1、控制工程基础,机电工程学院机电工程系 畅元江 Tel: 0546-8399164 Email: changyj1557126(163).com,(机自07 4-6班),每周二3，4节，每周四5，6节，4207教室,课程要点,控制理论：多个技术学科的基础 科学方法论 技术基础课,控制工程基础,机电控制理论及技术,考研课程,控制工程基础,机械电子工程 机械设计及理论,考研专业基础课,控制技术在石油工业的应用,自动化钻机 井下轨迹控制-井下控制工程 水下机器人（ROV） 管道机器人 化工过程控制,苏义脑院士与井下控制工程学,1990年：完成对“井眼轨道制导理论与技术研究”新领域框架构思与探索 199
2、3年：进一步提出“井下控制工程学”。井下控制工程学的研究对象，涵盖各种油气井井下作业过程的控制问题，除钻井外，还涉及到完井、采油、测试、修井等。 以钻井技术为例，建立在MWD（随钻测量）、LWD（随钻测井）等井下信息测量和传输基础上的地质导向钻井系统、旋转导向钻井系统、自动垂直钻井系统等钻井重大高新技术，正在将“给钻头装上眼睛”、“使钻头闻着油味儿走”的梦想变为现实，使钻头能自如地钻穿底下几千米的岩石并准确地进入油气层。,ROV水下机器人,ROV工作视频,管道检测,控制技术在制造工业的应用,工业机器人:关节伺服系统 数控机床 六自由度工业机器 移动机器人 柔性制造系统(FMS),课程主要内容(
3、一),第一章 概述 第二章 控制系统的数学模型 第三章 时域瞬态响应分析 第四章 控制系统的频率特性 第五章 控制系统的稳定性分析 第六章 控制系统的性能分析与校正 第七章 离散控制系统,2 9 7 7 5 5 5,课程主要内容(二),专题一 MATLAB入门 专题二 MATLAB提高 专题三 MATLAB控制工具箱 专题四 SIMULINK,穿插在课堂进行,MATLAB,SIMULINK,SIMULINK,教材,董景新, 赵长德,等. 控制工程基础(第二版). 清华大学出版社. 2003 王积伟, 吴振顺. 控制工程基础. 高等教育出版社, 2001 王显正, 陈正航, 王旭永. 控制理论基
4、础. 科学出版社. 2000 王益群, 孔祥东. 控制工程基础. 机械工业出版社, 2001 赵文峰. 控制系统设计与仿真. 西安电子科技大学出版社. 2002 Morris Driels. Linear control system engineering (线性控制系统工程). 2000,2003年,董景新, 赵长德. 控制工程基础. 清华大学出版社,1992年,2001年,2000年,2001年,2001年,2001年,参考书目,美Katsuhiko Ogata. 现代控制工程(Modern control engineering) (3rd Edition). 电子工业出版社. 200
5、0 Frederick, D.K, Chow,J.H. 反馈控制问题: 使用MATLAB及其控制系统工具箱. 西安交通大学出版社. 2001 高木章二. 数字控制入门. 科学出版社. 2001 胡寿松. 自动控制原理(第四版). 科学出版社. 2001 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用. 清华大学出版社. 1996 徐昕, 李涛, 伯晓阳. MATLAB控制工具箱. 电子工业出版社. 2000 熊良才, 杨克冲, 吴波. 机械工程控制基础(第四版)学习辅导与题解. 华中科技大学出版社. 2002 陈延康. 机械控制工程. 煤炭工业出版社. 1994,2000年,2001年
6、,2003年,2000年,2001年,图解机电一体化入门系列,2001年,1996年,2002年,课程基本要求,掌握机电反馈控制系统的基本原理 掌握建立机电系统动力学模型的方法 掌握机电系统的时域分析方法 掌握机电系统的频域分析方法 掌握模拟控制系统的分析与设计综合方法 掌握计算机控制的基本概念 掌握计算机辅助控制工程分析的基本方法,所需基础知识,高等数学、复变函数、积分变换、 理论力学、电工学,学习要点,控制理论 数值仿真 工程应用 联系三者的桥梁：MATLAB,成绩考核,书面考试 70% 作业 20% 出勤 10%,(初定),第一章 概论 1-1 控制理论在工程中的应用发展,控制理论是在产
7、业革命的背景下，在生产和军事需求的刺激下，自动控制、电子技术、计算机科学等多种学科相互交叉发展的产物。,从二十世纪以来，特别是第二次世界大战以后，自动控制和自动化科学得到了迅速的发展。工业生产的自动化，改善了劳动条件，增加了产量，提高了质量。在军事装备上，自动控制技术大大地提高了武器的威力和精度。近十几年来，由于计算机的广泛应用和控制理论的发展，使得自动控制技术所能完成的任务更加复杂、应用的领域也越来越广泛。,全球瞩目的中国载人太空船神舟五号于2003年10月15日上午顺利发射成功。从这一天起，中国成为继苏联和美国之后，第三个独立成功将人类送上太空的国家。这一壮举震动世界，证明中华民族已具有了
8、“九天揽月”的实力。,载人宇宙飞船为确保载人安全以及为保持航天员高效率工作，需要很复杂的特设系统，例如，用于空气更新、废水处理和再生、通风、温度和湿度控制等的环境控制和生命保障系统；报话通信系统、仪表和照明系统、航天服、载人机动装置和逃逸救生系统等。,载人宇宙飞船除了要使飞船在返回过程中的制动过载限制在人的耐受范围内，还应使其落点精度比返回式卫星更高，从而及时发现和营救航天员。目前，掌握航天器返回技术的国家只有美国、俄罗斯和中国。,在工业中，机电工业是我国最重要的支柱产业之一，而传统的机电产品正在向机电一体化（mechatrnics）方向发展。机电一体化产品或系统的显著特点是控制自动化。机电控
9、制型产品技术含量高，附加值大，在国内外市场上具有很强的竞争优势，形成机电一体化产品发展的主流。,当前国内外机电结合型产品，诸如典型的工业机器人、数控机床、自动导引车等都广泛地应用了控制理论。,自动控制技术已经成为生产（电力、机械、冶金、化工）、军事、科研、企业管理等几乎一切领域中必不可少的手段。因此，各个领域的科学工作者和工程技术人员都必须具备一定的自动控制工程知识。,根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。,“经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统的基本方法，主要研究单输入、单输出这类控制系统的分
10、析和设计问题。,“现代控制理论”是在 “经典控制理论”的基础上，于20世纪60年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。,最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的分支，近年来现代控制理论在大系统理论和人工智能控制等诸多领域有重大发展。,半个多世纪以来，控制理论从主要依靠手工计算的经典控制理论发展到依赖计算机的现代控制理论，发展了最优控制、自适应控制、智能控制。智能控制中，学习控制技术从简单的参数学习向较为复杂的结构学习、环境学习和复杂对象学习的方向发展；并发展了神经元网络、模
11、糊逻辑、进化算法、专家系统、鲁棒控制与控制等技术。同时还发展了MATLAB等控制系统计算机辅助设计工具，使控制理论在工程上的应用更加方便。,1-2 自动控制系统的基本概念,自动控制：,在没有人直接参予的情况下，使生产过程和被控对象的某些物理量准确地按照预期规律变化。,如：数控加工中心、焊接机器人、温度控制系统等,可以是具体的物理量，如电压、位移、角度等，也可以是数字量。,一个共同点：一个或一些被控物理量按给定量的变化而变化。,给定量恒定的控制系统叫做恒值调节系统，如稳压电源、恒温系统等；如被调量随着给定量的变化而变化，则是调节系统或随动系统，如转速调节系统，位置随动系统等。,一般地说，如何使被
12、控量按给定量的变化规律而变化，是控制系统所要解决的基本任务。,一、自动控制系统工作原理（以恒温系统为例）有两种控温方法：人工控制自动控制,人工调节过程：1、观测温度（被控量）2、与要求温度（给定量）比较，得出偏差的大小和方向3、根据偏差进行控制,控制过程：测量，求偏差，控制以纠正偏差,若能找到一个控制器代替人的职能，就变成了自动控制。,共同特点：检测偏差用以纠正偏差。偏差是通过反馈建立起来的，该原理称为反馈控制原理，该系统称为反馈控制系统。,图中看到：1、反馈控制的基本原理2、各职能环节的作用是单向的总之，实现自动控制的装置可各不相同，但反馈控制的原理却是相同的。反馈控制是实现自动控制的最基本
13、方法,二、开环控制与闭环控制 1、开环控制输入、输出之间无反馈回路输出对系统的控制作用无影响 如：,干扰,优点：结构简单、价格便宜、容易维修 缺点：精度低，易受环境变化的干扰,2、闭环控制 如：,优点：精度高、动态性能好、抗干扰能力强等 缺点：由于元件或负载的惯性，易引起振荡，使系统不稳定；结构复杂、价格贵、维修人员要求文化素质高。,三、反馈控制系统的基本组成,四、自动控制系统的基本类型1、按给定量的变化规律分： 恒值调节系统 如：稳压电源 程序控制系统 如：数控机床 随动系统 如：火炮自动系统机床随动系统,2、根据采用的信号处理技术的不同模拟控制系统：采用模拟技术处理信号的，称为。 数字控制
14、系统：采用数字技术处理信号的，称为。采用何种信号处理技术取决于许多因素，如可靠性、精度、复杂程度以及经济性等,3、按描述系统微分方程的形式分：线性控制系统 非线性控制系统,五、对控制系统的基本要求,稳定,准确,快速,1、稳定性 由于系统存在着惯性，当系统各个参数分配不当时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应随着时间收敛并且回到初始的平衡状态。稳定性是系统工作的首要条件。,2、快速性这是在系统稳定的前提下提出的。指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。,3、准确性指调整过程结束后，输
15、出量与给定的输入量之间的偏差，即静态精度，这也是衡量系统工作性能的重要指标。,由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、准、快的要求各有侧重，例如，随动系统对快速性要求较高，而调速系统对稳定性提出较严格的要求；对于机械系统，首要的是稳定性，因为过大的振荡将会使部件过载而损坏。同一系统稳、准、快是相互制约的。快速性好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程又可能过于迟缓，精度也可能变坏。分析和解决这些矛盾，是本学科讨论的重要内容。,1-3 控制理论 在机械制造中的应用,自动调节系统,1788年瓦特发明的蒸汽机离心调速器就是一个自动调节系统，是控制理论应用的典型代表。（P8图1-8）,伺服系统,伺
16、服系统就是将指令信号精确、快速地转换为相应的物理实现。例如，飞机和船舶的舵角操纵由于所需的力很大，不可能由人力直接操纵，需由伺服系统来完成，伺服系统的作用就是使舵面的转角精确地跟随驾驶员的操纵动作。各种数控机床进给系统、机器人各关节运动都是伺服系统控制的。它们还能依靠多轴伺服系统的配合，完成复杂的空间曲线运动的控制。,如： 雷达天线的自动瞄准跟踪控制 高射炮和战术导弹发射架的瞄准运动控制 坦克炮塔的防摇稳定控制 导弹和鱼雷的制导控制 自动绘图仪的画笔控制 硬盘磁头的位置控制 光盘驱动器读出头的控制 自动照相机和摄像机的镜头实现对焦和变焦,工业机器人的一个关节伺服系统（P9图1-9） 数控机床进给系统（P10图1-10） 六个自由度机械手（P10图1-11） 感应导线式自动导引车（P11图1-12） 柔性制造系统（P12图1-13）,1-4 课程主要内容,控制工程基础课主要阐述的是有关反馈自动控制技术的基础理论。本课程是一门非常重要的技术基础课，是机械类等专业本科的一门必修课程。本课程涉及经典控制理论的主要内容及应用，更加突出了机电控制的特点。,尽管经典控制理论在20世纪60年代已完全发展成熟，但它并不过时，经典控制理论是整个自动控制理论的基础。,
