控制工程基础课件.ppt
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控制工程基础,2,参考资料,杨叔子主编机械工程控制基础控制工程基础的经典教材,上页,下页,目录,3,目录,上页,下页,第2章：
控制系统的数学模型,第3章：
控制系统的时间响应分析与误差分析,第4章：
控制系统的频率特性分析,第5章：
控制系统的稳定性第6章：
控制系统的性能分析与校正,第1章：
绪论,4,第1章绪论,1.1概述,1.2自动控制系统的基本概念,上页,下页,目录,5,本章的教学大纲,1.了解自动控制理论研究的对象、作用；2.掌握自动控制系统结构、工作原理及系统结构方框图；3.掌握输入量、输出量、反馈、偏差等基本概念；4.了解控制系统的组成、分类及基本要求。
教学重点：
自动控制系统工作原理、系统结构方框图及输入量、输出量、反馈、偏差等基本概念。
上页,下页,目录,6,1.1概述,1.学科性质：
技术科学（应用理论）,2.研究对象：
自动控制系统,3.研究问题：
自动控制系统的性能（好坏）,如何建立数学模型,工程上分析和计算系统的方法,一般的理论和规律,例如1机器人，2火箭发射，3数控机床（视频）等,上页,下页,目录,7,一、发展阶段,经典控制：
20世纪50年代末形成完整的体系，以传递函数为基础研究单输入、输出系统（SISO）的反馈控制系统。
采用的方法主要有：
时域分析法、根轨迹法和频率法。
现代控制：
6070年代，以状态空间法为基础研究多输出输入（MIMO）系统，变参数、非线性、高精度等系统。
采用的方法主要有：
状态空间分析法。
本课程研究经典控制的主要内容。
大系统理论和智能控制论：
大系统论是用控制和信息的观点研究大系统的结构方案、总体设计中的分析方法和协调问题，智能控制论是研究与模拟人类活动的机理的新的控制论。
上页,下页,目录,8,二、自动控制理论的发展简史,1.1765瓦特飞锤控制器的应用，可以看成是自动控制学科发展的起点。
上页,下页,目录,9,2.1877年，劳斯（ERouth）和1895年赫尔维茨（AHurwith）分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。
3.1948年维纳（N.Wiener）发表控制论关于在动物和机器中控制和通讯的科学一文，是控制论正式成为一门学科的标志。
1932年奈奎斯特（HNyquist）在研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。
1945年伯德（H.W.Bode）提出了分析控制系统的另一种图解方法即频率法。
1948年伊万斯（w.KEvans）又创立了根轨迹法。
点击查看主要事迹,上页,下页,目录,10,4.1954年，钱学森用英文发表“工程控制论”，把控制论推广到其他领域。
继而出现了生物控制论、经济控制论、社会控制论等。
点击查看主要事迹,上页,下页,目录,11,三、主要研究的问题,研究内容有二：
一为系统分析，二为系统的设计（包括系统综合）,系统设计：
寻求一个能完成一定控制任务，满足一定控制要求的控制系统。
系统综合：
控制系统设计好后，即控制系统的主要元件和结构确定后，为了满足系统的性能指标，需要改变控制系统的某些参数或结构或附加某种装置。
这个过程称为系统的校正或系统的综合。
系统分析：
已知系统的结构和参数，研究它在某种典型输入信号作用下，被控量变化的全过程。
从这个变化过程得出其性能指标，并讨论性能指标和系统的结构、参数的关系。
上页,下页,目录,12,英文一般翻译：
ControlTheory英语原文：
Cybernetics：
“控制论”来源希腊文“mberuhhtz”，原意为“操舵术”，就是掌舵的方法和技术。
1948年维纳在控制论关于在动物和机器中控制和通讯的科学提出：
控制论是一门研究机器、生命社会中控制和通讯的一般规律的科学，他特意创造“Cybernetics”这个英语新词来命名这门科学。
控制论三要素：
信息、反馈、控制。
四、控制论,上页,下页,目录,13,五、自动控制,定义：
是指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、或者生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动的按照预定的规律运行。
生物、医学、环境、经济管理等其它,应用范围：
工业：
数控机床、轧钢机、恒温箱等,农业：
恒温大棚、农业自动化机械,宇航：
火箭、飞船、卫星,机器人、导弹制导、核动力等高新领域,道路交通：
信号灯控制、车牌自动识别,日常：
冰箱、洗衣机、空调,上页,下页,目录,14,上页,下页,目录,自动火炮、导弹制导等高新领域的应用,15,上页,下页,目录,在雷达领域的应用,16,上页,下页,目录,在家电领域的应用,17,道路交通的应用车牌自动识别,上页,下页,目录,18,恒温恒湿试验箱又名环境试验箱，实验各种材料的耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。
适合电子、电器、食品、车辆、金属、化学、建材等实验,上页,下页,目录,19,生化培养箱是供医疗卫生、医药、生物、农业、科研等部门作储藏菌种、生物培养等科研必需设备,上页,下页,目录,20,上页,下页,目录,在农业机械领域的应用,21,详细介绍请点击观看5中国探月计划全程模拟（视频）,上页,下页,目录,在太空领域的应用如4“嫦娥”奔月计划,22,1.2自动控制系统的基本概念,上页,下页,目录,本节的难点：
反馈控制的基本原理,本节的重点：
恒温箱的控制过程反馈控制的原理自动控制系统的分类自动控制系统的要求,23,控制过程：
1.测量元件（温度计）测出箱内的实际温度（被控量）2.与给定值（要求的温度）进行比较，得出偏差3.根据偏差的大小和方向进行控制。
上页,下页,目录,一、恒温箱的控制过程,24,二、恒温箱的控制比较,热电偶传感器,人工控制与自动控制的相似之处,比较电路,放大电路和执行电动机,被控量不变，控制装置不同,上页,下页,目录,25,三、手动控制与自动控制,手动控制靠人的观测与操作自动控制系统自动检测水位与控制阀门,上页,下页,目录,26,四、反馈,输入量：
给定量输出量：
被控制量反馈：
将输出量的全部或一部分通过适当的测量装置返回到输入端，使两者进行比较。
偏差：
比较的结果实质相同：
检测偏差用以纠正偏差。
反馈原理是实现自动控制的最基本方法。
上页,下页,目录,27,五、反馈控制系统的基本组成,放大元件,调节元件,执行元件,测量元件（反馈元件）,控制对象,比较元件,扰动,被控量,-,给定量,信号输入,给定元件,信号输出,反馈：
可以有正反馈和负反馈，一般系统可有多个反馈，但主反馈一定是负反馈。
被控量：
系统的输出量。
影响系统输出量称为系统干扰量。
上页,下页,目录,28,六、系统的分类,按照有无反馈,开环系统,闭环系统,优点：
构造简单，成本低。
缺点：
抗干扰能力差。
优点：
抗干扰能力强，稳态精度高，动态精度好,缺点：
构造复杂，成本较高。
烧开水为例,电饭煲为例,上页,下页,目录,29,七、系统的其他分类,恒值调节系统：
指参考输入量保持常值，如恒温箱,程序控制系统：
参考输入量随时间规律变化的，如智能电磁炉,随动系统：
参考输入量随时间任意变化的，如液压仿型刀架,连续控制系统,数字控制系统,复合控制系统,输入量,信号的类型,3.其他分类,上页,下页,目录,30,八、控制系统的基本要求,1.稳定性：
系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。
是系统工作的首要条件,上页,下页,目录,31,2.准确性：
当稳定系统过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差，也称为稳态误差。
3.快速性：
即动态过程进行的时间长短。
注意：
不同的系统对稳、快、准的要求应有所侧重。
而对于同一系统，稳、快、准的要求是相互制约的。
它是衡量系统稳态精度的重要指标。
稳态误差越小，表示系统的准确性越好。
上页,下页,目录,32,维纳趣事,20世纪著名数学家诺伯特维纳，从小就智力超常，三岁时就能读写，十四岁时就大学毕业了。
几年后，他又通过了博士论文答辩，成为美国哈佛大学的科学博士。
在博士学位的授予仪式上，执行主席看到一脸稚气的维纳，颇为惊讶，于是就当面询问他的年龄。
维纳不愧为数学神童，他的回答十分巧妙：
“我今年岁数的立方是个四位数，岁数的四次方是个六位数，这两个数，刚好把十个数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9全都用上了，不重不漏。
这意味着全体数字都向我俯首称臣，预祝我将来在数学领域里一定能干出一番惊天动地的大事业。
”维纳此言一出，四座皆惊，大家都被他的这道妙题深深地吸引住了。
整个会场上的人，都在议论他的年龄问题。
诺伯特维纳（NorbertWiener，1894-1964）维纳是美国数学家，控制论的创始人。
维纳1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比亚，1964年3月18日卒于斯德哥尔摩。
上页,下页,目录,33,主要成就,建立维纳测度引进巴拿赫维纳空间阐述位势理论发展调和分析,维纳在其50年的科学生涯中，先后涉足哲学、数学、物理学和工程学，最后转向生物学，在各个领域中都取得了丰硕成果，称得上是恩格斯颂扬过的、本世纪多才多艺和学识渊博的科学巨人。
他一生发表论文240多篇，著作14本。
他的主要著作有控制论（1948）、维纳选集（1964）和维纳数学论文集（1980）。
维纳还有两本自传昔日神童和我是一个数学家。
他的主要成果有如下八个方面：
发现维纳霍普夫方法提出维纳滤波理论开创维纳信息论创立控制论,点击返回,上页,下页,目录,34,钱学森简介,钱学森（1911）中国著名物理学家，世界著名火箭专家。
浙江杭州人，生于上海。
1934年毕业于上海交通大学机械工程系，1934年在美国麻省理工学院和加利福尼亚理工大学学习。
1935年赴美国研究航空工程和空气动力学，1938年获加利福尼亚理工学院博士学位。
后留在美国任讲师、副教授、教授以及超音速实验室主任和古根罕喷气推进研究中心主任。
1938年获博士学位后留校任教并从事火箭研究。
1950年开始争取回归祖国，当时一位美国海军高级将领说：
“钱学森无论走到哪里，都抵得上35个师的兵力，绝不能让他离开美国。
”因此钱学森受到美国政府迫害，失去自由，历经5年于1955年才回到祖国。
1955年10月冲破种种阻力回国后，1958年起长期担任火箭导弹和航天器研制的技术领导职务。
1959年，加入中国共产党。
曾任中国科学院力学研究所所长，第七机械工业部副部长，国防科工委副主任等职。
现任中国科技协会名誉主席等职。
上页,下页,目录,35,钱学森主要成就,钱学森长期担任中国火箭和航天计划的技术领导人，对航天技术、系统科学和系统工程做出了巨大的和开拓性的贡献。
钱学森共发表专著7部，论文300多篇。
主要贡献表现在以下几方面：
应用力学喷气推进与航天技术工程控制论物理力学系统工程与科学,思维科学人体科学科学技术体系马克思主义哲学系统工程与科学,科学火炬的传递者,点击返回,上页,下页,目录,36,第2章控制系统的数学模型,2.2拉氏变换及反变换,2.3传递函数及基本环节的传递函数,2.4系统框图及其简化,2.1控制系统的微分方程及线性化方程,上页,下页,目录,37,本章的教学大纲,1.掌握机械、电气系统微分方程的建立方法；2.了解非线性方程的线性化；3.熟悉拉普拉斯变换及反变换、线性定常微分方程的解法；4.熟悉传递函数；5.掌握系统传递函数方框图的化简。
重点是微分方程、传递函数、拉普拉斯变换及反变换、解微分方程、化简传递函数方框图；难点是建立微分方程及化简传递函数方框图。
上页,下页,目录,38,2.1控制系统的微分方程及线性化方程,基本概念数学模型,微分方程,传递函数,状态方程,定义：
描述系统的数学表达式,意义：
通过数学模型，在理论上掌握系统在一定的输入作用下的运动规律以及稳定情况和动态过程。
形式,微分方程是最基本数学模型，是其他两种的基础,上页,下页,目录,39,一、建立微分方程的一般步骤,
（1）确定输入量、输出量和扰动量，并根据需要引进一些中间变量。
（2）根据物理或化学定律，列出微分方程。
（3）消去中间变量后得到描述输出量与输入量（包括扰动量）关系的微分方程（标准形式）。
输入量在等号的右边，输出量在等号的左边，均按降次排列,上页,下页,目录,40,二、机械系统的微分方程的建立,基本原理：
1.牛顿第二定律：
F=ma,2.简化模型为质量块m、弹簧k、阻尼器f,f粘滞摩擦系数,k弹簧系数,方向：
均为阻碍物体运动趋势,上页,下页,目录,41,实例1：
平移系统,某系统简化模型如下图所示，当外力y（t）作用于系统时，系统将产生运动。
试写出外力y（t）与质量块的位移x（t）之间的微分方程。
解：
在外力作用下，如果弹簧恢复力和阻尼器阻力与y（t）不能平衡，则质量块将产生加速运动，其速度和位移发生变化。
根据牛顿定理有：
上页,下页,目录,42,实例2：
回转系统,f转动时粘滞摩擦系数,k弹性扭转变形系数,上页,下页,目录,43,实例3：
弹簧阻尼器系统,点A:
点B:
上页,下页,目录,44,三、电气系统微分方程的建立,基本原理：
2.典型元件的电压与电流的关系,1.环路电压定律和节点电流定律,上页,下页,目录,45,实例1：
RLC网络,左图是由电阻R、电感L和电容C组成的无源网络，试列写以为输入量，以为输出量的网络微分方程。
解：
设流过电感L的电流为i（t）则：
带入后消去电流为i（t）则得如下方程：
空载,上页,下页,目录,46,实例2：
直流他激电动机,设激磁电流恒定并忽略电枢反应。
为转速，Ua为电枢电压，Mc为负载1）电枢回路的电势平衡方程为：
2）电动机的反电势方程为,Ce为电动机的电势常数，单位为vsrad。
3）电动机的电磁转矩方程为,Cm为电动机的转矩常数，单位为NmA。
上页,下页,目录,47,4）电动机轴上的动力学方程为,J为转动部分折算到电动机轴上的总转动惯量，其单位为Nms2。
消去ea、ia、M三个中间变量，可以得到描述输出量，输入量ua及扰动量M之间的关系的微分方程为：
电机的电磁时间常数,电机的机械时间常数,电压传递系数,转矩传递系数,上页,下页,目录,48,讨论,通常电枢的电感La很小，所以电磁时间常数可以忽略不计，于是电动机的微分方程可以简化为：
如果取电动机的转角作为输出，则上式可改写为,上页,下页,目录,49,实例3：
有源网络,解:
下图是一个由理想运算放大器组成的电容负反馈电路。
电压和分别表示输入量和输出量，试确定这个电路的微分方程式。
I,A,上页,下页,目录,50,非线性方程的线性化（自学）,非线性方程难于求解，用线性数学模型近似表示非线性数学模型。
在一定工作范围内进行线性化处理。
将非线性函数在平衡点附近展成泰勒级数，并忽略高次项。
例：
直流发电机,X轴表示励磁电流,Y轴表示输出电势,由于存在磁路饱和，y和x呈非线性关系,y=f（x）,可以在（x0,y0）附近泰勒级数,上页,下页,目录,51,忽略高次项，然后用增量表示,是比例常数。
经上述处理后，就变成了线性方程。
上页,下页,目录,52,对于具有两个自变量的非线性函数,在静态工作点y0=（x10,x20）附近展成泰勒级数。
用增量表示,及,是比例常数。
上页,下页,目录,53,上述方法称为小偏差线性化方法。
它是基于这样一种假设：
输入量和输出量只是在静态工作点附近作微小变化。
几点注意：
（1）只适用于不太严重的非线性系统，其非线性函数是可以利用泰勒级数展开的（非本质非线性）。
（2）实际运行情况是在某个平衡点（即静态工作点）附近，且变量只能在小范围内变化。
（3）不同静态工作点得到的方程是不同的。
（4）对于严重的非线性，例如继电特性，因为处处不满足泰勒级数展开的条件，故不能做线性化处理。
（5）线性化后得到的是增量微分方程。
上页,下页,目录,54,2.2拉氏变换与反变换,本节的难点：
拉氏变换的严格的数学推导与变换,本节的重点：
工程常见函数的拉氏变换拉氏变换的运算规则基于分部积分法的拉氏反变换,上页,下页,目录,55,一、问题的引入,目的：
将微分方程转换为代数方程（实质是将微积分运算转换为乘除运算），使求解大大简化，是工程技术人员常用的分析控制系统的数学方法。
如此时将y（t）改变为一时变作用力，那么运动状态有时如何分析呢？
上页,下页,目录,56,二、拉氏变换（Laplacetransform）的定义,满足条件,1.在任一有限区间，分段连续，只有有限个间断点,2.有限性，即当时间趋紧无穷大时，收敛于某一个数,定义：
式中,称为原函数,称为象函数,上页,下页,目录,57,三、阶跃函数的拉氏变换,阶跃函数的定义,如果A1,称为单位阶跃函数,记为1（t），即,对系统输入阶跃函数就是在t=0时，给系统加上一个恒值输入量。
如左图所示,该函数的拉氏变换为：
单位阶跃函数的拉氏变换为R（s）=1/s。
上页,下页,目录,58,四、斜坡函数的拉氏变换,斜坡函数也称等速度函数，其定义,如果A1，称为单位斜坡函数，如图所示,输入斜坡函数相当于对系统输入一个随时间作等速变化的信号，如右图所示,该函数的拉氏变换为：
单位斜坡函数的拉氏变换为R（s）=1/s2。
分部积分法,阶跃函数,上页,下页,目录,59,五、脉冲函数的拉氏变换,脉冲函数的定义,脉冲函数在理论上（数学上的假设）是一个脉宽无穷小，幅值无穷大的脉冲。
在实际中，只要脉冲宽度极短即可近似认为是脉冲函数。
如图所示。
脉冲函数的积分，即脉冲的面积为:
如果A1，即面积为1的函数称为单位脉冲函数，记为，即,上页,下页,目录,60,六、脉冲函数的拉氏变换,脉冲函数拉氏变换为:
函数的图形如图所示。
脉冲函数的积分就是阶跃函数,单位脉冲函数的拉氏变换为R（s）=1。
上页,下页,目录,61,七、其他常用函数的拉氏变换,1.指数函数：
2.正弦函数和余弦函数,欧拉公式,上页,下页,目录,62,八、拉氏变换的常用定理,1.线性定理：
该定理表示：
常数与原函数乘积的拉氏变换等于常数与该原函数的拉氏变换的乘积。
若干原函数之代数和的拉氏变换等于各原函数拉氏变换之代数和。
2.延迟定理：
3.位移定理：
上页,下页,目录,63,4.微分定理：
设，则各阶导数的拉氏变换为：
特别注意：
上页,下页,目录,64,5.积分定理：
设，则,特别注意：
当是n重积分时，,上页,下页,目录,65,6.终值定理：
若函数f（t）的拉氏变换为F（s），,7.初值定理：
若函数f（t）的拉氏变换为F（s），,上页,下页,目录,66,九、拉氏反变换,这是复变函数的积分，一般难以直接计算。
通常用查拉氏表的方法求拉氏反变换。
若原函数F（s）在表中不能直接查到，则需将F（s）展开成部分分式,再对每项象函数求拉氏反变换，将各反变换的原函数相加，就得到F（s）的原函数。
这种方法称为部分分式法,1.由象函数F（s）求原函数f（t）称拉氏反变换，用表示，数学定义为：
上页,下页,目录,67,十、拉氏反变换部分分式法,F（s）一般可以写成如下形式：
根据极点的不同，可以分成如下三种情况讨论分析,式中是F（s）的极点。
上页,下页,目录,68,F（s）只含有不相同的实数极点,1.无重实根,式中是待定的常数，它是的留数,按下式求得。
F（s）的拉氏反变换为：
上页,下页,目录,69,例题1,求的拉氏反变换。
解:
留数法,待定系数法,查表,上页,下页,目录,70,例题2,解:
求的拉氏反变换,令,微分定理,上页,下页,目录,71,若F（s）的极点中含有复数极点，仍可用上面单极点的处理方法来分解F（s），只是ki是复数,如果s1,s2是共轭复数极点，则k1,k2也是共轭复数，故两个求一个即可。
2.共轭复根,上页,下页,目录,72,解：
例题3,求原函数,上页,下页,目录,73,K1,k2,k3代入上式得,取拉氏反变换得,上页,下页,目录,74,3.有重根,假设有个重复极点,上页,下页,目录,75,例题4,求拉氏反变换,解：
上页,下页,目录,76,十一、用拉氏变换求解微分方程,一般步骤是：
1.对线性微分方程的每一项进行拉氏变换，使微分方程变成以s变量的代数方程；,2.求解代数方程，得到输出变量象函数的表达式；,3.将象函数展开成部分分式；,4.对部分分式进行拉氏反变换，得到微分方程的解。
上页,下页,目录,77,例题5,已知微分方程，式中y，x分别是输出与输入量，设，求y（t）,解：
根据微分定理对微分方程进行拉氏变换，得,将上式按部分分式展开,上页,下页,目录,78,解一.,解二：
补充习题答案,上页,下页,目录,79,2.3传递函数的概念及典型环节的传递函数,本节的难点：
1.惯性环节和振荡环节2.实际控制系统的传递函数的求解,本节的重点：
传递函数的概念及性质基本环节的传递函数,上页,下页,目录,80,问题的引出,控制系统的微分方程，是时域中描述系统动态性能的数学模型，求解微分方程可以得到在给定外界作用及初始条件下系统的输出响应，并可通过响应曲线直观地反映出系统的动态过程。
但系统的参数或结构形式有变化，微分方程及其解都会同时变化，不便于对系统进行分析与研究。
根据求解微分方程的拉氏变换法，可以得到系统的另一种数学模型传递函数。
它不仅可以表征系统的动态特性，而且可以方便地研究系统的参数或结构的变化对系统性能所产生的影响。
在经典控制理论中广泛应用的根轨迹法和频率法，就是在传递函数基础上建立起来的。
上页,下页,目录,81,一、传递函数的定义,定义：
对于线性定常系统，在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换Y（s）与输入量的拉氏变换X（s）之比。
表示方法：
上页,下页,目录,82,二、传递函数的说明,1.特征方程：
传递函数中分母等于零的方程称作特征方程：
2.极点：
使特征方程为零的s=pn称为极点。
3.零点：
是传递函数为零的s=zm称为零点。
共同决定了系统的动态过程,上页,下页,目录,83,三、传递函数的性质,1.传递函数表示系统传递输入信号的能力，反映系统本身的动态特性，它只与系统的结构和参数有关，与输入信号和初始条件无关。
2.传递函数是复变量s的有理分式函数，其分子多项式的次数m低于或等于分母多项式的次数n，即mn。
且系数均为实数。
3.在同一系统中，当选取不同的物理量作为输入、输出时，其传递函数一般也不相同。
传递函数不反映系统的物理结构，物理性质不同的系统，可以具有相同的传递函。
4.传递函数的定义只适用于线性定常系统。
上页,下页,目录,84,四、环节及典型环节的定义,一个物理系统是由许多元件组合而成的，虽然元件的结构和作用原理多种多样，但若考察其数学模型，却可以划分成为数不多的几种基本类型，称之为典型环节。
这些环节是比例环节、惯性环节、积分环节、振荡环节、微分环节和延时（滞后）环节。
环节：
从数学模型分析出发，可以将系统分为由一些基本环节组成，能组成独立的运动方程的一部分称为一个环节。
环节可以是一个元件，也可以是一个元件的一部分或由几个元件组成，各环节不能有相互影响（无负载效应）。
上页,下页,目录,85,1.比例环节,输出量与输入量成正比的环节，又称放大环节,注意：
比例环节的输出量能够既不失真又不延迟地反映输入量的变化。
如杠杆机构、啮合齿轮的转速比、理想运算放大器等，测速发电机在控制系统中常用作速度传感器，提供与转速成正比的电压信号。
上页,下页,目录,86,2.惯性环节,惯性环节又称非周期环节，其输入、输出间的微分方程为,传递函数为,式中T为时间常数，K为比例系数,如左图所示的RC电路为惯性环节，输出电压Uo和输入电压Ui的关系为,上页,下页,目录,87,2.惯性环节实例温度计测量过程,（点击按钮播放动画）惯性环节含有储能元件，对于突变形式的输入信号，
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