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1、控制工程基础,Basis of Control Engineering,2023年10月31日星期二,0.2 课程性质、地位和任务,控制工程基础是与所有工程技术相关的技术基础课工程中的数学。,基础课,2023年10月31日星期二,课程性质、地位和任务,任务：掌握控制系统的 基本理论2.掌握控制系统的 分析和设计方法,2023年10月31日星期二,0.3 课程主要内容,第一章 控制系统导论第二章 控制系统数学模型第四章 反馈控制系统特性第五章 反馈控制系统性能第六章 线性反馈系统的稳定性第七章 根轨迹法第八章 频率响应法第九章 频域稳定性第十章 反馈控制系统设计第十三章 数字控制系统,2023年
2、10月31日星期二,教学内容,随着科技的发展，无论工业领域，还是农业、军事国防等领域的自动化的程度不断提高，作为自动控制理论的入门课程，控制工程基础已成为机械设计制造及其自动化专业、车辆工程专业、材料成型及控制工程专业、热能与动力工程专业等机械类，甚至几乎是所有的工科和政治、经济、管理学科类的一门很重要的专业基础课。,2023年10月31日星期二,教学内容,本课程主要讲授有关经典控制理论的一些基本概念、基本理论、基本分析和设计知识，包括时域分析、频域分析和根轨迹分析方法，了解非线性系统和离散系统的分析方法，使学生掌握控制理论的工程应用，提高分析问题和解决问题的能力。,2023年10月31日星期
3、二,知识模块顺序及对应的学时,一、理论教学内容（42学时），主要为经典控制.1.基本知识（3学时）：控制理论在工程中的应用发展；控制系统基本概念；本课程主要内容。2.系统动态数学模型（9学时）：控制系统时域数学模型微分方程及非线性微分方程的线性化；控制理论中的一种很重要的数学变换拉氏变换及反变换；传递函数的定义、物理意义及求取方法；输入输出信号与传递函数的关系；系统函数方块图及其简化；绘制实际物理系统的函数方块图。,2023年10月31日星期二,3.系统的时间响应分析（6学时）：典型输入信号，一阶、二阶系统的瞬态响应及其性能指标，高阶系统的瞬态响应分析。4.系统的频率特性分析（6学时）：频率特
4、性与系统传递函数间的关系，频率特性的表示方法，频率特性的图示（Nyquist图和Bode图）方法，对最小相位系统由频率特性曲线求系统的传递函数。,2023年10月31日星期二,5.系统的稳定性（6学时）：系统稳定性的基本概念，判别线性定常系统稳定性的充要条件，Routh稳定性判据、Nyquist稳定性判据和Bode稳定性判据的基本原理和使用方法，系统的相对稳定性,相位储备和幅值储备。6.系统的误差分析和计算（3学时）:稳态误差的基本概念；输入引起的稳态误差和静态误差系数；干扰引起的稳态误差和减小系统误差的途径。,2023年10月31日星期二,7.控制系统的综合与校正（3学时）：系统校正的基本概
5、念、目的与实质，控制系统的串联校正（包括超前校正，滞后校正，滞后-超前校正），PID校正，反馈校正，顺馈校正等的基本特性。8.根轨迹分析（3学时）：根轨迹与根轨迹方程；绘制根轨迹的基本法则；利用根轨迹法对控制系统进行分析；系统闭环零点、极点的分布与性能指标的关系。,2023年10月31日星期二,计算机控制系统简介及复习串讲（3学时）,2023年10月31日星期二,二、实验教学内容（6学时）,1、实验一 控制系统的时间响应分析 2、实验二 控制系统的频域响应分析,2023年10月31日星期二,课程的重点、难点及解决办法,课程的重点：1.系统的数学模型：主要介绍数学模型的建立方法、拉氏变换、传递函
6、数的定义、简单系统传递函数的求法、系统方块图及其简化；2.系统的时间响应：主要研究一阶、二阶系统的时域特性及稳态误差；3.系统的频率特性：主要包括系统频率特性的概念及求法、系统的Bode图,Nyquist图；,2023年10月31日星期二,4.系统的稳定性：主要研究线性定常系统的稳定性条件、劳斯判据和乃奎斯特判据在系统稳定性判断方面的应用。5.系统的校正：主要讨论相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后-超前校正和并联校正的原因和使用场合。6.根轨迹分析法：根轨迹绘制法则及应用、采用根轨迹进行控制系统的稳定性分析和快速性分析。,2023年10月31日星期二,课程的难点：1.系统的数学模型方面的难点
7、：拉氏变换和反拉氏变换、系统方块图的简化2.系统频率特性方面的难点：Bode图和Nyquist图的基本作法。3.系统的时域性能方面的难点：时域性能指标和稳态误差系数的理解及求取.,2023年10月31日星期二,4.系统稳定性方面的难点：乃奎斯特稳定性判据的综合应用。5.根轨迹分析方面的难点：根轨迹的绘制方法及根据根轨迹判断系统的稳定性和响应的快速性问题。由于本课程需要掌握的公式、结论比较多，涉及的数学知识比较多，因此在教学过程中注意与数学物理概念的紧密结合，使学生真正掌握分析问题和解决问题的方法。,2023年10月31日星期二,解决课程的重点和难点的方法：1.合理规划课程内容，注重知识的前后衔
8、接和连贯性，介绍新的分析方法时注重讲解原因及此方法与其他方法的区别，注意回顾、复习。对重点难点内容采用讲一遍、归纳一遍、复习一遍的反复讲授形式以加深学生印象。2.启发式教学，采用提出问题、分析问题、解决方法的连续过程引导学生思考和总结。,2023年10月31日星期二,3.突出重点、强调难点，引起学生的注意，提醒紧跟讲授思路，增强学习效果。4.开设习题课和辅导答疑，习题课的重点是针对普遍掌握不好的问题，辅导答疑可以选择课间休息或单独设立的答疑时间。5.利用现代化的教学手段，采用多媒体教学，可以提高教学质量。,2023年10月31日星期二,参 考 书 目,1.现代控制工程第四版。美Katsuhik
9、o Ogata著，卢伯英、于海勋等译，电子工业出版社，2003.72.自动控制原理，吴麒主编，清华大学出版社，2004.6。3.自动控制原理刘明俊 于明祁 杨泉林编著，国防科技大学出版社，2000.2,2023年10月31日星期二,4、董景新，赵长德等，控制工程基础（第3版），北京：清华大学出版社，2009.5、王显正，陈正航,王旭永，控制理论基础，北京：科学出版社,20006、杨叔子，杨克冲，机械工程控制基础（第4版）武汉：华中科技大学出版社，2002,2023年10月31日星期二,参 考 书 目,(1),(2),(3),2023年10月31日星期二,第一章 控制系统导论,教学要求：（教材第
10、一章）主要内容：什么是控制？控制系统基本结构，控制理论发展历史基本要求：掌握控制系统基本结构。预期收获：（见教材第1页）,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,一、控制通俗地说，控制就是使被控对象按照我们预定的方式工作,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,被控对象亦称为控制对象或受控对象,被控对象,控制量u(t),输出y(t),1）被控对象,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,2）被控对象举例：,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,3）被控对象的区别：,自行高炮：速度方向
11、火控：火炮方位角火炮高低角,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,被控对象,控制量u(t),输出y(t)被控变量,4）被控对象的描述被控变量,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,二、自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量（被控量）自动地按照预定的规律运行。,2023年10月31日星期二,例如：火炮根据雷达指挥仪传来的信息，能够自动 地改变方位角和俯仰角，随时跟踪目标，瞄准弹着点；程序控制机床能够按预先排定的工艺程序自动地进刀切削，加工出预期的几何形状；电弧炼钢炉的电极能自动地跟随钢水的液面作上下移动，以便与液面保持一
12、定距离；导弹、飞机的自动驾驶仪等。,1.0 控制系统相关概念定义,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,自动控制对于工农业生产和科学技术的发展具有越来越重要的作用。不仅在宇宙航行、导弹制导、核技术以及兵器控制等新兴学科领域中是必不可少的，而且在国民经济建设的各个领域中都得到了广泛应用。比如，发电站电压、频率的自动控制，机床的自动控制，锅炉设备中蒸汽压力的自动调节，炼钢炉温度的自动控制等等都是自动控制技术的应用。,2023年10月31日星期二,所有这些自动控制系统的例子，尽管它们的结构和功能各不同，但我们可以发现它们有共同的规律，即它们都是一个或一些被控制的物理量按照另一个
13、物理量，即控制量的变化而变化，或保持恒定。,1.0 控制系统相关概念定义,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,一般地说如何使被控制量按照给定量的变化规律变化，这就是一个自动控制系统所要解决的最基本的问题。,2023年10月31日星期二,根据对被控对象控制方式（结构）的不同，自动控制系统的基本控制方式可以分为三种：开环控制方式闭环（反馈）控制方式复合控制方式,1.0 控制系统相关概念定义,2023年10月31日星期二,1）开环控制 在没有反馈的情况下，利用控制装置直接控制被控对象。2）闭环控制 根据预期输出的指令（即输入指令），由控制器控制被控对象，同时对被控量进行测量，
14、并将此测量值反馈到输入端与预期输出值（即输入值）进行比较，由此所得偏差，通过控制器来控制被控对象。,1.0 控制系统相关概念定义,2023年10月31日星期二,3）复合控制方式由于反馈控制只有在偏差出现后才产生控制作用，因此系统在强干扰作用下，控制过程中被控量可能有较大的波动。同时，为了提高系统的快速性及稳态精度，除了在主反馈回路内部进行串联或局部反馈补偿之外，宜采用设置在回路以外的前置滤波或干扰补偿装置，这种开环和闭环的组合称为复合控制。,1.0 控制系统相关概念定义,2023年10月31日星期二,开环控制系统(无反馈),1.0 控制系统相关概念定义,执行机构,控制对象,预期输出,实际输出,
15、3）开环控制系统,控制器,2023年10月31日星期二,电风扇的控制系统,1.0 控制系统相关概念定义,电机（执行机构）,风扇叶片（控制对象）,开关或程序控制器,开环例1：,控制电压,2023年10月31日星期二,控制对象,开环控制特点：信息的单向流动,1.0 控制系统相关概念定义,执行机构,控制对象,预期输出,实际输出,控制器,2023年10月31日星期二,开环控制特点：信息的单向流动,1.0 控制系统相关概念定义,控制对象,预期输出,实际输出,控制器,控制量,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,4）闭环控制系统,闭环反馈控制系统(有反馈),2023年10月31日星期
16、二,1.0 控制系统相关概念定义,反馈：控制的核心思想,闭环控制特点：信息的双向流动,2023年10月31日星期二,反馈控制是自动控制系统中最基本的控制方式，在工程中获得了广泛的应用。,1.0 控制系统相关概念定义,反馈是控制的精髓,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,控制器,设定温度Td(t),室内温度T(t),比较器,室内温度测量,空调压缩机,闭环例1：空调控制系统,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,闭环例1：制冷原理,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,闭环例2：汽车方向控制系统,2023年10月31日星期二,控制
17、器,1.0 控制系统相关概念定义,驾车人,汽车,预期方向,实际方向,比较器,视觉测量,偏差,方向盘,闭环例2：汽车方向控制系统,2023年10月31日星期二,控制器,1.0 控制系统相关概念定义,驾车人,汽车,预期速度,实际速度,比较器,速度仪测量,偏差,油门刹车,闭环例3：汽车速度控制系统,2023年10月31日星期二,1.0 控制系统相关概念定义,按控制方式可分为：开环控制、闭环控制、复合控制；按执行器类型可分为：电气控制系统、液压控制系统、气动控制系统；按系统功用可分为：速度控制系统、温度控制系统、位置控制系统；,自动控制系统的分类,2023年10月31日星期二,按参变量变化规律可分为恒
18、值控制系统、随动控制系统、程序控制系统等；按信号的属性可分为模拟控制系统、数字控制系统或计算机控制系统等，,1.0 控制系统相关概念定义,2023年10月31日星期二,根据不同的控制理论又可分为经典控制系统、现代控制系统（如最优控制系统、自适应控制系统、随机控制系统等）和智能控制系统（如专家系统、模糊控制系统、神经元网络控制系统等）。,1.0 控制系统相关概念定义,2023年10月31日星期二,1.1 控制系统的定性研究,一、控制的目的：使被控对象按照我们预定的方式工作。,实际输出y(t)预期输出r(t),2023年10月31日星期二,1.1 控制系统的定性研究,二、控制的要求：快、准、稳,稳
19、：指稳定性，是系统完成任务的必要条件,2023年10月31日星期二,1.1 控制系统的定性研究,快、准：指快速性、准确性，完成任务的性能,2023年10月31日星期二,1.1 控制系统的定性研究,三、反馈的多样性：负反馈、正反馈,例：已知铀235原子核在一个中子的撞击下，可发生核裂变反应，放出大量的能量，同时释放大约2.5个中子，放出的中子有可能再与铀235原子核发生核反应，这就是所谓核裂变的链式反应。,2023年10月31日星期二,1.1 控制系统的定性研究,核裂变反应式,初始中子,实际中子数,有效中子率,+,+,有效中子数,正反馈例1：核爆,能量,2023年10月31日星期二,1.1 控制
20、系统的定性研究,负反馈例子1：P1.4核电站控制,电流i,石墨棒,电离室,反应堆,石墨反应堆示意图,2023年10月31日星期二,1.1 控制系统的定性研究,功率测量值,功率控制器,反应堆,设定功率,输出功率,传感器,+,-,偏差E(t),输入变量r(t),输出变量y(t),被测变量=反应堆中子数,负反馈例子1：P1.4核电站控制,2023年10月31日星期二,1.2 自动控制发展简史,1)自动控制溯源,古希腊水钟原理图（公元前300年-公元前1年）,浮塞,V1,V2,V3,2023年10月31日星期二,V1V2进水量,V2设定液面,V2实际液面,比较器,V2 液面测量,+,-,水钟,希腊水钟
21、的液面控制,2023年10月31日星期二,1.2 自动控制发展简史,瓦特蒸汽机转速调节器（1769年）,V1,V2,1)自动控制溯源,2023年10月31日星期二,V1V2进汽量,设定转速Vd,实际转速,比较器,转速测量,蒸汽机,+,-,蒸汽机转速控制,2023年10月31日星期二,1.2 自动控制发展简史,1)自动控制溯源,高炮的控制系统（1945年）,2023年10月31日星期二,1.2 自动控制发展简史,Parkinson高炮自动射击系统原理图,飞机位置,控制器,比较器,电机,方位角测量值,雷达,电位计,数学解算,控制器,比较器,电机,高低角测量值,电位计,预期方位角,预期高低角,高炮实
22、际方位角,高炮实际高低角,2023年10月31日星期二,1.2 自动控制发展简史,2）自动控制理论的发展James Watt 1766年 蒸汽机飞球控制器J.C Maxwell 1868年 控制理论的数学基础：微分方程模型Laplace（1749-1827年）Laplace变换：线性微分方程的解 Routh（1892）、Hurwitz（1895年）微分方程的稳定性判据,2023年10月31日星期二,1.2 自动控制发展简史,2）自动控制理论的发展Wiener(1948年)控制论：反馈Nyquist（1932年）频率法稳定性判据Bode（1927年Bode图控制器设计法）Evans（1948年根
23、轨迹控制器设计法）20世纪60-70年代 现代控制理论,2023年10月31日星期二,1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制论；,1954年：钱学森用英文出版工程控制论，首先把控制论推广到工程技术领域,2023年10月31日星期二,根轨迹设计,1.2 自动控制发展简史,微分方程,传递函数,状态方程,时域设计方法,拉普拉斯变换,Bode图设计,非线性、MIMO,3）控制理论基本框架,控制系统,2023年10月31日星期二,1.3 本课程教学安排,课本结构,第1章,状态反馈,时域设计方法,第2章,第11章,第4章,第5章,第8章,第9章,第6章,第7章,第10章,频域设计
24、方法,第3章,Bode图法,根轨迹法,2023年10月31日星期二,第一章 小结,1、控制和控制对象2、控制的两种基本方式：(1)开环控制(2)闭环控制3、控制的基本要求：快、准、稳,2023年10月31日星期二,第一次课 作业,E1.1,E1.2,E1.4,E1.6,P1.1,P1.5,P1.15 P1.19,P1.20。思考讨论题：AP1.3,DP1.2,DP1.4阅读教材：Page 1-29作业要求：（可以不抄题）(1)独立完成(2)完成控制系统框图绘制(3)明晰控制系统各部分工作原理,2023年10月31日星期二,1.6 控制系统举例,1）转盘速度的开环控制,转台,直流放大器,直流电机
25、,转速,2023年10月31日星期二,1.6 控制系统举例,实际转速,预期速度（电压）,控制装置,直流放大器,执行机构,直流电机,受控对象,转台,2023年10月31日星期二,1.6 控制系统举例,2）转盘速度的闭环控制,转台,直流放大器,直流电机,转速,转速计,+,-,2023年10月31日星期二,1.6 控制应用举例,实际转速,预期转速,（电压）,控制装置,直流放大器,执行机构,直流电机,受控对象,转台,+,-,传感器,测速计,应用领域：高保真音响、影碟机、硬盘、软盘,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2
26、023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2
27、023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,神州五号、六号、七号、八号载人航天成功（中国，2003年，2005年，2008年，2011年）,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）,2023年10月31日星期二,浮球液位调节温度控制（空调、冰箱和加热器等）家庭应用自动化和机器人住宅自动化汽车控制和智能交通系统（ITS）半导体制造业娱乐业计算机外设电力工业冶金工业自动化仓库和库存控制生物医学和生物学控制社会、经济和政治,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,控制理论在机械制造工业中的应用,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,2023年10月31日星期二,
