自動控制技術任課教師：譚彧毛恩榮本課程安排參考教材機械工程控制基礎楊叔子等編著自動控制理論胡壽松等編著嫦娥三號近月軌道示意圖1.0控制理論應用(ApplicationofControlTheofy)1.0.1應用實例1、嫦娥三號嫦娥三號軟著陸過程示意圖6個階段的最優控制策略？（1）著陸準備軌道：著陸準備軌道的近月點是15KM，遠月點是100KM。近月點在月心坐標系的位置和軟著陸軌道形態共同決定了著陸點的位置。（2）主減速段：主減速段的區間是距離月面15km到3km。該階段的主要是減速，實現到距離月面3公里處嫦娥三號的速度降到57m/s。（3）快速調整段：快速調整段的主要是調整探測器姿態，需要從距離月面3km到2.4km處將水平速度減為0m/s，即使主減速發動機的推力豎直向下，之后進入粗避障階段。（4）粗避障段：粗避障段的范圍是距離月面2.4km到100m區間，其主要是要求避開大的隕石坑，實現在設計著陸點上方100m處懸停，并初步確定落月地點。

（5）精避障段：精細避障段的區間是距離月面100m到30m。（6）緩速下降階段：緩速下降階段的區間是距離月面30m到4m。該階段的主要任務控制著陸器在距離月面4m處的速度為0m/s，即實現在距離月面4m處相對月面靜止，之后關閉發動機，使嫦娥三號自由落體到精確有落月點。距離月面100m處的數字高程圖距月面2400m處的數字高程圖2、航空噴藥Automaticsprayingaircraft飛行路徑如何控制？噴藥量如何控制？3、汽車巡航定速車速如何保持不變？4、拖拉機導航控制拖拉機如何按照直線行駛，實現耕作？1.0.2自動控制系統無處不在1、軍事、航天領域

火炮跟蹤系統我國神舟載人宇宙飛船人造衛星雷達跟蹤系統2、工業領域產品加工和物流調配的自動控制；石油化工生產過程、造紙、工業窯爐、軋鋼過程的自動控制等。

寶鋼冷軋帶鋼監測系統機械手3、農業生產領域自動灌溉系統植物溫室溫度和濕度自動控制系統4、商業領域商業設備、倉儲自動化設備與系統、物流監控管理。自動送貨車

5、日常生活機器狗電冰箱空調手動控制與自動控制的比較人工控制方式測量實際液面的高度---用眼實際液面高度與希望液面高度相比較---用腦按比較的結果，即液面高度偏差的正負去決定控制動作--用手1、液位控制系統手動控制靠人的觀測與操作1.0.3應用實例分析自動控制人工控制中有三種職能作用：測量、比較和執行，而在自動控制系統中也必須有這三種。自動控制系統自動檢測水位與控制閥門2.工作機構位置自動控制系統

3.汽車控制系統駕車人駕駛機構汽車實際速度預期速度（電壓）視覺觸覺_+預期行駛方向實際行駛方向4.轉臺控制系統放大器直流電機轉臺實際速度預期速度（電壓）放大器直流電機轉臺實際速度預期速度（電壓）轉速計_+蒸汽機離心機構比較機構轉換機構閥門蒸汽量5.蒸汽機轉速控制系統

自動控制理論研究的是工程技術中的廣義系統在一定的外界條件（即輸入或激勵，包括外加控制與外加干擾）作用下，從系統的一定初始的狀態出發，所經歷的由其內部的固有特性（即由系統的結構與參數所決定的特性）所決定的整個動態歷程。系統、輸入、輸出三者之間的關系。1.1課程研究對象與任務例小車運動系統以f(t)作為輸入

以x(t)作為輸入mp2+cp+k

為方程左邊的算子，它由系統本身的結構與參數所決定，反映了與外界無關的系統本身的固有特性。1和cp+k

分別為兩個方程的右邊的算子，反映了系統與外界的關系。令p=d/dt則一般線性系統，可用高階微分方程表示：

左邊算子反映了系統本身的固有特性；右邊算子反映了系統與外界之間的關系；y(t)為系統的輸出；x(t)為系統的輸入。特別指出系統的初始狀態也可視為一種特殊的輸入，即“初始輸入”或“初始激勵”。輸入的結果就是改變系統的狀態，并使系統的狀態不斷改變，這是力學中所講的強迫運動；當系統的初始狀態不為零時，即使無輸入，系統的狀態也會不斷改變，這是力學中所講的自由運動。所謂系統的狀態為零，就是指系統處于平衡位置。系統及其輸入、輸出三者之間的動態關系，歸納有五個方面：已知系統,輸入,求系統的輸出,即系統分析問題。已知系統,確定輸入,即最優控制問題。已知輸入,確定系統,即最優設計問題。已知輸出,確定系統,即濾波與預測問題。已知輸入和輸出,求出系統的結構與參數，即系統識別或系統辨識問題。1.2系統及其模型1、系統

將有關的部分聯系起來，作為一個有機的整體加以考察、分析與處理，這個有機的整體稱為“系統”。組成系統的各個部分，可以是元件，也可以是下一級的系統，后者稱為“子系統”；而整個系統又可以是上一層系統的子系統。必須注意，一個系統的特性并不能看成是組成它的元件或子系統的特性的簡單的總和。2、機械系統以實現一定的機械運動、輸出一定的機械能，以及承受一定的機械載荷為目的的系統，稱為機械系統。機械系統輸入與輸出，又分別稱為“激勵”與“響應”。

模型使人們研究系統、認識系統與描述系統的一種工具。這里所說的“模型”是指一種用數學方法描述的抽象的理論模型，用來表達一個系統內部各部分之間，或系統與其外部環境之間的關系，故又稱為“數學模型”。3、靜態模型和動態模型以地基振動位移y(t)為激勵，以機器振動位移x(t)為響應，得上述都是動態模型，當系統運動很慢時，有

于是靜態模型反映系統在恒定載荷或緩變載荷作用下或在系統平衡狀態下的特性；動態模型則是用于研究系統在迅速變載荷作用下或在系統不平衡狀態下的特性。1.3反饋(Feedback)將系統的輸出，部分或全部地返回到輸入，稱為系統反饋。系統之所以有動態歷程，系統及其輸入、輸出之間之所以有動態關系，就是由于系統本身有著信息的反饋。反饋:將檢測出來的輸出量送回到系統的輸入端，并與輸入

信號比較的過程，稱為反饋。內反饋:在系統中存在的各種自然形成的反饋，稱為內反饋。外反饋:在自動控制系統中，為達到某種控制目的而人為加

入的反饋，稱為外反饋。正反饋:反饋信號與輸入信號相加，使偏差信號增大的反饋。負反饋:反饋信號與輸入信號相減，使偏差信號減小的反饋。工作臺步進電機驅動電路控制命令移動量（輸入）（輸出）絲杠工作臺步進電機驅動電路控制命令移動量（輸入）（輸出）絲杠放大器工作臺無反饋控制原理圖工作臺有反饋控制原理圖1、機械工程中的反饋控制2、機械系統的內在反饋系統就是元素按一定規律的集合。即要有元素，而且元素之間按一定規律的聯系。聯系的實質就是信息的傳輸和交換。系統之所以表現出處于運動狀態之中，就是因為元素之間有著聯系，有著信息傳輸與交換；就是因為反映系統情況的狀態變量之間有著聯系，有著信息傳輸與交換。系統本身信息的反饋就是系統處于運動狀態的內因。——+——+——+若改為狀態方程令矩陣A：表達了系統的結構與參數，代表了系統的固有特性。矩陣A的主對角元素：反映了狀態變量本身的交互作用情況。非主對角元素：反映了狀態變量之間的交互作用情況?？刂普摰闹行乃枷刖褪欠答伩刂啤！?系統狀態方程框圖1.4.1、系統的幾種分類1、對廣義系統可按反饋情況分開環系統(Open-loopsystem)：一個系統以所需要的方框圖表示而沒有反饋回路。1.4系統分類及基本要求(Classificationandbasic

requirementsof

ControlTheory)電機開環控制系統閉環系統(Closed-loopsystem)：一個系統以所需要的方框圖表示而存在反饋回路。閉環系統的輸出可作為反饋信息來改變有關環節的輸入，進而改變輸出的本身，以獲得高精度的輸出，所以大量的自動控制系統都采用閉環系統。電機閉環控制系統3、閉環控制系統組成

輸入環節：它是給出輸入信號的環節，用于確定被控對象的“目標值”。反饋環節：將被控量轉換為反饋信號的裝置，一般為檢測元件。比較環節：輸入信號與反饋信號進行比較，得到偏差信號ε，控制環節：將偏差信號作必要的處理，按照一定的規律放大后，給出控制信號。執行環節：接受控制信號，驅動被控對象按照預期的規律運行。

閉環控制系統的特點:利用輸入信號與反饋信號的偏差對系統的輸出進行控制，使被控對象按一定的規律運行?？垢蓴_能力強，穩態精度高、動態性能好等。由此帶來的問題：設計不合理時，將出現不穩定。在開環控制系統中不存在同樣的問題。閉環控制系統的工作過程：測量被控制量的實際值；將實際值與給定值進行比較，求出偏差的大小與方向；根據偏差的大小與方向進行控制以糾正偏差。3對自動控制系統還可按輸出變化規律分自動調節系統：在外界干擾作用下，系統的輸出仍能基本保持為常量的系統。隨動（伺服）系統：在外界條件作用下，系統的輸出能相應于輸入在廣闊范圍內按任意規律變化的系統。程序控制系統：在外界條件作用下，系統的輸出按預定的程序變化的系統。（數控機床）1.4.2對控制系統的基本要求1、系統的穩定性：是控制系統正常工作的首要條件，且是重要條件。穩定性是指動態過程的振蕩傾向和系統能夠恢復平衡狀態的能力。系統在輸入作用下，期望輸出與輸入一致。曲線①逐漸接近輸入，系統是穩定的；反之如曲線②，系統是不穩定的。2、響應的快速性：當系統的輸出量與給定的輸入量之間產生偏差時，消除這種偏差的快慢程度。快速性即動態過程進行的時間長短。過程時間越短，說明系統快速性越好，如曲線②；反之說明系統響應遲鈍，如曲線①。3、響應的準確性：在過渡過程結束后輸出量與給定的輸入量的偏差，稱為靜態偏差或穩定精度。以上分析的穩、快、準三方面的性能指標往往由于被控對象的具體情況不同，各系統要求也有所側重，而且同一個系統的穩、快、準的要求是相互制約的。穩和快反映了系統動態過程性能的好壞。既快又穩，表明系統的動態精度高。1.5機械制造的發展與控制理論的應用1.6自動控制理論的發展歷程1、經典控制理論（40~50年代形成）主要研究對象：單輸入—單輸出線性定常系統主要分析方法:傳遞函數，頻率法，PID調節器(頻域)主要數學工具：常微分方程和復變函數。自動控制是一門年輕的學科,它在20世紀40年代末才形成。經典控制理論現代控制理論智能控制理論、現代控制理論（60~70年代形成）主要研究對象：多輸入—多輸出系統、時變系統主要分析方法:狀態空間分析法，最優控制所用數學工具：微分方程、線性代數及數值計算。3、智能控制技術（90年代開始發展）智能控制方法在較深層次上模擬人類大腦的思維判斷過程，通過模擬人類思維判斷的各種算法實現控制。主要有模糊控制、人工神經網絡控制、專家控制等。三種理論應用情況經典理論：接近90％現代理論：10％智能理論：0.0