1、大連交通大學(xué)自動化教研室 主講教師 鄭士富(sfzheng@163.com; 0411-84106954),控制工程基礎(chǔ),Introduction to Control Engineering,本課程主要知識模塊,（1）知識模塊1：自動控制系統(tǒng)的基本概念 （含4個知識點）；（2）知識模塊2：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2、 （含5個知識點）；（3）知識模塊3：控制系統(tǒng)的時域分析 （含11個知識點）；（4）知識模塊4：根軌跡法 （含8個知識點）；（5）知識模塊5：控制系統(tǒng)的頻率特性

3、 （含5個知識點）；（6）知識模塊6：控制系統(tǒng)的綜合與校正 （含5個知識點）。,知識模塊1 自動控制系統(tǒng)的基本概念,本知識模塊基本知識點：,重點及難點：,1、自動控制理論的產(chǎn)生、應(yīng)用及組成；2、自動控制系統(tǒng)的基本控制方式；3、自動控制系統(tǒng)的基本組成及分類；4、對自動控制系統(tǒng)的基本要求。,重點：開、閉環(huán)控制的

4、基本原理及特點。難點：系統(tǒng)框圖繪制。,知識點1： 自動控制理論的產(chǎn)生、應(yīng)用及組成,,主講教師 鄭士富,一、自動控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展,,1、什么是自動控制,（a）人工控制,（b）自動控制,水位控制工作原理,自動控制：,在沒人參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（通稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。,,自動控

5、制理論：,是以數(shù)學(xué)為工具，拋開自動控制系統(tǒng)的物理屬性，抽象地研究其運動規(guī)律的基礎(chǔ)理論。,自動控制系統(tǒng): 自動控制系統(tǒng)是為實現(xiàn)某一控制目標所需要的所有物理部件的有機組合體。,生產(chǎn)中：數(shù)控機床；汽車、船舶的行駛；自動化 生產(chǎn)線等,生活中：空調(diào)、冰箱、洗衣機、自動售貨機等,2、自動控制理論的產(chǎn)生與應(yīng)用,控制理論是在產(chǎn)業(yè)革命的背景下，在生產(chǎn)和軍事需求的刺激下，自動控制、電子技術(shù)、計算機科

6、學(xué)等多學(xué)科相互交叉發(fā)展的產(chǎn)物。其應(yīng)用無處不在：,軍事中：火炮、導(dǎo)彈制導(dǎo)與防御系統(tǒng)、航空母艦等,瓦特離心式調(diào)速器在蒸汽機中的應(yīng)用（1788年）,產(chǎn)業(yè)革命期間比較自覺地運用反饋原理,軍事需求促進控制論誕生（1948年）和發(fā)展,火炮（維納：1943年實現(xiàn)自動控制）,愛國者導(dǎo)彈,（遼寧號航空母艦）,船舶行駛,動車組生產(chǎn)線,自動控制在生產(chǎn)線中應(yīng)用,全自動汽車焊接生產(chǎn)線,自動控制在生產(chǎn)線中應(yīng)用,,控制理論在機械制造工業(yè)中的應(yīng)用,數(shù)控機床,焊接機械

7、人,自動售貨機,自動控制在生活中的應(yīng)用,空調(diào)機,自動控制在生活中的應(yīng)用,洗衣機,航天飛機,自動控制理論為人類的未來做出貢獻,60年代初，為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展----現(xiàn)代控制理論,和平號空間站（蘇聯(lián)，1986年）,火星探測器,神舟十號對接（2013年，中國）,“…從科學(xué)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?yōu)槿椏茖W(xué)革命，是人類認識客觀世界的三大飛躍?！?

8、 ——錢學(xué)森,二、自動控制理論的組成,時域分析法、根軌跡法、頻率法等。,（1）古典控制理論,1948年，N. Wiener（數(shù)學(xué)家：維納）發(fā)表《控制論》，標志古典控制理論基本形成，它以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入、單輸出（SISO）的線性定常的系統(tǒng)。,研究方法有：,（2）現(xiàn)代控制理論（ 20世紀50年代末60年代初形成）,以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，主要研究多輸入、多輸出（MIMO

9、）、變參數(shù)的時變復(fù)雜系統(tǒng)。,分析或研究內(nèi)容：,最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制、魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制、預(yù)測控制等。,（3）智能控制理論（ 20世紀70年代產(chǎn)生，80年代迅速發(fā)展期）,模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、遺傳算法,三、學(xué)習(xí)本課程的任務(wù)及要求,1、任務(wù),⑴系統(tǒng)分析能力：對給定系統(tǒng)，如何從理論上對 其動態(tài)性能進行定性分析和定量計算；,⑵系統(tǒng)綜合（設(shè)計）能力：由已知的系統(tǒng)性能要 求，如何根據(jù)被控對象的特點設(shè)計系統(tǒng)；,⑶初

10、步的系統(tǒng)實驗?zāi)芰Γ撼醪降哪M實驗及系統(tǒng) 仿真。,基于MATLAB的控制系統(tǒng)分析軟件,——專用于《控制工程基礎(chǔ)》課程學(xué)習(xí),大連交通大學(xué)《控制工程基礎(chǔ)》課程組,2、要求,先修課：電路理論、工程數(shù)學(xué)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、 大學(xué)物理等。,3、參考書目,《自動控制原理》，王建輝、顧樹生，冶金工業(yè)出版社,《控制工程基礎(chǔ)》，董景新等編著，清華大學(xué)出版社,《自動控制原理》，胡壽松，國防工業(yè)出版社,知識點2：

11、 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式,,主講教師 鄭士富,一、開環(huán)控制系統(tǒng),⑴溫度控制系統(tǒng),1、示例,結(jié)構(gòu)圖中的符號,⑵電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),,2、開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,輸入量:,給定量：決定被控量（輸出量）的物理量（被控量的 期望值）。,擾動量：妨礙達到控制目的的因素（內(nèi)部擾動，如電源 波動；外部擾動，如負載的輕重）。,控制的任務(wù)：克服擾動量的影響，使系統(tǒng)按照

12、給定量所設(shè) 定的規(guī)律運行。,3、開環(huán)系統(tǒng)的特點,（1）從控制結(jié)構(gòu)上，只有從輸入端到輸出端的信號 正向傳遞通道，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，費用低；,（2）系統(tǒng)只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出 量不參與系統(tǒng)的控制，因而系統(tǒng)無抗干擾能力；,（3）應(yīng)用場合：部件特性相當(dāng)穩(wěn)定且干擾極弱，被 控量要求不高，如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制、空調(diào)機、自動化 生產(chǎn)線等。,二、閉環(huán)控制系統(tǒng),1、系統(tǒng)示例,⑴

13、爐溫控制系統(tǒng),①系統(tǒng)原理圖,,②調(diào)節(jié)過程,③控制結(jié)構(gòu)圖,⑵電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),①系統(tǒng)圖,,②調(diào)節(jié)過程,③系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,,2、閉環(huán)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖,3、閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理,,檢測偏差、并用檢測到的偏差去糾正偏差。,4、閉環(huán)控制系統(tǒng)特點,（1）系統(tǒng)由正向通道和反饋通道組成；,（2）系統(tǒng)利用偏差信號作為控制信號，所以系統(tǒng) 必須有檢測、給定和比較環(huán)節(jié)；,（3）系統(tǒng)必須具有執(zhí)行糾正偏差的執(zhí)行機構(gòu)；,（4）輸出量對控制作用有直接影響，

14、系統(tǒng)控制精 度高，抗干擾能力強；,（5）缺點：由于系統(tǒng)偏差總會存在，對于慣性大 或為純滯后元件，響應(yīng)速度慢，很容易引起 振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。,5、人工控制（開環(huán)系統(tǒng)）的閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖表示方法,三、復(fù)合控制＝開環(huán)＋閉環(huán),1、示例,鋁箔粗軋機控制示意圖,2、系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖,⑴按擾動作用補償,,⑵按給定量作用補償,,知識點3： 自動控制系統(tǒng)的基本組成及分類,,主講教師

15、 鄭士富,一、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié),,1、被控（調(diào)節(jié)）對象：要控制的設(shè)備或過程。,2、執(zhí)行機構(gòu)：直接作用于被控對象，使被控量 達到要求的數(shù)值。,3、放大環(huán)節(jié)：將微弱信號放大，以驅(qū)動下一級工作。,4、校正環(huán)節(jié)：改善控制系統(tǒng)性能。,5、比較環(huán)節(jié)：將給定量與檢測出的被控量進行比較， 以求出偏差。,6、給定環(huán)節(jié)：設(shè)定的與被控量相對應(yīng)的給定

16、值。,7、檢測環(huán)節(jié)：把被控量檢測出來，并將其轉(zhuǎn)換成便 于處理的信號（電流、電壓信號）。 →關(guān)鍵元件,（一）按控制結(jié)構(gòu)分,（二）按系統(tǒng)中主要元件的特性分,開環(huán)、閉環(huán)、復(fù)合控制系統(tǒng),主要特點：,,二、自動控制系統(tǒng)的分類,1、線性系統(tǒng)——組成系統(tǒng)的元件都為線性元件,2、非線性系統(tǒng)——系統(tǒng)中至少有一個為非線性環(huán)節(jié)。,（三）按系統(tǒng)中信號傳遞方式分,任

17、何系統(tǒng)都是非線性的，但在誤差允許范圍內(nèi)，可按線性系統(tǒng)近似處理。,1、連續(xù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)： 系統(tǒng)中各部分信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。,2、離散數(shù)據(jù)系統(tǒng)： 系統(tǒng)中的一處或幾處信號是以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞。,離散信號：⑴脈沖形式——脈沖控制系統(tǒng),,⑵數(shù)碼形式——數(shù)字控制系統(tǒng),,（四）按給定量的特征分,(五)按系統(tǒng)組成元件的物理性質(zhì)分,1、恒值控制系統(tǒng)：給定量恒定不變，如恒溫、恒速控制。2、程序控制系統(tǒng)：給定量是按照一定的

18、時間函數(shù)變化， 如生陽極石墨化過程控制。3、隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）：給定量按照事先未知 的函數(shù)變化，要求輸出量跟隨給定量的變 化，如輪船、汽車行駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)。,1、電氣控制系統(tǒng)2、液壓控制系統(tǒng)3、機電控制系統(tǒng),知識點4： 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,,主講教師 鄭士富,一、給定量突變時輸出量變

19、化分析,1、希望：,或,2、實際：,3、分析,⑴對于（c）、（d），由于被控量不收斂（即 不穩(wěn)定），系統(tǒng)無法工作，穩(wěn)定是首要條件；,⑵對于（a）、（b），雖然被控量收斂（即穩(wěn) 定），但需要一段時間，動態(tài)（或暫態(tài)）過程；,二、擾動量突變時被控量變化分析,,,三、對控制系統(tǒng)的基本要求,1、穩(wěn)定性：指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡 狀態(tài)的能力，是系統(tǒng)工作的首要條件。,2、快速性：指動態(tài)過程