1、机械工程控制基础,方子帆 教授,第一章 绪论,本章主要内容: I.1 I.2 I.3I.4 I.5,控制的定义系统的工作原理和组成控制理论的中心问题控制理论基础()的学习内容控制理论的历史发展,控制的本意 :为了达到某种目的对事物进行支配、 管束、管制、管理、监督、镇压。,自动控制 : 在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称 ）, 使机器、设备或生产过程（ ）的某个工作状态或参数（即 ）自动地按照预定的规律运行。,Part 1.1 控制的定义,例1.钢铁轧制:轧出厚度一致的高精度铁板温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。,例2.程控机床:自动进刀切削，加工出预期的几何形
2、状直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。,控制装置或控制器,被控对象,被控量,Part 1.2 系统的工作原理和组成,恒温箱温度控制,人工控温,自动控温,液位控制系统,人工/自动控制,! Some Examples,动态过程观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较得到温度偏差的大小和方向根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。,实质检测偏差再纠正偏差。,1.人工控制恒温箱,Part 1.2.1 系统的工作原理,温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，
3、反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u=0,电机停止转动。,动态过程,2.恒温箱自动控制系统,系统原理方块图,实质检测偏差纠正偏差,系统的工作原理,从恒温箱控制系统功能框图可见：给定量位于系统的输入端，称为系统输入量，也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。,综上所述,系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差
4、值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。,由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。,Part 1.2.2 系统的基本类型,详见Part 1.4.1,按照预先确定的顺序，或按照一定逻辑顺序逐次对各个阶段进行控制。,程序控制,开环控制与闭环控制,开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：,开环控制,控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制单方向进行。,数控机床的开环控制系统方块图,优
5、点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。,缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。,E.g.飞轮调速,调速后,调速前,闭环控制,闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。,优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感,缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析 和设计麻烦。,半闭环控制,特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。,Part 1.2.3 闭环控制系统的组成,闭环控制系统的组成,6校正元件： 用以改善系统控制质量的装置。校正元件分为串联和并联两种。控
6、制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动。但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。,E.g.液位控制,原型：古代 水钟 “铜壶滴漏”,系统原理方块图,实质检测偏差纠正偏差。,正/负反馈液位控制系统,负反馈,正反馈,Part 1.3 控制理论的中心问题,稳定性：系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。,气动伺服实例,稳定性是控制系统正常工作的先决条件
7、。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。,精确性：控制精度，以稳态误差来衡量。,快速性：输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。,注意： 1不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。 2系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。,稳态误差:系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出的实际值与给定量之间的差值。,汽车发动机控制系统,理想空气燃料比：14.6燃料控制： 前馈控制 气流传感器 喷嘴燃料比控制： 反馈控制O2传感器 喷嘴
8、,光盘粗精定位,气动伺服实例,Part 1.4 控制理论基础(I)的学习内容,1.4.1 控制系统的分类1.4.2 自动控制系统的研究方法1.4.3 授课内容,Part 1.4.1 控制系统的分类,按输入量的特征分类,连续控制系统：系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。,按系统中传递信号的性质分类,离散（数字）控制系统：系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。,方程系数与时间的关系-定常、时变*,线性系统和非线性系统,线性控制系统：由线性元件组成，输入输出问具有叠加性和均匀性性质。以线性微分方程来表述。,
9、非线性控制系统：系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。用非线性微分方程来表述。,Part 1.4.2 自动控制系统的研究方法,综合： 在已知被控对象和给定性能指标的前提下，寻求控制规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。,分析： 在给定系统的条件下，将物理系统抽象成数学模型，然后用已经成熟的数学方法和先进的计算工具来定性或定量地对系统进行动、静态的性能分析。,自动控制研究的三个基本问题： 建立数学模型 系统性能分析 控制器设计,正弦信号,阶跃信号,卸载加载,A=1时称为单位阶跃信号,脉冲信号,单位脉冲信号,等速和等加速信号,干扰、电压不稳、风载荷,随机信号,速度信号,加
10、速度信号,Part 1.5 控制理论的历史和发展,前期控制 (1400BC-1900)经典控制 (1935-1950)现代控制 (1950-Now),工业机器空间技术控制理论,中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400BC-1100BC)。,亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)。,中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)。,希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯。 (BC250年)。,前期控制（1400BC-1900）,中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年),中国明代宋应星所著天工开物记载有程序控制思想(
11、CNC)的提花织机结构图(1637年),英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年),英国J. C. Maxwell发表“论调速器”(On Governors)论文(1868年),英国E.J. Routh建立Routh判据(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875年)俄国A.M. Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题” (1892年),美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)。,美国E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929)。,经典
12、控制（1935-1950）,美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) (1927),自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.Wiener 给出的定义为： “Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”,美国贝尔实验室的H. Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法。,美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nicho
13、ls提出PID参数的最佳调整法(1942),美国的H. Hazen发表“关于伺服结构理论”(Theory of Servome-chanism) (1934)，并在MIT建立伺服机构实验室(Servomechanism Laboratory) (1939)。,美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表控制论(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。,在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C. Shannon提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著通信的数字理论(The Mathem
14、atical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础(1948)。,MIT Radiation Laboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了Nichols Chart Design Method，R. S. Philips的工作 On Noise in Servomechanisms，以及Hurwicz (1947)的数字控制系统(Sampled Data System)。,美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。,多本有关经典控制的经典名著相继出版
15、:Ed. S. Smith的Automatic Control Engineering (1942)H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)L.A. MacColl的Fundamental Theory of Servomechanisms (1945)钱学森的工程控制论(Engineering Cybernetics) (1954),现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现,现代控制（1950-Now）,美国MIT的Servomechanism Labor
16、atory研制出第一台数控机床(1952),美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机器人公司，Unimation。,美国的M. E. Merchant提出计算机集成制造的概念(1969),日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976),中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)。,日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002),日本安川公司娱乐机械狗(2001),世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由
17、苏联发射成功(1957),苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)。,苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N. A. Armstrong送上月球。,第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996),旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索。,美国R. Bellman在RAND Coporation数学部的支持下，发表著名的Dynamic Programming，建立最优控制的基础(1957)。,苏联L.S. Pontryagin发表“最优过程数
18、学理论”，提出极大值原理(Maximum Principle)(1956)。,美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On the General Theory of Control Systems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础(1960)。,美国的E.I. Jury 发表“数字控制系统” (Sampled-Data Control System) ，建立了数字控制及数字信号处理的基础(1958) 。,1963年, 美国的Lofti Zadeh与C. Desoer发表Linear Systems - A
19、State Space Approach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。,瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法(1967)，六年后，提出了自启调节器，建立自适应控制的基础。,美国R. Brockett提出用微分几何研究非线性控制系统(1976)，意大利A. Isidori出版(Nonlinear Control Systems) (1985)。,加拿大G. Zames提出H 鲁棒控制设计方法(1981年),美国A. Bryson 和Y.C Ho 发表Applied Optimal Control(1969)，Y.C Ho 和X.R Cao等提出离散事件系统理论(1983)。,This is End of Chapter 1,
