第1章控制系统导论1.ppt
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1、2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,控制工程基础,Basis of Control Engineering,李建民,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,0.1 自我简介,原解放军理工大学 工程兵工程学院教授 原三江学院电气与自 动化工程学院教授、副院长 现三江学院机械工程学院教授、副院长,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,78.09-82.07 炮兵技术学院防空导弹控制专业本科 82.08-84.07 长沙炮兵学院 军事指挥学专业本科 88.09-91.07 北京理工大学飞行器控制硕士研究生,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,Tel:
2、 15345183439 E-mail: ljm_ QQ: 695824279,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,0.2 课程性质、地位和任务,控制工程基础是与所有工程技术相关的技术基础课工程中的数学。,基 础 课,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,课程性质、地位和任务,任务: 掌握控制系统的 基本理论 2.掌握控制系统的 分析和设计方法,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,0.3 课程主要内容,第一章 控制系统导论 第二章 控制系统数学模型 第四章 反馈控制系统特性 第五章 反馈控制系统性能 第六章 线性反馈系统的稳定性 第七章 根轨迹法 第八章
3、 频率响应法 第九章 频域稳定性 第十章 反馈控制系统设计 第十三章 数字控制系统,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,教学内容,随着科技的发展,无论工业领域,还是农业、军事国防等领域的自动化的程度不断提高,作为自动控制理论的入门课程,控制工程基础已成为机械设计制造及其自动化专业、车辆工程专业、材料成型及控制工程专业、热能与动力工程专业等机械类,甚至几乎是所有的工科和政治、经济、管理学科类的一门很重要的专业基础课。,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,教学内容,本课程主要讲授有关经典控制理论的一些基本概念、基本理论、基本分析和设计知识,包括时域分析、频域分析和根轨迹
4、分析方法,了解非线性系统和离散系统的分析方法,使学生掌握控制理论的工程应用,提高分析问题和解决问题的能力。,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,知识模块顺序及对应的学时,一、理论教学内容(42学时),主要为经典控制. 1. 基本知识(3学时): 控制理论在工程中的应用发展;控制系统基本概念;本课程主要内容。 2.系统动态数学模型(9学时): 控制系统时域数学模型微分方程及非线性微分方程的线性化;控制理论中的一种很重要的数学变换拉氏变换及反变换;传递函数的定义、物理意义及求取方法;输入输出信号与传递函数的关系;系统函数方块图及其简化;绘制实际物理系统的函数方块图。,2019年6月1
5、7日星期一,三江学院机械工程学院,3.系统的时间响应分析(6学时): 典型输入信号,一阶、二阶系统的瞬态响应及其性能指标,高阶系统的瞬态响应分析。 4.系统的频率特性分析(6学时): 频率特性与系统传递函数间的关系,频率特性的表示方法,频率特性的图示(Nyquist图和Bode图)方法,对最小相位系统由频率特性曲线求系统的传递函数。,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,5.系统的稳定性(6学时): 系统稳定性的基本概念,判别线性定常系统稳定性的充要条件,Routh稳定性判据、Nyquist稳定性判据和Bode稳定性判据的基本原理和使用方法,系统的相对稳定性,相位储备和幅值储备。
6、6.系统的误差分析和计算(3学时): 稳态误差的基本概念;输入引起的稳态误差和静态误差系数;干扰引起的稳态误差和减小系统误差的途径。,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,7.控制系统的综合与校正(3学时): 系统校正的基本概念、目的与实质,控制系统的串联校正(包括超前校正,滞后校正,滞后-超前校正),PID校正,反馈校正,顺馈校正等的基本特性。 8.根轨迹分析(3学时): 根轨迹与根轨迹方程;绘制根轨迹的基本法则;利用根轨迹法对控制系统进行分析;系统闭环零点、极点的分布与性能指标的关系。,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,计算机控制系统简介及复习串讲(3学时),2
7、019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,二、实验教学内容(6学时),1、实验一 控制系统的时间响应分析 2、实验二 控制系统的频域响应分析,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,课程的重点、难点及解决办法,课程的重点: 1.系统的数学模型:主要介绍数学模型的建立方法、拉氏变换、传递函数的定义、简单系统传递函数的求法、系统方块图及其简化; 2.系统的时间响应:主要研究一阶、二阶系统的时域特性及稳态误差; 3.系统的频率特性:主要包括系统频率特性的概念及求法、系统的Bode图,Nyquist图;,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,4.系统的稳定性:主要研究线性定
8、常系统的稳定性条件、劳斯判据和乃奎斯特判据在系统稳定性判断方面的应用。 5.系统的校正:主要讨论相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后-超前校正和并联校正的原因和使用场合。 6.根轨迹分析法:根轨迹绘制法则及应用、采用根轨迹进行控制系统的稳定性分析和快速性分析。,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,课程的难点: 1.系统的数学模型方面的难点:拉氏变换和反拉氏变换、系统方块图的简化 2.系统频率特性方面的难点:Bode图和Nyquist图的基本作法。 3.系统的时域性能方面的难点:时域性能指标和稳态误差系数的理解及求取.,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,4.系统稳定
9、性方面的难点:乃奎斯特稳定性判据的综合应用。 5.根轨迹分析方面的难点:根轨迹的绘制方法及根据根轨迹判断系统的稳定性和响应的快速性问题。 由于本课程需要掌握的公式、结论比较多,涉及的数学知识比较多,因此在教学过程中注意与数学物理概念的紧密结合,使学生真正掌握分析问题和解决问题的方法。,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,解决课程的重点和难点的方法: 1.合理规划课程内容,注重知识的前后衔接和连贯性,介绍新的分析方法时注重讲解原因及此方法与其他方法的区别,注意回顾、复习。对重点难点内容采用讲一遍、归纳一遍、复习一遍的反复讲授形式以加深学生印象。 2.启发式教学,采用提出问题、分析问
10、题、解决方法的连续过程引导学生思考和总结。,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,3.突出重点、强调难点,引起学生的注意,提醒紧跟讲授思路,增强学习效果。 4.开设习题课和辅导答疑,习题课的重点是针对普遍掌握不好的问题,辅导答疑可以选择课间休息或单独设立的答疑时间。 5.利用现代化的教学手段,采用多媒体教学,可以提高教学质量。,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,参 考 书 目,1.现代控制工程第四版。 美Katsuhiko Ogata著,卢伯英、于海勋等译,电子工业出版社,2003.7 2.自动控制原理,吴麒主编,清华大学出版社,2004.6。 3.自动控制原理刘明
11、俊 于明祁 杨泉林编著,国防科技大学出版社,2000.2,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,4、董景新,赵长德等,控制工程基础(第3版),北京:清华大学出版社,2009. 5、 王显正,陈正航, 王旭永,控制理论基础,北京:科学出版社, 2000 6、杨叔子,杨克冲,机械工程控制基础(第4版)武汉:华中科技大学出版社,2002,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,参 考 书 目,(1),(2),(3),2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,第一章 控制系统导论,教学要求:(教材第一章) 主要内容:什么是控制?控制系统基本结构,控制理论发展历史 基本要求
12、:掌握控制系统基本结构。 预期收获:(见教材第1页),2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,1.0 控制系统相关概念定义,一、控制 通俗地说,控制就是使被控对象按照我们预定的方式工作,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,1.0 控制系统相关概念定义,被控对象亦称为控制对象或受控对象,被控对象,控制量u(t),输出 y(t),1)被控对象,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,1.0 控制系统相关概念定义,2)被控对象举例:,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,1.0 控制系统相关概念定义,3)
13、被控对象的区别:,自行高炮: 速度 方向 火控: 火炮方位角 火炮高低角,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,1.0 控制系统相关概念定义,被控对象,控制量u(t),输出y(t) 被控变量,4)被控对象的描述被控变量,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,1.0 控制系统相关概念定义,二、自动控制: 在没有人直接参与的情况下,利用控制装置使被控对象的某一物理量(被控量)自动地按照预定的规律运行。,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,例如:火炮根据雷达指挥仪传来的信息,能够自动 地改变方位角和俯仰角,随时跟踪目标,瞄准弹着点; 程序控制机床能够按预先排定的
14、工艺程序自动地进刀切削,加工出预期的几何形状; 电弧炼钢炉的电极能自动地跟随钢水的液面作上下移动,以便与液面保持一定距离; 导弹、飞机的自动驾驶仪等。,1.0 控制系统相关概念定义,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,1.0 控制系统相关概念定义,自动控制对于工农业生产和科学技术的发展具有越来越重要的作用。 不仅在宇宙航行、导弹制导、核技术以及兵器控制等新兴学科领域中是必不可少的,而且在国民经济建设的各个领域中都得到了广泛应用。 比如,发电站电压、频率的自动控制,机床的自动控制,锅炉设备中蒸汽压力的自动调节,炼钢炉温度的自动控制等等都是自动控制技术的应用。,2019年6月17日星
15、期一,三江学院机械工程学院,所有这些自动控制系统的例子,尽管它们的结构和功能各不同,但我们可以发现它们有共同的规律,即它们都是一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量,即控制量的变化而变化,或保持恒定。,1.0 控制系统相关概念定义,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,1.0 控制系统相关概念定义,一般地说如何使被控制量按照给定量的变化规律变化,这就是一个自动控制系统所要解决的最基本的问题。,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,根据对被控对象控制方式(结构)的不同,自动控制系统的基本控制方式可以分为三种: 开环控制方式 闭环(反馈)控制方式 复合控制方式,1.0 控
16、制系统相关概念定义,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,1)开环控制 在没有反馈的情况下,利用控制装置直接控制被控对象。 2)闭环控制 根据预期输出的指令(即输入指令),由控制器控制被控对象,同时对被控量进行测量,并将此测量值反馈到输入端与预期输出值(即输入值)进行比较,由此所得偏差,通过控制器来控制被控对象。,1.0 控制系统相关概念定义,2019年6月17日星期一,三江学院机械工程学院,3)复合控制方式 由于反馈控制只有在偏差出现后才产生控制作用,因此系统在强干扰作用下,控制过程中被控量可能有较大的波动。同时,为了提高系统的快速性及稳态精度,除了在主反馈回路内部进行串联或局部
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