控制工程-第一章-绪论课件

,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,南 华 大 学,Company name,单击此处编辑母版标题样式,南 华 大 学,控制工程,主讲：郑雪飞,、,朱慧玲、谢静、郭剑,机械工程学院机械设计制造及其自动化教研室,控制工程主讲：郑雪飞、朱慧玲、谢静、郭剑,课程性质,控制工程,是本学科的技术基础课，理论知识较复杂，需要扎实多学科的基础知识做铺垫，学习中存在大量的数学计算和推导，是一门理论性很强的综合性科学技术。,大学物理,理论力学,控制工程,电机与拖动,模拟电子技术,线性代数,高等数学,复变函数、,拉普拉斯变换,电路理论,信号与系统,课程性质 控制工程是本学科的技术基础课，理论知识较复杂,主要教学环节,课堂,教学,课外,补充,软件,辅助,实验,加强,习题,训练,课程内容,主要教学环节课堂课外软件实验习题课程内容,主要知识结构,时域分析,系统稳定性判据,基础,知识,分析,方法,基本概念,控制系统结构体系,控制系统数学模型,自,动,控,制,技,术,频域分析,工程,应用,系统性能指标,系统校正,控制的基本概念,系统性能校正,数学模型,时域分析,频域分析,稳定性分析,知识结构（经典控制理论）,主要知识结构 时域分析系统稳定性判据基础分析基本概念自频域分,第一章 绪论,控制工程的研究对象及任务,系统的模型,系统的分类,控制系统的基本要求,主要,内容,1,控制系统的工作原理和分类,2,控制系统的基本组成,3,控制系统的基本要求,第一章 绪论 控制工程的研究对象及任务系统的模型系统的分,第一章 绪 论,水位控制,杠杆,浮子,进水,阀门,出水,阀门,储水池,h,0,h,h,0,h,浮子,、,杠杆,、,阀门,、,水池,e,水位自动控制系统,控制,人工控制,自动控制,目标：使被控对象按指定规律变化,第一章 绪 论 水位控制杠杆浮子进水阀门出水阀门储水池h0,第一章 绪 论,控制理论的发展,（一）“控制”问题的提出,1.,蒸汽机转速的人工控制,眼、转速表,蒸汽机,手、阀门,大脑,希望恒定转速,M,实际,n,蒸汽机,负载,M,n,进汽量,Q,阀门,眼 脑,手,测速表,希望恒定转速,（,1,）原理图,控制,某个主体使其他对象按照,一定的目的来动作；,反馈,将输出反回输入端的过程；,偏差,输入信号与反馈信号之差。,控制的基本过程就是,“,检测偏差用以纠正偏差,”,的过程,（,2,）,控制系统方框图,第一章 绪 论 控制理论的发展（一）“控制”问题的提出,第一章 绪 论,2.,蒸汽机转速的自动控制,（,1,）原理图,两者的基本原理相同，都是建立在,“,检测偏差用以纠正偏差,”,的基础之上。,（,2,）,控制系统方框图,离心机构,蒸汽机,负载,M,n,A,B,进汽量,Q,阀门,滑套,n,1,被控对象,检测、比较机构,执行机构,离心机构,蒸汽机,阀门,比较机构,给定,N,g,M,实际,n,Q,第一章 绪 论 2. 蒸汽机转速的自动控制（1）原理图,第一章 绪 论,（二） 控制理论的发展简史,1765,年 瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制蒸汽机,1948,年 维纳,控制论或关于在动物和机器中控制和通信,的科学,产生,形成完整的经典控制理论,40,60,年代,经典控制理论,（频域法为主）,60,70,年代,现代控制理论,（时域法为主,),70,年代以后 大系统控制理论,第一章 绪 论 （二） 控制理论的发展简史1765年,1,经典控制理论,出现时间,: 4050,年代,研究对象,:,单输入、单输出系统（,SISO,系统）,研究背景,:,二战军工技术,研究目标,:,反馈控制系统的整定,基本方法,:,传递函数，频率法、,PID,第一章 绪 论,研究,复域内,(,频域,),单输入,/,出、线性非时变系统,传递函数,(,频率响应函数,),稳定性快速性准确性,1经典控制理论 第一章 绪 论 研究复域内(频域)单输入,2,现代控制理论,出现时间：,6070,年代,研究对象：多输入、多输出系统（,MIMO,系统）,研究背景：冷战时期空间技术，计算机技术,研究目标：最优控制,基本方法：状态方程,第一章 绪 论,时域,内、利用,状态空间分析,，研究,多输入、多输出、非线性、时变,系统的最优控制、系统识别等问题。,关键问题,能否建立反映过程或系统的,动态数学模型,能否对此模型提供有效的,算法与程序,2现代控制理论 第一章 绪 论 时域内、利用状态空间分析,第一章 绪 论,第一章 绪 论,成品,人的感觉器官,加工对象,人体、手,需求,干扰,人脑,人的感觉器官,加工对象,机器机构,需求,干扰,人脑,体力,成品,需求,干扰,干扰,检测装置,加工对象,加工设备,人脑,成品,干扰,干扰,检测系统,加工对象,加工设备,计算机,需求,成品,机械制造的发展和控制理论的应用,特点：,人逐步从制造过程诸环节的,直接参与,中解脱出来；首先从,加工,(,执行）,检测,控制,中解脱出来,第一章 绪 论,成品人的感觉器官加工对象人体、手需求干扰人脑人的感觉器官加工,第一章 绪 论,1-1,控制工程的研究对象和任务,一、系统,定义：,由相互联系和制约的环节组成具有特定功能的整体。,工程系统：控制电气、机械、机电、化工、热力等,非工程系统：经济、交通、管理、社会、生态等,分类,第一章 绪 论 1-1 控制工程的研究对象和任务一、系,第一章 绪 论,实质：,研究工程技术中广义系统的,动力学问题,，,即系统在外界输入作用下（包括干扰输入），,从一定的初始条件,（状态）出发，所经历的整个,动态过程,，亦即系统及其输入、输出三者之间的关系。,二、研究对象和任务,控制系统一般都有输入量和输出量。,输入,输出,系统,三要素,动态关系,第一章 绪 论 实质：研究工程技术中广义系统的动力学,第一章 绪 论,y(t),f(t),m,k,c,令,p=,d,/,d,t,(,mp,2,+cp+k,),y,(,t,),= f,(,t,),y(t),x(t),y(t),m,k,c,(,mp,2,+cp+k,),y,(,t,),=,(,cp+k,),x,(,t,),分析：这是同一个系统，不同的外界作用,质量,弹簧,阻尼系统,系统的输出响应取决,:,1,）输入信号,2,）系统结构参数,3,）初始条件,4,）输入与系统的关系,系统,输入,输出,第一章 绪 论 y(t)f(t)mkc令p=d/dt(mp,第一章 绪 论,机械工程控制的研究任务：,控制系统建模、分析和综合（设计）。,运用经典控制理论进行,控制理论研究五大内容,（系统、输入、输出三者的关系）,系统分析问题,当系统已定、输入,(,或激励,),已知时,求出系统的输出,（或响应）,并通过输出来研究系统本身的有关问题。,最优控制问题,当系统已定时,确定输入,且所确定的输入应使得输出尽可能符合给定的最佳要求。,最优设计问题,当输入已知时,确定系统,且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求。,滤波与预测问题,当输入已知时,输出可以测量，确定系统,以识别输入或输人中的有关信息。,系统识别或系统辨识问题,当输入与输出均已知时,求出系统的结构与参数,即建立系统的数学模型。,第一章 绪 论 机械工程控制的研究任务：控制系统建模、分析,