《机械工程控制基础》第五版配套PPT课件0-绪论(第一讲).ppt

工程控制基础 主讲人 向先波 专业技术基础课 本课是非电专业的机电技术专业基础课 应用广泛 学时少 内容多 不能轻视 否则 对以后的工作 学习将会造成影响 前导课程 复变函数 电路理论 机械制造技术基础后续课程 船舶设计 船舶电气 毕业设计等 控制思想 控制方法论 主要教学环节 希望和要求 教学形式 课堂上 多媒体授课为主 板书为辅 学习模式 预习 听课 复习 作业等形式 课外交流联系方式 授课人 向先波办公室 东二楼新楼303室通讯方式 87543157 83 办 62000576 个人 EMAIL simbol 助教 闫磊EMAIL yanlei198202 工程控制基础 课程说明 教学目标 对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析 以找出问题本质和有效的解决方法2 如何控制一个机电系统 使之按预定的规律运动 以达到预定的技术经济指标 为实现最佳控制打下基础 主要教学内容 基础知识 分析方法 工程控制技术 工程应用 学时与学分 40 2 5 基本教学内容与学时安排一 绪论4学时二 控制系统的数学模型6学时三 系统的时间响应分析6学时四 系统的频率特性分析8学时五 系统的稳定性8学时六 系统的性能指标与校正4学时上机实验 2学时物理实验 2学时 课程成绩确定方法 本课程将注重过程 采用过程评价体系 成绩主要由平时成绩 上机实验 考试成绩三部分组成 每项说明如下 1 平时成绩 到课率 迟到早退情况 作业情况 回答问题情况 上课情况等2 实验 实验准备情况及平时做实验的完成情况3 考试 闭卷 卷面考试成绩最终成绩的给定大约按如下公式得到 平时成绩 实验 考试成绩三者比重大约分别为 15 15 70 上课将会有提问 点名 课堂练习 课后将会有作业 记入平时成绩星期一交作业 星期五发作业 工程控制基础 课程教材及参考书 教材 机械工程控制基础 第五版 杨叔子 杨克冲等编著 华中科技大学出版社 2005 参考书 第一章绪论 1 1引言1 2控制技术应用举例1 3自动控制理论的发展1 4控制系统的计算机辅助设计简介 1 1引言 在现代科学技术的众多领域中 自动控制技术起着越来越重要的作用 所谓自动控制 就是在没有人直接参与的情况下 利用外加的设备或装置 控制装置 使机器 设备或生产过程 控制对象 的某个工作状态或参数 被控量 自动地按照预定的规律运行 如数控车床按预定程序自动切削 人造卫星准确进入预定轨道并回收等 Cybernetics 控制论 自动控制技术除了在工业上广泛应用外 近几十年来 随着计算机技术的发展和应用 在宇航 机器人控制 导弹制导及核动力等高新技术领域中 自动控制技术更具特别重要的作用 不仅如此 自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物 医学 环境 经济管理和其它许多社会生活领域中 自动控制已成为现代社会生活中不可缺少的一部分 在船舶制造领域 从20世纪50年代开始 自动控制技术的应用就比较快地发展起来 并成为船舶发展的几个主要方面之一 出现了 无人值班 的全自动化机舱 自动控制 是指在没有人直接参与的情况下 利用控制装置使被控对象 如机器 设备或生产过程 的一个或数个物理量 如电压 电流 速度 位置 温度 流量 化学成分等 自动的按照预定的规律运行 或变化 自动控制系统 是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统 它一般由控制装置和被控对象组成 被控制对象是指那些要求实现自动控制的机器 设备或生产过程 控制装置是指对被控对象起控制作用的设备总体 自动控制系统的功能和组成是多种多样的 其结构有简单也有复杂 它可以只控制一个物理量 也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的全部生产和管理过程 它可以是一个具体的工程系统 也可以是比较抽象的社会系统 生态系统或经济系统 自动控制系统自动控制系统是指能够对被控制对象工作状态进行自动控制的系统 一般由控制装置和被控制对象组成 被控制对象是指要求实现自动控制的机器 设备或生产过程例如船舶 柴油机 发电机 锅炉或热力过程等 控制装置则是指对被控制对象起控制作用的设备总体 包括测量设备 计算处理设备及驱动动作设备 控制技术融合了信息技术 工程技术 是多种技术的融合 当今世界 控制技术无处不在 1 2自动控制技术应用 世界随处可见控制与反控制 被控对象 人类自然信息状态 不借助任何工具和技术的原始状态 输入 获取 看 听 闻 尝 感存储 大脑控制 大脑 世间最强大的处理控制器传输 声音 手势输出 表达 语言 手势 表情自然状态的不足 控制技术与工具 和人类发明了机械和交通技术和工具一样 主要是材料和能量技术 人类也发明了非常丰富多彩的控制技术和工具 输入 获取 望远镜 传感器 发展较晚 传输 烽火台 旗语 鼓语 邮递 书籍 交通 电报 电话 无线电 电视 Internet存储 结绳计数 文字 绘画 纸和印刷 非常伟大的发明 现代技术很多方面都没有超过它 照相 录音 录像 数字存储输出 表达 文字 绘画 声音 音响 图形 图像 显示技术 包括电影电视 处理控制 算筹 算盘 计算器 微处理器 计算机 控制理论 经典 现代 大系统理论 现象 数字化控制技术大潮 世纪之交的技术大转移 数字化大转移时间 世纪之交前后50年50年前开始 50年后成熟 信息领域数字技术一统天下目前正是转移的高峰期 Internet 计算机 数字录音 数据通讯 目前主干 即将用户 数字电视 数字广播 数字相机 数字摄像 数字城市 数字流域 数字地球 数字化控制 数字化生存专家语言 50年后 不是数字的信息产品很难见到 成熟 数字化控制技术大有用武之地 控制技术应用的出发点 所有应用 均基于控制系统的结构与功能处理 控制存储接口应用 输入 输出等还有一个重要特点 在于信息量的输出 不在于能量的获取 控制无处不在 控制技术应用 控制技术应用举例 1 工业控制 电机控制机床控制生产过程自动化控制机器人控制 控制技术的应用 海洋探测机器人 1990年日本海洋科技中心研制的 海沟号 缆控式无人潜水器 左 及其在大海中工作时的情况 右 CR 01型6000米水下无缆机器人 1995年8月我国沈阳自动化所机器人中心研制的CR 01型6000米水下无缆机器人 上 和正在下水的情况 右 瑞典博福斯公司研制的 双鹰 水下扫雷机器人 一个典型的运动控制系统 船用火力发电综合控制系统 家用电器 冰箱 洗衣机家庭影院微波炉 控制技术应用举例 2 消费类产品 WalkManU盘 MP3手机应用产品 控制技术应用举例 3 32 64等合弦音MCU芯片 智能楼宇的控制 控制技术应用举例 4 可视对讲 室内报警 远程家电控制 楼宇电梯的控制 信号检测 供电系统 电机 执行机构 可编程序控制器 ProgrammableLogicController 电机控制器 汽车电子 汽车电子 电源发动机控制行驶装置报警与安全装置旅居性仪表娱乐通讯 控制技术应用举例 5 21世纪绿色环保汽车EV 安全 舒适 可靠 无废气排放 零排放 高效率 机 电 机电一体化 电子 机械 控制 控制 基于CAN总线的汽车内部控制示意图 口语汽车导航系统使用情景示意图 汽车GPS定位 GIS导航 GSM通信 1 3自动控制理论的发展 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学 既是一门古老的 已臻成熟的学科 又是一门正在发展的 具有强大生命力的新兴学科 从1868年马克斯威尔 J C Maxwell 提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里 自动控制理论的发展可分为四个主要阶段 第一阶段 经典控制理论 或古典控制理论 的产生 发展和成熟 第二阶段 现代控制理论的兴起和发展 第三阶段 大系统控制兴起和发展阶段 第四阶段 智能控制发展阶段 经典控制理论 控制理论的发展初期 是以反馈理论为基础的自动调节原理 主要用于工业控制 第二次世界大战期间 为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪 火炮定位系统 雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备 进一步促进和完善了自动控制理论的发展 1868年 马克斯威尔 J C Maxwell 提出了低阶系统的稳定性代数判据 1895年 数学家劳斯 Routh 和赫尔威茨 Hurwitz 分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据 即Routh和Hurwitz判据 二战期间 1938 1945年 奈奎斯特 H Nyquist 提出了频率响应理论1948年 伊万斯 W R Evans 提出了根轨迹法 至此 控制理论发展的第一阶段基本完成 形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论 经典控制理论的基本特征 1 主要用于线性定常系统的研究 即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合 2 只用于单输入 单输出的反馈控制系统 3 只讨论系统输入与输出之间的关系 而忽视系统的内部状态 是一种对系统的外部描述方法 应该指出的是 反馈控制是一种最基本最重要的控制方式 引入反馈信号后 系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝 从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度 与此同时 反馈作用又带来了系统稳定性问题 正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情 推动了自动控制理论的发展与完善 因此从某种意义上讲 古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的 现代控制理论 由于经典控制理论只适用于单输入 单输出的线性定常系统 只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态 因而在实际应用中有很大局限性 随着航天事业和计算机的发展 20世纪60年代初 在经典控制理论的基础上 以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来 1954年贝尔曼 R Belman 提出动态规划理论1956年庞特里雅金 L S Pontryagin 提出极大值原理1960年卡尔曼 R K Kalman 提出多变量最优控制和最优滤波理论在数学工具 理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息 输出量和输入量 而且还能提供系统内部状态变量的信息 它无论对线性系统或非线性系统 定常系统或时变系统 单变量系统或多变量系统 都是一种有效的分析方法 大系统理论 20世纪70年代开始 现代控制理论继续向深度和广度发展 出现了一些新的控制方法和理论 如 1 现代频域方法以传递函数矩阵为数学模型 研究线性定常多变量系统 2 自适应控制理论和方法以系统辨识和参数估计为基础 在实时辨识基础上在线确定最优控制规律 3 鲁棒控制方法在保证系统稳定性和其它性能基础上 设计不变的鲁棒控制器 以处理数学模型的不确定性 随着控制理论应用范围的扩大 从个别小系统的控制 发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制 从传统的工程控制领域推广到包括经济管理 生物工程 能源 运输 环境等大型系统以及社会科学领域 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论 具有规模庞大 结构复杂 功能综合 目标多样 因素众多等特点 它是一个多输入 多输出 多干扰 多变量的系统 大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段 智能控制 是近年来新发展起来的一种控制技术 是人工智能在控制上的应用 智能控制的概念和原理主要是针对被控对象 环境 控制目标或任务的复杂性提出来的 它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧 解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题 被控对象的复杂性体现为 模型的不确定性 高度非线性 分布式的传感器和执行器 动态突变 多时间标度 复杂的信息模式 庞大的数据量 以及严格的特性指标等 智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程 对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识 智能控制是从 仿人 的概念出发的 一般认为 其方法包括学习控制 模糊控制 神经元网络控制 和专家控制等方法 1 4控制系统的计算机辅助设计 1 控制系统的数字化特点含有大量的矩阵运算Fortan C科学计算频域 时域分析控制模型图形化2 开发平台 以计算机为工具 进行控制系统的设计与仿真分析Matatlab软件1 控制系统工具箱 m文件算法分析2 Simulink仿真 建模 分析和仿真 小结 控制技术的应用范围广 与我们的工作 生活密切相关 在现实世界中可谓无处不在 掌握好控制技术有着非常重要的意义