1、 我的聯系方式：我的聯系方式： EMAILEMAIL：Tel: 62792119Tel: 62792119辦公室：精儀系館辦公室：精儀系館22062206室室第一章第一章 概論概論第二章第二章 控制系統的動態數學模型控制系統的動態數學模型第三章第三章 時域瞬態響應分析時域瞬態響應分析第四章第四章 控制系統的頻率特性控制系統的頻率特性第五章第五章 控制系統的穩定性分析控制系統的穩定性分析第六章第六章 控制系統的誤差分析和計算控制系統的誤差分析和計算第七章第七章 控制系統的綜合與校正控制系統的綜合與校正* * 第八章第八章 根軌跡法根軌跡法* * 第九章第九章 控制系統的非線性問題控制系統的非線性

2、問題第十章第十章 計算機控制系統計算機控制系統第十一章第十一章 MATLABMATLAB軟件工具在控制系統分析軟件工具在控制系統分析 和綜合中的應用和綜合中的應用1.1 1.1 自動控制系統的基本概念自動控制系統的基本概念1.2 1.2 控制工程的發展控制工程的發展1.3 1.3 控制理論在機械制造工業中的應用控制理論在機械制造工業中的應用1.41.4 課程主要內容及學時安排課程主要內容及學時安排第一章 概論l 自動控制自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過

3、程（通稱被控對象）的某器、設備或生產過程（通稱被控對象）的某個工作狀態或參數（即被控量）自動地按照個工作狀態或參數（即被控量）自動地按照預定的規律運行。預定的規律運行。如：數控機床、室內溫度控制、機車、船舶如：數控機床、室內溫度控制、機車、船舶 及飛機自動駕駛、導彈制導等。及飛機自動駕駛、導彈制導等。第一章 概論l 工作原理工作原理加熱電阻絲220V調壓器人工控制的恒溫箱 溫度計第一章 概論人工控制恒溫箱調節過程：人工控制恒溫箱調節過程： 觀測恒溫箱內的溫度（被控制量）觀測恒溫箱內的溫度（被控制量） 與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度與要求的溫度（給定值）進行比較，得到溫度 偏差的大小和

4、方向偏差的大小和方向 根據偏差大小和方向調節調壓器，控制加熱電根據偏差大小和方向調節調壓器，控制加熱電 阻絲的電流以調節溫度回復到要求值。阻絲的電流以調節溫度回復到要求值。人工控制過程的實質：人工控制過程的實質：檢測偏差再糾正偏差檢測偏差再糾正偏差。第一章第一章 概論概論大腦大腦手手調壓器調壓器恒溫箱恒溫箱眼睛眼睛實際實際溫度溫度期望期望溫度溫度人工控制恒溫箱系統功能框圖人工控制恒溫箱系統功能框圖溫度計溫度計第一章第一章 概論概論加熱電阻絲加熱電阻絲220V調壓器調壓器熱電偶熱電偶給定信號給定信號比較比較電壓電壓放大器放大器功率功率放大器放大器執行執行電動機電動機減速器減速器u2u1+ u恒溫

5、箱自動控制系統恒溫箱自動控制系統第一章第一章 概論概論恒溫箱自動控制系統工作原理：恒溫箱自動控制系統工作原理：恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓u2 恒溫箱期望溫度由電壓恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度給定，并與實際溫度 u2比較得到溫度偏差信號比較得到溫度偏差信號 uu1 u2溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動 執行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸執行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸 頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向 運動，反之加大電流，直

6、到溫度達到給定值為運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為 止，此時，偏差止，此時，偏差 u0，電機停止轉動。，電機停止轉動。第一章第一章 概論概論給定給定信號信號電壓電壓功率功率放大器放大器控制控制電機電機減減速速器器調調壓壓器器恒溫箱恒溫箱(控制控制對象對象)熱電偶熱電偶 u1u2 uuanvu溫度溫度t(被控量被控量)擾動擾動恒溫箱自動控制系統功能框圖恒溫箱自動控制系統功能框圖第一章第一章 概論概論從恒溫箱控制系統功能框圖可見：從恒溫箱控制系統功能框圖可見： 給定量位于系統的輸入端，稱為系統輸入量。給定量位于系統的輸入端，稱為系統輸入量。 也稱為參考輸入量（信號）。也稱為參考輸入量（信號

7、）。 被控制量位于系統的輸出端，稱為系統輸出量。被控制量位于系統的輸出端，稱為系統輸出量。 輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系 統的輸入端，使之與輸入量進行比較，產生偏統的輸入端，使之與輸入量進行比較，產生偏 差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。 輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部 分輸出信號稱為反饋信號。分輸出信號稱為反饋信號。第一章第一章 概論概論綜上所述，控制系統的工作原理：綜上所述，控制系統的工作原理：檢測輸出量檢測輸出量（被控制量）（被控制量）的實際

8、值的實際值將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比 較得出偏差；較得出偏差； 用偏差值產生控制調節作用去消除偏差，使得用偏差值產生控制調節作用去消除偏差，使得 輸出量維持期望的輸出。輸出量維持期望的輸出。第一章第一章 概論概論由于存在輸出量反饋，上述系統能在存在無法預由于存在輸出量反饋，上述系統能在存在無法預計擾動的情況下，自動減少系統的輸出量與參考計擾動的情況下，自動減少系統的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態）之間的偏輸入量（或者任意變化的希望的狀態）之間的偏差，故稱之為差，故稱之為反饋控制反饋控制。顯然：顯然：反饋控制建立在偏差基礎上反饋

9、控制建立在偏差基礎上，其控制方式是，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差檢測偏差再糾正偏差”。第一章第一章 概論概論這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進這種基于反饋原理，能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間既定關系的系統。行比較，并力圖保持兩者之間既定關系的系統。稱為稱為反饋控制系統反饋控制系統。反饋控制系統具備。反饋控制系統具備測量測量、比比較較和和執行執行三個基本功能。三個基本功能。 注意：反饋控制系統中，反饋信號是與給定信號注意：反饋控制系統中，反饋信號是與給定信號相減，使偏差越來越小，稱為相減，使偏差越來越小，稱為負反饋負反饋。負反饋控。負反饋控制是實現自動控制最基本的

10、方法。制是實現自動控制最基本的方法。第一章第一章 概論概論l 開環控制與閉環控制開環控制與閉環控制實際的控制系統根據有無反饋作用可分為三類：實際的控制系統根據有無反饋作用可分為三類： 開環控制系統開環控制系統 閉環控制系統閉環控制系統 半半閉環控制系統閉環控制系統第一章第一章 概論概論 開環控制系統開環控制系統特點特點：系統僅受輸入量和擾動量控制；輸出端：系統僅受輸入量和擾動量控制；輸出端 和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量 在整個控制過程中對系統的控制不產生在整個控制過程中對系統的控制不產生 任何影響。任何影響。 輸入輸入裝置裝置指令指令系統輸入系統輸入控制

11、控制裝置裝置伺服伺服驅動裝置驅動裝置工作臺工作臺工作臺工作臺 位置位置系統輸出系統輸出數控機床的開環控制系統框圖數控機床的開環控制系統框圖第一章第一章 概論概論優點優點：簡單、穩定、可靠。若組成系統的元件：簡單、穩定、可靠。若組成系統的元件 特性和參數值比較穩定，且外界干擾較特性和參數值比較穩定，且外界干擾較 小，開環控制能夠保持一定的精度。小，開環控制能夠保持一定的精度。缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力控制器控制器對象或過程對象或過程輸入量輸入量輸出量輸出量開環控制系統框圖開環控制系統框圖第一章第一章 概論概論 閉環控制系統閉環控制系統特點：輸出端和輸入端

12、之間存在反饋回路，輸特點：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸 出量對控制過程有直接影響。出量對控制過程有直接影響。 閉環的作用：應用反饋，減少偏差。閉環的作用：應用反饋，減少偏差。 優點優點：精度高，對外部擾動和系統參數變化不：精度高，對外部擾動和系統參數變化不 敏感敏感 缺點缺點：存在穩定、振蕩、超調等問題，系統性：存在穩定、振蕩、超調等問題，系統性 能分析和設計麻煩。能分析和設計麻煩。 第一章第一章 概論概論控制器控制器對象或過程對象或過程輸入量輸入量輸出量輸出量測量元件測量元件閉環控制系統框圖閉環控制系統框圖反饋量反饋量 半半閉環控制系統閉環控制系統特點：反饋信號通過系統內部的中間信號獲

13、得。特點：反饋信號通過系統內部的中間信號獲得。第一章第一章 概論概論l 閉環控制系統的組成閉環控制系統的組成給定給定元件元件 +串聯校正串聯校正元件元件放大變換放大變換元件元件執行執行元件元件控制控制對象對象_ +_并聯校正并聯校正元件元件局部局部反饋反饋反饋元件反饋元件主反饋主反饋控制部分控制部分比較比較元件元件比較比較元件元件輸入信號輸入信號 xi偏差信號偏差信號 e主反饋信號主反饋信號 xb擾動信號擾動信號輸出輸出 xo閉環控制系統的組成閉環控制系統的組成第一章第一章 概論概論 給定元件給定元件 產生給定信號或輸入信號。產生給定信號或輸入信號。 反饋元件反饋元件 測量被控制量（輸出量），

14、產生反饋信號。測量被控制量（輸出量），產生反饋信號。 為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。 注意：在機械、液壓、氣動、機電等系統中注意：在機械、液壓、氣動、機電等系統中 存在著內在反饋，這種反饋無須專門存在著內在反饋，這種反饋無須專門 的反饋元件，是系統內部各參數相互的反饋元件，是系統內部各參數相互 作用產生的，如作用力與反作用力之作用產生的，如作用力與反作用力之 間形成的直接反饋。間形成的直接反饋。第一章第一章 概論概論 比較元件比較元件 對給定信號和反饋信號進行比較，產生偏差對給定信號和反饋信號進行比較，產生偏差 信號；信號； 放大元件放大元件 對偏差信號進

15、行放大，使之有足夠的能量驅對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅 動執行元件實現控制功能。動執行元件實現控制功能。 執行元件執行元件 直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、液壓馬達等；液壓馬達等； 第一章第一章 概論概論 校正元件校正元件 用以改善系統控制質量的裝置。用以改善系統控制質量的裝置。控制系統中比較元件、放大元件、執行元件和控制系統中比較元件、放大元件、執行元件和反饋元件等共同起控制作用，統稱為控制器。反饋元件等共同起控制作用，統稱為控制器。實際的控制系統中，擾動總是不可避免的，擾實際的控制系統中，擾動總是不可避免的，擾動分為內部擾動和外部擾

16、動，但在控制系統中，動分為內部擾動和外部擾動，但在控制系統中，擾動集中表現在控制量與被控量的偏差上，因擾動集中表現在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統的擾動等效為對控制對象此，可以將控制系統的擾動等效為對控制對象的干擾。的干擾。校正元件分為串聯和并聯兩種。校正元件分為串聯和并聯兩種。第一章第一章 概論概論二、控制系統的基本類型二、控制系統的基本類型l 按輸入量的特征分類按輸入量的特征分類 恒值控制系統恒值控制系統系統輸入量為恒定值。控制任務是保證在任何系統輸入量為恒定值。控制任務是保證在任何擾動作用下系統的輸出量為恒值。擾動作用下系統的輸出量為恒值。 如：恒溫箱控制、電網電壓、頻率控

17、制等。如：恒溫箱控制、電網電壓、頻率控制等。 程序控制系統程序控制系統輸入量的變化規律預先確知，輸入裝置根據輸輸入量的變化規律預先確知，輸入裝置根據輸入的變化規律，發出控制指令，使被控對象按入的變化規律，發出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如數控加工系統。照指令程序的要求而運動。如數控加工系統。第一章第一章 概論概論 隨動系統（伺服系統）隨動系統（伺服系統）輸入量的變化規律不能預先確知，其控制要求輸入量的變化規律不能預先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩地跟隨輸入量的變化，并是輸出量迅速、平穩地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準確地復現輸入能排除各種干擾因素的影響，

18、準確地復現輸入信號的變化規律。信號的變化規律。 如：仿形加工系統、火炮自動瞄準系統等。如：仿形加工系統、火炮自動瞄準系統等。第一章第一章 概論概論l 按系統中傳遞信號的性質分類按系統中傳遞信號的性質分類 連續連續控制系統控制系統系統中各部分傳遞的信號為隨時間連續變化的系統中各部分傳遞的信號為隨時間連續變化的信號。連續控制系統通常采用微分方程描述。信號。連續控制系統通常采用微分方程描述。 離散（數字）控制系統離散（數字）控制系統系統中某一處或多處的信號為脈沖序列或數字系統中某一處或多處的信號為脈沖序列或數字量傳遞的系統。離散控制系統通常采用差分方量傳遞的系統。離散控制系統通常采用差分方程描述。程

19、描述。 第一章第一章 概論概論l 其它分類方法其它分類方法 線性系統和非線性系統線性系統和非線性系統 定常系統和時變系統定常系統和時變系統 機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等控機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等控 制系統制系統 溫度、壓力、位置等控制系統溫度、壓力、位置等控制系統第一章第一章 概論概論三、對控制系統的基本要求三、對控制系統的基本要求l 穩定性穩定性 系統動態過程的振蕩傾向及其恢復平衡狀態的系統動態過程的振蕩傾向及其恢復平衡狀態的能力。穩定的系統當輸出量偏離平衡狀態時，能力。穩定的系統當輸出量偏離平衡狀態時，其輸出能隨時間的增長收斂并回到初始平衡狀其輸出能隨時間的增長收斂并回

20、到初始平衡狀態。穩定性是控制系統正常工作的先決條件。態。穩定性是控制系統正常工作的先決條件。 控制系統穩定性由系統結構所決定，與外界因控制系統穩定性由系統結構所決定，與外界因素無關。穩定性由控制系統內部儲能元件的能素無關。穩定性由控制系統內部儲能元件的能量不可能突變所產生的慣性滯后作用所導致。量不可能突變所產生的慣性滯后作用所導致。第一章第一章 概論概論l 精確性精確性 控制精度，以穩態誤差來衡量。控制精度，以穩態誤差來衡量。穩態誤差：系統的調整（過渡）過程結束而趨穩態誤差：系統的調整（過渡）過程結束而趨于穩定狀態時，系統輸出量的實際值與給定量于穩定狀態時，系統輸出量的實際值與給定量之間的差值

21、。之間的差值。 第一章第一章 概論概論l 快速性快速性 輸出量和輸入量產生偏差時，系統消除這種偏輸出量和輸入量產生偏差時，系統消除這種偏差的快慢程度。快速性表征系統的動態性能。差的快慢程度。快速性表征系統的動態性能。注意：注意： 不同性質的控制系統，對穩定性、精確性和快不同性質的控制系統，對穩定性、精確性和快 速性要求各有側重。速性要求各有側重。 系統的穩定性、精確性、快速性相互制約，應系統的穩定性、精確性、快速性相互制約，應 根據實際需求合理選擇。根據實際需求合理選擇。第一章第一章 概論概論1.2 控制工程的發展控制工程的發展l 時時間間刻刻度度浮子浮子銅壺滴漏銅壺滴漏第一章第一章 概論概論

22、第一章 概論第一章第一章 概論概論l 公元公元1788年，英國人年，英國人J.Watt用離心式調速器用離心式調速器 控制蒸汽機的速度，由此產生了第一次工業革命。控制蒸汽機的速度，由此產生了第一次工業革命。 l 18841884年：年：E. J. Routh提出勞斯穩定性判據。提出勞斯穩定性判據。l 18951895年：年：A. Hurwifz提出赫爾維茨穩定性判據。提出赫爾維茨穩定性判據。l 19321932年：年：H. Nyquist提出奈奎斯特穩定性判據。提出奈奎斯特穩定性判據。l 18921892年：年：A. M. Lyapunov提出李雅普諾夫穩定提出李雅普諾夫穩定 性理論。性理論。l

23、 19451945年：年：H. W. Bode提出反饋放大器的一般設提出反饋放大器的一般設 計方法計方法l 18681868年：年：J. C. Maxwell發表發表調速器調速器，提，提出反饋控制的概念及穩定性條件。出反饋控制的概念及穩定性條件。第一章第一章 概論概論l 19481948年：年：N. Wiener發表發表控制論控制論，標志經典，標志經典 控制理論基本形成；經典控制理論以傳遞函數控制理論基本形成；經典控制理論以傳遞函數 為基礎，主要研究單輸入為基礎，主要研究單輸入單輸出（單輸出（SISO）系）系 統的分析和控制問題；統的分析和控制問題； 維納，維納，MIT教授，曾于教授，曾于19

24、36年年到清華大學任訪問教授。到清華大學任訪問教授。控制論的奠基人美國科學家（控制論的奠基人美國科學家（Wiener,N.Wiener,N.，1894196418941964）第一章第一章 概論概論l 19501950年：年：W. R. Evans提出根軌跡法，進一步充提出根軌跡法，進一步充 實了經典控制論；實了經典控制論；l 19541954年：錢學森年：錢學森第一章第一章 概論概論 “工程控制論是關于工程技術領域各個系統自動控工程控制論是關于工程技術領域各個系統自動控制和自動調節的理論。維納博士制和自動調節的理論。維納博士4040年代提示了控制論年代提示了控制論的基本思想后，不少工程師和數

25、學博士曾努力尋找通的基本思想后，不少工程師和數學博士曾努力尋找通往這座理論頂峰的道路，但均半途而廢。工程師偏重往這座理論頂峰的道路，但均半途而廢。工程師偏重于實踐，解決具體問題，不善于上升到理論高度；數于實踐，解決具體問題，不善于上升到理論高度；數學家則擅長于理論分析，卻不善于從一般到個別去解學家則擅長于理論分析，卻不善于從一般到個別去解決實際問題。錢學森則集中兩者優勢于一身，高超地決實際問題。錢學森則集中兩者優勢于一身，高超地將兩只輪子裝到一輛戰車上，碾出了工程控制論研究將兩只輪子裝到一輛戰車上，碾出了工程控制論研究的一條新途徑。的一條新途徑。”第一章 概論l 5050年代末年代末6060年

26、代初：現代控制理論形成；現代年代初：現代控制理論形成；現代 控制理論以狀態空間法為基礎，主要分析和研控制理論以狀態空間法為基礎，主要分析和研 究多輸入究多輸入- -多輸出多輸出( ( MIMO )、時變、非線性等、時變、非線性等 系統的最優控制、最優濾波、系統辨識、自適系統的最優控制、最優濾波、系統辨識、自適 應控制、智能控制等問題；控制理論研究的重應控制、智能控制等問題；控制理論研究的重 點開始由頻域移到從本質上說是時域的狀態空點開始由頻域移到從本質上說是時域的狀態空 間方法。間方法。 第一章第一章 概論概論l 1956年：蓬特里亞金（年：蓬特里亞金（Pontryagin）提出極大）提出極大

27、 值原理值原理l 1957年：年：R. I. Bellman提出動態規劃理論提出動態規劃理論l 1960年：年：R. E. Kalman提出卡爾曼濾波理論提出卡爾曼濾波理論l 19601980年：確定性系統的最優控制、隨機年：確定性系統的最優控制、隨機 系統的最優控制、復雜系統的自適應和自學習系統的最優控制、復雜系統的自適應和自學習 控制控制l 1980迄今迄今：魯棒控制、：魯棒控制、H 控制、非線性控制、控制、非線性控制、 智能控制等智能控制等第一章第一章 概論概論第一章第一章 概論概論第一章第一章 概論概論第一章 概論第一章 概論第一章 概論第一章 概論第一章 概論第一章 概論第一章 概論

28、第一章 概論第一章 概論第一章 概論第一章 概論第一章第一章 概論概論1.3 1.3 控制理論在機械制造工業中的應用控制理論在機械制造工業中的應用第一章第一章 概論概論第一章 概論第一章 概論第一章 概論第一章 概論第一章 概論柔性制造系統第一章 概論鏈接2 控制工程基礎課程主要闡述的是有關反饋控制工程基礎課程主要闡述的是有關反饋自動控制技術的基礎理論。自動控制技術的基礎理論。 本課程是一門非常重要的技術基礎課，是本課程是一門非常重要的技術基礎課，是機械學院平臺課程。它是適應機電一體化的技機械學院平臺課程。它是適應機電一體化的技術需要，針對機械對象的控制，結合經典控制術需要，針對機械對象的控制

29、，結合經典控制理論形成的一門課程。本課程主要涉及經典控理論形成的一門課程。本課程主要涉及經典控制理論的主要內容及應用制理論的主要內容及應用, , 更加突出了機電控更加突出了機電控制的特點。制的特點。第一章第一章 概論概論 本課程在高等數學、理論力學、電工電子本課程在高等數學、理論力學、電工電子學等知識的基礎上，使學生掌握機電控制系統學等知識的基礎上，使學生掌握機電控制系統的基本原理及必要的實用知識。值得指出的是，的基本原理及必要的實用知識。值得指出的是，盡管經典控制理論在六十年代已完全發展成熟，盡管經典控制理論在六十年代已完全發展成熟，但它并不過時，經典控制理論是整個自動控制但它并不過時，經典控制理論是整個自動控制理