输入信号被控量：系统的输出，表征控制对象或过程的状态和性能,学习控制理论的目的：系统分析综合和设计系统,一、自动控制系统工作原理（以恒温系统为例）有两种控温方法：人工控制 自动控制,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
6、到一个控制器代替人的职能，就变成了自动控制。,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。,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,二、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,参考输入,控制器,受控对象,开环控制系统的一般形式,控制指令,输出,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,2、闭环控制 输入、输出之间有反馈回路 输出对
7、系统的控制作用有影响,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。,三、反馈控制系统的基本组成,四、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,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。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,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,五、对控制系
8、统的基本要求,稳定,准确,快速,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。,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。,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，这也是衡量系统工作性能的重要指标。,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
9、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。,1-3 课程主要内容,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，是机械类等专业本科的一门必修课程。本课程涉及经典控制理论的主要内容及应用，更加突出了机电控制的特点。,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,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。,本课程的基本要求包括：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、闭环控制等；掌握建立机电系统动力学模型的方法；掌握机电系统的时域分析方法；掌握机电系统的频域分析方法；掌握模拟机电控制系统的分析及设计综合方法；,
