控制原理及其应用-HIT第1章.ppt

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1、控制理论及其应用控制理论及其应用杨晓冬杨晓冬机械制造及自动化系机械制造及自动化系 制造楼制造楼301301室室 教材教材 控制理论及其应用控制理论及其应用 高等教育出版社，卢泽生主高等教育出版社，卢泽生主编编 内容内容 经典和现代经典和现代 任课教师任课教师 杨晓冬杨晓冬 何景峰何景峰 学时学时 5454学时学时 考核形式考核形式 本课程特点本课程特点 抽象的技术基础课抽象的技术基础课 以数学，物理等为其理论基础以数学，物理等为其理论基础 以机械工程中系统的动力学为其研究对象以机械工程中系统的动力学为其研究对象 在数理基础课程与专业课程之间架起桥梁在数理基础课程与专业课程之间架起桥梁 方法方法

2、：系统，系统，动态，动态，内因，内因，外因外因 涉及涉及：数学，力学，数学，力学，物理，物理，电工电工 注意注意：物理概念的明晰性和数学结论的准确性物理概念的明晰性和数学结论的准确性 突出机械工程的特色，结合机械结构，运动学，动突出机械工程的特色，结合机械结构，运动学，动 力学，测试和运动控制技术力学，测试和运动控制技术授课的目的授课的目的 自动控制的成就及其广泛应用自动控制的成就及其广泛应用 没有自动控制就没有现代科技没有自动控制就没有现代科技 自动控制理论与技术介入到很多学科自动控制理论与技术介入到很多学科 必不可缺的知识。必不可缺的知识。应应用用自自动动控控制制理理论论来来分分析析，研研

3、究究和和解解决决机机械械制制造造中中的有关控制问题和精度保证问题。的有关控制问题和精度保证问题。设计，制造，检测，装配或控制设计，制造，检测，装配或控制 位移，位置，速度，力，精度，质量位移，位置，速度，力，精度，质量 理论与实践相结合的跨学科的综合技术理论与实践相结合的跨学科的综合技术 强调目的性和应用性强调目的性和应用性为什么开设此课数控机床加工中心工业机器人控制理论发展的简单回顾控制理论发展的简单回顾 我国古代自动控制的成就我国古代自动控制的成就 10271027年宋代燕肃的指南车年宋代燕肃的指南车 开环的顺馈控制系统开环的顺馈控制系统 东汉张衡的候风地动仪东汉张衡的候风地动仪 1086

4、1086年苏颂和韩公廉的水运仪象台，负反馈自动调整系统年苏颂和韩公廉的水运仪象台，负反馈自动调整系统 控制理论的形成及其发展控制理论的形成及其发展 1919世纪欧洲工业革命促进了自动控制技术和理论的发展世纪欧洲工业革命促进了自动控制技术和理论的发展 1884 1884年和年和18771877年线性系统稳定性判据年线性系统稳定性判据 Heaviside 1923 Heaviside 1923年设计系统的算子法年设计系统的算子法 负反馈放大器负反馈放大器 二战期间二战期间 提出了反馈控制的数学基础提出了反馈控制的数学基础 随动系统在军事中发展随动系统在军事中发展 19451945年第一本经典控制理

5、论著作年第一本经典控制理论著作伺服机构伺服机构 1948 1948年年N.WienerN.Wiener发表著名的发表著名的控制论控制论形成完整的经典控制理论形成完整的经典控制理论 1950 1950年根轨迹法年根轨迹法 ,充实了经典控制理论充实了经典控制理论控制理论发展的简单回顾控制理论发展的简单回顾 控制理论的形成及其发展控制理论的形成及其发展 2020世纪世纪5050年代年代 随动系统转为民用，随动系统转为民用，控制理论进一步发展控制理论进一步发展 钱学森创立钱学森创立工程控制论工程控制论学科，推动了控制理论的应用学科，推动了控制理论的应用 以上为经典控制理论以上为经典控制理论 2020世

6、纪世纪5050年代末空间技术和军事发展，计算机技术的发展年代末空间技术和军事发展，计算机技术的发展 产生现代控制理论产生现代控制理论 从分析力学中引过来，从分析力学中引过来，用于研究机械运动用于研究机械运动 控制理论在机械工程中应用非常广泛而活跃控制理论在机械工程中应用非常广泛而活跃 授课内容1.1.绪绪 论论 2.2.机械系统模型的建立及机电相似系统的等效转换机械系统模型的建立及机电相似系统的等效转换 3.3.系统的典型信号和典型环节系统的典型信号和典型环节 (机电环节及各种频率的概念机电环节及各种频率的概念)4.4.控制系统的稳定性及其分析控制系统的稳定性及其分析(液压仿形刀架稳态分析液压

7、仿形刀架稳态分析)5.5.根轨迹法根轨迹法 6.6.控控制制系系统统的的评评价价和和误误差差分分析析与与计计算算(液液压压仿仿形形刀刀架架误误差差计计算算)7.7.自动控制系统的校正设计自动控制系统的校正设计(PID(PID控制控制)8.8.机械系统的建模与分析机械系统的建模与分析9.9.机床进给系统的速度和位置控制及稳定性分析机床进给系统的速度和位置控制及稳定性分析10.10.控制系统的状态空间描述控制系统的状态空间描述11.11.控制系统状态方程的解控制系统状态方程的解 12.12.李雅普诺夫稳定性分析李雅普诺夫稳定性分析13.13.控制系统的状态空间综合法控制系统的状态空间综合法 14.

8、14.神经网络控制及其应用神经网络控制及其应用15.15.模糊控制及其应用模糊控制及其应用经经典典控控制制现现代代控控制制智智能能在复数域内以积分变换为数学工具研在复数域内以积分变换为数学工具研究单输入，单输出线性定常系统的动究单输入，单输出线性定常系统的动态过程，分析系统的稳定性，瞬态过态过程，分析系统的稳定性，瞬态过程和稳定性能，以及系统性能校正程和稳定性能，以及系统性能校正在时间域内以状态方程为基础研究多在时间域内以状态方程为基础研究多输入，多输出系统的动态过程输入，多输出系统的动态过程不确定模型，高度非线性，复杂系统不确定模型，高度非线性，复杂系统经典控制论和现代控制论的区别经典控制论

9、和现代控制论的区别经典控制经典控制现代控制现代控制理论基础理论基础传递函数传递函数状态方程状态方程模糊数学，神经网络模糊数学，神经网络用途用途单输入输出单输入输出线性系统线性系统多输入输出多输入输出非线性时变非线性时变分析方法分析方法频域法频域法时域法时域法最佳控制最佳控制难难易易第第 1 1 章章 绪绪 论论1.1 1.1 概述概述 1.2 1.2 机械控制系统的组成及其研究内容机械控制系统的组成及其研究内容 1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1.1 基本概念自自动动控控制制 是是在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，通通过过控控制制系系统统使使被控对象被控对

10、象自动地按照预定规律运行的控制过程。自动地按照预定规律运行的控制过程。自自动动控控制制系系统统 是是由由相相互互联联系系、相相互互依依赖赖、相相互互作作用用的的若若干干部分组成，具有自动控制功能的有机整体。部分组成，具有自动控制功能的有机整体。被控对象被控对象 是指工作状态需要给以控制的装置、设备和过程。是指工作状态需要给以控制的装置、设备和过程。被被控控量量 是是指指描描述述被被控控对对象象按按预预定定运运行行规规律律工工作作的的量量，也也是是系统的输出量。系统的输出量。给给定定量量 是是指指作作为为被被控控量量的的控控制制指指令令而而加加给给控控制制系系统统的的输输入入量量,也称控制量。也

11、称控制量。扰扰动动量量 是是指指引引起起被被控控量量偏偏离离预预定定运运行行规规律律的的量量,也也称称干干扰扰量。量。机机械械 是是由由零零部部件件组组成成，可可实实现现运运动动、能能量量和和信信息息传传递递或或转转换的具有某种功能的仪器、装置或设备。换的具有某种功能的仪器、装置或设备。制造制造 是把原材料变成产品的过程。是把原材料变成产品的过程。1.1 基本概念（续上）机机械械制制造造 是是把把原原材材料料通通过过加加工工、检检测测、装装配配制制成成装装置置或或设设备备等产品的过程。等产品的过程。经经典典控控制制理理论论 是是以以传传递递函函数数为为理理论论基基础础，解解决决单单输输入入、单

12、单输输出出的的线线性性控控制制系系统统的的分分析析与与设设计计问问题题。分分析析方方法法主主要要是是频频域域法法，而基于经典控制理论的控制方法难以获得最佳控制。而基于经典控制理论的控制方法难以获得最佳控制。现现代代控控制制理理论论 是是以以状状态态方方程程或或模模糊糊数数学学、神神经经网网络络等等为为理理论论基基础础，主主要要是是解解决决多多输输入入多多输输出出的的非非线线性性时时变变控控制制系系统统的的分分析析与与设设计计问问题题。其其分分析析方方法法主主要要是是时时域域法法，但但基基于于现现代代控控制制理理论论的控制方法易于实现最佳控制。的控制方法易于实现最佳控制。时时变变系系统统 是是指

13、指其其方方程程的的系系数数是是时时间间的的函函数数，如如宇宇宙宙飞飞船船的的控控制制系系统统是是时时变变系系统统，因因为为飞飞船船的的燃燃料料消消耗耗和和引引力力的的变变化化都都是是时时间的函数。间的函数。变系数的二阶线性微分方程。变系数的二阶线性微分方程。1.2 机械控制系统的组成及其研究内容 自动控制系统自动控制系统由控制器、执行机构、被控对象和反馈元件由控制器、执行机构、被控对象和反馈元件(传感传感器器)组成。组成。控控制制器器 是是通通过过所所产产生生的的控控制制信信号号来来操操纵纵执执行行机机构构使使被被控控对对象象按按技技术术要要求求完完成成某某种种任任务务的的器器件件。主主要要包

14、包括括计计算算机机、控控制制元元件件、放大元件、转换元件、比较元件、运算元件等放大元件、转换元件、比较元件、运算元件等。执执行行机机构构 是是根根据据控控制制信信号号对对被被控控对对象象进进行行操操作作的的装装置置。如如液液压马达、电机等压马达、电机等。被被控控对对象象 受受控控制制器器操操纵纵的的,具具有有某某种种功功能能的的,最最终终可可完完成成某某种种任务的对象。如机床、人造卫星、火箭、飞机、化工过程等。任务的对象。如机床、人造卫星、火箭、飞机、化工过程等。反反馈馈元元件件 是是产产生生与与被被控控制制量量(输输出出量量)有有一一定定函函数数关关系系的的反反馈馈信号。如各种可满足性能要求

15、的信号。如各种可满足性能要求的传感器传感器。机械控制系统框图。传感器传感器。控制器控制器执行执行机构机构被控被控对象对象。输出变量输出变量控制变量控制变量输入变量输入变量控制理论主要解决的问题有两个方面：控制系统性能分析 控制系统的设计 1.2.1 控制系统性能分析（1 1）判断系统能否正常工作）判断系统能否正常工作系统稳定性系统稳定性 输出量偏离给定的输入量的初始值，随时间的增长逐渐趋于零。输出量偏离给定的输入量的初始值，随时间的增长逐渐趋于零。（2 2）判断系统是否有稳定裕量）判断系统是否有稳定裕量,能否可靠地工作能否可靠地工作系统可靠性系统可靠性 一个系统在规定的时间内，在预定的工作条件

16、下能正常的工作，不发一个系统在规定的时间内，在预定的工作条件下能正常的工作，不发 生故障的概率。生故障的概率。（3 3）判断系统精度的高低、误差的大小）判断系统精度的高低、误差的大小系统的准确性系统的准确性 系统在过渡过程结束后，输出量与给定量的偏差。系统在过渡过程结束后，输出量与给定量的偏差。（4 4）判断系统响应的快慢）判断系统响应的快慢系统的快速性。系统的快速性。系统系统消除输出量与给定量的偏差的快慢程度。消除输出量与给定量的偏差的快慢程度。首要条件静态精度2.控制系统设计设计任务合理选择控制规律合理选择控制规律设计控制器设计控制器设计依据任务书任务书技术要求技术要求性能指标性能指标稳态

17、性能快速性能动态性能抗干扰性能1）系统的稳态性能系统的稳态性能系统是否稳定稳定性系统稳态精度（稳态误差）输出量-给定量准确性（必要条件）（充分条件）最基本最重要的要求2）系统的快速性能 所谓快速性就是当系统的输出量与给定的输入量之间所谓快速性就是当系统的输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度，即系统恢复原值产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度，即系统恢复原值或跟随给定的输入值的速度，亦即或跟随给定的输入值的速度，亦即过渡过程时间过渡过程时间的长短，的长短，显然越短越好。显然越短越好。3）系统的动态性能衡量控制系统的动态性能有两种指标时域指标频域指标动态性能是指系统的输出量随时

18、间或者频率的变化趋势。动态性能是指系统的输出量随时间或者频率的变化趋势。（1）时域指标单位阶跃输入下的响应曲线 超调量超调量 ：调整时间调整时间（过渡过程时间）（过渡过程时间）：定义为阶跃响应曲线进入并保持定义为阶跃响应曲线进入并保持在允许误差范围所对应的时间在允许误差范围所对应的时间 误差范围为稳态值的误差范围为稳态值的2 25 5 上升时间上升时间 ：定义为阶跃响应从稳态值的定义为阶跃响应从稳态值的1010上升到上升到9090所经历的时间。所经历的时间。延迟时间延迟时间 ：定义为阶跃响应从起始值到稳定义为阶跃响应从起始值到稳态值的态值的5050所经历的时间。所经历的时间。单位阶跃信号 振荡

19、次数振荡次数N N：调整时间内阶跃响应曲线穿越调整时间内阶跃响应曲线穿越其稳态值次数的一半。其稳态值次数的一半。响应速度响应速度阻尼程度阻尼程度阻尼程度阻尼程度（2）频域指标 闭环频率特性有三项频域指标闭环频率特性有三项频域指标：a谐振峰值Mr 相对稳定性相对稳定性 b谐振频率 响应速度响应速度c频带宽度BW 滤波性滤波性 开环频率特性的频域指标：开环频率特性的频域指标：a增益裕量 b相位裕量c剪切率闭环特性系统幅频特性曲线（2）频域指标续 增益裕量增益裕量 定义为系统开环频率特性定义为系统开环频率特性 的相角为的相角为-180-180o o时，幅频特性时，幅频特性 的倒数的倒数 或 相位裕量

20、相位裕量 定义为系统剪切频率（幅值交界频率）定义为系统剪切频率（幅值交界频率）处，处，相频特性相频特性 与与-180-180o o相差的角度相差的角度 。即。即 剪剪切切率率：它它是是开开环环对对数数幅幅频频特特性性曲曲线线在在剪剪切切频频率率 附附近近的的斜斜率率。它它反反映映高高频频时时频频率率特特性性衰衰减减的的快快慢慢。高高频频衰衰减减越越快快，对对于于信信号号和和噪噪声声的的区区分分能能力力越越强强。剪剪切切率率越越大大，则则对对高高频频噪噪声声抑抑制制越越强强，但但同同时时伴伴随随着着谐谐振振幅幅值值M Mr r的的增增大大，这这反反映映系系统统的的稳稳定定裕度量较低。裕度量较低。

21、4）系统的抗干扰性能 控制系统在工作过程中，总会受到外界的干扰。一个良控制系统在工作过程中，总会受到外界的干扰。一个良好的控制系统，应对外界干扰有足够的抵抗能力，同时又要好的控制系统，应对外界干扰有足够的抵抗能力，同时又要对有用信号作出迅速反应。这两项要求是有矛盾的。在工程对有用信号作出迅速反应。这两项要求是有矛盾的。在工程设计中常用闭环系统的带宽设计中常用闭环系统的带宽BWBW作为抗干扰性的度量。带宽越作为抗干扰性的度量。带宽越低，则系统抗高频干扰性越强。低，则系统抗高频干扰性越强。3.超精密车床微进给刀架系统的建立 1.3 自动控制系统的分类1按系统组成的物理性质分：电气控制系统；机械控制

22、系统；流体控制系统；电气电气控制系统；机械控制系统；流体控制系统；电气流流体控制系统等。体控制系统等。2按系统的数学模型（微分方程）的性质分：线性系统（线性定常系统、线性时变系统）；非线性系统。线性系统（线性定常系统、线性时变系统）；非线性系统。3按给定量的变化规律分：恒值控制系统；程序控制系统；随动控制系统。恒值控制系统；程序控制系统；随动控制系统。4按输入、输出信号连续性分：连续系统；离散系统。连续系统；离散系统。5按被控制量参数的性质分：速度控制；位置控制；力和力矩控制；混合变量控制等系统。速度控制；位置控制；力和力矩控制；混合变量控制等系统。6按系统有无反馈信号分：开环系统；闭环系统。

23、开环系统；闭环系统。(3)(3)系统输入正弦信号时的输出：系统输入正弦信号时的输出：线性系统输出的稳态分量与输入信号线性系统输出的稳态分量与输入信号频率相同频率相同，一般振幅和，一般振幅和相位不同。非线性系统稳态输出一般不是同频率的正弦，而相位不同。非线性系统稳态输出一般不是同频率的正弦，而是含有高次谐波分量的非正弦周期函数。是含有高次谐波分量的非正弦周期函数。(4)(4)分析方法：分析方法：线性系统的分析方法有：根轨迹法、频率法。线性系统的分析方法有：根轨迹法、频率法。非线性系统的分析方法有：数值解法、描述函数法、相平非线性系统的分析方法有：数值解法、描述函数法、相平面法、李雅普诺夫直接法和

24、波波夫法。面法、李雅普诺夫直接法和波波夫法。线性系统与非线性系统的特点（续）(1)(1)系统的稳定性与相关条件：系统的稳定性与相关条件：线线性性系系统统的的稳稳定定性性只只与与系系统统结结构构和和参参数数有有关关，而而与与初初始始条条件件和和输输入入信信号号无无关关。对对于于线线性性定定常常系系统统稳稳定定性性仅仅取取决决于于闭闭环环系系统统特特征征方方程程的的根根在在s s平平面面的的分分布布。非非线线性性系系统统的的稳稳定定性性除除与系统结构和参数有关外，还与初始条件和输入信号有关。与系统结构和参数有关外，还与初始条件和输入信号有关。(2)(2)系统的运动状态：系统的运动状态：线性系统收敛

25、于平衡或发散的运动状态，而临界稳定状线性系统收敛于平衡或发散的运动状态，而临界稳定状态时，会出现等幅振荡。态时，会出现等幅振荡。非线性系统除收敛于平衡状态外，非线性系统除收敛于平衡状态外，还会遇到在没有外界作用的情况下，系统本身也会产生具有还会遇到在没有外界作用的情况下，系统本身也会产生具有一定固定性的振幅和频率的振荡，称为一定固定性的振幅和频率的振荡，称为自振荡自振荡或称或称自激振荡自激振荡。线性系统与非线性系统的特点开环控制开环控制 输出信号只取决于输入信号，与输出信号无关。输出信号只取决于输入信号，与输出信号无关。优点优点 结构简单，调试简单结构简单，调试简单 缺点缺点 抗干扰能力差，对

26、环境和元件的要求严格抗干扰能力差，对环境和元件的要求严格开环控制和闭环控制控制器执行元件控制对象输入信号输入信号控制变量控制变量被控量被控量输出信号输出信号开环控制实例电动机转速控制系统功率放大器M电动机电位器UdUg控制对象控制对象控制装置控制装置电枢电压电枢电压转速转速开环控制实例数控机床的开环控制闭环控制闭环控制 输出信号不仅受到输入信号的控制，而且还受到与输输出信号不仅受到输入信号的控制，而且还受到与输出信号成比例的反馈信号的控制出信号成比例的反馈信号的控制优点优点 抗干扰能力强抗干扰能力强 对元部件的要求不严格对元部件的要求不严格缺点缺点 结构复杂，结构复杂，设计和调试技术复杂。设计

27、和调试技术复杂。开环控制和闭环控制放大运算环节执行元件控制对象给定值给定值控制变量控制变量被控量被控量输出信号输出信号反馈元件比较器比较器电位计，转角，电压信号电位计，转角，电压信号测速电机，转速，电压信号测速电机，转速，电压信号光栅测量装置，位移，数字信号光栅测量装置，位移，数字信号闭环控制实例水面自动调节系统h0h浮子杠杆进水阀门出水阀门闭环控制实例电动机转速控制系统功率放大器M电动机电位器UdUrTGUg闭环控制实例数控机床工作台伺服驱动系统控制理论在机械制造领域中应用最活跃的方面控制理论在机械制造领域中应用最活跃的方面 机械制造过程自动化 加工过程的研究 产品与设备的设计 动态过程或参数的测试第第1章章 复复 习习 题题1经典控制论和现代控制论有何区别？2何谓自动控制和自动控制系统？3用控制理论解决工程问题主要进行哪两方 面工作？4控制系统设计时的性能指标主要包括哪四个 方面?其中动态性能指标又包括哪些具体内 容?5何谓开环系统和闭环系统？各有何特点？6.线性系统与非线性系统各有何特点？