控制工程基礎

清華大學郭美鳳

2007年

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辦公室：精儀系館2206室第一章概論第二章控制系統的動態數學模型第三章時域瞬態響應分析第四章控制系統的頻率特性第五章控制系統的穩定性分析第六章控制系統的誤差分析和計算第七章控制系統的綜合與校正*第八章根軌跡法*第九章控制系統的非線性問題第十章計算機控制系統第十一章MATLAB軟件工具在控制系統分析和綜合中的應用第一章概論1.1自動控制系統的基本概念1.2控制工程的發展1.3控制理論在機械制造工業中的應用1.4 課程主要內容及學時安排第一章

概論1.1自動控制系統的基本概念

自動控制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）自動地按照預定的規律運行。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。第一章

概論

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：

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

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

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：檢測偏差再糾正偏差。第一章

概論大腦手調壓器恒溫箱眼睛實際溫度期望溫度人工控制恒溫箱系統功能框圖溫度計第一章

概論加熱電阻絲~220V調壓器熱電偶給定信號比較電壓放大器功率放大器執行電動機減速器u2u1++u恒溫箱自動控制系統第一章

概論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u2

恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度

u2比較得到溫度偏差信號u＝u1

u2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

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，直到溫度達到給定值為

止，此時，偏差u＝0，電機停止轉動。第一章

概論給定信號電壓功率放大器控制電機減速器調壓器恒溫箱(控制對象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動恒溫箱自動控制系統功能框圖第一章

概論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。

也稱為參考輸入量（信號）。

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

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。

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。第一章

概論綜上所述，控制系統的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比

較得出偏差；

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。第一章

概論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輸入量（或者任意變化的希望的狀態）之間的偏差，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”。第一章

概論這種基于反饋原理，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。稱為反饋控制系統。反饋控制系統具備測量、比較和執行三個基本功能。

注意：反饋控制系統中，反饋信號是與給定信號相減，使偏差越來越小，稱為負反饋。負反饋控制是實現自動控制最基本的方法。第一章

概論

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：

開環控制系統

閉環控制系統

半閉環控制系統第一章

概論

開環控制系統特點：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；輸出量在整個控制過程中對系統的控制不產生任何影響。

輸入裝置指令系統輸入控制裝置伺服驅動裝置工作臺工作臺

位置系統輸出數控機床的開環控制系統框圖第一章

概論優點：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、無自動糾偏能力控制器對象或過程輸入量輸出量開環控制系統框圖第一章

概論

閉環控制系統特點：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。閉環的作用：應用反饋，減少偏差。優點：精度高，對外部擾動和系統參數變化不敏感缺點：存在穩定、振蕩、超調等問題，系統性能分析和設計麻煩。第一章

概論控制器對象或過程輸入量輸出量測量元件閉環控制系統框圖反饋量

半閉環控制系統特點：反饋信號通過系統內部的中間信號獲得。第一章

概論

閉環控制系統的組成給定元件+串聯校正元件放大變換元件執行元件控制對象_+_并聯校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號

xi偏差信號

e主反饋信號

xb擾動信號輸出

xo閉環控制系統的組成第一章

概論

給定元件產生給定信號或輸入信號。

反饋元件測量被控制量（輸出量），產生反饋信號。為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。

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間形成的直接反饋。第一章

概論

比較元件對給定信號和反饋信號進行比較，產生偏差信號；

放大元件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。

執行元件直接對受控對象進行操縱的元件；如電動機、液壓馬達等；第一章

概論

校正元件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，因此，可以將控制系統的擾動等效為對控制對象的干擾。校正元件分為串聯和并聯兩種。第一章

概論二、控制系統的基本類型

按輸入量的特征分類

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、頻率控制等。

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。第一章

概論

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，準確地復現輸入信號的變化規律。如：仿形加工系統、火炮自動瞄準系統等。第一章

概論

按系統中傳遞信號的性質分類

連續控制系統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。

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量傳遞的系統。離散控制系統通常采用差分方程描述。第一章

概論

其它分類方法

線性系統和非線性系統

定常系統和時變系統

機械、電氣、機電、液壓、氣動、熱力等控

制系統

溫度、壓力、位置等控制系統第一章

概論三、對控制系統的基本要求

穩定性

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，其輸出能隨時間的增長收斂并回到初始平衡狀態。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。第一章

概論

精確性

控制精度，以穩態誤差來衡量。穩態誤差：系統的調整（過渡）過程結束而趨于穩定狀態時，系統輸出量的實際值與給定量之間的差值。第一章

概論

快速性

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。注意：

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。

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。第一章

概論1.2控制工程的發展

公元前1400－1100年，中國、埃及和巴比倫相繼出現自動計時漏壺，人類產生了最早期的控制思想。

時間刻度浮子銅壺滴漏第一章

概論

公元100年，亞歷山大的希羅發明開閉廟門和分發圣水的自動計時裝置。第一章

概論

第一章

概論

公元1788年，英國人J.Watt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。

1884年：E.J.Routh提出勞斯穩定性判據。

1895年：A.Hurwifz提出赫爾維茨穩定性判據。

1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特穩定性判據。

1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普諾夫穩定

性理論。

1945年：H.W.Bode提出反饋放大器的一般設

計方法

1868年：J.C.Maxwell發表《調速器》，提出反饋控制的概念及穩定性條件。第一章

概論

1948年：N.Wiener發表《控制論》，標志經典控制理論基本形成；經典控制理論以傳遞函數為基礎，主要研究單輸入—單輸出（SISO）系統的分析和控制問題；維納，MIT教授，曾于1936年到清華大學任訪問教授。控制論的奠基人美國科學家（Wiener,N.，1894~1964）第一章

概論

1950年：W.R.Evans提出根軌跡法，進一步充

實了經典控制論；

1954年：錢學森用英文出版《工程控制論》，首先把控制論推廣到工程技術領域第一章

概論

“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40年代提示了控制論的基本思想后，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的一條新途徑。”第一章

概論

50年代末60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，主要分析和研究多輸入-多輸出(MIMO)、時變、非線性等系統的最優控制、最優濾波、系統辨識、自適應控制、智能控制等問題；控制理論研究的重點開始由頻域移到從本質上說是時域的狀態空間方法。第一章

概論1956年：蓬特里亞金（Pontryagin）提出極大值原理1957年：R.I.Bellman提出動態規劃理論1960年：R.E.Kalman提出卡爾曼濾波理論1960～1980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控制1980迄今：魯棒控制、H控制、非線性控制、智能控制等第一章

概論

接著短短的幾十年里，在各國科學家和科學技術人員的努力下，又相繼出現了生物控制論，經濟控制論和社會控制論等，控制理論已經滲透到各個領域，并伴隨著其它科學技術的發展，極大地改變了整個世界。控制理論自身也在創造人類文明中不斷向前發展。

控制理論的中心思想是通過信息的傳遞、加工處理并加以反饋來進行控制，控制理論是信息學科的重要組成方面。

第一章

概論

根據自動控制理論的內容和發展的不同階段，控制理論可分為“經典控制理論”和“現代控制理論”兩大部分。

“經典控制理論”的內容是以傳遞函數為基礎，以頻率法和根軌跡法作為分析和綜合系統基本方法，主要研究單輸入，單輸出這類控制系統的分析和設計問題。

第一章

概論

第一章

概論第一顆人造衛星（蘇聯，1957年）第一章

概論第一顆載人飛船（蘇聯，1961年）第一章

概論人類首次登上月球（美國，1969年）第一章

概論首架航天飛機（美國，1981年）第一章

概論首次沖出太陽系（美國，1989年）第一章

概論仿人機器人（日本，2001年）

神州五號載人航天成功（中國，2003年）第一章

概論

勇氣號、機遇號火星探測器（美國，2004年）第一章

概論第一章

概論土衛六探測器（歐盟，2005年）

坦普爾1號彗星深度撞擊（美國，2005年）第一章

概論第一章

概論神州六號載人航天成功（中國，2005年）

“作為技術科學的控制論，對工程技術、生物和生命現象的研究和經濟科學，以及對社會研究都有深刻的意義，比起相對論和量子論對社會的作用有過之無不及．我們可以毫不含糊地說從科學理論的角度來看，二十世紀上半葉的三大偉績是相對論、量子論和控制論，也許可以稱它們為三項科學革命，是人類認識客觀世界的三大飛躍。”

——錢學森

第一章

概論

機電工業是我國最重要的支柱產業之一，而傳統的機電產品正在向機電一體化（Mechatronics）方向發展。機電一體化產品或系統的顯著特點是控制自動化。

機電控制型產品技術含量高，附加值大，在國內外市場上具有很強的競爭優勢，形成機電一體化產品發展的主流。當前國內外機電結合型產品，諸如典型的工業機器人，數控機床，自動導引車等都廣泛地應用了控制理論。1.3控制理論在機械制造工業中的應用第一章

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

概論柔性制造系統第一章

概論鏈接21.4 課程主要內容及學時安排

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。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術需要，針對機械對象的控制，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制理論的主要內容及應用,更加突出了機電控制的特點。第一章

概論

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，但它并不過時，經典控制理論是整個自動控制理論（包括現代控制理論）的基礎。用一個不十分貼切的比喻，盡管微積分